乳品加工---乳清加工7

脱盐工艺

脱盐包括脱去无机盐和一部分有机盐离子，例如乳酸盐和柠檬酸盐。

高度脱盐（大部分脱盐）是用以下两种工艺：

● 电渗析

● 离子交换

上一章节讲述了电渗析，本章节讲述离子交换：

与电渗析相比，离子交换是一种从溶液中连续除去高电物质的电化学方法工艺，该工艺使用树脂从溶液中吸附盐类，进行离子交换。树脂的吸附能力有限，当它们充分饱合时，被吸附的盐类应被去除，树脂得以再次使用。通常树脂位于良好设计的固定柱筒中。

离子交换树脂是一种高分子多孔的塑料材料，依工艺所需而制成的直径在0.3～1.2mm 范围的圆柱形。在化学上，它们作为不溶性的酸或碱，当转化为盐时，仍能保持不溶。离子交换树脂的主要特性，就是其自身带有电量，且可以与被处理溶液中带相同电荷的自由离子进行交换。这一反应的一个实例可以用除去 NaCl 的过程表示，其中 R 为结合在不溶树脂上的交换能团：

以上是配平的反应方程式，因为反应方向决定于溶液中和固相树脂中离子浓度，反应平衡常数反映了反应特征。当碱性离子交换树脂用酸如 4% 的 HCl溶液处理过，那么反应方向就会颠倒过来。酸液中高浓的H+能使上述反应的平衡向左移动。

反应常数取决于离子种类，这样就形成了离子交换加工的选择性。多价离子常比单价离子具有更高的选择性，等价离子的选择性因其离子而异，离子大的 其 选 择 性 也 较 高 。

离子交换树脂对不同离子的 “喜好程度” 不一样，这就叫选择性。

你可以把树脂想象成一个有座位的吸附板：

有的离子坐得特别牢，很难被挤走
有的离子坐得松，很容易被冲掉

其中的规律如下：

价态越高，越受偏爱多价离子（Ca²⁺、Mg²⁺ 二价） > 单价离子（K⁺、Na⁺）
同等价态下，离子越大，选择性越高
乳品里常见阳离子的偏好顺序：Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺ > Na⁺

树脂最喜欢 Ca²⁺，最不喜欢 Na⁺。

选择性越高 = 结合越牢 = 越难被洗脱（难析出）
选择性越低 = 结合越弱 = 越容易被洗脱（易析出）

按顺序：最难被洗下来 ← Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺ > Na⁺ → 最容易被洗下来

阴离子的选择性也同样按照：柠檬酸根- >HPO42->NO3->CI-而递减。

在实践应用中，离子交换器在处理一个含不同离子种类的液体后，同一根离子交换柱的不同部位离子浓度不同，如下图。图中表示为普通水在一个含 H+的阳离子交换器中树脂柱的变化情况，图中还表明了该交换器经酸复原的情形。此时可见在树脂柱上存留最多的是Na+，这一点在上述选择性顺序中可得到解释。

如上图，我们可以把这个过程看作是树脂对液体里各种阳离子 “按资历排座位” 的过程。

图左：处理普通水时（吸附阶段）
此时树脂是 H 型（H₂Z） 的，准备去捕捉水里的阳离子。

底层逻辑：遵循 Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na⁺ 的亲合力（选择性）顺序。

上层（顶部）：这里的树脂接触的是 “最脏” 的进水。因为 Ca²⁺最受树脂欢迎，所以它最先被抓住，且结合最紧，很难被后面的离子挤走。所以上层主要是 CaZ。

中层：Ca²⁺把位置占满了，后面进来的 Mg²⁺就会在下面一层抢占位置，形成 MgZ。

下层（靠近底部）：最后剩下的 Na⁺，因为亲合力最弱，就像 “后到的找临时座位”，只在最底部的一层树脂上吸附，形成 Na₂Z。

最底部的 H₂Z：这是 “后备部队”，还没有来得及交换，说明这里的吸附能力还没用尽。

图右：酸液复原时（再生阶段）
此时注入 酸（H⁺），目的是把树脂上的金属离子洗下来，让树脂恢复成 H 型（H₂Z），准备下次使用。

关键解释：为什么 Na⁺最先被洗掉？结合刚才的选择性顺序，这里的化学反应体现了 “弱肉强食（置换）”：

对于 Na₂Z：H⁺ 的置换能力虽然不是最强，但因为 Na⁺ 结合得本来就松，所以只要稍微通一点酸，H⁺ 就能轻松把 Na⁺ 顶替走。反应：Na2Z+2H+→2Na+↓(排出)+H2Z所以，在图中你看到下半部分迅速变成了 H₂Z，且 Na⁺ 被彻底洗掉（析出） 了。

对于 CaZ / MgZ：因为 Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 结合太牢固，普通浓度的酸很难一下子把它们全部赶走。它们需要更长的时间、更高浓度的酸才能慢慢置换。

离子交换树脂的特性

现今工业所采用的离子交换树脂是以聚合塑料材料制得的一种多孔网状结构。常见的材料有聚苯乙烯和聚丙烯酸酯，其功能基团以化学方法键联在多孔结构上。典型的基团（就是公式中的R）如下：

强酸和强碱的离子交换器可分离范围十分广泛，pH值0~14之间，而弱酸和弱碱的离子交换器具有严格的 pH 值界限。弱酸阳离子交换器通常不能用于 pH值在0~7 的范围，因为羧基主要是以游离酸的形式存在，这是由解离常数决定的（通常以 Pka=-10对数的形式表示该解离常数）。如果pH 值高于羧基的Pk.a，则以盐的形式存在，并最终在离子交换反应中沉淀下来。而弱碱阴离子交换树脂则只在 pH 为 0~7 的低 pH 值范围内反应。

从易于复原的角度上讲，尽可能使用弱树脂是有利的，它们复原分别需要的酸或碱的量仅比理论值高 10-50%，而强树脂要高出 300-400%，传统的脱盐生产中，强酸阳离子交换器在氢型中复原亦配合一弱碱交换器，弱碱交换器为OH-，用弱酸阳离子交换器取代一个强酸交换器，因为H+ 结合剂OH-的交换是非常有利的平衡。

离子交换器的其它特性不再深入叙述，简要如下：

1离子交换能力

2膨胀特性

3机械强度

4反冲床时的流动能力

5压力降

6流速范围

7复原后的水漂洗要求

脱盐中的离子交换工艺

采用离子交换器来脱盐已长期应用于水处理上，近20年也被应用于乳清除灰份上。乳清的成份并非固定不变，来自酸性酪蛋白或干酪中得到的酸性干酪素或干酪凝块的乳清pH值4.3~4.6，而甜乳清pH值为6.3~6.6，这两种乳清的主要区别，除了酸化程度不同之外，酸性乳清还具有较高的Ca3(PO4)2含量。

其工艺见下一章节分解说明

备注：以上知识部分来自利乐乳品加工手册