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1、脫 色 脫 酸 樹 脂 的 原 理 及 應 用 離 子 交 換 的 基 本 概 念 定 義 ： 利 用 離 子 交 換 劑 能 吸 附 溶 液 中 一 種 離 子 同時 放 出 另 一 種 相 同 電 荷 的 離 子 的 特 點 ， 使 這 種 交換 劑 和 溶 液 之 間 進 行 的 同 號 離 子 相 互 交 換 現(xiàn) 象 叫離 子 交 換 。 離 子 交 換 反 應 是 可 逆 的 ， 逆 反 應 稱 之 為 再 生 。 因此 ， 離 子 交 換 劑 經(jīng) 再 生 后 可 反 復 使 用 。 離 子 交 換 劑 定 義 ： 凡 具 有 離 子 交 換 能 力 的 物 質(zhì) ， 統(tǒng) 稱 為 離

2、子交 換 劑 。 分 類 ： 離 子 交 換 劑 可 分 為 無 機 和 有 機 兩 大 類 目 前 用 的 最 多 的 離 子 交 換 劑 是 人 工 合 成 的 有 機 高分 子 聚 合 物 離 子 交 換 樹 脂 。 離 子 交 換 樹 脂 是 一 種 不 溶 于 酸 堿 和 有 機 溶 劑 的 網(wǎng)狀 結(jié) 構(gòu) 的 高 分 子 化 合 物 。 離 子 交 換 技 術(shù) 的 發(fā) 展 1814年 ， 英 國 人 開 始 認 識 了 交 換 現(xiàn) 象 利 用 離 子 交 換 技 術(shù) 法 軟 化 水 始 于 20世 紀 初 期 在 30年 代 ， 由 于 離 子 交 換 樹 脂 的 出 現(xiàn) ， 離 子

3、 交 換技 術(shù) 的 應 用 迅 速 發(fā) 展 ， 廣 泛 應 用 于 化 工 、 醫(yī) 藥 、食 品 等 領(lǐng) 域 離 子 交 換 樹 脂 目 前 最 常 用 的 離 子 交換 樹 脂 是 苯 乙 烯 二乙 烯 苯 的 聚 合 物 。 組 成離 子 交換 樹 脂 母 體 (骨 架 )活 性 基 團 固 定 離 子 可 交 換 離 子 苯 乙 烯 (單 體 )+二 乙 烯 苯 (交 聯(lián) 劑 )母 體共 聚 H 2SO 4 功能基反應R SO3 H固 定 離 子 可 交 換 離 子母 體 常 用 的 離 子 交 換 樹 脂據(jù) 所 含 交 換 基 團 的 性 質(zhì) 分 為 ：陽 離 子 交 換 樹 脂 強

4、酸 型 ： 含 磺 酸 基 團 (R-SO3H) 中 等 酸 型 ： 含 磷 酸 基 團 (-O-PO2H4) 弱 酸 型 ： 含 酚 基 、 羧 基陰 離 子 交 換 樹 脂 強 堿 ： 含 季 胺 基 團 -N+(CH3)3 弱 堿 ： 含 叔 胺 、 伯 胺 基 團 -N(CH3)2 陽 離 子 交 換 樹 脂 陽 離 子 交 換 樹 脂 ： 合 成 樹 脂 的 本 體 上 帶 有 酸 性 活性 基 團 ， 可 以 被 陽 離 子 所 交 換 的 樹 脂 。 不 能 交 換 的 離 子 稱 固 定 離 子 ， 可 交 換 的 離 子 稱 平衡 離 子 。 磺 酸 型 離 子 交 換 樹

