連續(xù)離子交換技術及其應用

關于連續(xù)離子交換技術及其應用第一節(jié)離子交換技術概述及離子交換樹脂

一、離子交換技術的概述1、定義離子交換技術：根據(jù)某些溶質能解離為陽離子或陰離子的特性，利用離子交換劑與不同離子結合力強弱的差異，將溶質暫時交換到離子交換劑上，然后用適合的洗脫劑將溶質離子洗脫下來，將溶質從原溶液中分離、濃縮和提純的操作技術。第2頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2、離子交換劑（ionexchanger）離子交換法主要是基于一種合成材料作為吸著劑，成為離子交換劑，以吸附有價值的離子。.離子交換劑分無機質類和有機質類兩大類。無機質類又可分天然的——如海綠砂；人造的——如合成沸石。有機質類又分碳質和合成樹脂兩類。其中碳質類如磺化煤等；合成樹脂類分陽離子型——如強酸性和弱酸性樹脂；陽離子型——如強堿性和弱堿性樹脂、兩性樹脂和螯合樹脂等類。第3頁,共78頁，2024年2月25日，星期天二、離子交換樹脂1、離子交換樹脂的發(fā)展背景

早在1850年就發(fā)現(xiàn)了土壤吸收銨鹽時的離子交換現(xiàn)象，但作為一種現(xiàn)代分離手段，是在20世紀40年代人工合成了離子交換樹脂后的事。離子交換樹脂是最早出現(xiàn)的功能高分子材料，1935年英國的Adams和Holmes發(fā)表了關于酚醛樹脂和苯胺甲醛樹脂的離子交換性能的工作報告，開創(chuàng)了離子交換樹脂領域，同時也開創(chuàng)了功能高分子領域。根據(jù)他們的發(fā)明，帶有磺酸基和氨基的酚醛樹脂很快就實現(xiàn)工業(yè)化生產并在水的脫鹽中得到應用。第4頁,共78頁，2024年2月25日，星期天1944年D’Alelio合成了具有優(yōu)良物理和化學性能的磺化苯乙烯-二乙烯苯共聚物離子交換樹脂及交聯(lián)聚丙烯酸樹脂，奠定了現(xiàn)代離子交換樹脂的基礎。此后，Dow化學公司的Bauman等人開發(fā)了苯乙烯系磺酸型強酸性離子交換樹脂并實現(xiàn)了工業(yè)化；Rohm&Hass公司的Kunin等人則進一步研制了強堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂和弱酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂。這些離子交換樹脂除應用于水的脫鹽精制外，還用于藥物提取純化、稀土元素的分離純化、蔗糖及葡萄糖溶液的脫鹽脫色等。第5頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

20世紀50年代末，國內外包括我國的南開大學化學系在內的諸多單位同時合成出了大孔型離子交換樹脂。這是離子交換樹脂發(fā)展史上的另一重大成果，因此很快得到廣泛的應用。在60年代后期，離子交換樹脂除了在品種和性能等方面得到了進一步的發(fā)展，更為突出的是應用得到迅速的發(fā)展。除了傳統(tǒng)的水的脫鹽、軟化外，在分離、純化、脫色、催化等方面得到廣泛的應用。1964年，英國還生產了一種均孔樹脂，是一種交聯(lián)度分布均勻的凝膠型陰離子交換樹脂，抗有機污然能力強，交換能力并不低于一般的凝膠樹脂，據(jù)報道用于水處理效果極好。

第6頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2、離子交換樹脂定義及組成

定義：離子交換樹脂是一種不溶于酸、堿和有機溶劑的網狀結構的功能高分子化合物，化學穩(wěn)定性良好，且具有離子交換能力。可以把離子交換樹脂看作是固體的酸或堿。

組成：離子交換樹脂是由三部分組成的：不溶性的三維空間網狀結構構成的樹脂構架，使樹脂具有化學穩(wěn)定性；與骨架相連的功能基團；與功能基團所帶電荷相反的可移動的離子，即活性離子。第7頁,共78頁，2024年2月25日，星期天離子交換樹脂第8頁,共78頁，2024年2月25日，星期天3、離子交換樹脂分類

