生化工藝第五章吸附與離子交換

生化工藝第五章吸附與離子交換第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日離子交換樹脂的構(gòu)成惰性不溶的、具有三維多孔網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子（可交換離子）第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日基本常識(shí)

離子交換樹脂不溶于水和一般溶劑。大多數(shù)制成顆粒狀，也有一些制成纖維狀或粉狀。樹脂顆粒的尺寸一般在0.3～1.2mm范圍內(nèi)，大部分在0.4～0.6mm之間。有較高的機(jī)械強(qiáng)度(堅(jiān)牢性)，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，正常情況下有較長(zhǎng)的使用壽命。

第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日１)

強(qiáng)酸性陽離子樹脂

含有大量的強(qiáng)酸性基團(tuán)解離能力強(qiáng)，不受溶液pH變化的影響

樹脂在使用一段時(shí)間后，要進(jìn)行再生處理，再生成氫型比較困難，故耗酸量較大，一般為該樹脂交換容量的3-5倍。這類樹脂主要用于軟水和無鹽水的制備，用強(qiáng)酸進(jìn)行再生處理四、離子交換樹脂的功能特性第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日含弱酸性基團(tuán)

這種樹脂的酸性即離解性較弱，在低pH下難以離解和進(jìn)行離子交換，只能在堿性、中性或微酸性溶液中(如pH5－14)起作用。這類樹脂亦是用酸進(jìn)行再生(比強(qiáng)酸性樹脂較易再生)。2)

弱酸性陽離子樹脂

第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日含有強(qiáng)堿性基團(tuán)這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。

這種樹脂的離解性很強(qiáng),在不同pH下都能正常工作。它用強(qiáng)堿(如NaOH)進(jìn)行再生，耗堿量大。這類樹脂的氯型較羥型更穩(wěn)定，耐熱性更好，故商品大多數(shù)是氯型。3)

強(qiáng)堿性陰離子樹脂

第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日

含有弱堿性基團(tuán)這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。

這種樹脂在多數(shù)情況下是將溶液中的整個(gè)其他酸分子吸附。它只能在中性或酸性條件(如pH1-9)下工作。它可用Na2CO3、NH4OH進(jìn)行再生。4)

弱堿性陰離子樹脂

第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日（1）被分離物質(zhì)的性質(zhì)和分離要求（2）樹脂可交換離子的型式（3）合適的交聯(lián)度（4）洗脫難易程度和使用壽命

五、離子交換樹脂的選擇第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日第四節(jié)離子交換工藝一、離子交換工藝過程樹脂預(yù)處理——→裝柱——→加入料液進(jìn)行離子交換——→洗滌——→加入洗脫劑洗脫——→洗脫液第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日1、樹脂預(yù)處理物理處理化學(xué)處理轉(zhuǎn)型陽離子樹脂酸—堿—酸陰離子樹脂堿—酸—堿最后以去離子水或緩沖液平衡第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日常用的陽離子交換樹脂有氫型、鈉型、銨型等；常用的陰離子交換樹脂有羥型、氯型等。如：常將強(qiáng)酸性陽離子樹脂與NaCl作用，轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型樹脂再使用。

第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日

如：陰離子樹脂可轉(zhuǎn)變?yōu)槁刃驮偈褂?，工作時(shí)放出Cl離子而吸附交換其他陰離子，它的再生只需用食鹽水溶液。氯型樹脂也可轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟湫?HCO3－)運(yùn)行。強(qiáng)酸性樹脂及強(qiáng)堿性樹脂在轉(zhuǎn)變?yōu)殁c型和氯型后，就不再具有強(qiáng)酸性及強(qiáng)堿性，但它們?nèi)匀挥羞@些樹脂的其他典型性能，如離解性強(qiáng)和工作的pH范圍寬廣等。

離子樹脂的轉(zhuǎn)型

第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日一般，對(duì)弱酸性和弱堿性樹脂，為使樹脂能離子化，應(yīng)采用鈉型或氯型。而對(duì)強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性樹脂，可以采用任何型式。但若抗生素在酸性、堿性條件下易破壞，則不宜采用氫型和羥型樹脂。第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日一般采用濕法填充。裝柱時(shí)不允許有氣泡及分層現(xiàn)象產(chǎn)生。裝柱后，用水充分地逆沖洗滌，去微粒、塵埃、氣泡，使樹脂顆粒填充均勻；停止逆洗，待樹脂沉降后，放去洗滌水。需要時(shí)用幾倍于柱體積的緩沖液進(jìn)行平衡以確保離子交換劑的緩沖狀態(tài)當(dāng)采用干燥樹脂直接填充時(shí)，應(yīng)特別注意其膨脹性2、裝柱第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日3.離子交換過程

正交換是指料液自上而下流經(jīng)樹脂，這種交換方法有清晰的離子交換層，交換飽和度高，洗脫液質(zhì)量好，但交換周期長(zhǎng)，交換后樹脂阻力大，影響交換速度反交換的料液是自下而上流經(jīng)樹脂層，樹脂呈沸騰狀，所以對(duì)交換設(shè)備要求比較高。生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)料液粘度及工藝條件選擇，大多采用正交換法。為了保證分離效果，可采用多罐串聯(lián)正交換法操作時(shí)注意：樹脂層之上應(yīng)保持有液層，處理液的溫度應(yīng)在樹脂允許的最高溫度以下，樹脂層中不能有氣泡第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日3.洗脫過程洗滌：目的是將樹脂上吸附的廢液及夾帶的大量色素和雜質(zhì)除去。

