① 誰有電廠化學離子交換系統的原理的課件嗎我急需！
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151、 什麼叫離子交換樹脂?
答：離子交換樹脂是人工合成的，具有高分子聚合物骨架和活性基團的物質，因外形呈樹脂狀，故常稱為離子交換樹脂。
163、在水處理實際應用中，離子交換樹脂選擇順序如何?有什麼規律?
答：陽離子交換樹脂在稀溶液中的的選擇性順序如下：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+≈NH4+>Na+>H+
這可歸納為①離子所帶電荷越大，越易被吸著；②當離子所帶電荷量相同時，離子水合半徑較小的易被吸著。
弱酸性陽樹脂對H+的選擇性向前移動，羧酸型樹脂對H+的選擇性居於Fe3+之前。
在濃溶液中選擇順序有所不同，某些低價離子會居於高價離子前面。
陰離子交換樹脂的選擇順序：在淡水的離子交換除鹽處理系統中，即進水是稀酸溶液時，陰離子的選擇順序為SO42-(+HSO4-)>CL->HCO3->HSiO-；
當OH型離子交換樹脂失效後，用鹼進行再生時，即對於進水是濃鹼溶液，陰離子的選擇性順序為：CL—>SO42—＞CO32->HSiO3—；
據此，可以推知，OH型離子交換樹脂對於水中常見陰離子的選擇順序，遵循以下三條規則：
(1)在強弱酸混合的溶液中，OH型離子交換樹脂易吸著強酸陰離子。
(2)濃溶液與稀溶液，前者利於低價離子被吸著，後者利於高價離子被吸取。
(3)在濃度和價數等條件相同的情況下，選擇性系數大的易被吸著。
164、試述弱酸陽離子交換樹脂的特性。
答：弱酸陽離子交換樹脂在水中的特性類似弱酸。它與中性鹽類作用的能力較弱（例如SO42—、CL—等強酸陰離子）。它僅能與弱酸性鹽類（具有鹼度的鹽類）反應，反應後產生的是弱酸。用強酸H型離子交換樹脂可處理鹼度大的水，將水中的鹼度所對應的陰離子除去後，再用強酸H型交換樹脂來除去強酸根所對應的那部分陰離子。
由於弱酸性陽樹脂對H+的親和力較大，很容易再生，因此它可用強酸H型陰離子交換樹脂的再生廢液來進行再生。
弱酸性陽樹脂的交換容量很大，約為強酸性陽樹脂的2倍。由於弱酸性陽樹脂的交聯度低，所以其機械強度比強酸性陽樹脂的要低。
鹽型弱酸性陽樹脂具有水解能力。
165、簡述弱鹼性陰離子交換樹脂的特性。
答：OH型的弱鹼性陽離子交換樹脂在水中類似弱鹼，其分解中性鹽的能力很弱，，其在中性鹽溶液中不能和鹽類反應，因此只能在酸性溶液中與SO42—、CL—、、NO3—等強酸根進行交換，對弱酸根HCO3—的吸著力很弱，對更弱的HSiO3—則不能吸著。
弱鹼性陽樹脂對OH—的親和力較大，很容易再生，可用強鹼性陰樹脂的再生廢液進行再生。
弱鹼性陰樹脂的交換容量大，相當於強鹼性陰樹脂的3倍。由於弱鹼性陰樹脂的交聯度低、孔隙大，其機械強度比強鹼性陰樹脂的要低。但弱鹼性陰樹脂在運行時吸著的有機物，在再生時易被解吸出來。
鹽型的弱鹼性陰樹脂在水中具有水解能力。
166、 為什麼新樹脂在使用前應進行預處理? 離子交換樹脂如何進行預處理?
答： 因為新樹脂中含有少量的低聚合物和未參與聚合，縮合反應的單體。當樹脂與水、酸、鹼、鹽等溶液接觸時，上述物質就會轉入溶液中，影響出水水質。除了這些有機物外，新樹脂往往含有鐵、鋁、銅等無機雜質。在水質要求較高時，應對新樹脂進行預處理。
進行予處理時，如樹脂脫水需要食鹽水處理：將樹脂轉入交換器中，用大余樹脂體積的10%的食鹽溶液浸泡1—2小時。浸泡完後放掉食鹽水，用水沖洗樹脂，直到排出的水不呈黃色為止。再進行反洗，以除去混在樹脂中的機械雜質和細碎樹脂粉末。
陽樹脂： 用2—4％NaOH溶液浸泡4—8小時，然後進行小流量反洗，至排水澄清、耗氧量穩定為止。再用5％鹽酸浸泡4—8小時，進行正洗，至排水氯含量與進水相接近為止。
陰樹脂：用5％鹽酸浸泡4—8小時，用氫離子交換器出水進行小流量反洗，至排水氯離子含量與進水相接近為止。然後再用4％NaOH溶液浸泡4—8小時，正洗排水接近中性為止。。
167、離子交換樹脂如何轉型?
答：(1)陽離子交換樹脂轉型方法：
將陽離子交換樹脂浸泡於2—4％的氫氧化鈉溶液中，經4一8小時後進行小流量反洗(指器內預處理)，至出水澄清，耗氧量穩定為止。然後再浸泡於5％的鹽酸溶液中，經4—8小時後，進行正洗，至出水與進水氯根含量相近為止。
(2)陰離子交換樹脂轉型方法：
將陰離子交換樹脂浸泡於5％的鹽酸溶液內，經4—8小時後用氫離子交換水進行小流量反洗，直至出水與進水氯根含量相近為止。然後再浸泡於4％的氫氧化鈉溶液中，經4—8小時後進行正洗，至出水接近中性為止。
168、如何對不同的樹脂進行分離?