（1）按樹脂骨架化學成分可分為：苯乙烯型樹脂；丙烯酸型樹脂；酚醛型樹脂；多乙烯多胺-環(huán)氧氯苯烷。（2）按制備樹脂的聚合化學反應分為：共聚型樹脂；縮聚型樹脂。（3）按骨架的物理結構可分為：凝膠型樹脂（微孔型）；大網格樹脂（大孔型）；均孔樹脂；載體型樹脂。

第9頁,共78頁，2024年2月25日，星期天1）凝膠型樹脂凡外觀透明、具有均相高分子凝膠結構的離子交換樹脂統(tǒng)稱為凝膠型離子交換樹脂。在水中會溶脹成凝膠狀，并呈現(xiàn)大分子鏈的間隙孔。在無水狀態(tài)下，凝膠型離子交換樹脂的分子鏈緊縮，體積縮小，無機小分子無法通過。所以，這類離子交換樹脂在干燥條件下或油類中將喪失離子交換功能第10頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2）大網格或大孔樹脂

在大網格吸附劑上引入離子交換功能團所得。和通常凝膠樹脂不同，孔隙大，樹脂內部表面積大，因此適宜吸附大分子和用作催化劑，且有永久孔隙度，即使完全失水也能維持其多孔結構和巨大的內部表面積，適用于非水溶液的交換，也適用于連續(xù)離子交換操作中。第11頁,共78頁，2024年2月25日，星期天3）載體型樹脂主要用作液相色譜的固定相，一般是將離子交換樹脂包覆在硅膠或玻璃珠等表面制成?？山浭芤合嗌V中流動介質的高壓又具有離子交換功能。（4）按交換基團性質可分為：陽離子交換樹脂（強酸、弱酸）；陰離子交換樹脂（強堿、弱堿）1）強酸型陽離子交換樹脂一般是以磺酸基-SO3H為活性基團，使用時的PH沒有限制第12頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2）弱酸型陽離子交換樹脂功能團可以是-COOH、酚羥基-OH等，這種樹脂的電離程度小，交換性能和溶液的PH有很大的關系，交換能力隨溶液PH的升高而提高，和H+的結合能力強，故再生成氫型較容易。3）強堿性陰離子交換樹脂根據(jù)功能團的不同可分為兩型：Ⅰ型活性基團為-N(CH3)3，堿性強，但再生困難；Ⅱ型為-N(CH3)2C2H4OH，穩(wěn)定性差。4）弱堿性陰離子交換樹脂功能團為R—NH2、R—NR’H和，R—NR”2或吡啶基等。溶液PH越低，交換能力就越大。第13頁,共78頁，2024年2月25日，星期天4、樹脂的命名

對離子交換樹脂的命名，我國石油化學工業(yè)部早在1977年已制定了《離子交換樹脂產品分類、命名及型號》部頒標準，根據(jù)離子交換樹脂功能基性質不同將其分為強酸、強堿、弱酸、弱堿、螯合、兩性、氧化還原等七類。

具體的命名規(guī)定為：離子交換樹脂的全名由分類名稱，骨架（或基團）名稱，基本名稱排列組成。對大孔型離子交換樹脂，在型號的前面加“D”表示，在型號的后面用“×”接阿拉伯數(shù)字，表示交聯(lián)度。第14頁,共78頁，2024年2月25日，星期天Ｄ●●●交聯(lián)度數(shù)值順序號骨架代號分類代號分類代號順序號骨架代號大孔型代號００１×７０－強酸性０－苯乙烯系交聯(lián)度為７%順序號為１001×7－交聯(lián)度為7%的苯乙烯烯凝膠型強酸性陽離子交換樹脂Ｄ315-大孔型丙烯酸弱堿性陰離子交換樹脂大孔型凝膠型●●●×●離子交換樹脂的命名第15頁,共78頁，2024年2月25日，星期天5、樹脂的合成方法

