第七章 离子交换分离技术-2011

1、第七章离子交换分离技术第七章离子交换分离技术 SO3H + NaCl SO3Na + HCl 第一节第一节 概述概述 在食品和制药工业中，很多原料和产品是极性的，在食品和制药工业中，很多原料和产品是极性的， 在一定条件下可以使其带电，带电后则可用离子交在一定条件下可以使其带电，带电后则可用离子交 换法进行分离和纯化。换法进行分离和纯化。 离子交换剂离子交换剂是由基质、荷电基团和反离子构成，在是由基质、荷电基团和反离子构成，在 水中呈不溶解状态，能释放出反离子。水中呈不溶解状态，能释放出反离子。 离子交换离子交换基质基质是一类表面带有可交换离子的功能高是一类表面带有可交换离子的功能高 分子材料，

2、如树脂、纤维素、葡聚糖、琼脂糖等，分子材料，如树脂、纤维素、葡聚糖、琼脂糖等， 不溶于水也不溶于电解质溶液。不溶于水也不溶于电解质溶液。 基质表面结合了大量基质表面结合了大量功能基团功能基团，功能基团由固定在，功能基团由固定在 骨架上的骨架上的荷电基团荷电基团和和可交换的离子可交换的离子两部分组成，二两部分组成，二 者所带电荷相反，以静电力结合。者所带电荷相反，以静电力结合。 可进行交换的离子称为可进行交换的离子称为反离子反离子或抗衡离子，这种反或抗衡离子，这种反 离子可与溶液中带同种电荷的离子进行交换反应。离子可与溶液中带同种电荷的离子进行交换反应。 离子交换反应是离子交换反应是可逆可逆的，

3、是的，是平衡反应平衡反应 离子交换法离子交换法通过带电的溶质分子与离子交换通过带电的溶质分子与离子交换 剂中可交换的离子进行交换而分离纯化。剂中可交换的离子进行交换而分离纯化。 历史回顾历史回顾 1814年英国年英国Thompson和和Way发现铵离子发现铵离子 与土壤中钙离子的交换现象开始的与土壤中钙离子的交换现象开始的 1870年年Lemberg的实验又证明离子交换过的实验又证明离子交换过 程的可逆性和当量关系程的可逆性和当量关系 软化水始于软化水始于20世纪初期，德国化学家世纪初期，德国化学家Gens 应用沸石软化水及处理蔗糖浆以除去钙离应用沸石软化水及处理蔗糖浆以除去钙离 子子 193

4、5年年Adams和和Holmes合成了酚醛型离合成了酚醛型离 子交换树脂子交换树脂 第二节离子交换剂第二节离子交换剂 离子交换剂离子交换剂是由基质、荷电基团和反离子是由基质、荷电基团和反离子 构成构成 一、离子交换剂基质一、离子交换剂基质 离子交换剂基质是一类不溶于水和电解质离子交换剂基质是一类不溶于水和电解质 溶液的大分子物质：溶液的大分子物质： 通用型聚合树脂类：以聚合树脂作为基质通用型聚合树脂类：以聚合树脂作为基质 (基体，基体，matrix)的离子交换剂。的离子交换剂。 多糖类基质：以多糖材料为基体，通过接多糖类基质：以多糖材料为基体，通过接 枝引入交换基团而制成的离子交换材料。枝引入

5、交换基团而制成的离子交换材料。 （一）通用型聚合树脂类（一）通用型聚合树脂类 聚合树脂的制造方法：缩聚法聚合树脂的制造方法：缩聚法 、加聚法、加聚法 缩聚法缩聚法制得的树脂一般稳定性较差，多半为无定形制得的树脂一般稳定性较差，多半为无定形(或或 球状球状)，以甲醛等作为交联剂，树脂的交联度不易控制，以甲醛等作为交联剂，树脂的交联度不易控制， 反应复杂，结构不十分确定，大多为多功能团。反应复杂，结构不十分确定，大多为多功能团。 加聚法加聚法制造的树脂，一般结构确定，常为单功能团的，制造的树脂，一般结构确定，常为单功能团的， 树脂一般性能好，多为球形，以树脂一般性能好，多为球形，以二乙烯苯二乙烯苯

