生化工艺-第五章吸附与离子交换课件.ppt

1、第五章吸附及离子交换技术第五章吸附及离子交换技术第一节第一节 吸附吸附 第二节第二节 离子交换基本原理离子交换基本原理 第三节第三节 离子交换树脂离子交换树脂第四节第四节 离子交换技术实施离子交换技术实施 第五节第五节 离子交换技术的工业应用离子交换技术的工业应用 第六节第六节 离子交换技术的发展离子交换技术的发展 学习目标学习目标n了解吸附剂的性能特点，了解离子交换树脂的分类、结构特点及离子交换技术的发展；n熟悉常用吸附技术及离子交换树脂命名、理化性质、功能特性、选择方法、基本计算及典型生产工艺；n掌握吸附与离子交换基本原理、工艺过程和操作方式；n会分析影响吸附与离子交换效果的相关因素，能够

2、正确从事吸附与离子交换工艺操作，能处理吸附与离子交换过程中相关问题。第一节第一节 吸附吸附(adsorption)吸附定义吸附定义 利用利用吸附剂吸附剂对液体或气体中对液体或气体中某一某一(些些)组分组分具有选择性具有选择性吸附的能力吸附的能力，使其富集在吸附剂表，使其富集在吸附剂表面。面。实质是实质是溶质从液相或气相转移到溶质从液相或气相转移到吸附剂表吸附剂表面面的的过程。过程。吸附过程吸附过程Step1Step2Step3Step4吸附法的特点：吸附法的特点：操作简便、安全、设备简单，操作操作简便、安全、设备简单，操作过程中过程中pH变化很小，少用或不用有机溶剂，操作条变化很小，少用或不用

3、有机溶剂，操作条件温和，适用于热敏性物质分离，但处理能力较低，件温和，适用于热敏性物质分离，但处理能力较低，吸附剂的吸附性能不太稳定，不能连续操作，劳动强吸附剂的吸附性能不太稳定，不能连续操作，劳动强度大。度大。吸附法应用：吸附法应用：一般常用于除臭、脱色、吸湿、防潮一般常用于除臭、脱色、吸湿、防潮、去热源以及从稀溶液中分离精制某些产品：如酶、去热源以及从稀溶液中分离精制某些产品：如酶、蛋白质、核苷酸、抗生素、氨基酸等。蛋白质、核苷酸、抗生素、氨基酸等。家用水处理机又称净水器，可直接装在家用出水口，是一种家用水处理机又称净水器，可直接装在家用出水口，是一种高效方便的饮用水深度净化装置。高效方便

4、的饮用水深度净化装置。一种为单一的过滤型，主要采用活性炭、一种为单一的过滤型，主要采用活性炭、PPPP（聚丙烯）过滤（聚丙烯）过滤棉、矿物质滤材中的一种或两种组合进行水处理，仅能除去部分棉、矿物质滤材中的一种或两种组合进行水处理，仅能除去部分悬浮物、余氯和有机物，但效果不彻底，容量有限，可能产生二悬浮物、余氯和有机物，但效果不彻底，容量有限，可能产生二次污染，只能用作饮用水的初级处理。次污染，只能用作饮用水的初级处理。另一种为多种水处理方式的有机结合，主要是在上一种的基另一种为多种水处理方式的有机结合，主要是在上一种的基础上，进行了多重处理，而且增加了超滤膜、紫外灯、臭氧等除础上，进行了多重处

5、理，而且增加了超滤膜、紫外灯、臭氧等除菌装置，在对悬浮物、余氯、有机物、重金属、细菌、病毒等都菌装置，在对悬浮物、余氯、有机物、重金属、细菌、病毒等都有很好的去除功能，对于处理水体的适应性强，是目前家用水处有很好的去除功能，对于处理水体的适应性强，是目前家用水处理机最常见的水处理方式。理机最常见的水处理方式。知识链接知识链接家用水处理机的原理及使用维护知识家用水处理机的原理及使用维护知识 再一种是在粗滤和活性炭之后，用反渗透膜、纳滤膜进行的再一种是在粗滤和活性炭之后，用反渗透膜、纳滤膜进行的高压分离膜分离，能有效去除有机物及无机盐，口感好，但水体高压分离膜分离，能有效去除有机物及无机盐，口感好

