【分离工程】新型分离技术4
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第三章 离子交换与色谱分离
交换反应过程的特性指标： a. 交换容量——单位质量或体积的树脂所能交换的离子的当量数。 可细分为： 总交换容量（理论交换容量）：单位质量 （或体积）的树脂中可以交换的化学基团的总数。 工作交换容量：实际反应时溶液中A与树脂上B的交换量称 为工作交换容量。
再生交换容量：再生后的树脂能被反离子A交换的基团数。
溶液中的反离子A与树脂上反离子B的交换过程分五步 进行： (1) 反离子A从溶液主体扩散到树脂颗粒的外表面，称为外 扩散；
(2) 反离子A从颗粒外表面经颗粒上的微孔扩散到树脂内的
活性基团上，称为内扩散； (3) 在活性基团上进行交换反应，A置换B； (4) 被置换下来的反离子B从树脂内经微孔扩散到颗粒外表 面；
气相色谱仪
填充柱
(石英)毛细柱
气相色谱工作原理
各种谱图
思考题
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 解释渗透现象，渗透过程的推动力是什么？ 反渗透的基本原理。 反渗透过程的传质机理可以用哪几种理论解释？ 简述浓差极化的成因、危害及防治方法。 反渗透、超滤和微滤有什么相同点和不同点？ 电渗析过程的基本原理及传递过程。 气体膜分离的基本原理及应用。 渗透蒸发过程的基本原理及应用。 透析过程基本原理。 膜蒸馏过程基本原理。 膜分相过程基本原理。
(2) 弱酸性阳离子交换树脂
它的基体 R 上带有羧酸基（ -COOH ），磷酸基（ -PO3H2 ） 或酚基 （— —OH），其中用得最广的是含羧基的树脂。 它在水中的离解程度较弱
R-COOH
RCOO-+H+
第三章 离子交换与色谱分离
(3) 强碱性阴离子交换树脂
为带有季胺基团的树脂，其在水中的离解式为
Ca2+(水溶液)+2NaRc(固相)==CaRc2(固)+2Na+(水溶液)
典型的阴离子交换反应是：
SO42-(水溶液)+2RACl(固相)==RA2SO4(固相)+2Cl-(水溶液)
式中Rc与RA分别代表阳离子交换剂与阴离子交换剂
中不溶的骨架和固定基团。
第三章 离子交换与色谱分离
可用作离子交换剂的物质有离子交换树脂、无
3-1-3 基本原理
1. 离子交换平衡 离子交换反应：
1 1 A(溶液 ) RB (固相) B(溶液 ) Rm A(固相) m m
（3-1）
(1) 离子交换等温线；(2) 平衡常数KAB; (3) 分离系数rab; (4) 分配系数A
第三章 离子交换与色谱分离
2. 离子交换的动力学
与液体溶剂间的分配服从气液吸收或液液萃取的平
衡关系。也称为气液色谱或液液色谱。 (3) 离子交换色谱 固定相为离子交换树脂或表面
涂以液体离子交换树脂的固体颗粒，组分在流动相
（液体）与固定相间的分配服从离子交换平衡。
第三章 离子交换与色谱分离
（4) 亲和色谱
固定相为附着有某些特效亲和力的配位
体的惰性固体颗粒，组分在流动相与配位体间的平衡关系
速迁移），随流动相移动快的组分先离开色谱柱，随 流动相移动慢的组分后离开色谱柱，因而可使混合物 的各组分互相分离。
第三章 离子交换与色谱分离
色谱的分类： 根据流动相的不同，可分为气相色谱与液相色谱。 根据固定相的类型，色谱可分为以下五类： (1) 吸附色谱 固定相为适当的吸附剂，组分在流固 两相间的分配服从气固（或液固）间的吸附平衡关 系，也称为气固色谱或液固色谱。 (2) 分配色谱 固定相为粘附有薄层液体溶剂的固 体颗粒，其中起作用的是液体溶剂，组分在流动相
第三章 离子交换与色谱分离
第一节 离子交换
离子交换过程是液固两相间的传质与化学反应过程。 离子交换剂的性能对离子交换过程有重大的影响。离子 交换剂是一种带有可交换离子的不溶性固体。
带有可交换的阳离子的交换剂称为阳离子交换剂，带有
可交换的阴离子的交换剂称为阴离子交换剂。
第三章 离子交换与色谱分离
典型的阳离子交换反应是：
第三章 离子交换与色谱分离
3. 典型工艺流程