6、等为交联剂。等为交联剂。 加聚法树脂制造原料主要有加聚法树脂制造原料主要有苯乙烯苯乙烯和和丙烯酸丙烯酸(酯酯)两大类。两大类。 丙烯酸系树脂丙烯酸系树脂能交换吸附大多数离子型色素，脱色容量能交换吸附大多数离子型色素，脱色容量 大，而且吸附物较易洗脱，便于再生。大，而且吸附物较易洗脱，便于再生。苯乙烯系树脂苯乙烯系树脂擅擅 长吸附芳香族物质，善于吸附多酚类色素长吸附芳香族物质，善于吸附多酚类色素(包括带负电包括带负电 的或不带电的的或不带电的)，但在再生时较难洗脱。，但在再生时较难洗脱。 其他有机单体聚合树脂。其他有机单体聚合树脂。 + DVB CH2CH CH2CH CH2CHCH2CH H2

7、SO4 HCl SO3 SO3 CH2CH CH2CH H2SO4 OHOH SO3H HCHO CH2 OH SO3H OH SO3H 二乙烯苯百分数二乙烯苯百分数：高，高，则交联度高，树脂聚合得则交联度高，树脂聚合得 比较紧密，坚牢而耐用，密度较高，内部空隙较比较紧密，坚牢而耐用，密度较高，内部空隙较 少，对离子的选择性较强。少，对离子的选择性较强。 低，低，则树脂孔隙较大，脱色能力较强，反应速度则树脂孔隙较大，脱色能力较强，反应速度 较快，但在工作时的膨胀性较大，机械强度稍低，较快，但在工作时的膨胀性较大，机械强度稍低， 比较脆而易碎。比较脆而易碎。 交联度一般不低于交联度一般不低于4%

8、，用于脱色的交联度一般不，用于脱色的交联度一般不 高于高于8%，单纯用于吸附无机离子的树脂，其交联，单纯用于吸附无机离子的树脂，其交联 度可较高。度可较高。 凝胶型树脂凝胶型树脂：二乙烯苯百分数高：二乙烯苯百分数高 大孔型树脂大孔型树脂：交联度低（交联剂的百分比低），：交联度低（交联剂的百分比低）， 孔隙大，树脂内部表面积大，因此适宜于吸附大孔隙大，树脂内部表面积大，因此适宜于吸附大 分子和用做催化剂。分子和用做催化剂。 离子交换树脂的命名离子交换树脂的命名 命名规定：由分类名称，骨架命名规定：由分类名称，骨架(或基团或基团)名称，基本名称名称，基本名称 排列组成。排列组成。 对大孔型离子交换

9、树脂，在型号的前面加对大孔型离子交换树脂，在型号的前面加“D”表示，表示， 凝胶型离子交换树脂在型号的后面用凝胶型离子交换树脂在型号的后面用“”接阿拉伯数接阿拉伯数 字。字。 交联度数值交联度数值 顺序号顺序号 骨架代号骨架代号 分类代号分类代号 D D 大孔型代号大孔型代号 顺序号顺序号 骨架代号骨架代号 分类代号分类代号 在国外主要是以公司来命名，国内则根据石油化在国外主要是以公司来命名，国内则根据石油化 学工业部学工业部1977年制定的年制定的离子交换树脂产品分类、离子交换树脂产品分类、 命名及型号命名及型号部颁标准，根据离子交换树脂功能部颁标准，根据离子交换树脂功能 性质不同将其分为七