現(xiàn)有樹脂的制造方法可以分為兩類：縮聚法和加聚法。（1）縮聚法：有低分子產物（通常是水）產生，一般穩(wěn)定性較差，多半為無定形，以甲醛等作為交聯(lián)劑，交聯(lián)度不易控制，反應復雜，結構不十分確定，且多為多功能團的。（2）加聚法：結構確定，常為單功能團的，一般性能好，多為球形，以二乙烯苯等作為交聯(lián)劑。引入活性功能團可采用含功能團的單體也可在形成聚合物后再引入第16頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

樹脂一般制成球形，可提高樹脂是機械強度，并可使在柱中操作時，流體阻力減少，通常采用的是懸浮聚合法。由于單體與水相之間存在較大的粘度差異，且反應器中攪拌剪切力空間分布不均勻等諸多原因，會導致聚合球狀物（白球）不均勻。為了彌補此法的不足，國外采用了先進的全自動噴射法合成技術，得率高且粒度均勻。離子交換樹脂領域的國內外學者一直積極致力于探索新型的合成工藝，現(xiàn)在已經開發(fā)出來的新型工藝有互貫聚合工藝和后交聯(lián)工藝。第17頁,共78頁，2024年2月25日，星期天（1）互貫聚合法

是指將已經具有一定交聯(lián)度的聚合物骨架再在相同交聯(lián)度的單體中溶脹，使單體吸入聚合物中，實現(xiàn)兩個獨立網格的互相貫穿和纏繞。此法使得樹脂密度增大、剛性增強、珠體合格率提高、工作交換容量也大大高于具有相同交聯(lián)度的常規(guī)樹脂。（2）后交聯(lián)法也叫附加交聯(lián)法，是用聚苯乙烯溶液或溶脹態(tài)低交聯(lián)聚苯乙烯與交聯(lián)劑氯甲醚等發(fā)生付氏反應，引入的氯甲基在較高溫度下，可與鄰近的苯環(huán)進一步發(fā)生付氏反應，從而實現(xiàn)兩個高分子鏈上苯環(huán)的交聯(lián)。第18頁,共78頁，2024年2月25日，星期天6、交換速率影響離子交換樹脂交換速率的因素有：（1）顆粒大?。侯w粒小時交換速度有所提高（2）交聯(lián)度：交聯(lián)度越低樹脂越易膨脹，在樹脂內部擴散就較容易（3）溫度：溫度的升高有利于擴散，提高交換速率（4）離子的化合價：相反離子間存在庫倫引力，離子化合價越高，這種引力越大，因此擴散速度就越小

第19頁,共78頁，2024年2月25日，星期天（5）離子的大?。盒‰x子的交換速度比較快，因大分子在樹脂內擴散時會與樹脂骨架碰撞（6）攪拌速度：當液膜控制時，增加攪拌速度會使交換速度增加（7）溶液濃度：溶液濃度逐漸升高會從外部擴散控制逐漸轉變?yōu)閮葦U散控制第20頁,共78頁，2024年2月25日，星期天7、離子交換過程的選擇性

集中體現(xiàn)在交換常數(shù)K的數(shù)值上，一般離子和樹脂之間的親和力越大，就越容易吸附，當吸附后樹脂的膨脹度減小時，則樹脂對該離子的親和力也越大。