答：對混合在一起的不同樹脂，主要是利用它們的比重不同進行分離，一種是借自下而上的水流進行樹脂分層。另外一種辦法是將混合樹脂浸泡於一定比重的食鹽溶液中，比重小的樹脂會浮起來，與比重大的分離。例如，用飽和食鹽水即可將強鹼、強酸兩種樹脂分離開。
如果兩種樹脂的比重差小，分離起來有困難，可以先將樹脂轉型，再進行分離。這是由於樹脂型型式不同，其比重也不同，例如OH型陰樹脂的比重小於CL型。
169、試述影響陽離子交換速度的因素。
答：(1)樹脂的交換基團：離子間的化學反應速度是很快的，所以一般來說樹脂交換基團的不同並不影響到交換速度，但對於會形成弱電解質的離子交換樹脂，情況就不同，象H型和鹽型的交換速度就會有很大的差別。
(2)樹脂的交聯度：樹脂的交聯度大，網孔小，則其顆粒內擴散越慢，交換速度就慢。當水中的粒徑較大的離子存在時，對交換速度的影響就更為顯著。
(3)樹脂的顆粒：樹脂顆粒越小，交換速度越快。
(4)溶液的濃度：溶液濃度是影響擴散速度的重要因素，濃度越大擴散速度越快。
（5）水溫：提高水溫能同時加快內擴散和膜擴散。
(6)攪拌或提高流：在交換過程中的攪拌或提高水的流速，只能加快膜擴散，但不影響內擴散。
(7)離子的本性：離子水合半徑越大，內擴散越慢；離子電荷數越多，內擴散越慢。
170、簡述離子交換樹脂的污染和氧化降解。
答：離子交換樹脂在連續進行吸附交換，以及多次循環操作中，其本身也為水中各種雜質所污染；
(1)無機物污染：
陽離子交換樹脂用鹽酸再生時，銀、鉛等化合物會積累於樹脂顆粒內部；當用硫酸再生時，鈣、鋇等化合物會積聚於樹脂顆粒內部而造成樹脂微孔阻塞。
鐵離子對陰陽樹脂都有污染。
(2) 有機物污染
陰陽樹脂都會受到有機物污染。引起陽樹脂污染的有油脂、含氮化合物、調節PH時用的有機胺類、微生物細菌等。引起陰樹脂污染的物質有油脂、木質碳酸和腐植酸等高分子有機陰離子以及有機鐵、微生物、細菌和陽樹脂降解後溶出的高分子酸類等。
有機物是高分子有機陰離子，分子量很大，一般凝膠型樹脂孔徑較小，很容易被大分子的有機物堵住孔隙而使其交換容量下降。尤其是強鹼陰樹脂，非常容易受有機物污染。
有機物對離子交換樹脂的污染與其含量及有機物的組成有關。有機物含量大的、高分子的易污染。樹脂的結構對污染程度也有很大影響。
(3)硅酸根污染：
強鹼陰離子交換樹脂失效後，不及時還原而長期停放或陰離子交換樹脂不能徹底還原均可造成硅酸根污染。膠體硅一般不被凝膠型樹脂交換，但還有一部分被吸附。因此也會使陰樹脂污染。
(4)樹脂的氧化：
對於自來水為水源的電廠除鹽系統樹脂易受活性氯氧化。樹脂氧化後，其外觀色淡，透明度增加，體積增大，阻力增大，體積交換容量降低。
171、 什麼叫樹脂的復甦?
答： 樹脂在長期的使用過程中，被有機物、鐵、膠體等污染，使其交換容量降低甚至全部喪失，故採用酸、鹼法或鹼、食鹽法等進行處理，以恢復其交換性能。這就是樹脂的復甦。
172、如何保存需長期儲存的離子交換樹脂？
答：當要長期儲存樹脂時，最好把樹脂轉變成鹽型，浸泡在水中，如儲存過程中，樹脂脫了水，也應先用濃（10%）食鹽水浸泡，再逐漸稀釋，以免樹指急劇膨脹而破碎。儲存溫度一般在0—40℃為宜，以免凍裂。
173、當離子交換劑遇到電解質水溶液時，電解質對其雙電層有哪兩種作用？為什麼？
答：離子交換樹脂可看作是具有膠體型結構的物質，既在離子交換樹脂的高分子表面上有許多和膠體表面相似的雙電層，我們把它和內層離子符號相同的離子稱作同離子，符號相反的稱反離子。所以離子交換是樹脂中原有反離子和溶液中其它反離子相互交換位置。當離子交換劑遇到含有電解質的水溶液時，電解質對其雙電層有兩方面的作用。一是交換作用：擴散層中反離子在溶液中的活動較自由，離子交換作用主要在此種反離子和溶液中其它反離子之間進行，因動平衡的關系，溶液中的反離子會先交換至擴散層，然後再與固定層中的反離子互換位置。二是壓縮作用：當溶液中鹽類濃度增大時，可使擴散層壓縮，從而使擴散層中部分反離子變成固定層中的反離子，使得擴散層的活動范圍變小。這就說明了為什麼當再生溶液的濃度太大時，不僅不能提高再生效果，有時反使效果降低。
174、樹脂使用時，應注意哪些問題？
答：保持水分，防止風干，密閉存放，運輸和儲存應在0℃以上，防止凍裂。使用中陽樹脂應防止鐵銹污染和活性氯等破壞樹脂，陰樹脂應防止油類和有機物等污染。
175、如何選擇合適的離子交換樹脂？
答：首先要根據水源水質所含各種離子的量及在水中的分布規律來選擇。在水中強酸根陰離子的含量較大時，應考慮先採用弱鹼陰樹脂來除去水中大部分強酸根陰離子，而使強鹼性陰樹脂充分發揮其除硅性能。此外，還應根據水處理交換器的床型的不同而選用不同品種的樹脂。同時還要根據樹脂的物理及化學性能等綜合考慮來選出最適宜的離子交換樹脂。
176、如何降低樹脂粉碎率？
答：降低壓差，降低流速，在保證出水水質的前提下，適當降低樹脂層高度，縮短運行周期，延長大反洗周期等。
177、陰樹脂為何易變質？如何防止其變質？
答：因為陰樹脂的化學穩定性比陽樹脂差一些，所以它對氧化劑和高溫的抵抗力比陽樹脂要差，所以為防止其變質，需將進水中的氧化劑提前除去。
178、離子交換樹脂交換容量為什麼會下降？
答：樹脂交換能力的下降取決於物理性能崩解，化學交換基團的分解，高分子有機物和金屬氧化物的污染，如水中的微生物，鐵雜質的污染，以及細菌的生長等。這與樹脂品種、處理液種類、交換基團、循環基數、有無前置處理、溫度高低、及酸性物質的存在等多種因素有關。
179、在使用弱鹼性陰樹脂處理水時，為什麼對水的PH值有一定限制？使用弱鹼樹脂有什麼好處？
答：當採用弱鹼樹脂處理水時，一般只能在水的PH<9的情況下進行交換。當水的PH值過大時，由於水中OH-離子濃度大，它抑制了樹脂的電離，使樹脂不再具有可交換的性能。也就是說，水中其它離子無法取代OH-離子。
使用弱鹼樹脂的好處是：它極易再生，再生劑量不需過大。對於降低鹼耗具有很大意義。另外弱鹼樹脂吸著有機物能力較強，而且可在再生時被洗出來。同時弱鹼樹脂還具有交換容量大，交換速度快，膨脹性小，機械強度高的優點。
180、如何清洗樹脂層所截留下來的污物?
