第八章-吸附与离子交换分离

第八章吸附与离子交换分离第一节概述＞＞第二节固定床吸附＞＞第三节膨胀床吸附＞＞第四节移动床和模拟移动床吸附＞＞第五节其它吸附分离技术＞＞第六节离子交换＞＞第一节概述一、吸附分离基本原理1、概念

吸附（adsorption）是指流体（气体、液体）与固体多孔物质接触时，流体中一种或多种组分传递到固体多孔物质的外表面或微孔内表面并附着在这些表面的过程。吸附是一种表面现象。与吸附相对应的逆向过程称为解吸（desorption），即被吸附溶质从吸附剂上洗脱下来。

吸附过程放热，解吸过程吸热。

吸附质：被吸附的流体，

吸附剂（吸附介质）：能够吸附流体的多孔固体物质。

吸余相：达到吸附平衡后，流体的本体相。

吸附相：达到吸附平衡后，吸附剂内的流体相。依靠吸附、解吸过程进行物质分离的操作称吸附分离。当吸附速度与解吸速度相当时，吸附达到平衡，宏观上吸附剂的吸附量不再增加，此时的吸附量称平衡吸附量。2、吸附分离的特点（1）常用于稀溶液的分离。（2）操作条件温和，适合于热敏性物质的分离。（3）可直接与其它分离过程、反应过程耦合，改善分离过程的动力学、热力学关系。（4）溶质与吸附剂之间的相互作用有时非常复杂。3、吸附分类据吸附质、吸附剂之间相互作用力的不同划分：

物理吸附、化学吸附（1）物理吸附：吸附质、吸附剂通过分子间力（也称“范德华力”）相互吸引，形成吸附现象。吸附过程可逆，通过改变温度、PH值、盐浓度等物理条件可以使被吸附的组分脱附；

吸附热小；

活化能低，几乎不需活化能；吸附和解吸过程都很快。（2）化学吸附：吸附质分子与吸附剂表面原子发生化学作用，即发生了电子转移、原子重排或化学键的破坏与生成现象。被吸附溶质不易脱附，一般需用化学试剂（洗脱剂）破坏化学键合才能脱附；

吸附热大；

活化能高；

选择性强；吸附和解吸过程速度慢。物理吸附常用，化学吸附少用。物理吸附与化学吸附比较物理吸附的作用机理：选择性吸附、分子筛效应、通过微孔的扩散、微孔中凝集①选择性吸附：固体表面的原子或基团与外来分子间引力（范德华力）称为吸附力。吸附力大小与吸附剂表面性质、吸附质分子性质有关。这些性质（电荷、偶极距、四极距、几何特性等）的差异产生吸附力的差异，从而使混合物组分被有选择地吸附。②分子筛效应：尺寸小于孔径的分子进入微孔内被吸附，尺寸大于孔径的分子在孔外被吸附。由于分子形状复杂，孔几何形状不规则，加上溶质分子与微孔周边原子（离子）相互作用，所以分子筛效应表现出来的微孔尺寸、分子尺寸是一个表现值，且与温度有关。③通过微孔的扩散：气体混合物在多孔固体中的扩散速率存在差异，可以将混合物分离。④微孔中凝集：毛细管中液体曲面上蒸汽压与正常蒸汽压不同。毛细管上可凝缩气体会在小于其它正常蒸汽压的压力下在毛细管中凝聚。

表面吸附（选择性吸附）是基本的，其它三种是伴随的。据操作方式分：变温吸附分离、变压吸附分离、变浓度吸附分离（1）变温吸附分离。利用温度变化实现吸附与解吸。常温或低温下吸附，高温下解吸、同时吸附剂再生，然后降温到吸附温度，进入下一个循环。

循环时间长，数小时到数天不等。用于气体或液体中分离少量杂质。（2）变压吸附分离。利用压力变化实现吸附与解吸。较高压力下吸附，常压或低压下解吸、同时吸附剂再生，然后升压到吸附压力，进入下一个循环。

循环周期短，吸附热来不及散失便供给解吸用，吸附床层温度变化很小，近似等温过程。用于气体混合物的分离。（3）变浓度吸附分离。利用浓度变化实现吸附与解吸。对热敏性物质，不宜用升温法解吸，可以用溶剂置换改变吸附组分的浓度，使吸附剂解吸，然后加热解吸置换溶剂，再生解吸溶剂。