KB·A表示B離子取代樹脂上A離子的交換常數(shù)，值越大就越易吸附B離子。影響因素有：（1）離子的水化半徑：水化半徑較小的離子越易吸附（2）離子化合價：在低濃度水溶液和普通溫度時，離子的化合價越高就越易被吸附第21頁,共78頁，2024年2月25日，星期天（3）溶液的酸堿度：PH對弱酸性樹脂或弱堿性樹脂的解離程度有影響（4）交聯(lián)度、膨脹度和分子篩：對于吸收大離子有兩個互相矛盾的因素起作用，即選擇性的影響和空間大小的影響（5）樹脂與交換離子之間的輔助力：eg：氫鍵、范德華力（6）有機溶劑的影響：有機溶劑存在時常常會使對有機離子的選擇性降低，而容易吸附無機離子第22頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)離子交換的工作原理及裝置分類一、離子交換法原理

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。其作用實質上是一種溶液中的電解質和不溶性電解質的固、液兩相接觸時所進行的復分解反應。第23頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

膠體化學中關于半透膜兩側電解質平衡濃度關系的理論，1911年由Donnan提出。其要點是：同一電解質在半透膜兩邊的化學勢相等，若膜的一側有某種符號(正或負)的非擴散性離子，則同號的擴散性離子在該側的濃度較另一側小。離子交換劑（通常是樹脂）可視為某種彈性凝膠，吸水后溶脹，溶脹后的離子交換樹脂內部可以看做是一滴濃的電解質溶液；樹脂顆粒與外部溶液間的界面可以看作是某種半透膜，膜的一側是外部溶液主體，另一側是樹脂相，樹脂相內活潑基團解離出來的離子和外部溶液主體相中的離子一樣，均可以擴散通過半透膜分離原理的理論依據(jù)——道南平衡第24頁,共78頁，2024年2月25日，星期天離子交換過程離子交換原理示意圖外擴散

內擴散

交換反應第25頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

若將Na+型的磺酸基陽離子交換樹脂浸入NaCl溶液中，樹脂相中的Na+和溶液主體相中的Na+、Cl-可以通過半透膜擴散達到平衡，此時溶液中NaCl的濃度不再發(fā)生變化，則由外界溶液相主體到樹脂相中的透過速度為：V1=K[Na+]外·[Cl-]外從樹脂相到外界溶液相主體中的透過速度為：V2=K[Na+]內·[Cl-]內因為達到平衡時V1=V2，所以：K[Na+]外·[Cl-]外=K[Na+]內·內（1）又[Na+]外=[Cl-]外[Cl-]外2=[Cl-]內（[Cl-]內+[R-]內）[Na+]內=[Cl-]內+[R-]內由于有較多固定離子R-存在，于是[Cl-]外＞＞[Cl-]內，[Na+]內＞＞[Cl-]內，[Na+]內＞＞[Na+]外第26頁,共78頁，2024年2月25日，星期天由于陽離子樹脂相中固定離子R-的排斥作用，到達平衡后外界溶液中[Cl-]外將大大超過樹脂相中的[Cl-]內，而[Na+]外則遠遠小于[Na+]內的，即陽離子可以進入陽離子交換樹脂中進行交換，陰離子則不能，這就是道南原則。若在外界溶液中加入其它其他離子，如K+，則隨著K+擴散到中，有：[K+]內·[Cl-]內＝[K+]外·[Cl-]外，[K+]內＞＞[K+]外（2）結合（1）式和（2）得：說明溶液中引入的K+將與樹脂相中的Na+發(fā)生交換作用，這種過程將一直進行到樹脂相與外界溶液相中的兩種離子濃度之比相等為止。第27頁,共78頁，2024年2月25日，星期天離子交換劑的離子交換功能離子交換樹脂相當于多元酸和多元堿，它們可發(fā)生下列三種類型的離子交換反應。第28頁,共78頁，2024年2月25日，星期天中和反應：

第29頁,共78頁，2024年2月25日，星期天復分解反應：第30頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

中性鹽反應：第31頁,共78頁，2024年2月25日，星期天從上面的反應可見，所有的陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂均可進行中和反應和復分解反應。僅由于交換功能基團的性質不同，交換能力有所不同。中性鹽反應則僅在強酸型陽離子交換樹脂和強堿型離子交換樹脂的反應中發(fā)生。所有上述反應均是平衡可逆反應，這正是離子交換樹脂可以再生的本質。只要控制溶液的pH值、離子濃度和溫度等因素，就可使反應向逆向進行，達到再生的目的。第32頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

