《离子交换技术》课件

离子交换技术离子交换技术是一种重要的分离纯化方法广泛应用于水处理、制药和环保等领域课程概述课程目标主要内容学习方法掌握离子交换基本原理树脂制备、工艺设计、应用案例理论结合实践、案例分析第一章离子交换基础离子交换的定义历史发展可逆反应过程，固体与溶液间离子互换从天然沸石到合成树脂的演变历程离子交换的基本原理离子交换反应不溶性固体与溶液中离子互换可逆性反应可向任一方向进行等当量交换电荷守恒是基本前提离子交换材料的类型天然离子交换材料1沸石、粘土、腐殖质无机合成材料2合成沸石、水合氧化物有机合成树脂3交联聚苯乙烯基质离子交换树脂的结构骨架结构功能基团孔隙结构三维网状交联高分子决定交换性能的活性部影响交换速率和容量分离子交换树脂的分类

（一）1阳离子交换树脂2阴离子交换树脂含酸性基团，交换阳离子含碱性基团，交换阴离子3两性离子交换树脂同时含酸碱基团离子交换树脂的分类

（二）弱酸性阳离子交换树脂2含羧酸基强酸性阳离子交换树脂1含磺酸基应用特点pH范围不同3离子交换树脂的分类

（三）强碱性阴离子交换树脂1季铵基中碱性阴离子交换树脂2叔胺基弱碱性阴离子交换树脂3伯胺或仲胺基离子交换树脂的性能指标交换容量选择性膨胀度单位质量树脂可交换离子数对不同离子亲和力差异不同条件下体积变化率离子交换树脂的性能指标（续）交换速率机械强度化学稳定性离子交换反应的快慢承受压力和磨损能力耐酸碱氧化还原能力第二章离子交换动力学液膜扩散离子通过树脂周围液膜粒内扩散离子在树脂内部迁移化学反应离子与功能基团结合离子交换速率粒子扩散控制离子在树脂内迁移为限速步骤膜扩散控制离子穿过液膜为限速步骤过渡区两种控制机制并存离子交换平衡平衡常数分配系数热力学参数反映交换反应程度固液相离子浓度比△H、△G、△S离子交换等温线Langmuir Freundlich选择性系数1定义2影响因素不同离子被交换剂吸附能力比离子荷电、水合半径、离子浓值度3实际应用分离工艺设计依据第三章离子交换树脂的制备悬浮聚合法本体聚合法乳液聚合法液滴聚合形成球形颗粒整体聚合后粉碎成颗粒形成乳液状微粒离子交换树脂的功能化磺化反应1引入强酸性基团-SO₃H氯甲基化反应2为引入胺基做准备胺化反应3引入碱性基团-NR₃离子交换树脂的改性表面改性1改善表面性能骨架改性2提高结构稳定性功能基团改性3增强选择性新型离子交换材料大孔树脂、螯合树脂、复合材料和磁性交换剂第四章离子交换工艺流化床法固定床法树脂悬浮状态树脂固定，液体流动移动床法树脂液体同时流动连续离子交换技术连续进料连续交换1原料持续进入不间断吸附2连续出料连续再生43产品持续产出自动循环再生离子交换柱操作装柱树脂装入交换柱反冲洗去除杂质和气泡预处理转化为特定形态离子交换过程的主要步骤再生反洗恢复树脂交换能力交换松动树脂床，除去杂质溶液通过树脂床进行交换离子交换过程的主要步骤（续）再生1用再生剂恢复树脂活性置换2冲洗残留再生剂终冲洗3达到出水水质要求再生方法并流再生再生剂与交换同向流动逆流再生再生剂与交换反向流动再生剂的选择酸性再生剂碱性再生剂盐溶液再生剂盐酸、硫酸，再生阳树氢氧化钠，再生阴树脂氯化钠，再生软化树脂脂离子交换设备交换柱、再生系统、控制设备和辅助装置第五章离子交换应用

