《离子交换法》课件

离子交换法分离纯化技术的重要方法基于离子交换原理的高效分离技术目录离子交换基础概述、原理、交换剂性质与工艺物化性质、工艺方法操作与应用操作条件、水处理、分离纯化发展趋势优缺点、新材料、技术创新第一章离子交换法概述基本概念核心原理物质分离纯化的物理化学方可逆离子替代反应法应用范围水处理、分离纯化、色谱分析离子交换法的定义

1.1基本定义交换基础12固相与液相之间可逆离子等电荷离子间等当量替代交换过程反应特点3化学计量、可逆、选择性离子交换法的历史发展

1.2初始发现1年土壤中无机离子交换现象1850合成树脂2年首次合成离子交换树脂1935工业应用3年代大规模工业化应用1950现代发展4高选择性材料与精细应用离子交换法的应用领域

1.3水处理分离纯化医药工业软化、除盐、废水处糖类、氨基酸、蛋白抗生素纯化、药物分理质离分析化学离子交换色谱、元素分析第二章离子交换的基本原理离子结合离子替换1溶液离子与交换剂接触目标离子替代交换剂活性基团2再生循环平衡建立43交换剂再生后重复使用形成动态平衡状态离子交换反应

2.1反应方程式反应类型反应特点⇌阳离子交换、阴离子交换等价交换、可逆性、选择性R-A++B+R-B++A+离子交换平衡

2.2平衡常数1交换反应平衡常数决定交换程度分配系数2离子在固液相中分布比例影响因素3离子价态、离子半径、溶剂化程度离子交换动力学

2.3扩散控制离子在溶液和颗粒中扩散膜扩散离子通过树脂表面液膜颗粒扩散离子在树脂内部扩散交换反应离子与功能基团交换第三章离子交换剂天然交换剂沸石、粘土1合成无机交换剂2氧化铝、硅铝酸盐有机高分子交换剂3离子交换树脂、纤维离子交换剂的种类

3.1阳离子交换树脂

3.2强酸性阳树脂弱酸性阳树脂含磺酸基团，全范围有效含羧酸基团，仅碱性环境有pH效典型应用水软化、金属离子分离阴离子交换树脂

3.3强碱性阴树脂1含季铵基团，全范围有效pH弱碱性阴树脂2含胺基团，仅酸性环境有效主要用途3脱盐、有机酸分离结构特点4多孔型、凝胶型两性离子交换树脂

3.4双重功能两性特性特殊用途同时含阳离子和阴离子基团表现出两种交换特性缓冲液制备、特殊离子分离螯合树脂

3.5基本结构含特殊功能团能螯合金属离子螯合机理形成环状复合物结构高选择性对特定金属离子有极高选择性应用领域贵金属回收、重金属去除第四章离子交换剂的性质物理性质化学性质12粒度、孔隙度、膨胀性交换基团、稳定性使用寿命交换性能耐化学性、耐热性、抗污染性容量、选择性、动力学43物理性质

4.1粒度分布1通常，影响交换速率

0.3-

1.2mm孔隙结构2凝胶型、大孔型、超大孔型表观密度3干密度和湿密度差异机械强度4耐压、耐磨损能力化学性质

4.2官能团类型化学稳定性热稳定性磺酸基、羧酸基、胺基、季铵基耐酸碱、耐氧化还原能力最高使用温度限制交换容量

4.3总交换容量有效交换容量理论最大交换量，通常以计实际工作条件下的交换量meq/g操作交换容量测定方法实际操作中的可用交换量酸碱滴定法、原子吸收法选择性

4.4选择性系数1两种离子交换平衡关系的量化影响因素2离子价态、水合半径、浓度选择性序列3不同树脂对离子的亲和力顺序膨胀性和渗透性

4.5溶胀机理膨胀系数1树脂吸水膨胀，体积变化不同形态间体积变化比2工艺影响影响因素43影响装填密度和操作流速交联度、离子形态、介质组成第五章离子交换工艺45主要工艺类型工艺步骤固定床、流动床、连续交换、膜交换、洗脱、再生、冲洗法3工艺参数、温度、浓度、流速pH固定床法

5.1装置结构柱状容器，树脂固定不动操作方式周期性操作，交换与再生交替应用范围水处理、精细分离优势特点操作简单，设备投资低流动床法

5.2树脂流动逆流操作连续再生树脂可在系统中流动溶液与树脂逆向流动交换与再生可同时进提高效率行工业应用大规模水处理系统连续离子交换法

5.3基本特点1树脂连续移动，溶液持续处理技术优势2高效率，低再生剂消耗典型设备3转盘式、脉冲式连续交换器适用场景4大规模连续生产过程离子交换膜法

5.4膜结构工作原理技术应用固定离子交换基团的薄膜电场驱动下的离子选择性迁移电渗析、燃料电池、水电解第六章离子交换操作条件控制温度管理pH影响离子形态和交换效率12影响交换动力学和平衡流速调节浓度因素43影响接触时间和交换程度影响交换选择性和效率值的影响