10、类。性质不同将其分为七类。 代号代号骨架分类骨架分类代号代号骨架分类骨架分类 0苯乙烯系苯乙烯系4乙烯吡啶系乙烯吡啶系 1丙烯酸系丙烯酸系5脲醛系脲醛系 2酚醛系酚醛系6氯乙烯系氯乙烯系 3环氧系环氧系 代号代号分类名称分类名称代号代号分类名称分类名称 0强酸性强酸性4螯合性螯合性 1弱酸性弱酸性5两性两性 2强碱性强碱性6氧化还原氧化还原 3弱碱性弱碱性 离子交换树脂产品的分类代号离子交换树脂产品的分类代号 离子交换树脂骨架分类代号离子交换树脂骨架分类代号 00l7 D315 0017苯乙烯系强酸性离子交换树脂苯乙烯系强酸性离子交换树脂 用于：硬水软化、脱盐水、纯用于：硬水软化、脱盐水、纯

11、水制备、稀有元素分离、分离水制备、稀有元素分离、分离 和提取氨基酸制糖、制药可作和提取氨基酸制糖、制药可作 为催化剂和脱水剂为催化剂和脱水剂 国内外离子交换树脂相应牌号对照国内外离子交换树脂相应牌号对照 704 = 3112 717 = 2017 732 = 0017 711 = 2014 703 = D311 HD42 = 001 （二）多糖类基质（二）多糖类基质 以多糖材料为基体，通过接枝引入交换基团而制以多糖材料为基体，通过接枝引入交换基团而制 成的离子交换材料。成的离子交换材料。 特点：特点：有开放性支持骨架，大分子可以自由进入有开放性支持骨架，大分子可以自由进入 和迅速扩散，因而交换

12、空间大；亲水性强，吸附和迅速扩散，因而交换空间大；亲水性强，吸附 力弱，洗脱时不需要剧烈的条件，对生物大分子力弱，洗脱时不需要剧烈的条件，对生物大分子 物质变性作用小物质变性作用小。 以纤维素为基质：甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维以纤维素为基质：甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维 素（素（CMC）、二乙基氨基乙基（）、二乙基氨基乙基（DEAE）纤维素）纤维素 以葡聚糖凝胶为基质：以葡聚糖凝胶为基质：Sephadex G25和和 Sephadex G50 琼脂糖凝胶：琼脂糖凝胶：Sepharose， 命名：命名：交换活性基团交换活性基团+骨架骨架+原骨架编号原骨架编号 CM-sephadex C-25、DE

13、AE-sephadex A-25 二、离子交换基团二、离子交换基团 根据根据可交换离子的种类可交换离子的种类分分 ： 阳离子交换剂、阴离子交换剂阳离子交换剂、阴离子交换剂 根据根据其解离性大小其解离性大小分：强、弱。分：强、弱。 阳离子交换剂阳离子交换剂 解离基团主要有磺酸（解离基团主要有磺酸（-SO3H）、磷酸（）、磷酸（- PO3H2）、）、 羧酸（羧酸（-COOH）和酚羟基（）和酚羟基（- OH）等酸性基团。）等酸性基团。 强酸性：强酸性：R-SO3-H+Na+R-SO3-Na+H+ 弱酸性：弱酸性：R-COOHNa+ R-COONaH+ 阴离子交换剂阴离子交换剂 可解离基团主要有伯胺可

14、解离基团主要有伯胺(-NH2)、仲胺、仲胺(-NHCH3)、 叔胺叔胺N-(CH3)2和季胺和季胺-N(CH3)3、DEAE等碱等碱 性基团。性基团。 强碱性：强碱性： R-N+(CH3)3 OH-Cl-R-N+(CH3)2 Cl-OH- 弱碱性：弱碱性： R-NH(CH3) OHCl-R-NH(CH3)ClOH- 三、其他类型的树脂三、其他类型的树脂 含有一种以上的活性基团。含有一种以上的活性基团。 Eg:同时含羧基和酚羟基的树脂、既含有酸同时含羧基和酚羟基的树脂、既含有酸 性基团，又含有碱性基团的两性树脂性基团，又含有碱性基团的两性树脂 螯合树脂 四、离子交换树脂的理化性能及其四、离子交换

