離子交換吸附設(shè)備

關(guān)于離子交換吸附設(shè)備第一頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)離子交換過(guò)程原理與設(shè)備什么是離子交換法?

離子交換法是應(yīng)用合成的離子交換劑作為吸附劑，將溶液中的物質(zhì)，依靠庫(kù)侖力吸附在交換劑上，然后用合適的洗脫劑將吸附物質(zhì)從交換劑上洗脫下來(lái)，達(dá)到分離、濃縮、提純的目的。第二頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日離子交換原理第三頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日第四頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日生物工業(yè)中最常用的交換劑:

離子交換樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂是能在水溶液中交換離子的固體，其分子可以分成三個(gè)部分：－部分是交聯(lián)的具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架，通常不溶于酸、堿和有機(jī)溶媒，化學(xué)穩(wěn)定性良好；一部分是聯(lián)結(jié)在骨架上的功能基（活性基）；一部分是活性基所帶的相反電荷的離子，稱(chēng)為可交換離子。

第五頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日離子交換的一般流程如下：（1）原料液的預(yù)處理，使得流動(dòng)相易于被吸附劑吸附；（2）原料液和離子交換樹(shù)脂的充分接觸，使吸附進(jìn)行；（3）淋洗離子交換樹(shù)脂，以去除雜質(zhì)；（4）把離子交換樹(shù)脂上的有用物質(zhì)解吸并洗脫下來(lái)；（5）離子交換樹(shù)脂的再生。第六頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日一、離子交換過(guò)程原理（一）離子交換樹(shù)脂的分類(lèi)離子交換樹(shù)脂按活性基團(tuán)的性質(zhì)不同可分為陽(yáng)離子交換劑（cationexchanger）和陰離子交換劑（anionexchanger）。

第七頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日陽(yáng)離子交換劑第八頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日陽(yáng)離子交換劑第九頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日陽(yáng)離子交換劑對(duì)陽(yáng)離子具有交換能力，活性基團(tuán)為酸性；陰離子交換劑對(duì)陰離子具有交換能力，活性基團(tuán)為堿性。陰陽(yáng)離子交換劑又根據(jù)其活性基團(tuán)的電離程度強(qiáng)弱不同，分為強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換劑和弱酸性陽(yáng)離子交換劑、強(qiáng)堿性陰離子交換劑和弱堿性陰離子交換劑。強(qiáng)離子交換劑的離子化率基本不受pH的影響，離子交換作用的pH范圍廣，而弱離子交換劑的離子化率受pH的影響大，離子交換作用的pH范圍小。第十頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日（二）離子交換樹(shù)脂的性能評(píng)價(jià)離子交換樹(shù)脂一般不溶于水、一般的酸堿溶液和有機(jī)溶劑，是一種具有良好化學(xué)穩(wěn)定性的高分子聚合物。同時(shí)，離子交換樹(shù)脂必須具備一定的理化性能。第十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日1．外觀

大多數(shù)商品樹(shù)脂多制成球形，其直徑為0.2~1.2mm。球形的優(yōu)點(diǎn)是增大比表面積、提高機(jī)械強(qiáng)度和減少流體阻力。普通凝膠型樹(shù)脂是透明的球珠，大孔樹(shù)脂呈不透明的霧狀球珠。隨合成原料、工藝條件不同，樹(shù)脂的顏色也有所不同，一般有黃、白、黃褐、紅棕等幾種顏色。第十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日第十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日第十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日第十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日2．膨脹度

各種離子的交換樹(shù)脂，都含有極性很強(qiáng)的交換基團(tuán)，因此親水性極強(qiáng)，但由于交聯(lián)后具有立體型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而不溶于水，具有親水凝膠的性質(zhì)，吸水就膨脹，脫水就收縮。膨脹是可逆地進(jìn)行的，其程度隨樹(shù)脂的交聯(lián)度、相反離子的種類(lèi)和濃度、外部溶液的濃度而變化，一般的商品樹(shù)脂，每克干樹(shù)脂可吸附0.5~1.0克水分，交聯(lián)度較低的樹(shù)脂，每克吸附1.0~3.0克水分。交聯(lián)度大的樹(shù)脂，膨脹度小，因而由于實(shí)驗(yàn)條件的變化而引起的膨脹度的差異就小。但交聯(lián)度小的樹(shù)脂，會(huì)顯著膨脹或收縮，往往造成操作上的種種困難。第十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日3．交聯(lián)度