5、脂 所 含 有 的 活 性 基 團 磺 酸 基 (一 SO3H)中 ， 含 有 一 個 可 被 交 換 的 陽 離 子 H+和 一個 不 能 交 換 的 陰 離 子 S0 3 - 陰 離 子 交 換 樹 脂 陰 離 子 交 換 樹 脂 ： 本 體 上 帶 有 堿 性 活 性 基團 ， 可 以 被 陰 離 子 所 交 換 的 樹 脂 。 其 活 性 基 團 ， 都 含 有 一 個 可 以 交 換 的 陰 離子 和 一 個 不 能 交 換 的 陽 離 子 。 螯 合 樹 脂 ： 樹 脂 含 有 特 殊 的 活 性 基 團 ， 可 與 某 些 金 屬 離 子 形成 螯 合 物 ， 適 用 于 分 離

6、 富 集 金 屬 離 子 或 某 些 有 機化 合 物 。 大 孔 吸 附 樹 脂 ： 分 為 ： 極 性 非 極 性 中 極 性 具 有 比 較 大 的 孔 ， 適 于 大 分 子 物 質(zhì) 的 吸 附 ， 且 洗脫 性 良 好 ， 被 吸 附 物 可 以 容 易 地 被 洗 脫 下 來 。 新 型 離 子 交 換 樹 脂 作 用 原 理陽 離 子 交 換 樹 脂 大 都 含 有 磺 酸 基 （ SO3H） 、 羧 基（ COOH） 或 苯 酚 基 （ C6H4OH） 等 酸 性 基 團 ， 其 中 的氫 離 子 能 與 溶 液 中 的 金 屬 離 子 或 其 他 陽 離 子 進 行 交 換

7、。 比 如 2R SO3H + Ca2+ = (R SO3)2Ca + 2H+ 陰 離 子 交 換 樹 脂 一 般 含 有 季 胺 基 - N（ CH3） 3OH、 胺 基 （ NH2） 或 亞 胺 基 （ NRH） 等 堿 性 基 團 。 它 們 在 水中 能 生 成 OH -離 子 ， 可 與 各 種 陰 離 子 交 換 ， 比 如 ： R N（ CH3） 3OH + Cl- = R N（ CH3） 3Cl + OH- 型 號 ： 為 了 區(qū) 別 離 子 交 換 樹 脂 同 一 類 型 的 不 同 品 種 ， 用 三 位阿 拉 伯 數(shù) 字 表 示 第 一 位 ： 代 表 產(chǎn) 品 分 類 ；

8、 第 二 位 ： 代 表 骨 架的 差 異 ； 第 三 位 ： 為 順 序 號 ， 用 以 區(qū) 別 基 團代號分類名稱骨架名稱0強酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2強堿性酚醛系3弱堿性環(huán)氧系4螯合性乙烯哌啶系5兩性脲醛系6氧化還原氯乙烯系 離 子 交 換 樹 脂 的 理 化 性 能 外 觀 ： 球 形 、 淺 色 為 宜 ， 粒 度 大 小 為 16-60目 90% 機 械 強 度 ： 90%； 含 水 量 ： 0.3-0.7g/g 樹 脂 ； 交 換 容 量 ： 重 量 交 換 容 量 、 體 積 交 換 容 量 、 工 作交 換 容 量 或 稱 表 觀 交 換 容 量 （ 在 某 一 條 件

9、下 ） ； 穩(wěn) 定 性 ： 化 學 穩(wěn) 定 性 、 熱 穩(wěn) 定 性 ； 膨 脹 度 ： 交 聯(lián) 度 、 活 性 基 團 的 性 質(zhì) 與 數(shù) 量 、 活 性離 子 的 性 質(zhì) 、 介 質(zhì) 的 性 質(zhì) 和 濃 度 、 骨 架 結(jié) 構(gòu) ； 濕 真 密 度 ： 單 位 體 積 濕 樹 脂 的 重 量 ； 孔 度 、 孔 徑 、 比 表 面 積 含 水 量 和 密 度 商 品 離 子 交 換 樹 脂 具 有 親 水 性 ， 常 含 有 一 定 的結(jié) 合 水 分 。 結(jié) 合 水 的 含 量 與 其 官 能 基 的 性 質(zhì) 及交 聯(lián) 度 有 關(guān) ， 并 隨 著 空 氣 濕 度 變 化 而 改 變 。 粒 度