答：有空氣擦洗和超聲波清洗兩種方法。
(1)空氣擦洗：即在裝有污染樹脂的設備中，重復性地通入空氣，然後進行正洗。每次通入空氣時間為0.5—1分鍾，正洗時間為1—2分鍾，重復次數為6—30次，空氣由底部進入，目的在於疏鬆樹脂層，並使樹脂上的污物脫落。正洗時，脫落下的污物隨水流由底部排出。空氣擦洗應與樹脂再生交錯進行。
(2)超聲波清洗法：可以清除樹脂顆粒表面的污物，清洗時污染樹脂由設備頂部進入，經中間超聲波場後，由底部離開設備。沖洗水由底部進入上部流出，分離出污物及樹脂碎屑，隨水流由頂部流出。
第九節：除鹽
181、簡述陰、陽離子交換器的除鹽原理。
答： 陰、陽離子交換器一般都聯合使用達到其除鹽的目的，在陽離子交換器中，陽離子交換反應可表示如下：
Na+ Na
RH + Ca2+ R Ca + H+
Mg2+ Mg
Fe3+ Fe
反應結果是水中陽離子被吸著而交換出的H+ 與水中原有的陰離子HCO3- 、Cl—、SO42- 等形成對應的酸溶液，。
這種陽床出水進入陰床時發生如下反應：
CL— CL
ROH + SO42- R SO4 + OH—
HSiO3- HSiO3
HCO3- HCO3
這樣，水中所含鹽份其陰、陽離子分別被陰陽樹脂交換吸收，從而達到減少水中含鹽量的目的。為減少陰床負擔，在陽床之後加脫碳器除去碳酸。
182、什麼叫「兩床三塔+混床」除鹽系統?
答：兩床系指單元式除鹽系統中的陽床和陰床。由於陽床又可稱陽塔，陰床稱陰塔；所以陽床、陰床，除碳塔，組成了三塔。「兩床三塔+混床」為常見的單元式除鹽系統。
183、常用的除鹽系統有幾種形式?各具有什麼優缺點?
答：常用的除鹽系統有單元式和母管式兩種系統。
單元式，即由陽床、除碳器、中間水箱、陰床、混床組成一個單元。
主要優點是：(1)水質容易控制，出水質量好，可靠性高。一般以陰床導電度作為失效標准，再生時適當增加陰床鹼量，可保證不「跑硅」。
(2)再生時與其它系統完全隔絕，減少了向除鹽水箱和其它系統漏酸、漏鹼的危險。
(3)由於是單元操作，易於實現程式控制和自動化。
缺點：(1)水處理轉動設備(泵和風機)的台數較多。
(2)由於陰、陽床失效點不一致，但必須同時再生，單耗(主要是鹼耗)較高。
母管式：所有陽床出水匯集到一條母管，陰床出水匯集到一條母管。
優點：(1)各台陽、陰床可以單獨進行操作，設備利用率高。
(2)轉動設備少。
(3)酸鹼單耗相對較低。
缺點：(1)不容易實現程式控制和自動化。
(2)再生時，向除鹽水箱和系統漏酸、漏鹼可能性比單元式大
(3)為嚴格控制水質，必須對陰床出水二氧化硅勤分析
184、混床設備內樹脂組合有哪幾種方式?其各自的工藝特點是什麼?
答：混合床中陰陽樹脂有以下幾種組合方式：
（1）強酸、強鹼式：這種組合方式出水質量最高，導電度小於0.2us/cm。硅酸根低於20ug/L.
（2）強酸、弱鹼式：這種組合方式出水質量低，不能除去硅酸根、碳酸根等弱酸離子，出水導電度在0.5—2．0us/cm。但其再生效率高，運行費用低。
（3）弱酸、強鹼式：這種組合方式出水質量居中，可除去硅酸根，出水導電度在1—2us/cm，再生效率也較高。此外，某些場合在陰陽樹脂間加裝一層惰性樹脂，構成三層混床，可避免再生時再生液污染異性樹脂。·
185、一般軟化和除鹼離子交換處理方式其系統設計有哪些？
（1）採用強酸性H離子交換劑的H—Na離子交換，此系統又可以分並列H—Na離子交換和串聯H—Na離子交換。
（2）採用弱酸性H離子交換劑的H—Na離子交換。
（3）H型交換劑採用貧再生方式的H—Na離子交換。
採用上述方式主要是能除去水中的硬度，又可降低水的鹼度，且不增加水中的含鹽量。
186、什麼叫一級除鹽? 二級除鹽?
答： 原水經過一次強酸陽離子交換器和強鹼陰離子交換系統，稱為一級除鹽；如果經過兩次，稱為二級除鹽；如果系統中有混床，混床本身算作一級。
187、 什麼是叫移動床? 什麼叫混合床? 什麼叫浮動床?
答： 交換器中的樹脂周期性地在交換塔，再生塔和清洗塔之間循環，並分別在各塔中同時完成離子的交換，再生和清洗過程，這種離子交換器稱為移動床；混合床就是在一個離子交換器內按一定比例裝有陰、陽離子兩種樹脂的離子交換設備；浮動床是指當水流自下而上經過離子交換器的樹脂層時，如水流速度足夠大，則整個樹脂層向上浮動托起的離子交換設備。
188、什麼叫離子交換器的自用水率?
答： 離子交換器每周期中反洗、再生、置換、清洗過程中耗用水量的總和，與其周期制水量的比稱為自用水率。
189、混合床一般都設有上、中、下三個窺視窗，它們的作用是什麼?