體系總的電中性原則交換容量與反離子的性質無關離子交換過程幾乎都是可逆的離子交換是速率控制過程，通常由穿過交換劑外表面液膜的外擴散或在交換劑顆粒內部的內擴散過程來控制離子交換原則第33頁,共78頁，2024年2月25日，星期天離子交換技術的操作過程料液的預處理待分離料液與離子交換劑進行交換反應淋洗，除去雜質洗脫，收集目標物質離子交換劑的再生再生后離子交換劑的清洗離子交換技術的操作工程大致可以分為：交換、反洗、再生、正洗四個階段。第34頁,共78頁，2024年2月25日，星期天待分離料液與離子交換劑進行交換反應含水狀態(tài)下的離子交換樹脂內部存在著細孔，離子就在其間擴散并進行離子交換。固定之陰離子交換基，如SO3-對立之陽離子，如H+苯乙烯基體二乙烯苯架橋水合水Na+陽離子交換樹脂第35頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2024/3/2636交換柱內的再生樹脂再生：將樹脂恢復到交換前的形式．這個過程稱為樹脂再生。有時洗脫過程就是再生過程。陽離子交換樹脂可用3mol/L鹽酸處理，將其轉化為H+型；陰離于交換樹脂可用lmol/L氫氧化鈉處理，將其轉化成OH-型備用。第36頁,共78頁，2024年2月25日，星期天反洗的目的：松動壓緊的樹脂床層，使床層膨脹。清除截留在樹脂層內的懸浮物和有機雜質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的吸附的離子除去，并代之以新的被交換離子，從而達到反復使用的目的。第37頁,共78頁，2024年2月25日，星期天離子交換裝置分類

可粗分為間歇式、固定床、連續(xù)式移動床及連續(xù)式流動床離子交換設備第38頁,共78頁，2024年2月25日，星期天間歇式離子交換

是指把離子交換劑與被處理的溶液混合，加以適當?shù)臄嚢瑁怪_到適當交換平衡，然后濾出溶液使之分離的一種操作方式。通常用于實驗室或小型工業(yè)生產。最簡單的裝置就是采用一個具有攪拌器的罐。第39頁,共78頁，2024年2月25日，星期天固定床離子交換

是把離子交換劑放在交換柱內處于固定態(tài)，被處理的溶液在動態(tài)下流過交換柱。固定床的優(yōu)點：設備簡單，操作方便，適用于各種規(guī)模生產；固定床的缺點是離子交換劑的利用率低，再生費用大；濾速增高時，壓強降增大也快。第40頁,共78頁，2024年2月25日，星期天柱式固定床剖視圖

結構特點：①有一個合適的離子交換樹脂床支撐體；②有一個分布器，使進料能均勻分布流過樹脂床；③有反洗控制裝置，要使反洗壓力分布均勻。第41頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)連續(xù)離子交換技術概述連續(xù)離子交換技術定義連續(xù)離子交換技術是一種完全革新的分離工藝技術，不同于傳統(tǒng)的固定床（FixedBed）、脈沖床（PulseBed）、模擬移動床（SimulatedMovingBed）等工藝。它是在傳統(tǒng)的固定床樹脂吸附和離子交換工藝的基礎上結合連續(xù)逆流系統(tǒng)技術優(yōu)勢開發(fā)而成。第42頁,共78頁，2024年2月25日，星期天連續(xù)離子交換的背景