原水(含NaCl) 原水 含Ca2+ 废水
阳 ຫໍສະໝຸດ Baidu 子 交 换 柱
阴 离 子 交 换 柱
软水 含Na+
再生液 (NaCl浓溶液)
含HCl水 图3-3软化水的工艺流程
纯水
图3-4复床脱盐流程
第三章 离子交换与色谱分离
4. 树脂的再生
5. 离子交换树脂的污损与处理
三者之间的关系为：再生交换容量 = 0.5～1.0总交换容量， 工作交换容量 = 0.3～0.9再生交换容量。
工作交换容量 树脂的利用率 再生交换容量
b. 选择性 工业生产对离子交换树脂的要求是: ① 交换容量高; ② 选择性好; ③ 再生容易; ④ 机械强度高, 不易磨损碎裂; ⑤ 化学与热稳定性好; ⑥ 价格低。
色谱分离包括一个流动相（气相或液相）和一个固
定相，分离的基础是组分的差速迁移。在色谱柱中流
动相沿固定相流动，混合物中各组分在此固定相与流 动相间的分配不同，在固定相中相对量多的组分，与 固定相在一起的时间分率大，随流动相一起流动的速 度就慢。这样，由于混合物中各组分被固定相滞留的
程度不同，它们随流动相移动的速度就不同（称为差
6. 离子交换过程的设备与操作方式
3-1-5 离子交换过程的工业应用
1. 水处理 2. 糖液的净化 3. 制药工业中的应用 4. 废水处理 5. 脱色 6. 其它 (1) 铀的提取 (2) 碘的提取 (3) 电解质与非电解质的分离
第三章 离子交换与色谱分离
离 子 交 换 水 处 理 设 备
第二节 色谱分离
是亲和色谱的作用。
（5) 排阻色谱 固定相为具有一定大小孔道的凝胶，它
是基于凝胶微孔对大小不同的分子的阻滞不同的性质使它 们互相分离。大分子不能进入微孔，被排斥而随流动相很 快流出，小分子可进入微孔，被阻滞而在固定相中停留较
长时间后再流出。也称为凝胶色谱。
3-2-4 应用
P132
第三章 离子交换与色谱分离
(5) 反离子B从颗粒外表面扩散到溶液主体。
其中(1)(2)(4)(5)为控制步骤。
3-1-4 离子交换工艺过程与设备
1. 离子交换分离过程的化学基础
2. 离子交换工艺过程的基本步骤
(1) 料液（含有欲除去的反离子 A）与离子交换剂RB进行 交换反应，离子交换树脂RB上的反离子B被料液中的反 离子 A 取代，至树脂上反离子 A 接近饱和，反应不宜再 进行为止。 (2) 离子交换树脂的再生 饱含了反离子A的离子交换树 脂用含反离子B的溶液使其再生，还原成原始形态RB。 (3) 再生的离子交换剂的清洗 再生完成的树脂床层中含 有再生溶液，需用清水洗净，然后才能供下一循环重新 使用。
12. 乳状液膜与支撑液膜分离过程的特征。
13. 液膜分离机理主要有哪几种类型？
14. 乳状液膜分离工艺由哪些步骤组成？
15. 超临界萃取的特点及主要用途。
16. 超临界萃取的三种典型流程的操作过程。
17. 离子交换分离过程的基本原理。
18. 色谱分离的基本原理。
。
。
第三章 离子交换与色谱分离
2. 物理化学性质
(1)交联度； (2) 粒度； (3) 亲水性； (4) 密度； (5) 溶胀性； (6) 稳定性；(7) 化学交换性能; (8) 吸附性能
交换反应：
A(溶液)+RB(固相) RA(固相)+B(溶液)
其中R为树脂上的固定基团，B为原树脂上与基团R结合的反离 子，A为溶液中的反离子。在交换反应中A取代了B。
机离子交换剂（如天然与合成沸石）和某些天然有
机物质经化学加工而得的交换剂（如磺化煤等），
其中离子交换树脂应用最广。
通常在离子交换剂表面进行的离子交换反应很
快，过程速率主要由离子在液固两相间的传质过程
决定。
第三章 离子交换与色谱分离
3-1-2 离子交换树脂
1. 种类
(1) 强酸性阳离子交换树脂
指高分子基体R上带有磺酸基的树脂，它在水中离解 R - SO3H RSO3- + H+
R-N-R3OH==R-N-R3++OH-
(4) 弱碱性阴离子交换树脂
指含伯胺（—NH2）、仲胺（—NHR）、或叔胺（—NR2）的树脂
R-NH2+H2O===RNH3+ + OH-