答:上部窺視窗一般用來觀察反洗時樹脂的膨脹情況；中部窺視窗用於觀察設備中樹脂的水平面，確定是否需要補充樹脂；下部窺視窗用來檢測樹脂床准備再生前陰陽離子交換樹脂的分層情況。
190、說明離子交換除鹽再生原理?
答：交換器失效後，需要對樹脂進行再生，實際上再生過程是除鹽制水過程的的逆反應。
(1)陽樹脂的再生。失效的陽樹脂用3—5％的鹽酸再生，用鹽酸再生的反應如下：
Na+ Na
R Ca2+ + HCl RH + Ca CL
Mg2+ Mg
Fe3+ Fe
樹脂大部轉型為H型，而酸液變為含有殘余酸的氯化物或硫酸鹽(當用硫酸再生時)混合溶液被排入地溝。
(2)陰樹脂的再生，失效的陰樹脂用2—4％的NaOH溶液再生，其反應式為
CL Cl
R SO4 + NaOH ROH+Na SO4
HSiO3 HSiO3
HCO3 HCO3
反應結果，樹脂大部轉型為OH型，而鹼液變為含有殘余鹼的鈉鹽混合液被排入地溝。
191、 什麼叫逆流再生? 什麼叫順流再生?
答： 逆流再生是指制水時，水流方向和再生時再生液流動方向相反的再生方式。順流再生是指制水時，水流的方向和再生液流動的方向一致。通常流向都是由上向下的再生方式。
192、逆流再生具有什麼優點?為什麼?
答：逆流再生的主要優點是出水質量好，再生酸鹼耗低。這是由於逆流再生時，再生液從底部進入，首先接觸的是尚未失效的樹脂，這時由於再生液濃度較高，從樹脂中交換下的被再生離子濃度很小，可以使樹脂得到「深度再生」。再生液到上部時，雖然再生液濃度降低，雜質離子含量增高了，但由於樹脂是深度失效的(飽和度高)，所以仍然可以獲得較好的再生效果，這樣再生劑可以得到比較充分的利用。再生結果是，上部樹脂再生得差一些，下部樹脂再生得比較徹底。
在運行的情況下，水首先接觸上部再生度較低的樹脂，但此時由於水中雜質離子濃度含量大，所以可發生離子交換。當水進入底部時，雖然水中離子雜質也大為減少，但由於接觸的是高再生度的樹脂，仍可以進一步除去水中的雜質離子，使水得到深度凈化。
193、為什麼逆流再生對再生劑純度要求較高？
答：從離子交換平衡理論可知，再生劑的純度將會影響到樹脂的再生度，從而影響到樹脂的交換容量，逆流再生的特點是再生液首先接觸出水區樹脂，所以再生劑純度對逆流再生影響較大，若出水區樹脂再生度降低，將會直接影響出水水質。
194、逆流再生為什麼要進行定期大反洗?
答：在進行逆流再生的設備中，為保證底層樹脂始終維持較高的再生度，每次再生時不應將原樹脂層打亂，只進行小反洗，既對中排裝置上的壓脂層進行反洗，而對於中排裝置以下的絕大部分樹脂不進行反洗。但為避免下部樹脂被污染和清除其中的破碎樹脂，以及防止因長期運行，樹脂被壓實結塊、粘結等增加了阻力，影響出水流量，而使床內在運行時產「偏流」，或者影響再生效果。一般經15—20個周期需大反洗一次。由於大反洗後原有的樹脂層分布遭到破壞，所以大反洗後應以2倍常量的酸、鹼液進行再生。
195、順流再生和逆流再生對再生液濃度的要求有什麼不同?
答：一般說來，順流再生時，再生液濃度應稍高一些，這是由於再生液首先與飽和度高的樹脂接觸，如果再生液濃度低，下部飽和度低的樹脂無法得到充分再生，將會影響出水質量。
對逆流再生，再生液濃度可低一些。這是由於再生液首先與飽和度低的樹脂接觸，使底層樹脂得到充分再生。隨再生液向上移動，其濃度下降，但與其接觸的是飽和度高的樹脂，同樣可以得到較好的再生。顯然，再生液利用率也較高。
196、逆流再生固定床的中排裝置有哪些類型？底部出水裝置有哪些類型？
答：中排裝置有：（1）母管支管式：母管與支管在同一平面及母管與支管不在同一平面 （2）管插式 （3）魚刺式 （4）環管式。
底部出水裝置有：（1）穹形多孔板加石英砂墊層（2）多孔板上加水帽或夾布形式（3）魚刺形式（支管上開孔或裝水帽）。
197、對逆流再生除鹽設備中排管開孔面積有什麼要求?
