食品加工新技术-离子交换技术

1、食品离子交换技术，1。概述2。离子交换树脂3。离子交换的基本原理。离子交换的操作过程、设备及设计原则。第一节。概述1。离子交换技术的发展。1814年，英国人开始理解交换现象。使用离子交换技术软化水始于20世纪30年代初。随着离子交换树脂的出现，离子交换技术的应用发展迅速，并广泛应用于化工行业，如钠型阳离子交换剂，用于糖汁的初级纯化。水解工业：从木材和各种农业废料的水解中获得的纯化糖溶液。酵母行业：废蜂蜜的净化和处理：水软化，水软化和部分脱盐，水脱盐。制药工业废水处理的其他应用：碘的提取、电解质和非电解质的分离；三。离子交换的基本概念、定义：利用离子交换剂能吸附溶液中的一种离子并释放出另一种相同

2、电荷的离子的特性，这种交换剂与溶液之间的离子交换现象称为离子交换。第2节离子交换树脂1。离子交换剂的基本概念和定义：所有具有离子交换能力的物质统称为离子交换剂。一种多孔固体，不溶于水和电解质溶液，但能从溶液中吸收离子进行离子交换。成分：离子交换剂由固定的“骨架”体成分和可交换的离子基团组成。2.离子交换器的分类1。根据“骨架”成分，它可以分为有机和无机两大类。有机合成离子交换树脂可根据树脂中所含的不同活性基团分类如下：(1)阳离子交换树脂，其主体上具有酸性活性基团，可被阳离子交换。(2)阴离子交换树脂阴离子交换树脂在其主体上具有碱性活性基团，可以被阴离子交换。(3)特种离子交换树脂螯合树脂：氨

3、基二乙酸树脂对Cu2、Co2和Ni2具有高选择性。大孔离子交换吸附树脂：合成过程中加入一定量的造孔剂，如汽油或苯，聚合后将这些惰性溶剂从聚合物中驱走，形成海绵状高强度大孔树脂。萃取树脂：将液体萃取剂加入到苯乙烯和二乙烯基苯的单体混合物中，采用特殊的悬浮聚合方法制备。3.离子交换树脂的基本性能，含水量和密度，粒度，交联度，溶胀变化，交换容量选择性，1。水含量和密度商用离子交换树脂是亲水性的，通常含有一定量的结合水。结合水的含量与其官能团的性质和交联度有关，并随着空气湿度的变化而变化。树脂的含水量可通过干燥法或卡尔费休试剂滴定法测定。树脂的湿真密度是指树脂在水中充分膨胀后树脂颗粒的密度(g/cm3

4、)，一般为1.041.3g/cm3左右。2.粒径树脂的粒径与离子交换速率、树脂床内液流分布和压降的均匀性以及反冲洗过程中树脂的损失有关。通常，树脂床中使用的树脂具有大约0.31.2毫米的粒度。特殊用途的细磨树脂的半径可以小到0.04毫米.有两种方法来表示颗粒大小：通过颗粒半径；用筛(目数)表示。有两种标准筛：美国筛和英国标准筛。交联度树脂的骨架被交联形成一个巨大的分子网络，可与热固性塑料相媲美。这种交联度称为交联度。树脂的交联度用合成用单体中所含交联剂的质量分数来表示。例如，聚苯乙烯树脂的交联度为8%DVB，这意味着在该树脂的合成中，苯乙烯占单体的92%，二乙烯基苯占单体的8%。离子交换树脂的

5、交联度与其许多性能(溶解性、交换容量、膨胀性、选择性、含水量、稳定性等)有关。)。交联度大的树脂的特点是：孔隙率小、相对密度高、含水量高；交联网直径小，离子交换选择性大，但交换速度慢；很难引入主动组，所以交换容量小；树脂的机械强度较大；稳定性好。溶胀变化将干燥的离子交换树脂浸入纯水中后，水扩散到树脂交联网中。此时，树脂交换基团在水中离解并形成水合离子，因此树脂的交联网被扩大和膨胀，这被称为树脂膨胀。溶胀变化通常表示为干燥树脂吸收的水的百分比或溶胀率。树脂溶胀的影响因素：树脂本身的结构特征(空气、水、溶剂)、电荷密度(离子的性质和浓度)、抗衡离子的类型，5。交换容量交换容量是树脂的交换容量，通常