15、树脂的理化性能及其 测定方法测定方法 含水量：含水量： 颗粒度：机械筛分测颗粒度：机械筛分测 膨胀度：膨胀系数膨胀度：膨胀系数 湿真密度：比重瓶法湿真密度：比重瓶法 滴定曲线滴定曲线 离子交换容量：每克干树脂或每毫升湿树脂所能离子交换容量：每克干树脂或每毫升湿树脂所能 交换的离子的毫克当量数交换的离子的毫克当量数 吸附选择性：影响因素吸附选择性：影响因素 ？ 1含水量含水量 通常树脂是亲水性的，因此常含有很多水通常树脂是亲水性的，因此常含有很多水 分。分。 将树脂在将树脂在105110干燥至恒重就可测定其干燥至恒重就可测定其 含水量含水量。 将树脂放在一定的离心力场下将树脂放在一定的离心力场下

16、(通常为通常为400 g)，在一定的时间内，在一定的时间内(30 min)所失去的水分所失去的水分 称为称为溶胀水溶胀水。 2. 颗粒度颗粒度 颗粒度颗粒度一般以有效粒径和匀度系数来表示。一般以有效粒径和匀度系数来表示。 有效粒径有效粒径指保留指保留90样品质量的筛子孔径；样品质量的筛子孔径； 匀度系数匀度系数的定义为：保留的定义为：保留40样品质量的样品质量的 筛孔径与保留筛孔径与保留90样品质量的筛孔径之比。样品质量的筛孔径之比。 其值愈小表示粒度分布愈均匀。其值愈小表示粒度分布愈均匀。 测定方法测定方法：机械筛分、沉降和显微镜观察：机械筛分、沉降和显微镜观察 等等 3. 膨胀度膨胀度 膨

17、胀系数与树脂的交联度有关。膨胀系数与树脂的交联度有关。 取取1015 ml烘干树脂放入量筒中，加入欲烘干树脂放入量筒中，加入欲 试验的试剂，通常是水，不时摇动，试验的试剂，通常是水，不时摇动，24 h 后，测定树脂体积。前后体积之比，称为后，测定树脂体积。前后体积之比，称为 膨胀系数。膨胀系数。 4. 湿真密度湿真密度 取处理成所需形式的湿树脂，在布氏漏斗取处理成所需形式的湿树脂，在布氏漏斗 中抽干。迅速称取中抽干。迅速称取W2(一般一般25 g)抽干树脂，抽干树脂， 放入比重瓶中加水至刻度称重放入比重瓶中加水至刻度称重W3。湿真密。湿真密 度按下式计算（比重瓶充满水时重度按下式计算（比重瓶充

18、满水时重W1）。）。 （湿真密度）（湿真密度）W2/(W1-W3) 5. 滴定曲线滴定曲线 测定平衡时的测定平衡时的pH值，以每克干树脂所加入值，以每克干树脂所加入 的的NaOH或或HCl的量的量(毫摩尔毫摩尔)为横坐标，以为横坐标，以 平衡平衡pH值为纵坐标，就得到滴定曲线。值为纵坐标，就得到滴定曲线。 测定平衡时的测定平衡时的pH 值，以每克干树脂值，以每克干树脂 所加入的所加入的NaOH或或 HCl的量的量(毫摩尔毫摩尔) 为横坐标，以平衡为横坐标，以平衡 pH值为纵坐标，值为纵坐标， 就得到滴定曲线。就得到滴定曲线。 6. 离子交换容量离子交换容量 每克干树脂或每毫升湿树脂所能交换的离