答：為使頂壓空氣和再生液不會在交換器內「堆積」，必須保證再生液及頂壓空氣從中排管順利排出，方可保證再生時不發生樹脂亂層。
一般說，中排管的開孔面積是進水面積的2.2—2.5倍，這也是白球壓實逆流再生之所以不會亂層的重要保障。
② 離子交換分離法
磺酸型陽離子交換樹脂在稀鹽酸介質中，可吸附鋯氧離子，經1～2mol/LHCl淋洗，僅釷和稀專土留在屬交換柱上，鈦則部分分離，其他多數元素均能分離。再用4mol/LHCl淋洗，即可使鋯與釷和稀土分離。
此外，在鹽酸-過氧化氫溶液中，鋯(鉿)均可吸附於陽離子交換柱上，再用檸檬酸或草酸淋洗可進行定量分離。
某些陰離子交換樹脂在鹽酸溶液中，能吸附鋯、鉿、鈾和鈰，釷不被吸附。在氫氟酸介質中，鋯被吸附而與鋁、鐵分離。
③ 離子交換原理
離子交換的基本原理 離子交換的選擇性定義為離子交換劑對於某些離子顯示優先活性的性質。離子交換樹脂吸附各種離子的能力不一，有些離子易被交換樹脂吸附，但吸著後要把它置換下來就比較困難；而另一些離子很難被吸著，但被置換下來卻比較容易，這種性能稱為離子交換的選擇性。離子交換樹脂對水中不同離子的選擇性與樹脂的交聯度、交換基團、可交換離子的性質、水中離子的濃度和水的溫度等因素有關。離子交換作用即溶液中的可交換離子與交換基團上的可交換離子發生交換。一般來說，離子交換樹脂對價數較高的離子的選擇性較大。對於同價離子，則對離子半徑較小的離子的選擇性較大。在同族同價的金屬離子中，原子序數較大的離子其水合半徑較小，陽離子交換樹脂對其的選擇性較大。對於丙烯酸系弱酸性陽離子交換樹脂來說，它對一些離子的選擇性順序為：H+>Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na十。 離子交換反應是可逆反應，但是這種可逆反應並不是在均相溶液中進行的，而是在固態的樹脂和溶液的接觸界面間發生的。這種反應的可逆性使離子交換樹脂可以反復使用。以D113型離子交換樹脂制備硫酸鈣晶須為例說明： D113丙烯酸系弱酸性陽離子交換樹脂是一種大孔型離子交換樹脂，其內部的網狀結構中有無數四通八達的孔道，孔道裡面充滿了水分子，在孔道的一定部位上分布著可提供交換離子的交換基團。當硫酸鋅溶液中的Zn2+，S042-擴散到樹脂的孔道中時，由於該樹脂對Zn2+選擇性強於對Ca2+的選擇性，，所以Zn2+就與樹脂孔道中的交換基團Ca2+發生快速的交換反應，被交換下來的Ca2+遇到擴散進入孔道的S042-發生沉澱反應，生成硫酸鈣沉澱。其過程大致為：
(1)邊界水膜內的擴散 水中的Zn2+，S042-離子向樹脂顆粒表面遷移，並擴散通過樹脂表面的邊界水膜層，到達樹脂表面； (2)交聯網孔內的擴散(或稱孔道擴散) Zn2+，S042-離子進入樹脂顆粒內部的交聯網孔，並進行擴散，到達交換點；
(3)離子交換 Zn2+與樹脂基團上的可交換的Ca2+進行交換反應；
(4)交聯網孔內的擴散 被交換下來的Ca2+在樹脂內部交聯網孔中向樹脂表面擴散；部分交換下來的Ca2+在擴散過程中遇到由外部擴散進入孔徑的S042-發生沉澱反應，生成CaS04沉澱；
(5)邊界水膜內的擴散 沒有發生沉澱反應的部分Ca2+擴散通過樹脂顆粒表面的邊界水膜層，並進入水溶液中。 此外，由於離子交換以及沉澱反應的速度很快，硫酸鈣沉澱基本在樹脂的孔道里生成，因此樹脂的孔道就限制了沉澱的生長及形貌，對其具有一定的規整作用。通過調整攪拌速度、反應溫度等外界條件，可以使樹脂顆粒及其內部孔道發生相應的變化，這樣當沉澱在樹脂孔道中生成後，就得到了不同尺寸和形貌的硫酸鈣沉澱。
④ 離子交換
鉬(Ⅵ)與大量鐵(Ⅲ)的0.5mol/LHCl溶液，通過陽離子交換樹脂後，可用0.04mol/L硫氰酸銨溶液淋洗鉬(Ⅵ版)。鉬(Ⅵ)與錸權的氫氧化鈉溶液通過陰離子交換樹脂後，可用1mol/L草酸鉀溶液淋洗鉬(Ⅵ)，再用7mol/LHCl淋洗錸。
⑤ 求教科書生物分離工程(生物工程下游技術) 中 分離科學作用 謝謝
現代分離科學理論框架的研究
耿信篤, 張養軍
(西北大學 現代分離科學研究所ö 現代分離科學陝西省重點實驗室, 陝西 西安 710069)
摘要: 分離科學是研究物質在分子水平上的空間分布和移動規律的一門科學。如果這一看法是正確
的話, 那麼, 分離科學理論就應該有一個能將各種分離技術原理及支持這些原理的共同理論, 即分
離科學理論框架。既然分離科學是從分子在空間遷移和分布規律的全過程來設計的, 該理論必然要
涉及到溶質分子在流體中的空間遷移和分布, 就必須了解在體系中組分的宏觀性質。即①分離過程
中的熱力學; ②溶質的遷移和擴散, 因為目前絕大多數組分的分離是在界面(特別是液2固界面)上
完成的, 這就是③分離過程中發生在界面上的計量置換。然而要從微觀上深入了解物質能夠被分離
的實質便是④平衡分離的分子學基礎及⑤疏水效應。在了解了物質的微觀、宏觀性質及遷移規律
後, 如何才能使分離進行得更好, 這便是⑥分離過程中的最優化和選擇分離方法時必須對各種分離
方法的特點有所了解的, ⑦分離方法的簡介和比較。上述七部分內容應當成為現代分離科學的理論
骨架。
關 鍵 詞: 分離科學; 熱力學; 溶質計量置換保留理論; 疏水效應; 分離方法; 最優化; 理論骨架
中圖分類號:O 651 文獻標識碼:A 文章編號: 10002274Ò (2002) 0520433205
從幾千年前我國的煉丹術、釀酒術發展到近一
個世紀以來, 出現了多種分離技術或分離方法。特別
是近年來, 由於精細化工、生命科學和材料科學等新
興學科的發展, 加之計算機和現代分離手段的廣泛
應用, 促使這些新的分離方法的理論日臻完善, 技術
水平不斷提高。遺憾的是, 多年來, 這些分離方法各
自討論其分離原理, 如色譜中就有分配、吸附、離子
交換、反相和疏水色譜等, 故有關分離理論方面的內