10、 樹 脂 的 粒 度 關(guān) 系 到 離 子 交 換 速 度 、 樹 脂 床 中 液流 分 布 均 勻 性 和 液 流 壓 強 降 ， 以 及 反 洗 時 樹 脂流 失 等 。 交 聯(lián) 度 交 聯(lián) 劑 在 樹 脂 單 體 總 量 中 所 占 質(zhì) 量 分 數(shù) 稱 為交 聯(lián) 度 。 一 般 交 聯(lián) 度 為 4 14， 常 見 為 8。 其 中 交 聯(lián) 度 的 影 響 有 ：（ 1） 網(wǎng) 狀 結(jié) 構(gòu) 的 緊 密 度 （ 2） 孔 徑 大 小（ 3） 交 換 速 度 （ 4） 選 擇 性 溶 脹 變 化 干 的 離 子 交 換 樹 脂 浸 入 純 水 后 ， 水 即 擴 散 入 樹 脂交 聯(lián) 網(wǎng) 孔 內(nèi)

11、。 此 時 ， 樹 脂 交 換 基 團 在 水 中 即 發(fā) 生解 離 ， 并 形 成 水 合 離 子 ， 從 而 使 樹 脂 交 聯(lián) 網(wǎng) 孔 增大 ， 發(fā) 生 膨 脹 ， 稱 為 樹 脂 膨 脹 。 溶 脹 變 化 通 常 按 干 樹 脂 所 吸 取 的 水 的 百 分 率 來 表示 ， 或 稱 溶 脹 率 。 交 換 容 量 交 換 容 量 是 說 明 樹 脂 的 交 換 能 力 ， 通 常 按 每 克 干樹 脂 所 能 交 換 的 離 子 的 毫 摩 爾 來 表 示 。 在 工 業(yè) 上 ， 常 按 單 位 體 積 樹 脂 所 能 交 換 的 物 質(zhì) 的量 (摩 爾 )表 示 。 選 擇 性

12、 選 擇 性 是 指 離 子 交 換 劑 對 不 同 離 子 的 親 和 力 。 在 低 濃 度 的 水 溶 液 中 和 室 溫 條 件 下 ， 多 價 離 子 比單 價 離 子 優(yōu) 先 交 換 。 等 價 離 子 的 選 擇 性 隨 著 原 子序 數(shù) 的 增 加 而 增 加 。 在 高 濃 度 溶 液 中 ， 多 價 離 子 的 選 擇 性 隨 著 濃 度 的提 高 而 減 小 。 影 響 離 子 交 換 的 主 要 因 素離 子 的 水 化 半 徑 ： 半 徑 較 小 的 離 子 易 吸 附 。離 子 的 化 合 價 ： 化 合 價 愈 高 愈 易 吸 附 。溶 液 的 pH： 要 考 慮

13、 樹 脂 及 被 分 離 物 質(zhì) 的 酸 堿 穩(wěn) 定 性樹 脂 的 交 聯(lián) 度 ： 交 聯(lián) 度 大 ， 膨 脹 度 小 的 樹 脂 選 擇 性 較 好 。攪 拌 速 度 ： 在 一 定 程 度 上 ， 越 大 越 快 。溶 液 濃 度 ： 當 交 換 速 度 為 外 擴 散 控 制 時 ， 濃 度 越 大， 交 換 速 度 越 快 。 樹 脂 再 生 由 于 離 子 交 換 作 用 是 可 逆 的 ， 因 此 用 過 的 離 子 交換 樹 脂 一 般 用 適 當 濃 度 的 無 機 酸 或 堿 進 行 洗 滌 ，可 恢 復 到 原 狀 態(tài) 而 重 復 使 用 ， 此 過 程 稱 為 再 生 。