19、子的毫克每克干树脂或每毫升湿树脂所能交换的离子的毫克 当量数，当量数，meq/g(干干)或或 meq/mL(湿湿)；当离子为一价；当离子为一价 时，毫克当量数即是毫克分子数时，毫克当量数即是毫克分子数(对二价或多价离子，对二价或多价离子， 前者为后者乘离子价数前者为后者乘离子价数)。 总交换容量总交换容量表示每单位数量表示每单位数量(重量或体积重量或体积)树脂能进树脂能进 行离子交换反应的化学基团的总量。行离子交换反应的化学基团的总量。 工作交换容量工作交换容量表示树脂在某一定条件下的离子交表示树脂在某一定条件下的离子交 换能力，它与树脂种类和总交换容量，以及具体工换能力，它与树脂种类和总交换

20、容量，以及具体工 作条件（溶液的组成、流速、温度等因素）有关。作条件（溶液的组成、流速、温度等因素）有关。 再生交换容量再生交换容量表示在一定的再生剂量条件下所取表示在一定的再生剂量条件下所取 得的再生树脂的交换容量，表明树脂中原有化学基得的再生树脂的交换容量，表明树脂中原有化学基 团再生复原的程度。团再生复原的程度。 再生交换容量为总交换容量的再生交换容量为总交换容量的5090%(一般控制一般控制 7080%)，而工作交换容量为再生交换容量的，而工作交换容量为再生交换容量的 3090%(对再生树脂而言对再生树脂而言)，后一比率亦称为树脂的，后一比率亦称为树脂的 利用率。利用率。 离子树脂交换

21、容量的测定一般以离子树脂交换容量的测定一般以无机离子无机离子 进行。进行。 测定方法：测定方法：可先将树脂处理成氢型。称几可先将树脂处理成氢型。称几 克树脂，测其含水量，同时称取若干克树克树脂，测其含水量，同时称取若干克树 脂，加入一定量的标准脂，加入一定量的标准NaOH溶液静置一昼溶液静置一昼 夜夜(强酸性树脂强酸性树脂)或数昼夜或数昼夜(弱酸性树脂弱酸性树脂)后，后， 测定剩余测定剩余NaOH的毫摩尔数，就可求得总交的毫摩尔数，就可求得总交 换容量。换容量。 7. 离子交换树脂的吸附选择性离子交换树脂的吸附选择性 离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一离子受树脂交换吸附作用的强弱程度有一 般

22、的规律。其般的规律。其影响因素影响因素主要有：主要有： 离子的水化半径离子的水化半径 离子的化合价离子的化合价 溶液的酸碱度溶液的酸碱度 树脂的交联度和孔隙率树脂的交联度和孔隙率 树脂与离子的辅助作用力树脂与离子的辅助作用力 有机溶剂等。有机溶剂等。 （1）离子半径）离子半径 水化半径水化半径较小的离子较易吸附，较大时就较难吸较小的离子较易吸附，较大时就较难吸 附。附。 对于一价阳离子对于一价阳离子 Li+Na+NH4+Rb+Cs+Ag+Ti+ 对于二价阳离子对于二价阳离子 Mg2+Zn2+Cu2+Ni2+Co2+Ca2+Cs2+ Pb2+Ba2+ 对于一价阴离子对于一价阴离子 F-HCO3-

23、C1-HSO3-Br-NO3-I-ClO4- （2）离子的化合价）离子的化合价 对阳离子的吸附，高价离子通常被优先吸对阳离子的吸附，高价离子通常被优先吸 附附 同一种树脂对应同一工作液中的多种离子，同一种树脂对应同一工作液中的多种离子， 优先吸附化合价高的离子优先吸附化合价高的离子 在蛋白质、抗生素分离纯化时，优先吸附在蛋白质、抗生素分离纯化时，优先吸附 带电量大的蛋白质和抗生素。带电量大的蛋白质和抗生素。 （3）溶液的酸碱度）溶液的酸碱度 溶液的溶液的pH值对各种树脂的影响是不同的值对各种树脂的影响是不同的 对于对于弱酸弱酸性树脂，在酸性和中性下，它的电离度性树脂，在酸性和中性下，它的电离度