容均分散在一些分離方法和其他學科之中。雖然國
外也出版過幾本有關「分離方法」的書, 但其只是以
各個「分離方法」為主體分別進行闡述, 對於「分離方
法」的基礎理論及各個「分離方法」之間的聯系卻涉
及甚少。1973 年, B. L. Karger 等 3 人出版了「A n
In t roct ion to Separat ion Science」一書[ 1 ]
, 雖然講
述分離科學的理論部分不超過全書 1ö 3 的篇幅, 然
而他們的貢獻是首次提出了「分離科學」這個概念。
1991 年, 理論色譜學家 J. C. Giddings 寫的「A
U n if ied Separat ion Science」一書, 用化學勢場和流
這兩個各種分離方法共有的參數為紐帶, 將原來似
乎毫無關系的、分散在各種分離方法中的分離原理
統一在一起討論, 並稱其為統一的分離科學[ 2 ]
。隨著
高技術產業的出現, 特別是生物工程和生物技術及
材料科學的發展, 迫切要求提供更先進、更優化的分
離方法。一些國家和地區, 如美國的加州早在7 年前
就成立了分離科學協會, 其年會規模逐漸擴大, 現已
發展成一個國際性的年會, 還有《專門分離科學》、
《分離科學》及《分離工程雜志》出版, 表明分離科學
作為一個獨立的科學分支正在形成和發展。
既然分離科學是一個獨立的科學分支, 就必然
有其支撐的理論, 有一個能支持各種分離方法, 至少
是絕大多數的現代分離技術原理的基本理論。1990
年, 筆者之一出版了《現代分離科學理論導引》一
書[ 3 ]
, 對此問題進行了探索, 又經過 10 年的探索和
實踐, 對原書作了大幅度的修改, 並增加了新的內容
和章節。最近, 該書已經被教育部研究生辦公室推薦
為研究生教學用書, 並由高等教育出版社出版[ 4 ]
。在
該書前言中首次提出了現代分離科學理論框架的論
點。然而, 分離科學作為科學的一個獨立分支, 是一
個不斷發展和壯大的學科, 理論也在不斷發展豐富,
內容也愈來愈豐富。所以,「現代分離科學理論框
架」到底應該包括那些內容, 仍是一個值得進一步探
討的學術問題。
無論是什麼分離方法和多麼新的分離工藝, 都
是在研究物質在分子水平上的空間分布和移動規
律, 以及如何更好地實現這一目標。如果這一看法正
確的話, 那麼, 現代分離科學理論就應該是為解決這
一問題而所必須的理論基礎。
1 分離過程中的熱力學
分離過程必然伴隨著一種或幾種組分的定向移
動以達到分離和濃集的目的, 所以分離過程是一個
組分在空間的再分配過程, 這就存在著一個哪些組
分能夠在空間被濃集和哪些組分不能夠被濃集, 以
及能夠在空間被濃集到什麼程度這樣兩個問題。分
離過程中的熱力學就是為了判斷這一過程的方向,
確定它的限度以及研究如何運用熱力學知識以促使
某個或某些組分向我們期望的方向移動, 實現最大
限度的分離和濃集等有關理論及計算問題。分離過
程中所遇到的某些熱力學的基本要點, 則一定會涉
及到相間的分配平衡、在分離過程中作為分子移動
驅動力的外加場作用下的平衡、相平衡、分配平衡、
氣2液平衡熱力學及溶液模型等方面的理論, 以及如
何將熱力學第一和第二定律應用到密閉和開放的體
系中和運用化學勢概念來解決問題。化學勢是分離
過程中各個組分分離的驅動力, 盡管絕大多數的分
離是在外加場存在下實現的, 但這些外加場都可以
換算成化學勢並使其成為總化學勢的一部分。活度
系數及標准態是描述該過程中兩個很重要的概念,
在應用時容易出現差錯, 所以必須引起重視。平衡概
念是描述分離過程應用最多的概念, 其中相平衡原
理被用來描述單組分、雙組分及 3 組分相圖以及如
何將這些相圖應用於簡單組分的分離。分配平衡主
要涉及氣2固、液2固和氣2液 3 種平衡, 常用吸附等
溫線對其過程進行描述和表徵。由於這3 種平衡不
涉及化學反應, 因此被稱之為第一類化學平衡, 而涉
及到利用化學反應進行分離的叫作第二類化學平
衡, 這類平衡在分離過程中亦經常遇到。溶液行為模
型是在研究氣2液分離過程中的理論時經常遇到的
問題, 該模型涉及到對氣相和液相(理想溶液、真實
溶液和正規溶液)中的某些熱力學參數(包括過剩熱
力學參數在內)的處理。
2 分離過程中溶質在兩相界面上的計
量置換
以往的分離方法中, 在涉及相分離時, 往往只涉
及溶質在兩相間的分配系數和化學勢差等概念, 而
很少涉及相界面過程和這些過程對分離所作出的貢
獻。對於溶質在兩相界面上行為的處理, 涉及到近年
來才提出的計量置換的概念[ 5 ]
。計量置換的提出, 實
質上是基於物理學中「能量守恆」和「一個空間不能
同時容納兩個物體」的兩個基本原理, 這一概念對於
許多科技工作者來講並不陌生。例如, 離子交換時,
在某一離子被交換劑吸留的同時, 交換劑上即會釋
放出等當量的同電荷符號的另一離子。這就是計量
置換的一個廣為人知的事例。隨著科學技術的發展,
現已知道, 計量置換可發生在其他許多埸合。例如,
某組分在相間分離過程中, 從 Α相進入 Β相(或表面
或內部)時可能置換的是 Β相中的溶劑分子(如果 Β
相是液相的話)。研究這樣的置換過程, 即研究組分
從一相進入另一相時, 在相界面上發生了什麼過程,
其組分如何在界面上進行遷移, 而相應的能量又是
如何變化, 如何將計量置換用於組分分離的宏觀和
微觀變化, 對了解分離機理和提高分離效果是十分
重要的。因為組分可在液2固、液2液、氣2液相間進行
分離, 特別是液2固和液2液相間分離用得最多。所
以, 深入了解組分在相界面上遷移時所產生的化學
勢突躍及其伴隨的計量置換過程必將對組分的分離
有益。液固相界面上的計量置換, 包括新概念的定
義、物理及化學理論基礎、計量置換模型的建立及其
在物理化學、生物化學、基因工程和色譜分離中的應