据分离设备分：（1）搅拌槽吸附；（2）固定床吸附；（3）膨胀床吸附；（4）移动床和模拟移动床吸附：液体接触吸附器示意图G固定床吸附二、吸附分离介质1、吸附介质材料及类型（1）吸附介质一般使用多孔材料。孔结构类型：①由微粒堆积而成，如硅胶、活性氧化铝。②毛细管状的孔，如活性炭，孔径小到纳米级。③多孔晶体中的孔，如沸石，孔径在纳米以下。（2）吸附介质类型①多孔型吸附介质；②凝胶型吸附介质①有机吸附剂：活性炭、吸附树脂、纤维素、聚酰胺等。②无机吸附剂：硅胶、氧化铝、沸石、白土、硅藻土等。2、常用吸附剂

●活性炭和沸石（分子筛）●巯基棉纤维和泡沫塑料●大孔性吸附树脂

●硅胶、氧化铝●纳米材料●壳聚糖●磁微球等（1）活性炭一类碳吸附剂的总称，品种多，几乎所有有机物都可以制作活性炭。

优点：①吸附力强，分离效果好；②来源广，价格便宜。

缺点：①由于来源及制备方法不同，吸附性能可重复性难以控制。②活性炭色黑、质轻，有时会造成环境污染。类型：①粉末状活性炭：颗粒极细，比表面积大、吸附量大、吸附力强。但颗粒太细、吸附速度慢。②颗粒状活性炭：颗粒较大，总面积、吸附力、吸附量次于粉末状活性炭。过滤速度或层析流速易于控制，不需加压或减压操作。③锦纶—活性炭：以锦纶为粘合剂，将粉末状活性炭制成颗粒状，总面积较颗粒状活性炭为大、较粉末状活性炭为小，其吸附力较两者皆弱。锦纶作用不仅是粘合，还是一种活性炭的脱活性剂。粉末活性炭锦纶活性炭选择适当吸附力活性炭是成功的关键。一般先用颗粒状活性炭做试验，若不吸附则改用粉末状活性炭，若难洗脱则改用锦纶活性炭。

碳纤维比普通活性炭优越：孔径小、表面积大、吸附量大、速度快、流体阻力小、成型性好。但价格昂贵。

活性炭极性弱，属非极性吸附剂，在水溶液中吸附力强，在有机溶剂中吸附力弱。①对极性基团多的化合物（-COOH、-NH2、-OH等）的吸附力大于极性基团少的化合物。②对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物。③对高分子量化合物吸附力大于低分子量化合物④发酵液PH值影响吸附效率。一般碱（酸）性抗生素在中性条件下吸附，在酸（碱）性条件下解吸。⑤在未达到平衡前，吸附量随温度升高而增加。

（2）硅胶硅胶是SiO2·nH2O微粒的堆积物。控制胶团的尺寸和堆积的配位数，可以控制硅胶的孔容、孔径和表面积。硅胶表面有5%羟基，是吸附活性中心。200℃以上会脱去，所以硅胶一般在200℃以下活化。硅胶对极性化合物（水、醇、醚、酮、酚、胺、吡啶等）吸附力强；对芳香烃、不饱和烃吸附力次之；饱和烃、环烷烃吸附力最弱。常用于液体的干燥脱水，也用于色谱柱填料。（3）活性氧化铝活性氧化铝是Al2O3

·nH2O微粒的堆积物，一般含Al2O392%左右。控制胶团的尺寸和堆积的配位数，可以控制活性氧化铝的孔容、孔径和表面积。活性氧化铝极性强，吸附特性与硅胶相似。活性氧化铝常用于液体的干燥脱水，也用于色谱柱填料。（4）沸石结晶硅酸金属盐的多水化合物。沸石分子筛由高度规则的笼和孔组成，每一种分子筛都有相对均一的孔径，其大小随分子筛种类的不同而异。沸石常用于脱除液体中微量水。特点：①表面上的路易斯极性很强，强极性吸附剂。②沸石中的笼或孔道尺寸很小，约为0.5~1.3nm，使其中的引力场很强。这两个特点使沸石对外来分子的吸附力远超过其它吸附剂。（5）吸附树脂最初用酚—醛类缩合高聚物，后来用聚苯乙烯、聚丙烯酰胺类高聚物等。有带功能基团的，也有不带功能基团的。吸附树脂用于脱除水中有机物、溶液脱色、药物分离精制等。