樹(shù)脂的性質(zhì)隨著作為交聯(lián)劑的DVB（二乙烯苯

）的含量不同而有所差異。合成樹(shù)脂時(shí)，單體中DVB的含量百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為交聯(lián)度，在商品樹(shù)脂中，通常是8%~12%。但合成時(shí)，通過(guò)改變它和苯乙烯的混合比，可制出不同含量的產(chǎn)品。一般說(shuō)來(lái)，交聯(lián)度越大，樹(shù)脂越堅(jiān)固，在水中不易溶脹。而交聯(lián)度減少，樹(shù)脂變得柔軟，容易溶脹。第十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日樹(shù)脂工藝第十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日樹(shù)脂工藝第十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日樹(shù)脂工藝第二十頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日4．交換容量

交換容量是單位質(zhì)量的干燥離子交換劑或單位體積的濕離子交換劑所能吸附的一價(jià)離子的毫摩爾數(shù)，是表征樹(shù)脂交換能力的主要參數(shù)。其表示方法有重量交換容量和體積交換容量?jī)煞N，后一種較直觀的反映生產(chǎn)設(shè)備的能力。第二十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日（三）離子交換樹(shù)脂和操作條件的選擇1、選擇合適的樹(shù)脂是應(yīng)用離子交換法的關(guān)鍵。

選用樹(shù)脂的主要依據(jù)是被分離物的性質(zhì)和分離目的。樹(shù)脂的選用，最重要的一條是根據(jù)分離要求和分離環(huán)境，保證分離目的物與主要雜質(zhì)對(duì)樹(shù)脂的吸附力有足夠的差異。

