離子交換吸附設(shè)備

關(guān)于離子交換吸附設(shè)備第1頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)離子交換過程原理與設(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，達(dá)到分離、濃縮、提純的目的。第2頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三離子交換原理第3頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第4頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三生物工業(yè)中最常用的交換劑:

離子交換樹脂離子交換樹脂是能在水溶液中交換離子的固體，其分子可以分成三個部分：－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，稱為可交換離子。

第5頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三離子交換的一般流程如下：（1）原料液的預(yù)處理，使得流動相易于被吸附劑吸附；（2）原料液和離子交換樹脂的充分接觸，使吸附進(jìn)行；（3）淋洗離子交換樹脂，以去除雜質(zhì)；（4）把離子交換樹脂上的有用物質(zhì)解吸并洗脫下來；（5）離子交換樹脂的再生。第6頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三一、離子交換過程原理（一）離子交換樹脂的分類離子交換樹脂按活性基團(tuán)的性質(zhì)不同可分為陽離子交換劑（cationexchanger）和陰離子交換劑（anionexchanger）。

第7頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三陽離子交換劑第8頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三陽離子交換劑第9頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三陽離子交換劑對陽離子具有交換能力，活性基團(tuán)為酸性；陰離子交換劑對陰離子具有交換能力，活性基團(tuán)為堿性。陰陽離子交換劑又根據(jù)其活性基團(tuán)的電離程度強弱不同，分為強酸性陽離子交換劑和弱酸性陽離子交換劑、強堿性陰離子交換劑和弱堿性陰離子交換劑。強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10頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三（二）離子交換樹脂的性能評價離子交換樹脂一般不溶于水、一般的酸堿溶液和有機溶劑，是一種具有良好化學(xué)穩(wěn)定性的高分子聚合物。同時，離子交換樹脂必須具備一定的理化性能。第11頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三1．外觀

大多數(shù)商品樹脂多制成球形，其直徑為0.2~1.2mm。球形的優(yōu)點是增大比表面積、提高機械強度和減少流體阻力。普通凝膠型樹脂是透明的球珠，大孔樹脂呈不透明的霧狀球珠。隨合成原料、工藝條件不同，樹脂的顏色也有所不同，一般有黃、白、黃褐、紅棕等幾種顏色。第12頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第13頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第14頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第15頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三2．膨脹度

各種離子的交換樹脂，都含有極性很強的交換基團(tuán)，因此親水性極強，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，其程度隨樹脂的交聯(lián)度、相反離子的種類和濃度、外部溶液的濃度而變化，一般的商品樹脂，每克干樹脂可吸附0.5~1.0克水分，交聯(lián)度較低的樹脂，每克吸附1.0~3.0克水分。交聯(lián)度大的樹脂，膨脹度小，因而由于實驗條件的變化而引起的膨脹度的差異就小。但交聯(lián)度小的樹脂，會顯著膨脹或收縮，往往造成操作上的種種困難。第16頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三3．交聯(lián)度

樹脂的性質(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。合成樹脂時，單體中DVB的含量百分?jǐn)?shù)稱為交聯(lián)度，在商品樹脂中，通常是8%~12%。但合成時，通過改變它和苯乙烯的混合比，可制出不同含量的產(chǎn)品。一般說來，交聯(lián)度越大，樹脂越堅固，在水中不易溶脹。而交聯(lián)度減少，樹脂變得柔軟，容易溶脹。第17頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三樹脂工藝第18頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三樹脂工藝第19頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三樹脂工藝第20頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三4．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離子的毫摩爾數(shù)，是表征樹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兩種，后一種較直觀的反映生產(chǎn)設(shè)備的能力。第21頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三（三）離子交換樹脂和操作條件的選擇1、選擇合適的樹脂是應(yīng)用離子交換法的關(guān)鍵。

選用樹脂的主要依據(jù)是被分離物的性質(zhì)和分離目的。樹脂的選用，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)對樹脂的吸附力有足夠的差異。