6、，但水体中矿物元素含量较低，出水量很小（一般情况下为中矿物元素含量较低，出水量很小（一般情况下为8L/h8L/h）。上述）。上述所有的水处理过程都是一个滤材消耗的过程，滤材的有效周期（所有的水处理过程都是一个滤材消耗的过程，滤材的有效周期（寿命）不仅与本身的材质和使用时间有关，还与原水质量、日水寿命）不仅与本身的材质和使用时间有关，还与原水质量、日水处理量等因素有关，它直接关系到使用成本和水质；另外由于去处理量等因素有关，它直接关系到使用成本和水质；另外由于去除了余氯的净水很容易被细菌所污染，因此必须装有一套高效、除了余氯的净水很容易被细菌所污染，因此必须装有一套高效、长寿、可靠的消毒系统，才

7、能保证水处理效果。长寿、可靠的消毒系统，才能保证水处理效果。知识链接知识链接家用水处理机的原理及使用维护知识家用水处理机的原理及使用维护知识一、一、吸附吸附的基本原理的基本原理1 1、分类、分类n物理吸附物理吸附 吸附剂和吸附质之间的作用力是分子间引力（范德华力）。吸附剂和吸附质之间的作用力是分子间引力（范德华力）。n化学吸附化学吸附 利用吸附剂与吸附质之间的电子转移，发生化学反应而产生的，属于库仑力利用吸附剂与吸附质之间的电子转移，发生化学反应而产生的，属于库仑力范围。它与通常的化学反应不同，吸附剂表面的反应原子保留了它或它们原范围。它与通常的化学反应不同，吸附剂表面的反应原子保留了它或它们

8、原来的格子不变。来的格子不变。n交换吸附交换吸附 吸附表面如为极性分子或离子所组成，则它会吸引溶液中带相反电荷的离子而吸附表面如为极性分子或离子所组成，则它会吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层，这种吸附称为极性吸附。同时在吸附剂与溶液间发生离子交换，形成双电层，这种吸附称为极性吸附。同时在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，同时要向溶液中放出相应摩尔数的离子。即吸附剂吸附离子后，同时要向溶液中放出相应摩尔数的离子。常见的吸附类型及其主要特点常见的吸附类型及其主要特点物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附作用力吸附作用力 分子间引力分子间引力化学键合力化学键合力选择性选择性较差较差

9、较高较高所需活化能所需活化能低低高高吸附层吸附层单层或多层单层或多层单层单层达到平衡所需时间达到平衡所需时间快快慢慢2、吸附速度与吸附平衡吸附速度与吸附平衡 n吸附过程是一个物质传递过程，极限是吸附过程达到平衡，即吸附剂表面、气相或液相主体的吸附质浓度不再发生变化。吸附质首先要从气相或液相主体扩散到吸附剂的外表面（外扩散），吸附在外表面上（表面吸附），或者从吸附剂的外表面向颗粒内部的微孔内扩散（内扩散），在向微孔内扩散过程中吸附在内表面上（表面吸附）。吸附速度吸附速度 吸附质从气相或液相主体吸附到吸附剂上的速度取决于扩散与表面吸附速度。外扩散速度主要取决于流体的湍动程度、流体粘度及吸附质的浓度

10、，湍动程度与吸附质浓度越大，流体粘度越小，外扩散速度越大；内扩散速度主要取决于微孔的大小、微孔的长度及微孔的曲折程度，微孔越大，曲折程度越小，微孔越短，内扩散速度越大；表面吸附速度主要取决于吸附面积的大小、吸附力的大小及反应速度的大小，吸附面积越大，吸附力越大，反应速度越大，表面吸附速度越大。吸附平衡吸附平衡 吸附等温线：吸附等温线：当吸附剂与溶当吸附剂与溶液中的溶质达到平衡时，其吸附液中的溶质达到平衡时，其吸附量量q q与溶液中溶质浓度与溶液中溶质浓度c c和和温度温度有有关。关。当温度一定时，吸附量当温度一定时，吸附量q q只和只和浓度有关，浓度有关，q q=K=Kc c q q单位质量吸

11、附剂所吸附单位质量吸附剂所吸附的吸附质量，的吸附质量，kg(kg(溶质溶质)/kg()/kg(吸附吸附剂剂)；K K吸附平衡常数，吸附平衡常数，m m3 3（溶（溶液）液）/kg/kg（吸附剂）；（吸附剂）；c c平衡时气体或液体中吸平衡时气体或液体中吸附质浓度，附质浓度，kgkg（溶质）（溶质）/m/m3 3（气（气体或液体）。体或液体）。n吸附剂上有多个活性位点；吸附剂上有多个活性位点；n每个活性具有相同的能量；每个活性具有相同的能量；n并只能吸附一个分子的溶质；并只能吸附一个分子的溶质；n吸附的分子间无相互作用；吸附的分子间无相互作用；兰格缪尔单分子吸附理论兰格缪尔单分子吸附理论 4、吸