用。它指出了分離過程中, 在相界面上發生的基本過
程——溶質與置換劑(在許多情況下是溶劑)分子間
的計量置換關系。這種關系建立在體系中溶質、置換
劑和吸附劑分子間的多種熱力學平衡和計量置換這
一概念的基礎上, 從建立理論模型到引用一些數據
對模型進行檢驗以及通過液2固體系中溶質的計量
置 換 吸 附 理 論, 從 理 論 上 推 導 出 朗 格 繆 爾
(L angm u ir)及弗侖德利希(F reundlich)公式並與之
進行比較, 表明該理論更具有指導意義。因為該理論
是在多個熱力學平衡的基礎上推導的, 具有堅實的
理論基礎。另外, 該理論中的參數皆具有明確的物理
意義, 這些都對它的應用以及對一些現象的解釋奠
定了基礎。現在, 該理論已經用於對液2液分配等溫線的預計和對液相色譜中的溶質保留機理和反相液
相色譜中溶質保留過程的熱力學的研究。經檢驗該
理論, 還可用於除尺寸排阻色譜以外的各類色譜以
及沉澱表面吸附過程。其計量參數既可以用來研究
生物大分子的構象變化, 也可用於蛋白質折疊過程
中自由能的測定, 還可用於表徵色譜中作用力的類
型和溶劑強度。由於從熱力學角度對柱相比的定義
和准確測定, 使熱力學的研究可以更深入地進行。有
關溶質計量置換理論的發展及其應用已有詳盡的綜
述[ 6 ]
。
3 溶質的遷移與擴散
溶質在空間的再分配一定涉及到溶質分子的遷
移, 即在外加埸或內部化學勢作用下向預定的、趨向
於平衡的方向移動。與此同時, 分子又不可避免地要
隨機運動, 而且總是由高濃度向四周的低濃度區擴
散, 使分離開的溶質趨向於混合, 所以擴散是分子的
隨機運動, 沒有確定方向。遷移是提高分離度和濃集
所必需的, 因而應設法增強, 而擴散則相反, 是阻礙
分離和濃縮的, 所以應設法使其減弱直至最小。為
此, 必須了解在不同介質和不同分離體系中組分遷
移和擴散的基本性質和運動規律, 特別是與分離體
系密切相關的定量關系應有所了解, 以便對選擇分
離體系的最優化條件有所幫助。溶質的遷移與擴散
應包括分離過程中動力學方面的問題。將機械運動
與 1 mo l 分子遷移進行比較, 以經典的牛頓力學推
導出分子遷移規律——費克(F ick ) 第一和第二定
律。通過對費克第二定律求解, 可以得出在理想條件
下溶質帶遷移過程中的遷移模式——高斯濃度分布
曲線。在此基礎上便能理解在氣體、電解質溶液、在
流和在填充柱中的遷移與擴散規律以及遷移方程的
物理意義, 並且還可描述分離速度、摩擦系數及分子
參數之間的關系[ 7, 8 ]
。這些都是描述帶的形成與擴散
不可缺少的一個重要組成部分。另外, 高斯帶、統計
矩、隨機過程、理論板高以及在洗脫系統中的板高,
是加深理解對帶的遷移和擴散不可缺少的概念, 也
可促進對分離方法的優化研究。而且, 可以不用「理
論塔板」概念, 完全從理論上推導出洗脫曲線的形狀
及板高, 這些都有利於從理論高度對分離過程的模
擬和理解。了解帶的擴展機理, 計算分離度——峰容
量, 對如何提高分離度也十分有用。除了理想狀態
外, 非理想條件下的非高斯帶和穩態帶的特性及其
數學表達式, 也是組成分離科學理論的重要問題之
一。
4 平衡分離的分子學基礎
在利用熱力學方法及有關參數來處理和選擇分
離的最佳條件時, 有時會遇到分離系統中的一些參
數, 如溫度、壓力、組成等不總是隨時都可知道的。這
樣, 就有必要對確定分配系數大小的基礎——分子
間相互作用力[ 1 ]
進行深入地了解, 以便選擇最佳分
離條件。在許多情況下, 這些分子間的相互作用力又
與它們的分子結構、環境條件等因素有關, 因此從分
子結構的觀點闡明溶質在兩相間的分配規律, 並從
分子間的相互作用力得出溶解度參數及擴展的溶解
度參數的概念[ 9 ]
、計算方法、從分子水平描述帶擴展
機理(色譜動力學)以及它們在分離科學中的應用
等, 是這部分討論的目的。平衡分離的分子學基礎著
重從分子間相互作用力的分類、性質、作用力的大小
計算入手, 對這些作用力與分子結構間的關系以及
結構與分離性質之間的關系進行討論, 這部分的內
容包括經典的赫爾德布蘭德(H ildeb rand)的溶解度
參數概念、計算方法以及擴展的溶解度參數理論。這
樣, 就可以給出色散溶解度參數、誘導偶極和定向溶
解度參數和氫鍵溶解度參數的表達式及實驗測定方
法。將這些參數用於描述液相色譜溶質保留行為, 形
成了擴展溶解度參數理論, 依次可以解釋各類色譜
的實質性問題。另外, 馬丁方程的分子學基礎及熔化
熵、弗勞瑞—休金斯(F lo ry2 Huggin s)方程[ 10, 11 ]
及分
配系數對溫度的依賴關系的討論, 以及平衡分離的
分子學的其他概念, 能使分離過程中出現的許多現
象與分子間的作用力及分子結構相互聯系起來, 並
能運用這方面的知識設計最優化分離方案, 以期得
到最佳的分離效果。
5 疏水效應
凡是涉及到有水溶液相存在的分離, 如液2固、
液2液分離都涉及到水溶液。為了研究在此條件下分
離過程的本質, 特別是研究生物大分子的分離過程,
必須了解「疏水效應」 (hydrophob ic effect) , 或「疏水
相互作用」 (hydrophob ic in teract ion, 簡寫為H I)等
概念。那麼, 什麼是「疏水效應」 ? 什麼是「疏水相互
作用」呢? 迄今還無公認的定義。顧名思義, 這是與
水溶液有關的一種特殊現象。人的生命離不開水, 人
體的生化過程幾乎全是在體液(水溶液)中進行的。這些生化過程包括生物大分子的構象變化、蛋白折
疊、 酶與底物的結合、幾條支鏈結合形成多支鏈的
酶、生物大分子高度凝聚形成的生物膜等, 而這些過
程的發生主要是在疏水相互作用力驅動下進行的。
因為分離科學不僅要從宏觀上研究溶質間相互分離
的程度(即純度)及回收率, 而且要考慮到分離過程