大孔吸附树脂是一种不含交换基团，具有大孔结构的高分子吸附剂。这是一种新型的介于离子交换树脂和活性炭之间的优良吸附剂。通常大孔性树脂是聚苯乙烯和二乙烯苯的共聚物，它们具有多孔性的巨大网状结构。3、吸附介质物理性质比表面积、颗粒尺寸和分布、孔容、孔径分布、密度（1）比表面积

单位质量吸附剂所具有的表面积，用m2/g表示。一般数百至1000m2/g，高的可达3000m2/g。（2）颗粒尺寸和分布①颗粒尺寸应尽可能小，既可以增大外扩散传质表面，又可以缩短颗粒内扩散路程。②颗粒尺寸应均匀一致，以使粒内扩散时间相同。（3）孔容单位质量吸附剂中微孔的容积，用mL/g表示。单位体积吸附剂的孔容称孔隙率。一般孔容0.1~1mL/g。当孔径相同时，孔容越大则比表面积越大。①微粒堆积的孔，其孔是微粒之间的空隙，孔容与微粒的形状、堆积的配位数有关。②毛细管状孔多为树枝状。③多孔晶体的孔，其孔尺寸、形状、孔容决定于晶体骨架结构。（4）孔径分布除多孔晶体外，吸附剂中孔径都是有分布的。（5）密度①真密度：吸附剂颗粒内固体部分的密度，等于颗粒重量除以固体部分的体积，用g/mL表示。②假密度（颗粒密度）：颗粒重量除以整个颗粒的体积（包括孔的体积），用g/mL表示。

③堆积密度（填充密度）：颗粒群体在堆积情况下，单位体积的重量，用g/mL表示。4、吸附剂的性能要求：（1）较大的比表面积。（2）较高的强度和耐磨性、稳定的理化性质。（3）颗粒大小均匀。（4）具有一定的吸附分离能力。（5）具有一定的商业规模和合理的价格。

5、吸附剂制备（1）材料

功能性单体、交联剂、引发剂、致孔剂、分散剂。（2）方法①乳液聚合：水溶性反应物的聚合反应，用溶解表面活性剂（如斯盘80）的有机溶剂为分散剂。②悬液聚合：油溶性反应物的聚合反应，用溶解表面活性剂（如TritonX-100）的水溶液为分散剂。

吸附剂一般数据：

孔径：微孔小于2nm，中孔2~50nm，大孔大于50nm，平均孔径1~20nm；

颗粒形状：球形、圆柱形、片状、粉末状；

粒度范围：50

m~1.2cm；

比表面积：300~1200m2/g；

孔隙率：30~85%。

三、吸附过程及影响因素1、吸附过程外扩散、内扩散、表面吸附（1）外扩散。分子通过吸附剂颗粒表面的气（液）膜扩散至颗粒表面。（2）内扩散。分子在吸附剂孔内扩散和沿孔壁表面的扩散，方向都指向颗粒中心。

孔扩散和表面扩散是平行发生的。

（3）表面吸附。分子被吸附剂表面所吸附。分子一旦与表面接触，其吸附速率是很快的，仅10-7~10-5秒。因此吸附本身不会成为速率控制步骤，吸附速率控制属扩散控制，吸附过程成为一个传质过程问题。吸附设备中传质过程是非稳态的、非线性的。

2、影响吸附的因素：①吸附剂性质，颗粒形状和大小；②混合物组成和性质；③流体速度，吸附床温度、压力；④吸附平衡机理。第二节固定床吸附一、固定床吸附基本原理1、概念吸附柱（吸附塔）内填充固相吸附介质，物料不断输入吸附柱（塔）内，被吸附组分留在吸附介质中，其余组分从塔中流出。待吸附饱和后，用升温、减压、置换等方法将被吸附组分洗脱下来，使吸附剂再生，然后进入下一个吸附循环。这种吸附分离操作称固定床吸附（fixed/packedbedadsorption）。