12、附质的解析 吸附剂吸附了吸附质后，其吸附能力下降，当吸附达到饱和后，吸附剂就失去了吸附能力。为了使吸附剂恢复吸附能力，同时也为了更好地回收吸附质，需进行解吸操作。解析方式如下：（1）变温解吸分离 吸附剂在常温或低温下吸附物质后，可通过提高温度使被吸附的物质从吸附剂上解吸下来，吸附剂本身被再生，然后降温（用低温气体吹扫吸附剂层）进行新一轮的吸附操作。（2）变压解吸分离 在较高的压力下完成吸附操作，在较低压力下进行解吸。（3）洗脱分离 对于热敏性吸附质，常采用混合溶剂对吸附剂进行洗涤，使吸附质从吸附剂上解吸下来，称为洗脱。二、二、常用的吸附剂常用的吸附剂n吸附剂应具备的特征吸附剂应具备的特征n吸附

13、剂分类：吸附剂分类：n评价吸附性能的参数评价吸附性能的参数 比表面积、孔径比表面积、孔径常用的吸附剂常用的吸附剂 1 1、活性炭活性炭活性炭种类活性炭种类颗粒大小颗粒大小表面积表面积吸附力吸附力吸附量吸附量洗脱洗脱粉末活性炭粉末活性炭小小大大大大大大难难颗粒活性炭颗粒活性炭较小较小较大较大较小较小较小较小难难锦纶活性炭锦纶活性炭大大小小小小小小易易 活性炭对物质的吸附规律活性炭对物质的吸附规律 活性炭对物质进行吸附一般遵守下列规律活性炭对物质进行吸附一般遵守下列规律：n活性炭是非极性吸附剂，因此在水溶液中吸附力最强，活性炭是非极性吸附剂，因此在水溶液中吸附力最强，在有机溶剂中吸附力较弱；在有机

14、溶剂中吸附力较弱；n对极性基团（对极性基团（COOH，NH2，OH等）多的化合等）多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物，如活性炭对酸性物的吸附力大于极性基团少的化合物，如活性炭对酸性氨基酸和碱性氨基酸的吸附力大于中性氨基酸；氨基酸和碱性氨基酸的吸附力大于中性氨基酸；n对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物；对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物；n对相对分子质量大的化合物的吸附力大于相对分子质量对相对分子质量大的化合物的吸附力大于相对分子质量小的化合物，如对多糖的吸附力大于单糖；小的化合物，如对多糖的吸附力大于单糖；n活性炭吸附溶质的量在未达到平衡前一般随温度提高而活性炭吸附溶质的量在未达

15、到平衡前一般随温度提高而增加，但要考虑被吸附物的热稳定性；增加，但要考虑被吸附物的热稳定性；n发酵液的发酵液的pH与活性炭的吸附率有关，一般碱性抗生素与活性炭的吸附率有关，一般碱性抗生素在中性情况下吸附，酸性条件下解析；酸性抗生素在中在中性情况下吸附，酸性条件下解析；酸性抗生素在中性条件下吸附，碱性条件下解析。性条件下吸附，碱性条件下解析。活性炭纤维与颗粒状活性炭相比，有如下特活性炭纤维与颗粒状活性炭相比，有如下特点：点：孔细，而且细孔径分布范围比较窄；孔细，而且细孔径分布范围比较窄；外表面积大；外表面积大；吸附与解吸速度快；吸附与解吸速度快；工作吸附容量较大；工作吸附容量较大；重量轻对流体通

16、过的阻力小；重量轻对流体通过的阻力小；成型性能好，可加工成各种形态，如毛毡状成型性能好，可加工成各种形态，如毛毡状、纸片状、布料状和蜂巢状等。、纸片状、布料状和蜂巢状等。2 2活性炭纤维活性炭纤维 以球形大孔吸附树脂为原料，经炭化，高以球形大孔吸附树脂为原料，经炭化，高温裂解及活化而制得。研究表明，炭化树脂对温裂解及活化而制得。研究表明，炭化树脂对气体物质有良好的吸附作用和选择性。气体物质有良好的吸附作用和选择性。3 3球形炭化树脂球形炭化树脂4 4、大孔网状聚合物吸附剂、大孔网状聚合物吸附剂 大孔网状聚合物吸附剂是一种大孔网状聚合物吸附剂是一种不含交换基团不含交换基团的的,具有具有大大孔结构