第二十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日一般來(lái)說(shuō)，對(duì)強(qiáng)堿性產(chǎn)物宜選用弱酸性樹(shù)脂，用強(qiáng)酸性樹(shù)脂固然也能吸附，但解吸較困難。對(duì)弱堿性產(chǎn)物宜選用強(qiáng)酸性樹(shù)脂，若選用弱酸性樹(shù)脂則因弱酸、弱堿所成的鹽易水解故不易吸附。弱酸性產(chǎn)物宜用強(qiáng)堿性樹(shù)脂；強(qiáng)酸性產(chǎn)物宜用弱堿性樹(shù)脂。第二十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日必須指出，用離子交換樹(shù)脂吸附酶等蛋白質(zhì)是有困難的，因?yàn)槊冈谖?、解吸過(guò)程中會(huì)失活。將樹(shù)脂骨架由憎水性改為親水性，如經(jīng)過(guò)加工的纖維素所制得的離子交換劑，現(xiàn)已被用于提取酶。俄羅斯開(kāi)發(fā)了一種以三嗪為骨架的羧基樹(shù)脂，可用來(lái)提取胞外酶。第二十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日2、應(yīng)注意選擇合適的操作條件，最重要的操作條件是交換時(shí)溶液的pH值。合適的pH值須滿(mǎn)足三個(gè)條件：（1）pH值應(yīng)在產(chǎn)物的穩(wěn)定范圍內(nèi)；（２）使產(chǎn)物能離子化；（３）使樹(shù)脂能解離。第二十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日二、離子交換設(shè)備目前已出現(xiàn)的離子交換設(shè)備：按結(jié)構(gòu)型式分為罐式、塔式、槽式等。按操作方式分為間歇式、周期式與連續(xù)式；根據(jù)兩相接觸方式的不同，又可分為固定床、移動(dòng)床、流化床等。第二十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日固定床設(shè)備它是現(xiàn)今應(yīng)用得最多的離子交換設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)：它具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作管理方便、樹(shù)脂磨損少等優(yōu)點(diǎn)，弊端：存在設(shè)備管線復(fù)雜、閥門(mén)多、樹(shù)脂利用率相對(duì)較低等。第二十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日（一）間歇式離子交換設(shè)備第二十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日一般的離子交換罐為具有橢圓形封頭的圓筒形設(shè)備，其圓筒體的長(zhǎng)和筒徑之比一般為2~3，也有高至5的。樹(shù)脂層高度約占圓筒高度的50~70%，須留有充分的空間，已備反沖時(shí)樹(shù)脂層的擴(kuò)脹。在交換罐的上部有溶液分布裝置，以使含有被交換離子的溶液、解吸液或再生劑能在整個(gè)罐截面上均勻地通過(guò)樹(shù)脂層。第二十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)A筒體的底部與橢圓形底之間常裝有多孔板、篩網(wǎng)及濾布以支持樹(shù)脂層，或者用塊石英石或卵石直接鋪于罐底以支持樹(shù)脂層。罐頂應(yīng)有人孔或者手孔，大型交換罐的人孔也可以裝在罐壁上，以便于裝卸樹(shù)脂。視鏡孔和孔燈可以在罐頂也可以在罐壁上。罐頂部的被吸附溶液、解吸液、軟水進(jìn)口可合用一個(gè)進(jìn)口管與罐頂相連，罐底的各種液體出口及反洗水進(jìn)口和壓縮空氣進(jìn)口也可合用一個(gè)總進(jìn)出口。另外，罐頂上應(yīng)有壓強(qiáng)表、排空口及反洗水出口。交換罐一般用鋼板制成，內(nèi)壁襯橡膠。附屬管道一般為硬聚氯乙烯管，閥門(mén)可用聚氯乙烯、不銹鋼或橡皮膜閥門(mén)。常用的離子交換罐見(jiàn)圖10-1及圖10-2。第三十頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日1．反吸附離子交換罐第三十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日在反吸附離子交換罐中，被交換的溶液由罐的下部導(dǎo)入，其流速和粘度以使樹(shù)脂在罐內(nèi)呈沸騰狀態(tài)而不溢出罐外為宜，交換后的溶液則由罐頂?shù)某隹谝绯觥７次匠梢允∪ゾz過(guò)濾（如被交換的溶液為發(fā)酵液）這一工序外，還具有液固兩相接觸面大而且較均勻，操作時(shí)不產(chǎn)生短路、死角，以及流速大和生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，因此解吸后所得的產(chǎn)品質(zhì)量較高。但反吸附時(shí)樹(shù)脂的飽和度不及正吸附的高。此外罐內(nèi)樹(shù)脂高度要比正吸附時(shí)低一點(diǎn)，以免樹(shù)脂外溢。第三十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日2．固定床離子交換設(shè)備第三十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日這種操作方式使用最廣，設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，操作也很方便。離子交換樹(shù)脂的下部要用多孔陶土板、粗粒無(wú)煙煤、石英砂等作為支撐體。被處理的溶液從樹(shù)脂上方加入，經(jīng)過(guò)分布管使液體均勻分布于整個(gè)樹(shù)脂的橫截面。加料可以是重力加料，也可以是壓力加料，后者要求設(shè)備密封。料液與再生劑可以從樹(shù)脂上方通過(guò)各自的管道和分布器分別進(jìn)入交換器，樹(shù)脂支撐下方的分布管則便于水的逆洗。柱式離子交換器可用不銹鋼、硬塑料制作，常常用有襯里的碳鋼制造，管道、閥門(mén)一般均用塑料制成。固定床離子交換器的再生方式分成順流與逆流兩種。逆流再生有較好的效果，再生劑用量可減少；但要發(fā)生樹(shù)脂層的上浮。