2、穿透曲线吸附过程中吸附柱出口处溶质浓度变化曲线称穿透曲线。穿透曲线上出口处溶质浓度开始上升的点称穿透点。达到穿透点所用的操作时间称为穿透时间。穿透点难以测定，一般将出口浓度达到入口浓度5~10%时的时间称为穿透时间。当吸附操作到达穿透点时，如继续进料不仅对增加吸附量效果不大，而且由于出口溶质迅速增大，会造成目标产物的损失，所以在穿透点附近应停止吸附操作，依次转入杂质清洗，吸附质洗脱和吸附剂再生阶段。

3、吸附带吸附柱某位置溶质吸附达到饱和后，该处液相浓度和固相浓度不再改变，下游区域未达饱和仍继续吸附，因此吸附柱内液固两相均存在同步的浓度分布。一般将吸附柱内液相（固相）溶质浓度从饱和到0的分布区域称为浓度波或浓度带或吸附带（离子交换中称交换带）。

吸附带内吸附未达到平衡，溶质浓度不断变化，存在传质现象，所以吸附带所覆盖的区域为传质区。如吸附带的浓度波以一定形状移动，则此浓度分布为恒定图式分布，吸附带为恒定图式吸附带。

4、固定床吸附操作（1）单柱吸附操作

仅使用一个固定床，吸附剂再生过程需停止吸附操作。（2）多柱串联吸附操作

一般用4个吸附柱（固定床），进料吸附、杂质清洗、溶质洗脱和吸附剂再生过程在不同吸附柱内依次进行，整个操作过程进料、吸附都未间断。从固相角度看这是半连续操作。

5、吸附床分区（1）吸附饱和区吸附达到动态平衡，吸附剂不再吸附。（2）吸附传质区

吸附未饱和，吸附过程仍在进行。传质区愈短表示传质阻力愈小、吸附床利用率愈高。（3）未吸附区吸附剂没有吸附溶质，仍为“新鲜”吸附剂。在传质区和未吸附区间存在吸附前沿。吸附带固定床吸附器吸附传质过程示意图第三节膨胀床吸附一、膨胀床吸附基本原理1、概念

膨胀床（expandedbed）是液固相返混程度较低的液固流化床，一种特殊形式的流化床（fluidizedbed）。膨胀床兼有了固定床和流化床的优点，同时克服了它们的一些缺点。与流化床相比：①流化的固体介质基本可以悬浮在床内固定位置。②流体流动状态与固定床相似，以接近平推流方式流经床层，所以液固两相轴向混合程度都较低。

与固定床相比：①膨胀床床层上部安装有调节床层高度的调节器。当液体（料液、清洗液）从床底以高于吸附剂最小流化速率的流速输入时，吸附剂床层产生膨胀，高度调节器上升。②床层空隙率高，可使菌体、细胞、细胞碎片自由通过，所以可用来直接处理菌体发酵液和细胞匀浆液，回收其中的目标产物。这样可节省离心、过滤等预处理过程，提高效率，节约成本。

2、膨胀床料液流速和高度膨胀床的高度随液相流速的提高而增加。①料液流速要大于吸附剂最小流化速率，小于吸附剂的终端流速。②料液流速要远大于杂质颗粒的终端流速，以使杂质颗粒被带出床层。操作流速要保证有稳定的膨胀床和较高的吸附效率，一般以使床层高度达到填充床高度2~3倍为宜。

3、膨胀床吸附介质和床设备（1）膨胀床吸附介质可形成稳定膨胀床的吸附介质有两类：①磁性粒子。外部磁场作用形成磁稳定流化床，缺点是设备复杂，需换热设备。②具有一定粒径和（或）密度分布的吸附剂。一般大粒径（高密度）吸附剂位于床底层，小粒径（低密度）吸附剂位于床顶层。

膨胀床吸附介质发展方向：①高密度、小粒径吸附剂。高密度可以在较高流速下操作，提高分离速度。小粒径内扩散传质路径短、阻力小，柱效高。②表面薄壳型介质。仅外部薄壳为有效吸附层，内含密度惰性材料。可在高流速下操作，并能获得较高的吸附容量。