17、的高分子孔结构的高分子吸附剂。吸附剂。吸附机理：吸附机理：非离子型共聚物非离子型共聚物，范德华力范德华力，通常遵循以下，通常遵循以下规律：规律：n非极性吸附树脂非极性吸附树脂n中等极性吸附树脂中等极性吸附树脂n极性吸附剂极性吸附剂大孔网状聚合物的应用大孔网状聚合物的应用氨基糖甙样品脱盐：氨基糖甙样品脱盐：将碱性水溶液的氨基糖甙，通过大将碱性水溶液的氨基糖甙，通过大孔吸附树脂，氨基糖甙能形成集中的吸附带，而盐溶液则快孔吸附树脂，氨基糖甙能形成集中的吸附带，而盐溶液则快速通过树脂柱，去盐后可用速通过树脂柱，去盐后可用(10-20)%(10-20)%的含水醇或丙酮洗脱的含水醇或丙酮洗脱吸附物。吸附物

18、。冬虫夏草有效成分的吸附分离冬虫夏草有效成分的吸附分离：H-103H-103吸附树脂吸附吸附树脂吸附核苷类化合物和芳香性氨基酸而与糖类和非芳香性氨基酸分核苷类化合物和芳香性氨基酸而与糖类和非芳香性氨基酸分离离5、无机类吸附剂 硅胶 1）组成结构：SiO2.nH2O，多孔网状结构 O O SiOSiOH O O 2）吸附性质：极性吸附剂 吸附活性与含水量有关 在非极性介质中，对极性物质具有较强的吸附氧化铝氧化铝1 1）组成结构：）组成结构：AlAl2 2O O3 3.nHnH2 2O O，多孔网状结构，多孔网状结构2 2）种类：碱性、中性、酸性氧化铝）种类：碱性、中性、酸性氧化铝3 3）吸附性质

19、：极性吸附剂；吸附活性与含水量有关）吸附性质：极性吸附剂；吸附活性与含水量有关 非极性介质中，对极性物质具有较强的吸附非极性介质中，对极性物质具有较强的吸附磷酸钙凝胶磷酸钙凝胶1 1）组成结构：）组成结构：CaCa3 3（POPO4 4）2 2 ，多孔网状结构凝胶，多孔网状结构凝胶2 2）种类：磷酸钙）种类：磷酸钙 Ca Ca3 3（POPO4 4）2 2 ；磷酸氢钙；磷酸氢钙 CaHPOCaHPO4 4.2H2H2 2O O；羟基磷酸钙羟基磷酸钙CaCa5 5（POPO4 4）3 3.OH OH 3 3）吸附性质：）吸附性质：Ca2+Ca2+与蛋白质负电荷基团的静电吸附作用与蛋白质负电荷基团

20、的静电吸附作用三、吸附工艺及操作三、吸附工艺及操作 分批吸附操作连续搅拌釜吸附操作固定床吸附操作膨胀床吸附操作流化床吸附操作模拟/移动床吸附操作1 1、分批（间歇）式吸附、分批（间歇）式吸附n酶的分离纯化中，一般应用分批式吸附。酶的分离纯化中，一般应用分批式吸附。n方法：将浆状吸附剂添加到溶液中方法：将浆状吸附剂添加到溶液中n吸附常在吸附常在pH5pH5或或6 6的弱酸性溶液和低的电解质浓度下的弱酸性溶液和低的电解质浓度下进行，盐存干扰吸附。因此预先透析。进行，盐存干扰吸附。因此预先透析。n实验室利用烧杯混合、布式漏斗真空抽滤的方法来实验室利用烧杯混合、布式漏斗真空抽滤的方法来实现实现n常用的

21、典型吸附剂有磷酸钙凝胶离子交换剂、亲和常用的典型吸附剂有磷酸钙凝胶离子交换剂、亲和吸附剂、疏水吸附剂等。吸附剂、疏水吸附剂等。适于大规模分离适于大规模分离 恒定浓度恒定浓度的料液的料液 罐内有罐内有纯溶剂纯溶剂及一定量的及一定量的新鲜吸附剂新鲜吸附剂 吸附剂吸附相应溶质，吸附剂吸附相应溶质，溶质的浓度随时间而变化溶质的浓度随时间而变化 溶液不断地流出反应罐，其浓度也随时间而变化，由于罐溶液不断地流出反应罐，其浓度也随时间而变化，由于罐内搅拌均匀，因此整个过程处于内搅拌均匀，因此整个过程处于稳态条件稳态条件。当吸附速度等于零时，离开罐时溶质浓度随时间而变化；当吸附速度等于零时，离开罐时溶质浓度随