14、 再 生 的 目 的 ： 恢 復 樹 脂 的 交 換 能 力 再 生 劑 的 種 類 ： 陽 離 子 交 換 樹 脂 ： HCl（ 4%） 陰 離 子 交 換 樹 脂 ： NaOH（ 4%） 再 生 劑 用 量 ： 1.2 3.0 倍 樹 脂 體 積 。 再 生 方 式 ： 順 流 再 生 逆 流 再 生 樹 脂 處 理 技 術(shù) 在 果 糖 生 產(chǎn) 中 的 應 用 蘋 果 果 糖 是 以 蘋 果 汁 為 原 料 生 產(chǎn) 的天 然 果 汁 果 糖 。 它 是 碳 酸 飲 料 最 佳 主 劑基 料 ， 不 僅 賦 予 碳 酸 飲 料 低 甜 度 、 低 熱值 的 屬 性 ， 而 且 賦 予 飲 料

15、 維 生 素 、 礦 物質(zhì) 等 營 養(yǎng) 成 分 。 因 此 ， 近 年 來 ， 隨 著 消費 結(jié) 構(gòu) 的 調(diào) 整 ， 迫 使 歐 美 、 日 等 發(fā) 達 國家 飲 料 生 產(chǎn) 商 將 目 光 轉(zhuǎn) 向 蘋 果 果 糖 ， 因此 蘋 果 果 糖 市 場 容 量 很 大 。 蘋 果 果 糖 生 產(chǎn) 工 藝 流 程 蘋 果 原 料 揀 選 清 洗 破 碎 壓 榨 前巴 氏 殺 菌 酶 解 超 濾 離 子 交 換 與 吸 附（ 脫 色 脫 酸 去 離 子 ） 濃 縮 后 巴 氏 殺 菌 灌 裝 樹 脂 有 很 好 的 吸 附 和 再 生 性 能 、 高 度選 擇 性 。 樹 脂 處 理 技 術(shù) 具 有

16、操 作 簡 單 、成 本 低 、 易 于 實 現(xiàn) 自 動 化 以 及 可 以 循 環(huán)使 用 等 優(yōu) 點 ， 從 而 使 該 技 術(shù) 在 果 汁 脫 色 、脫 酸 等 方 面 得 到 廣 泛 的 應 用 。 已 經(jīng) 成 為生 產(chǎn) 性 能 穩(wěn) 定 、 品 質(zhì) 優(yōu) 良 、 無 農(nóng) 藥 殘 留果 汁 的 重 要 助 劑 。 隨 著 一 些 新 型 樹 脂 的問 世 ， 使 它 在 果 汁 生 產(chǎn) 中 的 應 用 越 來 越廣 泛 。 在 果 汁 脫 酸 中 的 應 用 蘋 果 果 糖 要 求 果 酸 0.02%， 其 技 術(shù) 難 度高 。 為 解 決 果 酸 問 題 ， 我 們 利 用 陰 離 子 交

17、換 樹 脂 對 蘋 果 汁 中 的 果 酸 (主 要 為 蘋 果 酸 )進 行 交 換 吸 附 ， 使 蘋 果 果 糖 中 的 果 酸 含 量低 于 0.02%。 在 果 汁 脫 色 方 面 的 應 用 色 值 是 反 映 濃 縮 蘋 果 汁 顏 色 深 淺 程 度 的一 項 理 化 指 標 。 果 汁 在 貯 存 中 ， 會 發(fā) 生 非酶 促 褐 變 反 應 ， 導 致 色 素 增 加 ， 顏 色 變 深， 降 低 了 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 、 價 格 和 可 接 受 性 。 因此 ， 提 高 脫 色 效 率 、 降 低 褐 變 速 度 對 提 升濃 縮 果 汁 的 品 質(zhì) 、 增 加 企 業(yè) 的