連續(xù)離子交換是基于固定床系統(tǒng)，不能連續(xù)生產，能耗大，工藝繁雜，再生用化學品量大、生產周期長的缺點，而開發(fā)研究的。

ISEP連續(xù)離子交換最先是由美國先進分離技術公司(AdvancedSeparationTechnologiesInc.)于1986年開始開發(fā),經過不斷完善，而形成的真正連續(xù)的離子交換技術。第43頁,共78頁，2024年2月25日，星期天連續(xù)離子交換技術工作原理連續(xù)離子交換系統(tǒng)由一個帶有多個樹脂柱的（16、20、30）的圓柱和一個多孔分配閥組成。通過圓盤的轉動和閥口的轉換，使分離柱在一個工藝循環(huán)中完成了吸附、水洗、解吸、再生的全部工藝過程。并且離子分離的所有工藝步驟在同時進行。第44頁,共78頁，2024年2月25日，星期天如何實現(xiàn)連續(xù)？

傳統(tǒng)的離子交換應用時采用固定床實現(xiàn)的，我們對固定床的工作過程進行分析發(fā)現(xiàn)，在交換過程中樹脂床將分為三段，即飽和區(qū)、活性區(qū)（傳質區(qū)）和新鮮樹脂區(qū)。隨著交換進行，傳質區(qū)不斷下移直至底部交換完全。整個過程只有傳質區(qū)處于工作狀態(tài)，飽和區(qū)和新鮮樹脂區(qū)閑置，因此樹脂利用率低。第45頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

為了提高樹脂利用率，我們把傳質區(qū)進行抽象分割成幾個小單元，一旦上面的小單元飽和后就移出來進行洗水及再生操作，處理用的新鮮樹脂單元又回到傳質區(qū)底部循環(huán)使用，這樣大大提高樹脂的利用率。第46頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

為了能夠實現(xiàn)樹脂單元自動高效的運作，我們采用了全新的系統(tǒng)設計理念，把樹脂柱小單元放到一個轉盤上，通過轉盤的轉動來實現(xiàn)切換。第47頁,共78頁，2024年2月25日，星期天當物料通過一個自動旋轉分配法控制，把樹脂柱分成交換、水洗、再生、漂洗等功能區(qū)域，當樹脂單元到達指定區(qū)域就執(zhí)行相應的工藝過程，這樣可以實現(xiàn)每個過程獨立進行，而整體工藝成連續(xù)運行。第48頁,共78頁，2024年2月25日，星期天功能糖的簡要介紹定義

功能糖其實是指功能性低聚糖、功能性膳食纖維、功能性糖醇等幾種具有特殊生理功效的物質的統(tǒng)稱。第四節(jié)連續(xù)離子交換在功能糖生產中的應用第49頁,共78頁，2024年2月25日，星期天這其中，功能性低聚糖是指對人體健康具有一定改善效果的功能性糖類，多是由2～10個單糖通過糖苷鍵連接形成直鏈或支鏈的低度聚合糖。并不是所有的低聚糖都成為功能糖，只有在人體腸胃道內不被消化吸收而直接進入大腸內為雙歧桿菌所利用低聚糖才稱為功能糖。第50頁,共78頁，2024年2月25日，星期天功能糖制法

功能糖多是由玉米芯、蔗渣、麥稈等富含半纖維素的物質經過酸法、酸酶法或酶法制取的糖，如低聚木糖；或是由一些淀粉糖類經過酸法、酸酶法或酶法制取的糖，如低聚異麥芽糖。第51頁,共78頁，2024年2月25日，星期天功能糖功能簡介1、改善腸道菌群的功能2、潤腸通便3、增強免疫力4、促進礦物質的吸收5、抗齲齒6、降血脂第52頁,共78頁，2024年2月25日，星期天工藝過程傳統(tǒng)的固定床離子交換設備

在功能糖生產工藝過程中的精制工序中需要去除產品中的無機鹽和有機雜質。

粗糖液經過陽離子交換柱、陰離子交換柱和混合離子交換柱,得到精制物料。采取的設備為兩套并聯(lián)的方式,一套正常運行,一套進行樹脂再生,交替進行,兩套共6臺設備,規(guī)格都比較大。第53頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