22、时间而变化；如果吸附速度无限的快，出口液中溶质的浓度将迅速达到如果吸附速度无限的快，出口液中溶质的浓度将迅速达到一个很低的值，然后缓慢增加，当吸附剂都为溶质饱和时，出口一个很低的值，然后缓慢增加，当吸附剂都为溶质饱和时，出口中的溶质的浓度又与不发生吸附时相同的规律上升；中的溶质的浓度又与不发生吸附时相同的规律上升；在大多数情况下，吸附过程介于两者之间，吸附速度为一有在大多数情况下，吸附过程介于两者之间，吸附速度为一有限值限值2 2、连续搅拌釜吸附操作、连续搅拌釜吸附操作连续搅拌釜吸附操作连续搅拌釜吸附操作1)单釜吸附单釜吸附2)多级吸附多级吸附3)多级逆流吸附多级逆流吸附 固定床吸附：固定床吸

23、附：是将吸附剂固定在一定的容器中，含是将吸附剂固定在一定的容器中，含目标产物的液体从容器的一端进入，经容器上部液体分目标产物的液体从容器的一端进入，经容器上部液体分布器分布，流经吸附剂后，从管子的另一端流出。布器分布，流经吸附剂后，从管子的另一端流出。操作开始时，绝大部分溶质被吸附，故流出液中溶操作开始时，绝大部分溶质被吸附，故流出液中溶质的浓度较低，随着吸附过程的继续进行，流出液中溶质的浓度较低，随着吸附过程的继续进行，流出液中溶质的浓度逐渐升高，开始缓慢，后来加速，在某一时刻质的浓度逐渐升高，开始缓慢，后来加速，在某一时刻浓度突然急剧增大，此时称为吸附过程的浓度突然急剧增大，此时称为吸附过

24、程的“穿透穿透”，应，应立即停止操作。吸附质需先用不同立即停止操作。吸附质需先用不同pH的水或不同的溶的水或不同的溶剂洗涤床层，然后洗脱下来。剂洗涤床层，然后洗脱下来。3 3、固定床吸附操作、固定床吸附操作4 4、膨胀床吸附操作、膨胀床吸附操作n膨胀床吸附也称扩张床吸附，是将吸附剂固定在一定容器中，含目标产物的液体从容器底端进入，经容器下端速率分布器分布，流经吸附剂层，从容器顶端流出。整个吸附剂层吸附剂颗粒在通入液体后彼此不在相互接触（但不流化），而按自身的物理性质相对地处在床层中的一定层次上实现稳定分级，流体保持以平推流的形式流过床层。膨胀床吸附操作过程膨胀床吸附操作过程n膨胀床吸附首先要使

25、床层稳定地张开，然后经过进料、洗涤、洗脱、再生与清洗，最终转入下一个循环。图图5-2 膨胀床吸附的操作过程膨胀床吸附的操作过程 膨胀床吸附操作优缺点 流化床综合固定床和流化床优点，流化床综合固定床和流化床优点，使吸附颗粒按自身的物理性质相对使吸附颗粒按自身的物理性质相对稳定地处在床层中的一定层次上实稳定地处在床层中的一定层次上实现稳定分级，而流体保持以平推流现稳定分级，而流体保持以平推流的形式流过床层，同时吸附颗粒间的形式流过床层，同时吸附颗粒间有较大的空隙，使料液中的固体颗有较大的空隙，使料液中的固体颗粒能顺利通过床层。粒能顺利通过床层。n膨胀床中吸附剂粒子的混合程度低，膨胀床中吸附剂粒子的

26、混合程度低，吸附效率高吸附效率高 n膨胀床中液体流动接近平推流，膨胀床中液体流动接近平推流，吸吸附效率高附效率高5 5、流化床吸附操作、流化床吸附操作n吸附操作是料液从床底以较高的流速循环输入已装有吸附剂的床层，使固相吸附剂产生流化，同时料液中的溶质在固相上发生吸附作用，经吸附后的料液由吸附塔顶部排出，返回循环槽，经泵循环返回流化床，以提高吸附效率。当吸附剂饱和后，对吸附剂进行解吸、再生、洗涤，然后转入下一批次操作。n连续操作中吸附粒子从床上方输入，从床底排出，进入脱附单元顶部。在脱附单元，用加热吸附剂或其它方法使吸附质解吸，然后进行再生（如果解吸后即获得再生可省去再生操作），再生后的吸附剂返

27、回到吸附单元顶部继续进行吸附操作。料液由床底进入，经吸附后由吸附塔顶部排出，料液在出口仅少量排出，大部分通过循环泵循环返回流化床，以提高吸附效率。同时补加一定量新的料液，以维持流化床的流化速度。流化床吸附操作优缺点流化床吸附操作优缺点 固定床固定床优点优点：流体在介质层中基：流体在介质层中基本上呈平推流，返混小，柱效率本上呈平推流，返混小，柱效率高。高。缺点缺点：无法处理含颗粒的料：无法处理含颗粒的料液，因会堵塞床层，造成压力降液，因会堵塞床层，造成压力降增大而最终使操作无法进行。增大而最终使操作无法进行。流化床流化床优点优点：压降小，可处理高压降小，可处理高黏度或固体颗粒的粗料液；不需黏度或

