離子交換在食品及有關(guān)工業(yè)的應(yīng)用.ppt

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食品分離技術(shù) 離子交換 離子交換技術(shù)的發(fā)展 1814年 英國(guó)人開(kāi)始認(rèn)識(shí)了交換現(xiàn)象利用離子交換技術(shù)法軟化水始于20世紀(jì)初期在30年代 由于離子交換樹(shù)脂的出現(xiàn) 離子交換技術(shù)的應(yīng)用迅速發(fā)展 廣泛應(yīng)用于化工 醫(yī)藥 食品等領(lǐng)域 離子交換在食品及有關(guān)工業(yè)的應(yīng)用 制糖工業(yè) 采用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 如Na型陽(yáng)離子交換劑進(jìn)行糖汁一級(jí)提純的方法 水解工業(yè) 對(duì)木材和各種農(nóng)業(yè)廢物水解時(shí)所得糖溶液進(jìn)行凈化 酵母工業(yè) 廢蜜的提純水處理 水的軟化 水的軟化和部分脫鹽 水的脫鹽 制藥工業(yè)的應(yīng)用廢水處理其他 碘的提取 電解質(zhì)和非電解質(zhì)的分離 一 離子交換的基本概念 定義 利用離子交換劑能吸附溶液中一種離子同時(shí)放出另一種相同電荷的離子的特點(diǎn) 使這種交換劑和溶液之間進(jìn)行的同號(hào)離子相互交換現(xiàn)象叫離子交換 二 離子交換樹(shù)脂 一 離子交換劑的基本概況1定義 凡具有離子交換能力的物質(zhì) 統(tǒng)稱為離子交換劑 一種多孔狀的固體 不溶于水 也不溶于電解質(zhì)溶液 但能從溶液中吸取離子而進(jìn)行離子交換 2 離子交換劑的構(gòu)成 離子交換劑是由固定的 骨架 本體成分和可交換的離子基團(tuán)構(gòu)成 3 分類 按 骨架 成分分 可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類 有機(jī)合成離子交換樹(shù)脂根據(jù)樹(shù)脂所含有的活性基團(tuán)的不同 樹(shù)脂的分類如下 1 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂cation exchangeresin 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 合成樹(shù)脂的本體上帶有酸性活性基團(tuán) 可以被陽(yáng)離子所交換的樹(shù)脂 不能交換的離子稱固定離子 可交換的離子稱平衡離子 磺酸型離子交換樹(shù)脂所含有的活性基團(tuán)磺酸基 一SO3H 中 含有一個(gè)可被交換的陽(yáng)離子H 和一個(gè)不能交換的陰離子S03 能交換陽(yáng)離子的活性基團(tuán) 除磺酸基以外 還有次甲基磺酸基 一CH2SO3H 磷酸基 一PO3H2 羧基 一COOH 酚基 一0H 酸性強(qiáng)弱由活性基團(tuán)決定 根據(jù)活性基團(tuán)酸性強(qiáng)弱的不同 順序如下 強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 磺酸基 一SO3H 弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 羧基 一COOH 酚基 一OH 2 陰離子交換樹(shù)脂anionexchangeresin 陰離子交換樹(shù)脂 本體上帶有堿性活性基團(tuán) 可以被陰離子所交換的樹(shù)脂 其活性基團(tuán) 都含有一個(gè)可以交換的陰離子和一個(gè)不能交換的陽(yáng)離子 強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂 季胺基 聚苯乙烯型季胺基強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂 弱堿性陰離子交換樹(shù)脂 伯胺基 一NH2 仲胺基 一NH CH3 及叔胺基 一N CH3 2的樹(shù)脂 3 特殊的離子交換樹(shù)脂 螯合樹(shù)脂 氨基二乙酸基的樹(shù)脂對(duì)Cu2 Co2 Ni2 有很高的選擇性大孔徑離子交換吸附樹(shù)脂 合成過(guò)程中加入了一定量的致孔劑 如汽油或苯等 待聚合完畢后 再將這些惰性溶劑從聚合物中趕走 由此而形成海綿狀的高強(qiáng)度大孔徑樹(shù)脂 樹(shù)脂在極性和非極性溶劑中溶脹程度的差異較一般樹(shù)脂小 對(duì)氧化劑的穩(wěn)定性好 對(duì)大離子的交換較快 因此 可以在非水溶液和混合介質(zhì)中進(jìn)行離子交換 可用于交換相對(duì)分子質(zhì)量高的離子 萃淋樹(shù)脂 Levextrelresin 它是將液體萃取劑加入到苯乙烯和二乙烯苯單體混合物中 用特殊的懸浮聚合法制成 型號(hào)為了區(qū)別離子交換樹(shù)脂同一類型的不同品種 有三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示 第一位 代表產(chǎn)品分類 第二位 代表骨架的差異 第三位 為順序號(hào) 用以區(qū)別基團(tuán) 二 離子交換樹(shù)脂的基本性能 含水量和密度粒度交聯(lián)度溶脹變化交換容量選擇性 1 含水量和密度 商品離子交換樹(shù)脂具有親水性 常含有一定的結(jié)合水分 結(jié)合水的含量與其官能基的性質(zhì)及交聯(lián)度有關(guān) 并隨著空氣濕度變化而改變 測(cè)定樹(shù)脂含水分的方法可用烘干法 或用KarlFisher試劑滴定法 樹(shù)脂的濕真密度 是指樹(shù)脂在水中充分膨脹后 樹(shù)脂顆粒本身的密度 g cm3 一般在1 04 1 3g cm3左右 2 粒度 樹(shù)脂的粒度關(guān)系到離子交換速度 樹(shù)脂床中液流分布均勻性和液流壓強(qiáng)降 以及反洗時(shí)樹(shù)脂流失等 通常樹(shù)脂床使用的樹(shù)脂 其顆粒粒徑約0 3 1 2mm 特殊用途的細(xì)磨樹(shù)脂 其半徑可小至0 04mm粒度的方法有兩種 以顆粒半徑表示以篩子 目數(shù) 表示 標(biāo)準(zhǔn)篩又有兩種即 美國(guó)篩和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩 BSS 3 交聯(lián)度 將樹(shù)脂的骨架用交聯(lián)法形成一個(gè)巨大且可與熱固性塑料相比擬的分子網(wǎng) 這種交聯(lián)的程度稱為交聯(lián)度 樹(shù)脂的交聯(lián)度是按合成時(shí)所用單體中含有交聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)表示的 例如 聚苯乙烯樹(shù)脂的交聯(lián)度為8 DVB 它的意義是這種樹(shù)脂合成時(shí)單體中苯乙烯占92 二乙烯苯占8 離子交換樹(shù)脂的交聯(lián)度與其許多性質(zhì) 溶解度 交換容量 膨脹性 選擇性 含水量 穩(wěn)定性等 都有關(guān)系 交聯(lián)度大的樹(shù)脂特點(diǎn) 空隙率小 相對(duì)密度大 含水率高交聯(lián)網(wǎng)孔直徑小 因而離子交換選擇性大 但交換速度變慢導(dǎo)入活性基團(tuán)較困難 故交換容量較小樹(shù)脂機(jī)械強(qiáng)度較大穩(wěn)定性好 4 溶脹變化 干的離子交換樹(shù)脂浸入純水后 水即擴(kuò)散入樹(shù)脂交聯(lián)網(wǎng)孔內(nèi) 此時(shí) 