第三十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日如將陽(yáng)、陰兩種樹(shù)脂混合起來(lái)，則制成混合離子交換設(shè)備。將混合床用于抗生素等生物產(chǎn)品的精制，可避免采用單床時(shí)溶液變酸（通過(guò)陽(yáng)離子柱時(shí)）及變堿（通過(guò)陰離子柱時(shí)）的現(xiàn)象，因而可減少目標(biāo)產(chǎn)物的破壞。單床及混合床固定式離子交換裝置見(jiàn)圖10-4所示。第三十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日另外，有一些離子交換器既可用于固定床的操作，也可用于流化床的操作。該裝置的示意圖見(jiàn)圖10-5，第三十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日第三十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日（三）連續(xù)式離子交換設(shè)備1．一般連續(xù)式離子交換設(shè)備固定床的離子交換操作中（指正吸附操作），交換僅限于在很短的交換帶中進(jìn)行，因此樹(shù)脂利用率低，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。若采用連續(xù)逆流式操作則可避免上述缺點(diǎn)，且交換速度快，產(chǎn)品質(zhì)量均勻，連續(xù)化生產(chǎn)便于自動(dòng)化控制。但連續(xù)離子交換過(guò)程中的樹(shù)脂破損很大，設(shè)備及操作較復(fù)雜且不易控制。圖10-10和圖10-11為連續(xù)逆流離子交換設(shè)備的示意圖。第三十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日第三十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)吸附過(guò)程原理及設(shè)備吸附(Adsorption)是利用適當(dāng)?shù)奈絼谝欢ǖ牟僮鳁l件下，使有用目標(biāo)產(chǎn)物或有害成分被吸附劑吸附，富集在吸附劑表面，然后再以適當(dāng)?shù)南疵搫⑽降奈镔|(zhì)從吸附劑上解吸下來(lái)，從而達(dá)到濃縮和提純的目的，這樣的過(guò)程稱(chēng)為吸附操作。當(dāng)物質(zhì)從流體相（氣體或液體）濃縮到固體表面從而實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程稱(chēng)為吸附作用。在表面上能發(fā)生吸附作用的固體微粒稱(chēng)為吸附劑，而被吸附的物質(zhì)稱(chēng)為吸附質(zhì)。第四十頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日按吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附作用可分為三類(lèi)，即物理吸附、化學(xué)吸附和交換吸附。分離過(guò)程中的吸附操作應(yīng)用最廣的是物理吸附，化學(xué)吸附的應(yīng)用較少，而交換吸附在生物工程的下游技術(shù)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。第四十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日物理吸附吸附劑和吸附質(zhì)通過(guò)分子間范德華力而產(chǎn)生的吸附作用稱(chēng)為物理吸附。物理吸附無(wú)選擇特異性，但隨著物系的不同，吸附量可相差很多。物理吸附不需要較高的活化能，在低溫條件下也可進(jìn)行。物理吸附通常是可逆的，在吸附的同時(shí)，被吸附的分子由于熱運(yùn)動(dòng)離開(kāi)固體表面而發(fā)生解吸。第四十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日吸附操作廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域的分離過(guò)程，如除臭、脫色、去鹽、吸濕、防潮以及制備軟水、無(wú)鹽水等方面。固體吸附與生物工程關(guān)系密切，在原料液處理、除臭、目標(biāo)產(chǎn)物的分離、精制等方面發(fā)揮著重要的作用。早期使用的吸附劑有高嶺土、氧化鋁、凝膠型離子交換樹(shù)脂、活性碳、分子篩等。近年來(lái)合成的大孔網(wǎng)狀聚合物吸附劑，與經(jīng)典的活性炭吸附劑相比，有很多優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著新吸附劑的出現(xiàn)及應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，吸附法已廣泛滲透到水處理、金屬冶煉、原子能科學(xué)技術(shù)、海洋資源開(kāi)發(fā)、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。第四十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日一、吸附過(guò)程與原理（一）吸附法基本概念固體吸附劑可分為非多孔和多孔性物質(zhì)兩類(lèi)。非多孔性固體具有很小的比表面積，如將固體物質(zhì)粉碎成微粒，則可增大其比表面積。而多孔性固體由于其顆粒內(nèi)存在著微孔，比表面可以很大。非多孔性固體的比表面僅決定于外表面積，而多孔性固體比表面積是由外表面積和比外表面積大幾百倍的內(nèi)表面積所組成的，并且內(nèi)表面具有較大的吸附能力，故一般應(yīng)用多孔性固體物質(zhì)作為吸附劑。第四十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日（二）常用吸附劑1．活性炭2．硅膠3．氧化鋁5．沸石4．大孔網(wǎng)狀聚合物吸附劑第四十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日活性炭第四十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日硅膠

第四十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，2022年，8月28日硅膠