28、固体颗粒的粗料液；不需要特殊吸附剂，设备操作简单。要特殊吸附剂，设备操作简单。缺点缺点：存在严重的返混，特别是：存在严重的返混，特别是高径比很小的流化床，使床层理高径比很小的流化床，使床层理论塔板数降低，吸附剂的利用率论塔板数降低，吸附剂的利用率低低。6 6、模拟、模拟/移动床吸附操作移动床吸附操作1）移动床）移动床 吸附操作中固相连续输入和排出吸吸附操作中固相连续输入和排出吸附塔，与料液形成逆流接触流动，附塔，与料液形成逆流接触流动，从而实现连续稳态的吸附操作。这从而实现连续稳态的吸附操作。这种操作方法称移动床操作。种操作方法称移动床操作。存在问题：吸附剂的磨损存在问题：吸附剂的磨损;固相出

29、口固相出口的堵塞的堵塞(为此，必须采用床层震动为此，必须采用床层震动或用球形旋转阀等特殊装置或用球形旋转阀等特殊装置)2）模拟移动床）模拟移动床 如果在固定床的基础上，对床层流如果在固定床的基础上，对床层流动相的入、出口位置依据时间的推动相的入、出口位置依据时间的推移，不断的切换位置，产生移动床移，不断的切换位置，产生移动床的分离效果，则称该操作为模拟移的分离效果，则称该操作为模拟移动床。动床。四、吸附工艺问题及处理四、吸附工艺问题及处理 n吸附剂的吸附能力下降吸附剂的吸附能力下降 新树脂在使用前处理不好 料液预处理不好 吸附剂再生效果不好 吸附剂劣化 操作不合理，使吸附剂受到破坏 n固定床操

30、作中，过早出现固定床操作中，过早出现“穿透穿透”现象现象床层装填不合理，颗粒不均匀等，导致出现偏流现象，需重新对吸附剂床层进行装填。操作过程不规范（如流速或压力突然变化），使床层均匀程度受到破坏，重新装填吸附剂后，严格按操作规程进行操作。系统密闭性差，或操作不合理床层内出现气泡或分层现象。进行密闭性检查，消除漏气，消除气泡及分层后，再进行正常工艺操作。料液浓度过高，操作流速过大等。对待处理料液进行适当稀释，合理确定操作流速。n吸附剂在使用中受潮引起性能下降吸附剂在使用中受潮引起性能下降 吸附剂在使用中受潮如果不是很严重，可以用干燥的气体进行吹除或用抽真空方式抽吸，降低水的分压，使吸附剂恢复部分

31、活性，维持生产使用，但吸附性能难以恢复如初。如果受潮严重只有按照吸附剂活化处理办法重新活化。五、吸附应用五、吸附应用膨胀床吸附纯化膨胀床吸附纯化：酵母细胞匀浆液条件：柱I.D.=10 mm,柱高=200 mm,表面流速=66-200 cm/h。食品业：模拟移动床分离葡萄糖和果糖食品业：模拟移动床分离葡萄糖和果糖 污染物治理污染物治理废水、空气、医药：尿激酶的制备医药：尿激酶的制备第二节第二节 离子交换的基本原理离子交换的基本原理 离子交换技术：离子交换技术：是根据某些溶质能解离是根据某些溶质能解离为为阳离子或阴离子阳离子或阴离子的特性，利用离子交换剂与的特性，利用离子交换剂与不同离子不同离子结

32、合力强弱结合力强弱的差异，将溶质暂时的差异，将溶质暂时交换交换到离子交换剂上，然后用合适的到离子交换剂上，然后用合适的洗脱或再生剂洗脱或再生剂将溶质离子交换下来，使溶质从原溶液中得到将溶质离子交换下来，使溶质从原溶液中得到分离、浓缩或提纯的操作技术。分离、浓缩或提纯的操作技术。利用离子交换技术进行分离的关键利用离子交换技术进行分离的关键是离子是离子交换剂。交换剂。最早用于制备软水和无盐水，药品生产用水最早用于制备软水和无盐水，药品生产用水多采用此法多采用此法 蛋白质、核酸等物质的分离和提取蛋白质、核酸等物质的分离和提取 在抗生素的提取分离中在抗生素的提取分离中 应应 用用离子交换体系：离子交换