中分子構象是否發生了變化(即微觀變化)和引起宏
觀及微觀變化的原因, 所以這不僅涉及到具有生物
活性的生物大分子的分離和純化, 而且涉及到小分
子的分離機理。疏水相互作用力, 簡稱疏水力, 它不
是討論分子間的相互作用力, 主要是討論吸附力, 是
討論溶劑對溶質的作用。確切地說, 是溶劑分子對溶
質分子產生的推力, 與分離過程中的分子平衡研究
對象相同, 屬微觀過程, 但這種微觀過程的變化又會
引起宏觀熱力學量的改變。
從以上所述可知, 疏水相互作用是與范德華力
有關但又不完全相同的一種作用力。基於這一概念,
在現代科技及現代分離科學中十分重要但又不很成
熟的這一特點, 應著重掌握疏水相互作用的基本概
念、基本方程及稀溶液中的疏水相互作用, 並通過標
准遷移自由能及復雜相間溶質遷移的標准化學勢計
算, 理解標准遷移化學勢的計算方法。還應了解有關
疏水相互作用的一些名詞的含意、了解疏水相互作
用大小、對式疏水相互作用、完全成對的相關函數、
溶劑對疏水相互作用自由能的影響和二聚平衡等簡
單過程中的熱力學函數的測定和計算。多質點間的
疏水相互作用是建立在對式疏水相互作用基礎之上
的, 質點數為m 時, 疏水相互作用的近似測量方法
是為了解從簡單溶質到蛋白質的疏水相互作用這一
橋梁作用的理解。另外, 還需了解微胞水溶液中的疏
水相互作用及人工合成和生物聚合物中的疏水相互
作用以及疏水相互作用對溫度和壓力的依賴性, 這
對於了解蛋白質分離過程中分子構象變化及失活的
本質的研究十分重要。疏水相互作用對溫度和壓力
的依賴關系和實驗及測量方法奠定了該理論的基
礎, 同時亦能提高對文獻中的錯誤概念、數據可靠性
的判斷能力。
6 對分離方法的科學分類
以上是從熱力學、動力學以及分子學的基礎上
對分離科學的理論框架進行論述的, 其最終目的是
要對分離過程進行優化, 對分離方法進行有效的選
擇, 這就涉及到分離科學中的分類和優化問題。分類
學是一門獨立的科學, 從研究化學元素周期表對發
現新的化學元素就是一個很好的例證, 表明了分類
學對科學的貢獻。分離方法曾有過多種分類。但是,
以Giddings
[ 2 ]
提出的以化學勢和流兩個因素進行分
類最為科學。通過比較各類分離方法的相似點及不
同點, 探索出各種分離方法之間的內在聯系並尋找
出分離科學中普遍存在的規律, 從而將多年來分散
在各個學科和技術領域中的, 表面上看來似乎毫無
聯系的各類分離方法, 以這種化學勢和流兩個因素
將其聯系起來進行討論和比較, 為創立新的分離方
法和分離科學(最優化中選擇分離方法)奠定了基
礎。了解各種分離方法的內在聯系和描述這種內在
聯系的數學表達式, 深刻理解在外加場存在下的無
流(靜態)分離法——電泳和沉降的特性, 穩態流中
的二相分離——萃取和有關方法, 流的輔助分離作
用即平行流分離——淘析、超濾、區帶熔融和有關方
法以及垂直流分離——場級分流、色譜和有關方法。
7 分離科學中的優化
分離科學中的最優化就是如何在最短的時間
內, 用最低的消耗以獲得最佳的分離效果, 獲得一個
能表徵各類分離方法的統一的優化模型, 這是一個
迄今尚未解決的問題。它涉及到一個分離體系的優
化目標, 又涉及到多方面的局部優化, 如分離方法的
選擇、實驗方法的建立、實驗方案中每一單元操作的
優化, 以及各個單元操作之間的最佳組合, 如此等
等。一般說來, 用於分析測試及工業制備對分離最優
化的要求是不完全相同的, 前者因消耗很少, 多以在
追求最佳分離效果的前提下, 以盡可能地縮短分離
時間為主, 輔之以低消耗; 而工業生產上的優化則是
追求最大經濟效益——獲取最高利潤為惟一目的,
故對於後者, 一切分離方法及選擇分離工藝的優化
均以此為基礎。例如刪除一步分離就能達到質量要
求的簡單工藝, 但因成本高工業生產上就不會採納,
而會採納成本很低的, 那怕是多 2～ 3 步的分離方
案。上述事例說明, 既便是局限於分離這一狹窄領域
中的每一個細節, 也難用一個通用的模型來描述其
最優化。分離科學中的最優化是通過對單元分離共
用的、最關鍵的參數進行優化, 輔之以工業上的整體
優化。無論哪一種分離方法, 從原則上講: ①通過增
大外加場; ②減小分離過程中欲分離物質熵的增大;
③加大難分離物質對之間化學勢的差異這 3 個最重
要的因素, 以及通過對這 3 個方面進行協同作用使分離過程達到最優化, 才是達到提高分離效率, 降低
生產成本的至關重要的優化因素。
綜上所述, 分離科學是一門內容極其豐富的學
科, 對於工農業生產和基礎科學研究十分重要。隨著
高技術產業的出現, 特別是生物工程和新材料科學
的發展, 必將對分離科學提出更高的要求和新的挑
戰, 也必然會推動分離科學迅猛發展, 為人類的健康
和幸福作出更大的貢獻。
⑥ 離子交換分離法包括哪幾個過程
【1】樹脂的選擇與處理；
【2】裝柱過程；
【3】交換過程；
【4】洗脫過程；
⑦ 離子交換與吸附樹脂_何炳林 黃文強.pdf
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⑧ 離子交換分離
將含來鈹的9mol/L鹽酸溶液通過強鹼性自陰離子交換樹脂時，可以有效地分離銅、鈷、鎳、鎘、鉻、鐵、錳、鋯和鈾離子。鈹和鋁離子則保留於溶液中。
將pH3.5並含有EDTA和過氧化氫的溶液通過強酸性陽離子交換樹脂(鈉型)，此時鈹不形成穩定的EDTA配合物，而被吸附;鋁及鐵的EDTA配合物和鈦與過氧化氫及EDTA的配合物都不被吸收，而與鈹分離，被吸附的鈹再用3mol/L鹽酸淋洗。
⑨ 離子交換分離法的原理是什麼
離子交換是用一種稱為離子交換樹脂的物質來進行的。離子交換樹脂遇水專溶液時，能屬夠從水溶液中吸著某種(類)離子，而把本身所具有的另外一種相同電荷符號的離子等摩爾量地交換到溶液中去，這種現象稱為離子交換。
希望有用