適宜的洗滌劑應(yīng)能使雜質(zhì)從樹脂上洗脫下來，還不應(yīng)和有效組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。目前生產(chǎn)中使用軟水進(jìn)行洗滌。常用的洗滌劑有軟化水、無鹽水、稀酸、稀堿、鹽類溶液或其它絡(luò)合劑等。第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日3.洗脫過程洗脫：離子交換完成后，將樹脂吸附的物質(zhì)釋放出來重新轉(zhuǎn)入溶液的過程稱作洗脫。洗脫是用親和力更強(qiáng)的同性離子取代樹脂上吸附的目的產(chǎn)物。（a）改變?nèi)芤簆H值（酸、堿）（b）改變?nèi)芤弘x子強(qiáng)度（鹽)洗脫劑應(yīng)根據(jù)樹脂和目的產(chǎn)物的性質(zhì)來選擇。洗脫過程是交換的逆過程，洗脫條件應(yīng)與交換條件相反，如吸附在酸性條件下進(jìn)行，洗脫應(yīng)在堿性條件下進(jìn)行；洗脫流速應(yīng)低于交換時(shí)的流速。注意洗脫過程pH對(duì)產(chǎn)物穩(wěn)定性的影響。洗脫方式分為靜態(tài)洗脫和動(dòng)態(tài)洗脫。第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日4.樹脂再生再生：讓使用過的樹脂重新獲得使用性能的處理過程，包括除去其中的雜質(zhì)和轉(zhuǎn)型。方式有：順流再生和逆流再生毒化樹脂的逆轉(zhuǎn)：樹脂失去交換性能后不能用一般的再生手段重獲交換能力的現(xiàn)象稱為樹脂的毒化。第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日二、離子交換操作方式

間歇式：也叫靜態(tài)交換，多用在學(xué)術(shù)研究中；固定床式操作：工業(yè)中最常用。按操作方式可分為：?jiǎn)未彩?、多床式、?fù)床式和混合床式?！傲黧w式”或“流動(dòng)床式”：應(yīng)用較少圖5-12各種固定床方式示意圖第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日三、離子交換工藝問題及處理樹脂中毒

中毒的原因：①主要有大分子有機(jī)物或沉淀物嚴(yán)重堵塞孔隙，中毒樹脂往往顏色加深，甚至呈現(xiàn)棕色，乃至黑色；②樹脂的活性基團(tuán)脫落；③生成不可逆化合物或樹脂與氧長(zhǎng)期接觸發(fā)生氧化等；④負(fù)載離子的交換勢(shì)極高，通常的洗脫劑或再生劑難以使其從活性基團(tuán)上交換下來，使其不能與其它離子交換而失效；⑤負(fù)載離子發(fā)生了變化。如交換了Fe3+的樹脂，當(dāng)用堿性溶液處理時(shí)，F(xiàn)e3+發(fā)生水解，產(chǎn)生氫氧化鐵凝膠，沉積于樹脂孔隙中，造成堵塞。對(duì)于中毒樹脂的處理：一方面應(yīng)該盡量?jī)艋弦?；用常?guī)方法處理后，再用酸、堿加熱到40～50℃浸泡；有機(jī)溶劑加熱浸泡處理；對(duì)于吸附了有機(jī)物很難洗脫或再生時(shí)，可以用氧化劑（如次氯酸鈉、雙氧水等）將其氧化。

第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日三、離子交換工藝問題及處理2.樹脂層出現(xiàn)分層現(xiàn)象

樹脂在使用過程中由于吸附了粘性物質(zhì)，使樹脂顆粒間相互粘連,容易引起樹脂在反洗或反交換過程中出現(xiàn)分層現(xiàn)象。另外，當(dāng)系統(tǒng)在操作中由于氣密性較差，有氣體進(jìn)入床層也會(huì)引起床層分層。反洗或反交換等操作，工藝控制不合理，流速的突然增大也會(huì)造成分層現(xiàn)象。避免分層：對(duì)樹脂進(jìn)行徹底洗滌；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行密閉性實(shí)驗(yàn)，消除漏氣區(qū)域；對(duì)料液進(jìn)行預(yù)處理除去粘性很大的物質(zhì)；規(guī)范操作，合理控制流速等幾種方法可避免分層現(xiàn)象出現(xiàn)分層現(xiàn)象后，可從容器下部放掉柱內(nèi)液體，對(duì)床層進(jìn)行正洗，反洗等操作，當(dāng)床層穩(wěn)定后再轉(zhuǎn)入正常的交換操作。3．固定床操作中，過早出現(xiàn)“穿透”現(xiàn)象第二十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日第五節(jié)、離子交換技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

一、水處理1.水的類型主要有軟化水和無鹽水（去離子水）；去除水中Ca2+、Mg2+等陽離子的水稱為軟水；不含任何鹽類及可溶性陰離子和陽離子的水稱為無鹽水。水的硬度通常用度（H0）表示，1度是指每升水中含有相當(dāng)于10mgCaO的硬度。2.軟水制備軟水的硬度一般要求在1H0以下。國(guó)內(nèi)制備軟水一般采用001×7樹脂3.無鹽水制備：制備無鹽水多采用氫型強(qiáng)酸陽離子樹脂和羥型強(qiáng)堿或弱堿陰離子樹脂第二十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日純化水的制備圖5-13離子交換法制備純化水第二十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日1、離子型抗生素類藥物的分離純化如鏈霉素