6.1pHpH值阳树脂效率阴树脂效率温度的影响

6.2交换动力学高温加速离子扩散和交换反应交换平衡影响平衡常数和选择性树脂稳定性过高温度导致树脂降解最佳范围通常℃为最佳操作温度15-60浓度的影响

6.3低浓度低效率，高选择性中浓度平衡交换，稳定运行高浓度高交换速率，选择性降低超高浓度盐析效应，效率下降流速的影响

6.4空塔流速1每小时液体体积与树脂体积比接触时间2影响交换平衡达成程度压力损失3流速过高导致压力增大第七章离子交换树脂的再生饱和判断出水检测，判断树脂饱和程度反向冲洗除去杂质，松动树脂床再生剂处理通入再生剂恢复交换能力终洗脱盐冲洗残留再生剂再生的必要性

7.1容量耗尽1活性基团饱和，无法继续交换性能恢复2恢复树脂交换能力经济性考虑3树脂重复使用降低成本处理效果4保证出水水质稳定性再生方法

7.2并流再生逆流再生混合再生再生剂与原水同向流动再生剂与原水反向流动同时再生阴阳树脂再生效率

7.3再生剂的选择

7.4酸性再生剂碱性再生剂盐类再生剂、，用于、，用于、，用于软HCl H2SO4NaOH NH3NaCl KCl阳树脂阴树脂化树脂特殊再生剂等，用于螯合EDTA树脂第八章离子交换法在水处理中的应用超纯水电子、制药高纯水1除盐水2锅炉用水、工艺用水软化水3生活用水、工业预处理废水处理4重金属去除、资源回收软化水

8.1原理、被替代Ca2+Mg2+Na+树脂类型强酸性阳离子交换树脂钠型再生方法氯化钠溶液再生应用场景家庭用水、锅炉预处理除盐水

8.2预处理1过滤、软化等预处理工艺一级除盐2阳树脂和阴树脂串联混床精处理3阴阳树脂混合使用水质监控4电导率实时监测超纯水制备

8.3预处理系统过滤、软化、反渗透初级除盐两床三床系统混床精处理深度脱盐处理终端处理紫外杀菌、超滤废水处理

8.4重金属去除氨氮去除螯合树脂选择性吸附铅、汞等沸石和特殊树脂去除氨氮放射性废水资源回收选择性树脂去除放射性元素从废水中回收有价金属第九章离子交换法在化工分离中的应用糖类分离

9.1基本原理1基于糖与树脂亲和力差异分离应用实例2葡萄糖与果糖分离树脂选择3强酸性阳离子交换树脂钙型工业应用4异构化糖浆生产工艺氨基酸分离

9.2酸性氨基酸碱性氨基酸1阳离子交换树脂分离阴离子交换树脂分离2工业应用中性氨基酸43食品添加剂、药物生产螯合树脂分离有机酸分离

9.3树脂选择分离机理工业案例弱碱性阴离子交换树脂基于吸附强度和解吸条件差异柠檬酸、乳酸生产纯化金属离子分离

9.4稀土分离核燃料处理贵金属回收镧系元素的分级提取铀、钚等核燃料纯化从工业废液中回收金、银、铂第十章离子交换层析定义特点1离子交换与色谱技术结合的分离方法原理基础2离子在固定相与流动相分配不同分离模式3梯度洗脱、等度洗脱应用领域4蛋白质、多肽、核酸分离离子交换层析原理

10.1样品上样样品中离子与固定相结合差异洗脱流动相组分改变引起洗脱差异成分分离不同成分在不同时间洗脱检测收集检测器监测，分步收集离子交换层析设备

10.2高压泵色谱柱检测器收集器提供稳定流速和压力填充离子交换介质、电导率、荧光检测分步收集目标组分UV离子交换层析操作步骤

10.3树脂平衡树脂转变为适当形态并平衡样品上样样品通过柱子被吸附洗脱分离通过盐浓度或梯度洗脱pH柱子再生柱子清洗再生待下次使用离子交换层析在蛋白质分离

10.4中的应用阳离子交换分离等电点高于缓冲液的蛋白pH阴离子交换分离等电点低于缓冲液的蛋白pH梯度洗脱盐浓度梯度实现精细分离应用案例单克隆抗体纯化，酶制剂分离第十一章离子交换法的优缺点优点缺点高选择性分离再生废液处理难••设备简单，操作方便运行成本较高••处理效率高分离速度慢••优点

11.1高选择性1可实现高纯度分离可重复使用2树脂可再生多次使用工艺成熟3技术成熟可靠，应用广泛放大简便4从实验室到工业生产放大容易缺点

11.2再生废液1产生大量含盐废液需处理树脂污染2有机物、微生物可污染树脂选择性局限3对结构相似离子难分离与其他分离方法的比较

11.3分离方法选择性成本速度规模离子交换高中中大中小膜分离中低快大中溶剂萃取中高快大沉淀结晶低低慢大第十二章离子交换法的发展趋势新材料开发技术创新1高选择性、高容量新型树脂连续化、自动化工艺2应用拓展绿色环保43生物医药、环境治理新领域减少废液、资源回收新型离子交换材料

12.1纳米材料复合材料仿生材料高比表面积，快速交换动力学多功能、多级分离能力模拟生物膜，高选择性离子交换技术的创新

12.2连续工艺模拟移动床技术提高效率智能控制在线监测和自动化控制绿色再生电化学再生减少废液多技术集成与膜技术、生物技术集成总结与展望前沿研究理论创新与材料突破1技术拓展2工艺优化与应用拓展产业升级3智能化、绿色化转型基础应用4水处理、分离纯化基础应用。