樹(shù)脂交換基團(tuán)在水中即發(fā)生解離 并形成水合離子 從而使樹(shù)脂交聯(lián)網(wǎng)孔增大 發(fā)生膨脹 稱為樹(shù)脂膨脹 溶脹變化通常按干樹(shù)脂所吸取的水的百分率來(lái)表示 或稱溶脹率 樹(shù)脂溶脹影響因素 所接觸的介質(zhì) 空氣 水 溶劑 樹(shù)脂本身的結(jié)構(gòu)特征電荷密度 離子時(shí)的性質(zhì)和濃度 反離子的種類 5 交換容量 交換容量是說(shuō)明樹(shù)脂的交換能力 通常按每克干樹(shù)脂所能交換的離子的毫摩爾來(lái)表示 在工業(yè)上 常按單位體積樹(shù)脂所能交換的物質(zhì)的量 摩爾 表示 交換容量的表示法 全交換容量它是指樹(shù)脂活性基團(tuán)中所有可交換離子全部被交換的交換容量 其單位常用 mol kg 或 mol m3表示 工作交換容量它是指動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)下的交換容量 其影響因素主要是 進(jìn)液的離子濃度 交換操作的控制指標(biāo) 樹(shù)脂層的高度 交換速度 樹(shù)脂粒度以及活性基團(tuán)的形式等 工作交換容量的單位常用mmol cm3表示 有效交換容量它為工作交換容量減去因正洗損失的交換容量 單位常用mmol cm3表示 6 選擇性 選擇性是指離子交換劑對(duì)不同離子的親和力 在低濃度的水溶液中和室溫條件下 多價(jià)離子比單價(jià)離子優(yōu)先交換 等價(jià)離子的選擇性隨著原子序數(shù)的增加而增加在高濃度溶液中 多價(jià)離子的選擇性隨著濃度的提高而減小 三 離子交換的基本原理 1 作用實(shí)質(zhì)上是一種溶液中的電解質(zhì)和不溶性電解質(zhì)的固 液兩相接觸時(shí)所進(jìn)行的復(fù)分解反應(yīng) 離子交換反應(yīng)是可逆的 逆反應(yīng)稱之為再生 因此 離子交換劑經(jīng)再生后可反復(fù)使用 例如以泡沸石軟化水 泡沸石可以用Na2R來(lái)表示 其中R表示極大的陰離子部分 而Na 則是可被置換的離子 泡沸石中的Na 和水中的Ca2 起了交換反應(yīng) 水中的Ca2 被離子交換劑吸附而水被軟化 2 唐南理論 DonnanTheory 認(rèn)為離子交換樹(shù)脂是一種具有彈性的凝膠 因吸收水分而溶脹 溶脹后的離子交換樹(shù)脂內(nèi)部看作是一滴濃的電解質(zhì)溶液 樹(shù)脂顆粒和外部溶液的界面看作是一種半透膜 樹(shù)脂內(nèi)部活性基團(tuán)上電離出來(lái)的平衡離子和外部溶液中帶同種電荷的離子可以通過(guò)半透膜往來(lái)擴(kuò)散進(jìn)行交換 樹(shù)脂骨架上的固定離子是不能擴(kuò)散的 對(duì)于陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 它的平衡離子是陽(yáng)離子 因而可以和外部溶液中的陽(yáng)離子進(jìn)行交換 它的固定離子是帶負(fù)電荷的陰離子 由于陽(yáng)離子交換樹(shù)脂內(nèi)部存在著眾多的帶負(fù)電荷的固定離子 它們所產(chǎn)生的排斥力使溶液中的陰離子不能進(jìn)入樹(shù)脂顆粒內(nèi)部進(jìn)行交換 這種現(xiàn)象稱為唐南排斥 這就是陽(yáng)離子交換樹(shù)脂能交換陽(yáng)離子 不能交換陰離子的原因 3 離子交換動(dòng)力學(xué) 離子交換過(guò)程包括下面5個(gè)步驟 交換離子從溶液主體中擴(kuò)散到樹(shù)脂顆粒與溶液的界面上交換離子在樹(shù)脂顆粒內(nèi)部交換網(wǎng)孔中的擴(kuò)散交換離子與樹(shù)脂基團(tuán)上離子進(jìn)行交換反應(yīng)被交換下來(lái)的離子 