24、 很小，氢离子不易游离出来，因此交换容量很低，很小，氢离子不易游离出来，因此交换容量很低， 只有在碱性的情况下，才能起交换作用；只有在碱性的情况下，才能起交换作用； 对对强酸强酸性树脂，一般在所有的性树脂，一般在所有的pH范围内能起交换范围内能起交换 作用。作用。 对于对于弱碱弱碱性树脂，只能在酸性的情况下才能起作性树脂，只能在酸性的情况下才能起作 用，用， 对对强碱强碱性树脂，则性树脂，则pH范围没有限制。范围没有限制。 （4）树脂的交联度、膨胀度和分子筛）树脂的交联度、膨胀度和分子筛 对于无机离子和有机大分子对于无机离子和有机大分子,交联度大、膨胀度小交联度大、膨胀度小 的树脂选择性比较好

25、的树脂选择性比较好 对于大离子的吸附，情况要复杂些。对于大离子的吸附，情况要复杂些。膨胀度膨胀度:当膨当膨 胀系数的值很小时，空间效应占主要地位，交换胀系数的值很小时，空间效应占主要地位，交换 容量随膨胀系数而增加。当膨胀系数增大到一定容量随膨胀系数而增加。当膨胀系数增大到一定 值时，树脂内部为大分子所达到的程度变化就不值时，树脂内部为大分子所达到的程度变化就不 大，此时选择性的影响占主要地位，因此交换容大，此时选择性的影响占主要地位，因此交换容 量随膨胀系数的增加而降低。量随膨胀系数的增加而降低。 增大树脂的交联度，有机大分子便不能进入树脂增大树脂的交联度，有机大分子便不能进入树脂 内部，但

26、无机离子不受阻碍内部，但无机离子不受阻碍(或者认为两者在树脂或者认为两者在树脂 内扩散速度不等内扩散速度不等)，利用这一原理将大分子和无机，利用这一原理将大分子和无机 离子分开的方法，称为离子分开的方法，称为分子筛方法分子筛方法。 （5）树脂和交换离子间的辅助力）树脂和交换离子间的辅助力 对于小分子的无机离子，一般以库仑力为对于小分子的无机离子，一般以库仑力为 主。但对于一些生物大分子来说，除带电主。但对于一些生物大分子来说，除带电 产生的库仑力外，还可能产生各种作用力，产生的库仑力外，还可能产生各种作用力， 如氢键、范德华力等。如氢键、范德华力等。 吸附大分子时起主要作用的是范德华力，吸附大

27、分子时起主要作用的是范德华力， 而库仑力居次要地位。而库仑力居次要地位。 因为，亲和力随离子的水化半径增大而增因为，亲和力随离子的水化半径增大而增 大大 （6）有机溶剂的影响）有机溶剂的影响 当有机溶剂存在时，常常会使对有机离子当有机溶剂存在时，常常会使对有机离子 的选择性降低，而容易吸附无机离子。的选择性降低，而容易吸附无机离子。 原因：原因：离子溶剂化程度降低；影响离子的离子溶剂化程度降低；影响离子的 电离度，使它减小，尤其是有机离子，影电离度，使它减小，尤其是有机离子，影 响更显著。响更显著。 第三节离子交换原理第三节离子交换原理 一、离子交换平衡一、离子交换平衡 m1为反离子为反离子U

28、浓度为浓度为1时溶质时溶质X的分配系数的分配系数. ab a U m m / 1 ab bUaRXaXbRU a b b b a a XU XRU URX K 离子强度离子强度I代替反离子浓度代替反离子浓度: ab I m m / 1 蛋白质的分配系数与离子强度的关系：蛋白质的分配系数与离子强度的关系： b/a 是蛋白质的静电荷是蛋白质的静电荷b与反离子的离子价数与反离子的离子价数 a之比的绝对值。一般蛋白质带电数较大，因此之比的绝对值。一般蛋白质带电数较大，因此 b/a 数值较大，离子强度数值较大，离子强度I的微小变化会引起的微小变化会引起 分配系数的很大改变。分配系数的很大改变。 在相同的