33、体系：离子交换树脂离子交换树脂被分离的离子被分离的离子洗脱液洗脱液离子交换树脂：离子交换树脂：是一种具有多孔网状立体结构是一种具有多孔网状立体结构的多元酸或多元碱，能与溶液中其它物质进行交换或的多元酸或多元碱，能与溶液中其它物质进行交换或吸附的聚合物。吸附的聚合物。一、一、离子交换体系离子交换体系离子交换过程：离子交换剂中的活性离子（反离子）与溶液离子交换过程：离子交换剂中的活性离子（反离子）与溶液中的溶质离子进行交换反应的过程。中的溶质离子进行交换反应的过程。离子交换：RA+B+=RB+A+洗脱：RB+C+=RC+B+再生：RC+A+=RA+C+二、离子交换平衡二、离子交换平衡三、离子交换的

34、选择性三、离子交换的选择性 四、离子交换过程四、离子交换过程和离子交换速率和离子交换速率因此离子交换过程实际上只有三个步骤：因此离子交换过程实际上只有三个步骤：外部扩散外部扩散内部扩散内部扩散离子交换反应离子交换反应 多步过程总速度取决于多步过程总速度取决于最慢的一步反应最慢的一步反应。在生物产品中，分子通常较大，在树脂内部的扩散在生物产品中，分子通常较大，在树脂内部的扩散速度相对较慢，其离子交换速度常由速度相对较慢，其离子交换速度常由内部扩散速度内部扩散速度所控制。所控制。n颗粒大小：愈小越快颗粒大小：愈小越快n交联度：交联度小，交换速度快交联度：交联度小，交换速度快n温度：越高越快温度：越

35、高越快n离子化合价：化合价与高，交换越慢离子化合价：化合价与高，交换越慢n离子大小：越小越快离子大小：越小越快n搅拌速度：在一定程度上，越大越快搅拌速度：在一定程度上，越大越快n溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，浓度越大，交换溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，浓度越大，交换速度越快速度越快n被分离组分料液的性质：被分离组分料液的性质：溶液粘度越大，交换速度越小溶液粘度越大，交换速度越小n树脂被污染的情况：不可逆吸附、不溶性的物质堵塞，离树脂被污染的情况：不可逆吸附、不溶性的物质堵塞，离子交换容量下降，交换速度会下降；子交换容量下降，交换速度会下降；n水合离子半径：半径越小，亲和力越大；水合

36、离子半径：半径越小，亲和力越大；n离子化合价：高价离子易于被吸附；离子化合价：高价离子易于被吸附；n溶液溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；换容量；n离子强度：越低越好；离子强度：越低越好；n有机溶剂：不利于吸附；有机溶剂：不利于吸附；n交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少；增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少；n有机溶剂：使树脂对有机离子的选择性吸附降低，而容易吸有机溶剂：使树脂对有机离子的选择性吸附降低，而容易吸附无

37、机离子。附无机离子。n树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；力等辅助力；定义定义：一种不溶于水及一般酸、碱和有机溶一种不溶于水及一般酸、碱和有机溶 剂的剂的有机高分子化合物有机高分子化合物；化学稳定性；化学稳定性 良好，且具有离子交换能力，其活性良好，且具有离子交换能力，其活性 基团一般是多元酸或多元碱。基团一般是多元酸或多元碱。第三节第三节 离子交换树脂离子交换树脂离子交换树脂的构成离子交换树脂的构成n惰性不溶的、具有三维多孔网状立体结构惰性不溶的、具有三维多孔网状立体结构的的网络骨架网络骨架n联接在骨架上的联接在

38、骨架上的活性基团活性基团n活性基团所带的相反电荷的活性基团所带的相反电荷的活性离子活性离子（可（可交换离子）交换离子）树脂的网络骨架树脂的网络骨架基本常识基本常识u 离子交换树脂不溶于水和一般溶剂。离子交换树脂不溶于水和一般溶剂。u 大多数制成颗粒状，也有一些制成纤维状大多数制成颗粒状，也有一些制成纤维状 或粉状。或粉状。u 树脂颗粒的尺寸一般在树脂颗粒的尺寸一般在0.30.31.2mm 1.2mm 范围范围 内，大部分在内，大部分在0.40.40.6mm0.6mm之间。之间。u 有较高的机械强度有较高的机械强度(坚牢性坚牢性)，化学性质，化学性质 很稳定，正常情况下有较长的使用寿命。很稳定，