（2）膨胀床设备膨胀床设备主要由三部分组成：①流体分布器：保证床截面流速分布均匀；②高度调节器；③膨胀床柱。

4、膨胀床分离操作方式：（1）缓冲液膨胀床层。（2）原料液吸附。（3）清洗液清洗残留的微粒子。清洗液用缓冲液或粘性溶液，用粘性溶液时流体流动更接近于平推流，清洗液用量少，清洗效率高。（4）洗脱液洗脱（解吸）产品。洗脱液流动方向与吸附过程中原料液流动方向相反，这样可降低床层，减少洗脱液用量，提高洗脱速率。（5）吸附剂再生。膨胀床分离的缺陷：（1）操作复杂、繁琐，需一定的技术熟练程度。（2）直接处理细胞碎片的料液，易出现聚集现象，产生沟流甚至床层坍塌，因此料液浓度需控制在适当范围内。（3）料液中含有细胞碎片、脂类、核酸等。介质污染严重，需严格的清洗和再生操作。第四节移动床和模拟移动床吸附一、移动床吸附吸附操作中固相连续输入和排出吸附柱（吸附塔），固相与料液形成逆流接触流动，从而实现连续稳定的吸附操作，此种吸附操作称为移动床吸附（movingbedadsorption）。一般吸附床和再生床连续循环进行。移动床吸附最大问题：①吸附剂的磨损；②吸附剂的堵塞。

二、模拟移动床吸附固相本身不移动，而移动切换液相（料液和洗脱液）的入口和出口位置，如同移动固相一样，产生与移动床吸附相同的效果。此种吸附操作称为模拟移动床吸附（simultedmovingbedadsorption）。模拟移动床可以更有效发挥吸附剂、解吸剂作用。生物生产方面用于葡萄糖和果糖的分离。模拟移动床移动床、模拟移动床吸附称为连续逆流吸附分离，一般用于分离选择性不高、传质速率慢的难分离物系。对于具有较高分离因子、较快传质速率的易分离物系，选择简单的间歇吸附分离较合适。第五节其它吸附分离技术一、搅拌槽吸附（搅拌釜吸附）1、概念原料液与吸附剂在搅拌槽内混合接触并发生吸附，待吸附平衡后，采取沉降、离心、过滤等措施使固液相分离，然后再进行洗脱回收目标产物。此吸附分离操作称搅拌槽吸附（stirredtankadsorption）

搅拌槽吸附与混合—澄清式萃取器类似，原料与吸附剂处于全混状态，多用于液体的精制，如脱水、脱色、脱臭等。

2、搅拌槽吸附操作方式（1）单釜吸附。吸附过程间歇、分批进行，吸附剂用一次。（2）多釜吸附①多级错流吸附②多级逆流吸附搅拌槽吸附具体操作方式类似于萃取分离的操作方式。主要问题是：①吸附剂用量。②吸附过程持续时间。

二、变温吸附一般情况下，吸附质在吸附剂上的吸附量随温度上升而减少、随压力上升而增加，所以加压、降温有利于吸附，减压、升温有利于解吸。1、概念在较低温度（常温或更低温度）下进行吸附，在较高温度下使吸附组分解吸出来。此吸附分离操作称变温吸附（temperatureswingadsorption，TSA）。变温吸附适于原料中杂质组分含量低，而要求较高的产品回收率的情况，如气体干燥。吸附等温线变温吸附特点①常用吸附剂导热率较低，所以加热、冷却时间都比较长，数小时到数天不等。②变温吸附床较大，还要配备相应的加热和冷却设施，能耗、投资较高。③温度大幅度、周期性变化会影响吸附剂使用寿命。

2、变温吸附操作变温吸附循环操作在两个平行的固定床吸附器中进行，其中一个在环境温度附近吸附溶质，另一个在较高温度下解吸溶质，使吸附剂床层再生。（1）在T1温度下吸附到达穿透点。（2）加热床层到T2

（3）在T2温度下解吸达到低吸附质负荷。（4）冷却床层到T1

实际上步骤（2）和（3）是同时进行的，步骤（4）和（1）也是同时进行的

3、变温吸附影响因素（1）吸附剂与吸附质的吸附性能。（2）吸附周期的长短。（3）吸附剂劣化。微孔被覆盖、半熔融使细孔消失、化学反应使微孔结构被破坏等都可引起吸附剂劣化，其中表面被沾污覆盖是最普遍的劣化原因。（4）残留吸附量。一般有2~5%的残留吸附量，使有效吸附容量比平衡吸附容量低。