29、离子强度和在相同的离子强度和pH下，由于不同蛋白质带电下，由于不同蛋白质带电 性质的不同，其分配系数相差很大，此性质用于性质的不同，其分配系数相差很大，此性质用于 分离不同的蛋白质效果显著。分离不同的蛋白质效果显著。 另外，由于离子交换过程中溶质的分配系数随离另外，由于离子交换过程中溶质的分配系数随离 子强度增大而急剧降低，因此离子交换操作需在子强度增大而急剧降低，因此离子交换操作需在 低离子强度下进行。低离子强度下进行。 ab I m m / 1 二、离子交换速度二、离子交换速度 离子交换过程离子交换过程 A+离子由溶液中扩散到树离子由溶液中扩散到树 脂表面脂表面 A+离子从树脂表面再扩散离

30、子从树脂表面再扩散 到树脂内部的活性中心到树脂内部的活性中心 A+离子与离子与RB在活性中心在活性中心 上发生复分解反应上发生复分解反应 解吸离子解吸离子B+自树脂内部的自树脂内部的 活性中心扩散到树脂表面活性中心扩散到树脂表面 B+离子从树脂表面扩散到离子从树脂表面扩散到 溶液中溶液中 BRARBA 扩散是控制步骤扩散是控制步骤 （二）影响交换速度的因素（二）影响交换速度的因素 颗粒大小、交联度颗粒大小、交联度 、温度、温度 、离子的化合价、离子的化合价 、离子的大、离子的大 小小 、搅拌速度、搅拌速度 、溶液浓度、溶液浓度 图图7-6中中 的编的编 号号 DVB/ % r0/cm温度温度

31、/ BDi106平均饱和平均饱和 时间时间/s 150.0272250.0826.13.7 2170.0273500.0292.210.4 3170.0273250.01431.0821.0 4170.0446250.00161.2349 1.颗粒大小颗粒大小颗粒减小无论对内部扩散控制或外颗粒减小无论对内部扩散控制或外 部扩散控制的场合，都有利于交换速度的提高，部扩散控制的场合，都有利于交换速度的提高， 但对内扩散的场合，影响更为显著。但对内扩散的场合，影响更为显著。 2.交联度交联度交联度越低树脂越易膨胀，其内部孔交联度越低树脂越易膨胀，其内部孔 隙率越高，离子在树脂内部扩散就较容易。隙率越

32、高，离子在树脂内部扩散就较容易。 3.温度温度温度越高，离子运动越剧烈，互相碰撞温度越高，离子运动越剧烈，互相碰撞 和交换的几率增大。和交换的几率增大。 4.离子的化合价离子的化合价离子在树脂中扩散时，与树脂离子在树脂中扩散时，与树脂 骨架骨架(和扩散离子的电荷相反和扩散离子的电荷相反)间存在库仑引力；间存在库仑引力； 离子的化合价越大，这种引力越大，因此，扩散离子的化合价越大，这种引力越大，因此，扩散 速度就愈小。速度就愈小。 5.离子的大小离子的大小小离子的交换速度比较快。主要小离子的交换速度比较快。主要 是因为大分子会和树脂骨架碰撞，因而在树脂中是因为大分子会和树脂骨架碰撞，因而在树脂中

33、 的扩散速度慢，有时甚至使骨架变形。（分子筛的扩散速度慢，有时甚至使骨架变形。（分子筛 ） 6.搅拌速度搅拌速度当液膜控制时，增加搅拌速度会使当液膜控制时，增加搅拌速度会使 交换速度增加，但增大到一定程度后再继续增加交换速度增加，但增大到一定程度后再继续增加 转速，影响就比较小。转速，影响就比较小。 7.溶液浓度溶液浓度当溶液浓度为当溶液浓度为0.001 mol/L时，一般时，一般 为外扩散控制。当浓度增加时，交换速度也按比为外扩散控制。当浓度增加时，交换速度也按比 例增加。当浓度达到例增加。当浓度达到0.01 mol/L 左右时，浓度再左右时，浓度再 增加，交换速度就增加得较慢。此时内扩散和