6、表示为每克干树脂交换的离子的毫摩尔数。在工业上，它通常是按单位体积的树脂进行交换的。交换容量的表达式总交换容量是指树脂活性基团中所有可交换离子的交换容量，其单位通常表示为摩尔/千克或摩尔/立方米。工作交换容量是指在动态工作条件下的交换容量，其影响因素主要是：入口液体的离子浓度、交换操作的控制指标、树脂层高度、交换速度、树脂粒径和活性基团形式等。工作交换容量的单位通常以毫摩尔/立方厘米表示。有效交换容量是工作交换容量减去正洗造成的交换容量损失。单位通常以毫摩尔/立方厘米表示。选择性是指离子交换剂对不同离子的亲和力。在低浓度水溶液中和室温下，多价离子优先于一价离子交换。当量离子的选择性随着原子序数

7、的增加而增加。在高浓度溶液中，多价离子的选择性随着浓度的增加而降低。第三部分中离子交换的基本原理实质上是电解质的固液相和溶液中的不溶性电解质相接触时的复分解反应。离子交换反应是可逆的，反向反应称为再生。因此，离子交换器可以在再生后重新使用。例如，水被沸石软化，沸石可以用Na2R表示，其中R代表非常大的阴离子部分，而Na是可置换的离子。沸石中的钠与水中的钙反应，水中的钙被离子交换剂吸附，水被软化。根据唐南的理论，离子交换树脂是一种弹性凝胶，因为吸水而膨胀。溶胀的离子交换树脂被视为一滴浓缩的电解质溶液，树脂颗粒和外部溶液之间的界面被视为半透膜。在树脂内部的活性基团上离子化的平衡离子和在外部溶液中具

8、有相同电荷的离子可以通过半透膜的扩散进行交换，而树脂骨架上的固定离子不能扩散。对于阳离子交换树脂，其平衡离子是阳离子，因此它可以与外部溶液中的阳离子交换，而其固定离子是带负电荷的阴离子。因为阳离子交换树脂中有许多带负电荷的固定离子，它们的排斥力阻止溶液中的阴离子进入树脂颗粒进行交换。这种现象被称为唐南排斥。这就是为什么阳离子交换树脂能交换阳离子而不能交换阴离子。离子交换动力学，离子交换过程包括以下五个步骤：交换离子从溶液体扩散到树脂颗粒和溶液之间的界面。交换离子在树脂颗粒内部的交换网中扩散，并在树脂基团上交换离子。交换的离子扩散到树脂交联网络的界面中，并从界面扩散到溶液体。因此，交换过程包括交

9、换反应和一系列扩散过程。3.影响离子交换速率的因素考虑到流体动力学条件的影响，树脂直径也影响交换机理。在一定的树脂粒径下，增加溶液中交换离子的浓度会增加外扩散速率，但对内扩散速率影响不大。此外，树脂的结构和化学性质以及交换离子的价态也是影响离子交换速率的因素。第四节离子交换的操作流程、设备和设计原则。首先，离子交换的操作过程大致可分为四个阶段：交换反洗再生正洗。反洗的目的是松开压缩的树脂床，使床膨胀以除去树脂床中捕获的悬浮固体和有机杂质，并冲洗细树脂粉末以进行再生。再生的目的是使交换结束无效。2.设备的分类，大致可分为：间歇式固定床连续式；1.间歇离子交换是指将离子交换剂与处理后的溶液混合，适当搅拌以达到适当的交换平衡，然后过滤出溶液进行分离的操作方式。通常用于实验室或小规模工业生产。最简单的装置是使用带搅拌器的罐。固定床离子交换是指离子交换器以固定状态放置在交换柱中，处理后的溶液动态流经交换柱。固定床的优点：