在樹(shù)脂交聯(lián)網(wǎng)內(nèi)向界面擴(kuò)散被交換下來(lái)的離子從界面向溶液主體擴(kuò)散因此 交換過(guò)程包括 交換反應(yīng)和一系列擴(kuò)散過(guò)程 5 離子交換速率 外部擴(kuò)散速率內(nèi)部擴(kuò)散速率離子交換過(guò)程的總傳質(zhì)系數(shù) 6 影響離子交換速率的因素 考慮流體力學(xué)條件的影響樹(shù)脂直徑也影響交換的機(jī)理樹(shù)脂粒度一定 增加溶液中交換離子的濃度 將會(huì)增加外部擴(kuò)散速率 但對(duì)內(nèi)部速率則幾乎無(wú)影響 另外 樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)以及交換離子的價(jià)數(shù)等也是影響離子交換速率的因素 四 離子交換的操作過(guò)程 裝置及其設(shè)計(jì)原理 一 離子交換的操作過(guò)程大致可分為4個(gè)階段 即交換 反洗 再生 正洗 交換柱內(nèi)的再生 反洗的目的松動(dòng)壓緊的樹(shù)脂床層 使床層膨脹清除截留在樹(shù)脂層內(nèi)的懸浮物和有機(jī)雜質(zhì)沖洗細(xì)小的樹(shù)脂碎粉再生的目的 使交換終了失效的樹(shù)脂上已吸附的離子除去 并代之以新的被交換離子 從而達(dá)到反復(fù)使用的目的 二 裝置分類 可粗分為間歇式 固定床 連續(xù)式移動(dòng)床及連續(xù)式流動(dòng)床離子交換設(shè)備 1 間歇式離子交換 是指把離子交換劑與被處理的溶液混合 加以適當(dāng)攪拌 使之達(dá)到適當(dāng)交換平衡 然后濾出溶液使之分離的一種操作方式 通常用于實(shí)驗(yàn)室或小型工業(yè)生產(chǎn) 最簡(jiǎn)單的裝置就是采用一個(gè)具有攪拌器的罐 2 固定床離子交換 是把離子交換劑放在交換柱內(nèi)處于固定態(tài) 被處理的溶液在動(dòng)態(tài)下流過(guò)交換柱 固定床的優(yōu)點(diǎn) 設(shè)備簡(jiǎn)單 操作方便 適用于各種規(guī)模的生產(chǎn) 固定床的缺點(diǎn)是離子交換劑的利用率低 再生費(fèi)用大 濾速增高時(shí) 壓強(qiáng)降增大也快 柱式固定床剖視圖 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 有一個(gè)合適的離子交換樹(shù)脂床支撐體 有一個(gè)分布器 使進(jìn)料能均勻分布流過(guò)樹(shù)脂床 有反洗控制裝置 要使反洗壓力分布均勻 3 連續(xù)式離子交換 原理 離子交換和再生的過(guò)程在單元裝置的不同部位同時(shí)進(jìn)行 真正的連續(xù)過(guò)程應(yīng)是從交換柱出來(lái)的已飽和樹(shù)脂被連續(xù)地轉(zhuǎn)移并與新鮮再生劑接觸 經(jīng)過(guò)再生和清洗的樹(shù)脂在循環(huán)回到交換柱使用 三 設(shè)計(jì)主要解決下面幾個(gè)問(wèn)題 選擇離子交換劑的類型和操作方式確定操作條件和計(jì)算離子交換劑的用量確定離子交換單元設(shè)備的尺寸考慮各種附屬裝置 復(fù)習(xí)題 什么是離子交換 離子交換劑能吸附溶液中一種離子同時(shí)放出另一種相同電荷的離子 這種交換劑合溶液之間進(jìn)行的同號(hào)離子相互交換現(xiàn)象離子交換的操作過(guò)程大致可分為4個(gè)階段 即交換 反洗 再生 正洗 其中反洗和再生的目的是什么 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂只能交換陽(yáng)離子 不能交換陰離子 反映離子交換樹(shù)脂的基本性能的有 含水量和密度 粒度 交聯(lián)度 溶脹變化 交換容量 選擇性