第22頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三一般來說，對強堿性產(chǎn)物宜選用弱酸性樹脂，用強酸性樹脂固然也能吸附，但解吸較困難。對弱堿性產(chǎn)物宜選用強酸性樹脂，若選用弱酸性樹脂則因弱酸、弱堿所成的鹽易水解故不易吸附。弱酸性產(chǎn)物宜用強堿性樹脂；強酸性產(chǎn)物宜用弱堿性樹脂。第23頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三必須指出，用離子交換樹脂吸附酶等蛋白質(zhì)是有困難的，因為酶在吸附、解吸過程中會失活。將樹脂骨架由憎水性改為親水性，如經(jīng)過加工的纖維素所制得的離子交換劑，現(xiàn)已被用于提取酶。俄羅斯開發(fā)了一種以三嗪為骨架的羧基樹脂，可用來提取胞外酶。第24頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三2、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溶液的pH值。合適的pH值須滿足三個條件：（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）使樹脂能解離。第25頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三二、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、移動床、流化床等。第26頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三固定床設(shè)備它是現(xiàn)今應(yīng)用得最多的離子交換設(shè)備。優(yōu)點：它具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作管理方便、樹脂磨損少等優(yōu)點，弊端：存在設(shè)備管線復(fù)雜、閥門多、樹脂利用率相對較低等。第27頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三（一）間歇式離子交換設(shè)備第28頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三一般的離子交換罐為具有橢圓形封頭的圓筒形設(shè)備，其圓筒體的長和筒徑之比一般為2~3，也有高至5的。樹脂層高度約占圓筒高度的50~70%，須留有充分的空間，已備反沖時樹脂層的擴(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罐截面上均勻地通過樹脂層。第29頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三圓筒體的底部與橢圓形底之間常裝有多孔板、篩網(wǎng)及濾布以支持樹脂層，或者用塊石英石或卵石直接鋪于罐底以支持樹脂層。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)口也可合用一個總進(jìn)出口。另外，罐頂上應(yīng)有壓強表、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，閥門可用聚氯乙烯、不銹鋼或橡皮膜閥門。常用的離子交換罐見圖10-1及圖10-2。第30頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三1．反吸附離子交換罐第31頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三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?。反吸附除可以省去菌絲過濾（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，操作時不產(chǎn)生短路、死角，以及流速大和生產(chǎn)周期短等優(yōu)點，因此解吸后所得的產(chǎn)品質(zhì)量較高。但反吸附時樹脂的飽和度不及正吸附的高。此外罐內(nèi)樹脂高度要比正吸附時低一點，以免樹脂外溢。第32頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三2．固定床離子交換設(shè)備第33頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三這種操作方式使用最廣，設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡單，操作也很方便。離子交換樹脂的下部要用多孔陶土板、粗粒無煙煤、石英砂等作為支撐體。被處理的溶液從樹脂上方加入，經(jīng)過分布管使液體均勻分布于整個樹脂的橫截面。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脂上方通過各自的管道和分布器分別進(jìn)入交換器，樹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)生樹脂層的上浮。第34頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三如將陽、陰兩種樹脂混合起來，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，可避免采用單床時溶液變酸（通過陽離子柱時）及變堿（通過陰離子柱時）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圖10-4所示。第35頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三另外，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。該裝置的示意圖見圖10-5，第36頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第37頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三（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，因此樹脂利用率低，生產(chǎn)周期長。若采用連續(xù)逆流式操作則可避免上述缺點，且交換速度快，產(chǎn)品質(zhì)量均勻，連續(xù)化生產(chǎn)便于自動化控制。但連續(xù)離子交換過程中的樹脂破損很大，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38頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第39頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)吸附過程原理及設(shè)備吸附(Adsorption)是利用適當(dāng)?shù)奈絼?，在一定的操作條件下，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，從而達(dá)到濃縮和提純的目的，這樣的過程稱為吸附操作。當(dāng)物質(zhì)從流體相（氣體或液體）濃縮到固體表面從而實現(xiàn)分離的過程稱為吸附作用。在表面上能發(fā)生吸附作用的固體微粒稱為吸附劑，而被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。第40頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三按吸附劑對吸附質(zhì)的吸附作用可分為三類，即物理吸附、化學(xué)吸附和交換吸附。分離過程中的吸附操作應(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)用越來越廣泛。第41頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三物理吸附吸附劑和吸附質(zhì)通過分子間范德華力而產(chǎn)生的吸附作用稱為物理吸附。物理吸附無選擇特異性，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，被吸附的分子由于熱運動離開固體表面而發(fā)生解吸。第42頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三吸附操作廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域的分離過程，如除臭、脫色、去鹽、吸濕、防潮以及制備軟水、無鹽水等方面。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、凝膠型離子交換樹脂、活性碳、分子篩等。近年來合成的大孔網(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，在各個領(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)、海洋資源開發(fā)、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。第43頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三一、吸附過程與原理（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。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44頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三（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45頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三活性炭第46頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三硅膠

第47頁，講稿共55頁，2023年5月2日，星期三硅膠制品