18、 經(jīng) 濟 效 益 有重 要 意 義 。 吸 附 樹 脂 對 色 素 的 分 離 與 純 化 表 現(xiàn)出 獨 特 的 優(yōu) 越 性 。 在 濃 縮 果 汁 加 工 中 , 對 已 發(fā) 生 的 褐 變 , 一 般 采 用 吸 附 脫 色 的方 法 , 提 高 色 值 , 降 低 褐 變 指 數(shù) 。 美 拉 德 反 應 是 還 原 糖 和 氨 基 酸 之 間 經(jīng) 過三 個 階 段 反 應 ， 伴 隨 5-HMF(5-羥 甲 基 糠 醛)的 積 累 ， 觸 發(fā) 鏈 式 復 合 反 應 產(chǎn) 生 褐 變 色素 ， 是 濃 縮 蘋 果 、 梨 汁 貯 存 期 間 的 褐 變 主要 原 因 。 因 此 ， 降 低

19、 氨 基 酸 的 含 量 可 降 低美 拉 德 反 應 的 速 度 ， 從 而 降 低 濃 縮 梨 汁 貯存 中 非 酶 促 褐 變 的 速 度 。 用 陽 離 子 樹 脂 脫 氨 基 酸 ， 可 降 低 氨 基酸 濃 度 及 褐 變 指 數(shù) (T440nm)。 類 型 ： 大 孔 陽 離 子 交 換 樹 脂作 用 原 理 ： 氫 離 子 能 與 溶 液 中 的 金 屬 離 子 或其 他 陽 離 子 進 行 交 換 。 比 如 : 2R SO3H + Ca2+ = (R SO3)2Ca + 2H+ 作 用 ： 脫 鹽 （ Na+ Ca2+ Mg2+ K+） A柱 出 來 后 PH ： 1-2

20、（ 強 酸 性 ） 出 廠 形 式 ： 鈉 型 （ LX-100型 樹 脂 ） 再 生 ： HCl A 柱 B柱 ： 類 型 ： 大 孔 陰 離 子 交 換 樹 脂作 用 原 理 ： 在 水 中 能 生 成 OH-離 子 ， 可 與 各種 陰 離 子 交 換 ， 比 如 ：R N（ CH3） 3OH+Cl- = R N（ CH3） 3Cl + OH- 作 用 ： 去 陰 離 子 （ NO3-等 ） ， 脫 色 脫 酸氨 基 態(tài) 氮 ： A,B柱 共 同 作 用 脫 去 出 廠 形 式 ： 氯 型 （ LX-200型 樹 脂 ）再 生 ： NaOH(4%）B柱 出 來 后 PH： 9-10 (堿

21、 性 ) C 柱 類 型 :強 酸 性 大 孔 陽 離 子 交 換 樹 脂 作 用 ： 調(diào) pH值 （ LX-400型 樹 脂 ） OH _+ H + = H2O 運 行 過 程 裝 柱 ： 注 意 檢 查 吸 附 水 帽 是 否 固 定 水 沖 ： 反 沖 洗 方 式 （ 自 下 而 上 ） 運 行 ： A1-2A2-2柱 中 間 緩 沖 罐 1 泵 1 B1-2B2-2 緩 沖 罐 2 泵 2 C1-2 清 汁 罐 再 生 ： 反 洗 再 生 反 漂 正 漂 反 洗 的 目 的l松 動 壓 緊 的 樹 脂 床 層 ， 使 床 層 膨 脹l清 除 截 留 在 樹 脂 層 內(nèi) 的 懸 浮 物 和 有 機 雜質(zhì)l沖 洗 細 小 的 樹 脂 碎 粉 再 生 的 目 的 使 交 換 終 了 失 效 的 樹 脂 上 已 吸 附 的 離 子 除去 ， 并 代 之 以 新 的 被 交 換 離 子 ， 從 而 達 到反 復 使 用 的 目 的 。 謝 謝 各 位