（一）水处理超纯水1电子、制药用水除盐水2锅炉、工业用水软化水3生活、低压锅炉用水软化水工艺1钠离子交换法2氢离子交换法Ca²⁺、Mg²⁺被Na⁺置换Ca²⁺、Mg²⁺被H⁺置换3混合交换法组合使用多种树脂除盐水工艺两床法阳床+阴床串联混床法阳阴树脂混合使用多床法多级树脂床串联超纯水制备多级离子交换电去离子技术混合床精制串联多级交换系统离子交换膜+电场最终抛光处理第六章离子交换应用

（二）工业分离金属离子分离有机物分离生物大分子分离稀土、贵金属回收糖、氨基酸纯化蛋白质、核酸提纯稀土元素分离预处理溶解、调节pH值离子交换基于不同亲和力洗脱选择性洗脱剂沉淀结晶获得纯稀土化合物糖液分离纯化脱色1去除色素和杂质脱盐2去除无机离子分馏3分离不同糖分子氨基酸分离阴离子交换法阳离子交换法在碱性条件下分离利用氨基酸两性特点第七章离子交换应用

（三）环境保护废水处理、土壤修复、地下水净化和大气污染控制重金属废水处理选择性吸附螯合离子交换专一性去除特定金属形成稳定螯合物混合床技术多种金属同时去除核废水处理土壤重金属污染修复原位修复异位修复联合修复不开挖，直接在污染地处理开挖后集中处理多种技术协同作用第八章离子交换色谱基本原理应用领域检测方法固定相与流动相间离子分配蛋白质分离、水质分析电导、UV、质谱联用离子交换色谱的分离机理离子排斥离子亲和1电荷相同排斥电荷不同吸引2疏水相互作用尺寸排阻43非极性基团间作用基于分子大小离子交换色谱的操作模式1等度洗脱2梯度洗脱流动相组成不变盐浓度或pH逐渐变化3阶梯洗脱流动相组成阶段性变化离子交换色谱在蛋白质分离中的应用阳离子交换色谱阴离子交换色谱混合模式色谱分离碱性蛋白分离酸性蛋白多种机理协同第九章离子交换膜技术离子交换膜的结构离子交换膜的性能膜寿命高分子链+固定离子基渗透性、选择性、电阻耐化学、耐热、抗污染团离子交换膜的分类异相膜均相膜多相复合，成本低结构均匀，性能稳定双极膜阴阳离子膜复合电渗析技术原理电场驱动离子迁移过程离子选择性透过膜应用海水淡化、废水处理燃料电池中的离子交换膜第十章离子交换新技术离子印迹技术1特定离子识别分子印迹技术2特定分子识别仿生离子交换材料3模拟生物功能智能离子交换材料温度敏感型、pH敏感型、光敏型和磁响应材料纳米离子交换材料制备方法独特性能自组装、模板法、化学沉积高比表面积、快速动力学应用前景催化、传感、分离纯化离子交换吸附耦合技术-1基本原理2技术优势3应用案例离子交换和吸附协同作用提高容量和选择性复杂废水处理、贵金属回收第十一章离子交换过程模拟与优化数学模型计算机模拟人工智能优化物质传递、反应平衡、动力学方程有限元分析、计算流体力学机器学习预测性能离子交换柱突破曲线理论值实验值离子交换过程优化再生过程优化树脂性能优化再生剂浓度、流量、接触时间操作参数优化粒径、交联度、功能基团流速、温度、pH值离子交换工艺的经济性分析40%设备投资25%树脂成本20%运行费用15%维护费用第十二章离子交换技术的未来展望研究热点发展趋势技术融合高选择性、高效率材料绿色低耗、智能化控制与其他分离技术协同发开发展离子交换材料的发展方向新型高分子骨架1高稳定性特异性功能基团2高选择性智能响应型材料3可控性能复合型交换剂4多功能协同离子交换技术的新兴应用生物医药能源领域食品工业蛋白药物纯化、疫苗制备氢能、燃料电池、电池材料功能糖制备、食品添加剂纯化课程总结离子交换材料制备离子交换基本原理2聚合与功能化可逆交换反应1离子交换工艺设计3柱操作与再生新技术与未来展望5典型应用案例创新材料与智能控制4水处理与分离纯化。