（5）再生温度。再生温度必须低于吸附剂的耐热温度，通常硅胶再生温度小于150℃，合成沸石350~400℃、氧化铝250~300℃之间再生。（6）吸附床结构。径高比一般1：2~1：4。（7）气流流向。再生加热时气流流向与吸附阶段逆向为好，冷却时流向可顺向也可逆向，通常同向为好。4、变温吸附应用（1）气体干燥。（2）溶剂回收。（3）有机溶剂脱水。（4）废气、废液的处理。5、变温吸附过程工程难点（1）能耗较高。（2）有效吸附量小。（3）再生需加热介质。（4）吸附剂寿命相对较短。（5）尚需与其它工艺配套使用。

三、变压吸附1、概念在较高压力下进行吸附，较低压力（甚至真空状态）下使被吸附的组分解吸下来。这种分离操作称变压吸附（pressureswingadsorption，PSA）。变压吸附是利用混合各组分在吸附剂上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化的原理，通过周期性改变压力来实现物质的分离。变压吸附一般用于气体吸附，因压力的变化几乎不影响液体的吸附平衡，如气体干燥、气体脱除杂质及气体的分离浓缩净化等。

特点：①变压吸附循环周期短，吸附热来不及散失便可供给解吸用，因此吸附热、解吸热引起的吸附床温度变化很小，吸附过程可近似看成等温过程。

②变压吸附循环周期短，所以较小的床层能达到相当高的生产能力。③变压吸附常温下进行，能耗低、不需加热和冷却。

2、变压吸附操作变压吸附一般在两个并联的固定床中循环进行，此吸附循环称Skardtorm循环，每个床在两个等时间间隔的半循环中交替操作。（1）充压后吸附。（2）放压后吹扫。实际上是分四步进行。（1）充压（升压）。（2）吸附

。（3）放压（降压）。放压一般先顺放后逆放。（4）吹扫（解吸、冲洗）。

充压、放压进行得很快，吸附、吹扫所用时间在整个循环较大的百分数。

3、吸附剂再生方法（1）降压。较高压力下吸附，降至常压下再生。操作简单，但解吸不完全。（2）抽真空。用抽真空方法进一步减少压力，效果较好。但需用真空泵，增加了动力消耗。（3）冲洗。用弱吸附组分气体或其它适当气体通过需再生的吸附床，被吸附组分分压随冲洗气的通人逐渐下降。（4）置换。用吸附能力较强的气体把原先吸附的组分置换下来。第六节离子交换分离一、离子交换基本原理1、概念能够解离的不溶性固体物质在与溶液接触时，其解离的离子可与溶液中的离子发生交换反应，此过程称为离子交换（ionexchange），又叫离子交换吸附（ionexchangeadsorption）。带有可交换离子的不溶性固体物质称离子交换剂（ionexchanger）或离子交换树脂（ionexchangeresin）。离子交换剂表面键合有离子化基团或可离子化的基团。

由固定离子R+和能进行离子交换的阴离子A-组成的R+A-为阴离子交换剂。由固定离子R-和能进行离子交换的阳离子A+组成的R-A+为阳离子交换剂。利用离子交换剂与不同离子结合力的强弱，对溶液中离子进行分离的操作称离子交换分离（ionexchangeseparation）。

离子交换的吸附质一般可通过调节离子强度或PH值的方法进行洗脱解吸。离子交换是一种自然现象，离子交换可用下式表示：

R-A++B+=R-B++A+；R+A-+B-=R+B-+A-

R-A+、R+A-为离子交换剂，R-、R+为固定离子，A+、A-为抗衡离子或相对离子。

阳离子交换树脂阴离子交换树脂

2、离子交换过程（1）反离子从溶液主体扩散到树脂颗粒外表面（膜扩散、外扩散）。（2）反离子径微孔扩散到树脂内表面的活性基团上（颗粒扩散、内扩散）。（3）反离子在活性基团上进行离子交换反应。（4）被置换下来的离子从树脂微孔扩散到颗粒外表面。（5）被置换下来的离子从颗粒外表面扩散到溶液主体。

离子交换过程是液固两相间传质和化学反应过程，在离子交换剂内外表面进行的离子交换反应通常很快，离子交换过程的速率主要受离子在液固两相间的传质过程制约。离子交换传质过程与吸附传质过程相似，离子交换剂也存在再生问题，所以把离子交换视为一种特殊的吸附，在传质动力学特性、所采用的设备形式、过程设计、过程操作等方面均与吸附相似。