用這種間歇式離子交換技術進行物料的精制，存在操作繁瑣，樹脂再生時間難以控制，樹脂再生所需酸堿及沖洗水用量都很大，水壓不易控制，產生的廢液量大，樹脂易流失以及物料品質不穩(wěn)定等缺點。第54頁,共78頁，2024年2月25日，星期天連續(xù)離子交換設備的應用

為了脫除功能糖生產過程中粗糖液中的陰陽雜質離子，在離交生產工藝中設計采用了兩臺ISEP裝置，串聯(lián)操作，一臺樹脂裝陽離子交換樹脂，另一臺樹脂柱裝陰離子交換樹脂。流程如下:第55頁,共78頁，2024年2月25日，星期天(1)料液由泵打入陽柱，再經過陰柱，從陰柱出來的物料經段間加壓泵加壓后，再進入陽柱，物料完成精制過程，進入貯槽;(2)將需進行再生的樹脂柱中的糖液頂出，置換出來的糖液進入給料管;(3)用稀酸液再生陽樹脂，用稀堿液再生陰樹脂;(4)用水徹底清洗樹脂中殘留的酸和堿;(5)再生廢液排放至污水處理站進行處理。第56頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

對在低聚半乳糖生產工藝過程中，對連續(xù)離子交換參數(shù)進行優(yōu)化后，與傳統(tǒng)的間歇式離子交換技術進行比較。第57頁,共78頁，2024年2月25日，星期天表1兩種離交方式的比較第58頁,共78頁，2024年2月25日，星期天表2日均生產能力比較分析表第59頁,共78頁，2024年2月25日，星期天表3連續(xù)離交與間歇式離交技術經濟指標對照表第60頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)連續(xù)離子交換技術的優(yōu)勢1、傳統(tǒng)的離子交換柱相比,其設備緊湊、系統(tǒng)簡化、管道縮減和占地面積少;2、與固定床相比,樹酯消耗量減少(50-90%),再生劑、沖洗水消耗降低;3、減少化學藥品、洗脫劑的用量約30-55%）;減少廢水排放量的40-75%;4、減少占地面積40-60%,系統(tǒng)緊湊,原固定床所有工序都集中在該系統(tǒng)中;第61頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第六節(jié)連續(xù)離子交換技術的其他應用制藥行業(yè)濕法冶金行業(yè)食品行業(yè)水處理（廢水處理、純水制備）精細化工和生物技術第62頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

1．產品儲槽2．產品泵3．原水儲槽4．水泵5．原料儲槽6．原料泵7．頂水儲槽8．洗水儲槽9．轉子流量計10．采樣口11．再生廢液儲槽12．連續(xù)離子交換實驗機13．再生劑儲槽，14．水泵15．再生劑泵圖二維生素C連續(xù)離子交換轉化實驗流程圖一、制藥行業(yè)在化學制藥方面的應用主要有抗生素、氨基酸、維生素分離、純化與濃縮。（一）維生素C連續(xù)離子交換轉化（VC-Na→VC-H）

第63頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

本工藝采用30柱系統(tǒng)，我們把系統(tǒng)分為幾個功能區(qū)：吸附區(qū)（5-15）、交換水洗區(qū)（1-4)、堿洗區(qū)（29-30）、再生區(qū)（21-28）、再生水洗區(qū)（17-20）、頂水區(qū)（16）。1234567891011121314151617181920