34、外增加，交换速度就增加得较慢。此时内扩散和外 扩散同时起作用。当浓度再继续增加，交换速度扩散同时起作用。当浓度再继续增加，交换速度 达到极限值后就不再增大，此时已转变为内扩散达到极限值后就不再增大，此时已转变为内扩散 控制。控制。 第四节离子交换过程与设备第四节离子交换过程与设备 选用树脂首先决定于目标物质的性质。如果目标选用树脂首先决定于目标物质的性质。如果目标 物质物质是非离子型是非离子型的，那就不能用离子交换法来进的，那就不能用离子交换法来进 行分离；反之，如能在行分离；反之，如能在水中离解水中离解，就可考虑用离，就可考虑用离 子交换法来分离提取子交换法来分离提取 一、树脂的选择的一般原

35、则一、树脂的选择的一般原则 交换剂的基质是疏水性还是亲水性交换剂的基质是疏水性还是亲水性 选择阴离子抑或阳离子交换剂选择阴离子抑或阳离子交换剂 对强碱性物质宜采用弱酸性树脂对强碱性物质宜采用弱酸性树脂 树脂还应有一定的交联度树脂还应有一定的交联度 交换剂对各种反离子的结合力交换剂对各种反离子的结合力 弱酸性物质宜用强碱性树脂，强酸性物质宜用弱弱酸性物质宜用强碱性树脂，强酸性物质宜用弱 碱性树脂。碱性树脂。 目标物质分子较大，应选择交联度较低的树脂，目标物质分子较大，应选择交联度较低的树脂， 但交联度过小，会影响树脂的选择性，且易粉碎，但交联度过小，会影响树脂的选择性，且易粉碎， 造成使用过程中

36、树脂流失。故选择交联度的原则造成使用过程中树脂流失。故选择交联度的原则 是：是：在不影响交换容量的条件下，尽量提高交联在不影响交换容量的条件下，尽量提高交联 度。度。 离子交换剂处于电中性时常带有一定的反离子，离子交换剂处于电中性时常带有一定的反离子， 使用时选择何种离子交换剂形式，取决于交换剂使用时选择何种离子交换剂形式，取决于交换剂 对各种反离子的结合力。对各种反离子的结合力。为了提高交换容量，一为了提高交换容量，一 般应选择结合力较小的反离子。般应选择结合力较小的反离子。据此，强酸型和据此，强酸型和 强碱型离子交换剂一般分别选择强碱型离子交换剂一般分别选择H型和型和OH型；弱型；弱 酸型

37、和弱碱型交换剂应分别选择酸型和弱碱型交换剂应分别选择Na型和型和Cl型。但型。但 如果目标物质在酸性、碱性下易破坏，则不宜采如果目标物质在酸性、碱性下易破坏，则不宜采 用氢型或羟型树脂。对偶极离子，应采用氢型树用氢型或羟型树脂。对偶极离子，应采用氢型树 脂吸附。脂吸附。 二、离子交换过程二、离子交换过程 正吸附正吸附：选择适当的条件使目的产物离子化，被：选择适当的条件使目的产物离子化，被 交换到介质上，杂质不被交换而从柱流出，然后交换到介质上，杂质不被交换而从柱流出，然后 采用洗脱液将被吸附物质洗脱的方法。采用洗脱液将被吸附物质洗脱的方法。 负吸附：负吸附：在选择的条件下，目的物质不带电或带在选择的条件下，目的物质不带电或带 上与离子交换剂上可交换离子相反的电荷（即与上与离子交换剂上可交换离子相反的电荷（即与 骨架所带电荷相同），而一些杂质溶质（即不需骨架所带电荷相同），而一些杂质溶质（即不需 要的物质）带上与可交换离子相同电荷，则上柱要的物质）带上与可交换离子相同电荷，则上柱 操作时目的物质随溶液流出，杂质被吸附。操作时目的物质