3、离子交换反应

分解盐反应、中和反应、复分解反应

（1）分解盐反应

强（酸、碱）型离子交换树脂进行中性盐的分解，生成相应的酸和碱。

RH+NaCl=RNa+HClROH+NaCl=RCl+NaOH

弱（酸、碱）型离子交换树脂无此分解能力。

（2）中和反应

强型、弱型树脂均可与相应的酸、碱进行中和反应。

RH+NaOH=RNa+H2OROH+HCl=RCl+H2O

强型树脂反应性强，反应速度快，交换基团利用率高，但中和得到的盐型树脂再生困难，再生剂用量多。

弱型树脂反应性弱，反应速度慢，交换基团利用率低，但中和得到的盐型树脂再生容易，再生剂用量少。

（3）复分解反应

盐式强、弱型树脂均能进行复分解反应。

2RNa+Ca2+=R2Ca+2Na+

强型再生：R2Ca+2NaCl=2RNa+CaCl2

弱型再生：①

R2Ca+2HCl=2RH+CaCl2②

RH+NaOH=RNa+H2O

弱型树脂选择性好于强型树脂的选择性。

强型树脂可用相应的盐直接再生，弱型树脂需用相应的碱、酸进行再生。

4、离子交换分离过程的类型（1）离子转换或提取某种离子。如水的软化，将水中Ca2+转成Na+，此时用对Ca2+有较高选择性的盐式阳离子交换树脂将Ca2+分离出来。（2）脱盐制取纯水①先酸型中性盐分解，后碱型中和反应：

RH+NaCl=RNa+HClROH+HCl=RCl+H2O②先碱型中性盐分解，后酸型中和反应：

ROH+NaCl=2RCl+NaOHRH+NaOH=RNa+H2O（3）不同离子的分离

二、离子交换树脂1、离子交换树脂类型按树脂骨架的主要成分分类：①用于无机离子（水处理、金属回收等）和生物小分子（有机酸、氨基酸、抗生素等）的提取回收：离子交换基质：聚苯乙烯型、聚丙烯酸型、酚—醛型、环氧氯丙烷多乙烯多胺型等。②用于蛋白质等生物大分子的分离纯化，其交换剂需很高的亲水性和较大的孔径。离子交换基质：葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶、纤维素凝胶、亲水性聚乙烯以及硅胶、可控孔玻璃等。阴离子交换基团：如DEAE（二乙胺基乙基）、Q（季铵乙基）等。阳离子交换基团：如CM（羧甲基）、SP（磺丙基）等。按骨架的物理结构分：①凝胶型（微孔树脂）：凝胶孔为高分子链间的间隙，②网格型（大孔树脂）：吸附剂的微孔几nm到上千nm。按可交换的反离子电荷性质分：①含酸性基团的阳离子树脂（强酸型、弱酸型）②含碱性基团的阴离子树脂（强碱型、弱碱型）③

特殊树脂（螯合树脂、氧化还原树脂、两性树脂等）。（1）强酸性阳离子交换树脂活性基团为磺酸基团（-SO3H）和次甲基磺酸基团（-CH2SO3H）等。电离程度大，PH值1~14范围内均可进行离子交换反应，可进行中和反应、中性盐分解反应、复分解反应。

应用复分解反应原理，可将青霉素钾盐转成青霉素钠盐。

RSO3Na+PenK=RSO3K+PenNa

（2）弱酸性阳离子交换树脂活性基团：羧酸基团（-COOH）、酚羟基团（-C6H5OH）、氧乙酸基团（-OCH2COOH）、双酮基团（-COCH2COCH3）等。电离程度受PH影响大，酸性环境几乎不发生交换反应，交换能力随PH升高而增加，随PH下降而减少。仅能起中和反应和复分解反应，不能分解中性盐。

强酸树脂与H+结合力弱，再生成氢型较难，耗酸量较大。弱酸树脂与H+结合力强，再生成氢型易，耗酸量小。中等酸性阳离子交换树脂：含磷酸基团（-PO(OH)2）和次磷酸基团（-PHO(OH)）等。（3）强碱性阴离子交换树脂

活性基团：季铵基团、三甲胺基团[RN(CH3)3OH]、二甲基羟基乙基胺基团[RN(CH3)2(C2H4OH)OH]等。电离不受PH影响，PH1~14均可发生交换反应，可发生中和反应、中性盐分解反应、复分解反应。成氯型比羟型稳定