根据树脂的物理结构，离子交换树脂分为凝胶型与大孔型两类。 (1)凝胶型 孔径在30A以下
(2)大孔型 孔径从几十到上万A
交换反应过程的特性指标： a. 交换容量——单位质量或体积的树脂所能交换的离子的当量数。 可细分为： 总交换容量（理论交换容量）：单位质量 （或体积）的树脂中可以交换的化学基团的总数。 工作交换容量：实际反应时溶液中A与树脂上B的交换量称 为工作交换容量。
再生交换容量：再生后的树脂能被反离子A交换的基团数。
溶液中的反离子A与树脂上反离子B的交换过程分五步 进行： (1) 反离子A从溶液主体扩散到树脂颗粒的外表面，称为外 扩散；
(2) 反离子A从颗粒外表面经颗粒上的微孔扩散到树脂内的
活性基团上，称为内扩散； (3) 在活性基团上进行交换反应，A置换B； (4) 被置换下来的反离子B从树脂内经微孔扩散到颗粒外表 面；
气相色谱仪
填充柱
(石英)毛细柱
气相色谱工作原理
各种谱图
思考题
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 解释渗透现象，渗透过程的推动力是什么？ 反渗透的基本原理。 反渗透过程的传质机理可以用哪几种理论解释？ 简述浓差极化的成因、危害及防治方法。 反渗透、超滤和微滤有什么相同点和不同点？ 电渗析过程的基本原理及传递过程。 气体膜分离的基本原理及应用。 渗透蒸发过程的基本原理及应用。 透析过程基本原理。 膜蒸馏过程基本原理。 膜分相过程基本原理。
(2) 弱酸性阳离子交换树脂
它的基体 R 上带有羧酸基（ -COOH ），磷酸基（ -PO3H2 ） 或酚基 （— —OH），其中用得最广的是含羧基的树脂。 它在水中的离解程度较弱
R-COOH
RCOO-+H+
第三章 离子交换与色谱分离
(3) 强碱性阴离子交换树脂
为带有季胺基团的树脂，其在水中的离解式为
Ca2+(水溶液)+2NaRc(固相)==CaRc2(固)+2Na+(水溶液)
典型的阴离子交换反应是：
SO42-(水溶液)+2RACl(固相)==RA2SO4(固相)+2Cl-(水溶液)
式中Rc与RA分别代表阳离子交换剂与阴离子交换剂
中不溶的骨架和固定基团。
第三章 离子交换与色谱分离
可用作离子交换剂的物质有离子交换树脂、无
3-1-3 基本原理
1. 离子交换平衡 离子交换反应：
1 1 A(溶液 ) RB (固相) B(溶液 ) Rm A(固相) m m
（3-1）
(1) 离子交换等温线；(2) 平衡常数KAB; (3) 分离系数rab; (4) 分配系数A
第三章 离子交换与色谱分离
2. 离子交换的动力学
与液体溶剂间的分配服从气液吸收或液液萃取的平
衡关系。也称为气液色谱或液液色谱。 (3) 离子交换色谱 固定相为离子交换树脂或表面
涂以液体离子交换树脂的固体颗粒，组分在流动相
（液体）与固定相间的分配服从离子交换平衡。
第三章 离子交换与色谱分离
（4) 亲和色谱
固定相为附着有某些特效亲和力的配位
体的惰性固体颗粒，组分在流动相与配位体间的平衡关系
速迁移），随流动相移动快的组分先离开色谱柱，随 流动相移动慢的组分后离开色谱柱，因而可使混合物 的各组分互相分离。
第三章 离子交换与色谱分离
色谱的分类： 根据流动相的不同，可分为气相色谱与液相色谱。 根据固定相的类型，色谱可分为以下五类： (1) 吸附色谱 固定相为适当的吸附剂，组分在流固 两相间的分配服从气固（或液固）间的吸附平衡关 系，也称为气固色谱或液固色谱。 (2) 分配色谱 固定相为粘附有薄层液体溶剂的固 体颗粒，其中起作用的是液体溶剂，组分在流动相
第三章 离子交换与色谱分离
第一节 离子交换
离子交换过程是液固两相间的传质与化学反应过程。 离子交换剂的性能对离子交换过程有重大的影响。离子 交换剂是一种带有可交换离子的不溶性固体。
带有可交换的阳离子的交换剂称为阳离子交换剂，带有
可交换的阴离子的交换剂称为阴离子交换剂。
第三章 离子交换与色谱分离
典型的阳离子交换反应是：
第三章 离子交换与色谱分离
3. 典型工艺流程
原水(含NaCl) 原水 含Ca2+ 废水
阳 ຫໍສະໝຸດ Baidu 子 交 换 柱