21222324252627282930第64頁,共78頁，2024年2月25日，星期天工藝說明：吸附區(qū)：由5-15樹脂柱組成。維生素C鈉溶液從5-6進入系統(tǒng)進行第一級交換，鈉離子被部分交換到樹脂上，流出液為維生素C與維生素C鈉的混合溶液，pH值將降低；然后與吸附水洗下來的殘料液合并進入7-9第二級交換，然后進入10-12第三級交換，最后進入13-15第四級交換，這樣經過四級交換可以保證鈉離子被部分交換到樹脂上，流出液就是最終產品--維生素C溶液。第65頁,共78頁，2024年2月25日，星期天交換水洗區(qū)（吸附水洗區(qū)）：由1-4樹脂柱組成。經過吸附后，各樹脂罐需要水洗，樹脂罐旋轉到吸附水洗區(qū)后，央帶在樹脂間的料液(主要是維生素C鈉)被水頂出，流出液與吸附區(qū)流出液混合一同進入7-9對應的樹脂罐。經過交換飽和的5號柱轉動到4位置開始水洗，經過3-4一級水洗，然后1-2二級水洗，保證到1號柱時物料清洗干凈。而水經過兩級利用提高了利用率，以節(jié)省洗水用量。

第66頁,共78頁，2024年2月25日，星期天堿洗區(qū)（交叉再生區(qū)）：由29-30樹脂柱組成。物料中含有蛋白等雜質會在交換過程中滯留在樹脂柱中，容易造成堵塞和樹脂中毒，因此30號采用堿液來清洗樹脂，然后用水將29號樹脂罐中夾帶的堿溶液沖洗干凈。再生區(qū)（酸再生區(qū)）：由21-28樹脂柱組成。本工藝采用稀鹽酸進行樹脂再生，在該區(qū)域內，氫離子與樹脂上的鈉離子交換。酸從21-22進入系統(tǒng)第一級再生，然后與再生水洗的殘酸混合進入23-25二級再生，最后進入26-28三級再生。經過三級再生可以保證樹脂柱再生完全恢復交換性能。123456789101112131415161718192021222324252627282930第67頁,共78頁，2024年2月25日，星期天再生水洗區(qū)：由17-20樹脂柱組成。經過酸再生后，樹脂需要經過水的沖洗，將樹脂罐中殘留的酸全部洗出，才能重新再進入吸附區(qū)。經過完全再生的21號柱轉到20位置開始水洗，經過19-20一級水洗，然后17-18二級水洗，保證17號柱時酸被清洗干凈，而水經過來年估計利用提高效率，節(jié)省洗水用量。頂水區(qū)（ER區(qū)）：由16號柱組成，從17號柱轉過來時，樹脂柱中殘留大量水，如果直接轉入交換區(qū)15號位置，則水混入物料造成物料稀釋，因此在16號柱先用產品液把樹脂柱中的水頂出，避免了對物料的稀釋，同時頂出的水可回收利用，節(jié)省系統(tǒng)整體用水量。第68頁,共78頁，2024年2月25日，星期天產品收率最高可達到99%以上同等收率可以最大限度的提高產品液濃度酸用量減少30%以上，堿用量減少40%以上。減少洗脫酸堿時水的60%用量減少產品中氯離子的殘留

本實例應用與采用傳統(tǒng)固定床對比具有以下優(yōu)點：第69頁,共78頁，2024年2月25日，星期天（二）氨基酸提純連續(xù)離子交換分離賴氨酸：賴氨酸為堿性氨基酸，在酸性條件下形成賴氨酸鹽，與銨型陽離子樹脂進行離子交換被吸附，從而與非堿性氨基酸、糖、蛋白等有機雜質分離。然后用氨水洗脫，結晶后得到賴氨酸成品，當樹脂被洗提和水洗后，可以再次吸附更多的賴氨酸。離子交換后流出的廢水中的硫酸氨可以被回收。脫離離子交換的菌體可用于制造化肥。第70頁,共78頁，2024年2月25日，星期天與固定床分離對比的優(yōu)點：連續(xù)的離子交換分離器可直接接納全部發(fā)酵醪液，不需過濾器，而固定床分離器在發(fā)酵反應堆和分離器之間需要一個過濾階段。這樣可以減少資金成本、占地面積和工藝成本。固定床系統(tǒng)一般需要對樹脂洗提后的化學廢水進行二次處理。而ISEP連續(xù)分離系統(tǒng)則不需要，它可以再循環(huán)利用絕