阴 离 子 交 换 柱
软水 含Na+
再生液 (NaCl浓溶液)
含HCl水 图3-3软化水的工艺流程
纯水
图3-4复床脱盐流程
第三章 离子交换与色谱分离
4. 树脂的再生
5. 离子交换树脂的污损与处理
三者之间的关系为：再生交换容量 = 0.5～1.0总交换容量， 工作交换容量 = 0.3～0.9再生交换容量。
工作交换容量 树脂的利用率 再生交换容量
b. 选择性 工业生产对离子交换树脂的要求是: ① 交换容量高; ② 选择性好; ③ 再生容易; ④ 机械强度高, 不易磨损碎裂; ⑤ 化学与热稳定性好; ⑥ 价格低。
色谱分离包括一个流动相（气相或液相）和一个固
定相，分离的基础是组分的差速迁移。在色谱柱中流
动相沿固定相流动，混合物中各组分在此固定相与流 动相间的分配不同，在固定相中相对量多的组分，与 固定相在一起的时间分率大，随流动相一起流动的速 度就慢。这样，由于混合物中各组分被固定相滞留的
程度不同，它们随流动相移动的速度就不同（称为差
6. 离子交换过程的设备与操作方式
3-1-5 离子交换过程的工业应用
1. 水处理 2. 糖液的净化 3. 制药工业中的应用 4. 废水处理 5. 脱色 6. 其它 (1) 铀的提取 (2) 碘的提取 (3) 电解质与非电解质的分离
第三章 离子交换与色谱分离
离 子 交 换 水 处 理 设 备
第二节 色谱分离
是亲和色谱的作用。
（5) 排阻色谱 固定相为具有一定大小孔道的凝胶，它
是基于凝胶微孔对大小不同的分子的阻滞不同的性质使它 们互相分离。大分子不能进入微孔，被排斥而随流动相很 快流出，小分子可进入微孔，被阻滞而在固定相中停留较
长时间后再流出。也称为凝胶色谱。
3-2-4 应用
P132
第三章 离子交换与色谱分离
(5) 反离子B从颗粒外表面扩散到溶液主体。
其中(1)(2)(4)(5)为控制步骤。
3-1-4 离子交换工艺过程与设备
1. 离子交换分离过程的化学基础
2. 离子交换工艺过程的基本步骤
(1) 料液（含有欲除去的反离子 A）与离子交换剂RB进行 交换反应，离子交换树脂RB上的反离子B被料液中的反 离子 A 取代，至树脂上反离子 A 接近饱和，反应不宜再 进行为止。 (2) 离子交换树脂的再生 饱含了反离子A的离子交换树 脂用含反离子B的溶液使其再生，还原成原始形态RB。 (3) 再生的离子交换剂的清洗 再生完成的树脂床层中含 有再生溶液，需用清水洗净，然后才能供下一循环重新 使用。
12. 乳状液膜与支撑液膜分离过程的特征。
13. 液膜分离机理主要有哪几种类型？
14. 乳状液膜分离工艺由哪些步骤组成？
15. 超临界萃取的特点及主要用途。
16. 超临界萃取的三种典型流程的操作过程。
17. 离子交换分离过程的基本原理。
18. 色谱分离的基本原理。
。
。
第三章 离子交换与色谱分离
2. 物理化学性质
(1)交联度； (2) 粒度； (3) 亲水性； (4) 密度； (5) 溶胀性； (6) 稳定性；(7) 化学交换性能; (8) 吸附性能
交换反应：
A(溶液)+RB(固相) RA(固相)+B(溶液)
其中R为树脂上的固定基团，B为原树脂上与基团R结合的反离 子，A为溶液中的反离子。在交换反应中A取代了B。
机离子交换剂（如天然与合成沸石）和某些天然有
机物质经化学加工而得的交换剂（如磺化煤等），
其中离子交换树脂应用最广。
通常在离子交换剂表面进行的离子交换反应很
快，过程速率主要由离子在液固两相间的传质过程
决定。
第三章 离子交换与色谱分离
3-1-2 离子交换树脂
1. 种类
(1) 强酸性阳离子交换树脂
指高分子基体R上带有磺酸基的树脂，它在水中离解 R - SO3H RSO3- + H+
R-N-R3OH==R-N-R3++OH-
(4) 弱碱性阴离子交换树脂
指含伯胺（—NH2）、仲胺（—NHR）、或叔胺（—NR2）的树脂
R-NH2+H2O===RNH3+ + OH-
根据树脂的物理结构，离子交换树脂分为凝胶型与大孔型两类。 (1)凝胶型 孔径在30A以下
(2)大孔型 孔径从几十到上万A