39、正常情况下有较长的使用寿命。一、分一、分 类类 树脂中化学活性基团的种类树脂中化学活性基团的种类决定决定了树脂的主要性质和类别。了树脂的主要性质和类别。n按活性基团的性质不同按活性基团的性质不同分为分为阳离子阳离子树脂和树脂和阴离子阴离子树脂两类。树脂两类。阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类，阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类，阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类 (或再分出中强酸和中强碱性类或再分出中强酸和中强碱性类)。n按树脂骨架的主要成分不同分为按树脂骨架的主要成分不同分为苯乙烯系苯乙烯系树脂和树脂和丙烯酸系丙烯酸系树树脂，另有脂，另有多乙烯多胺多乙烯多胺

40、-环氧氯丙烷型环氧氯丙烷型树脂，树脂，酚酚-醛型醛型树脂。树脂。n根据树脂物理结构分为根据树脂物理结构分为凝胶型、大孔型、均孔型。凝胶型、大孔型、均孔型。n根据制备树脂的聚合反应类型不同分为根据制备树脂的聚合反应类型不同分为共聚型共聚型树脂和树脂和缩聚型缩聚型树脂树脂。二、命名二、命名l 我国化工部规定我国化工部规定(HG2-884-76)(HG2-884-76)，离子交换树脂，离子交换树脂 的型号由三位阿拉伯数字组成。的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品的分类：第一位数字代表产品的分类：0 0 代表强酸性代表强酸性 1 1代表弱酸性代表弱酸性 2 2代表强碱性代表强碱性 3 3代表

41、弱碱性代表弱碱性 4 4代表螯性代表螯性 5 5代表两性代表两性 6 6代表氧化还原代表氧化还原图图5-10 离子交换树脂型号表示示意图离子交换树脂型号表示示意图 第二位数字代表不同的骨架结构：第二位数字代表不同的骨架结构：0 0代表苯乙烯系代表苯乙烯系 1 1代表丙烯酸系代表丙烯酸系 2 2代表酚醛系代表酚醛系 3 3代表环氧系等代表环氧系等 第三位数字为顺序号，用以区别基体、交第三位数字为顺序号，用以区别基体、交联基等的差异。联基等的差异。“”表示连接符；表示连接符；“”之后的数字之后的数字*表示交联度，交联度是表示交联度，交联度是聚合载体骨架时交联剂用量的质量百分比聚合载体骨架时交联剂用

42、量的质量百分比 大孔型树脂在数字前加字母大孔型树脂在数字前加字母D D。例例：D001D001是大孔强酸性苯乙烯系树脂是大孔强酸性苯乙烯系树脂 ()外观、尺寸外观、尺寸 ()树脂的密度树脂的密度 ()树脂的溶解性树脂的溶解性 ()含水率含水率 (5)(5)膨胀度、膨胀度、(6)(6)稳定性稳定性(7)(7)机械强度机械强度(8)(8)交联度交联度(9)(9)孔度、孔径、比表面积孔度、孔径、比表面积(10)(10)交换容量交换容量 三、离子交换树脂的理化性质三、离子交换树脂的理化性质总交换容量：总交换容量：表示每单位数量表示每单位数量(重量或体积重量或体积)树脂能进行离子交树脂能进行离子交换反应

43、的化学基团的总量。换反应的化学基团的总量。工作交换容量工作交换容量：表示树脂在某一定条件下的离子交换能力，它：表示树脂在某一定条件下的离子交换能力，它与树脂种类和总交换容量，以及具体工作条件如溶液的组成、与树脂种类和总交换容量，以及具体工作条件如溶液的组成、流速、温度等因素有关。流速、温度等因素有关。再生交换容量再生交换容量：表示在一定的再生剂量条件下所取得的再生树：表示在一定的再生剂量条件下所取得的再生树脂的交换容量脂的交换容量,表明树脂中原有化学基团再生复原的程度。表明树脂中原有化学基团再生复原的程度。交换容量交换容量三种表示方式三种表示方式)强酸性阳离子树脂强酸性阳离子树脂 l 含有大量

44、的强酸性基团含有大量的强酸性基团l解离能力强，不受溶液解离能力强，不受溶液pHpH变化变化的影响的影响p 树脂在使用一段树脂在使用一段时间后，要进行再生时间后，要进行再生处理，处理，再生成氢型比再生成氢型比较困难，故耗酸量较较困难，故耗酸量较大，一般为该树脂交大，一般为该树脂交换容量的换容量的3-53-5倍。倍。p这类树脂主要用于这类树脂主要用于软水和无盐水的制备，软水和无盐水的制备，p用强酸进行再生处用强酸进行再生处理理四、离子交换树脂的功能特性四、离子交换树脂的功能特性l 含弱酸性基团含弱酸性基团p 这种树脂的酸性即离这种树脂的酸性即离解性较弱，在低解性较弱，在低pHpH下难以下难以离解和

45、进行离子交换，只离解和进行离子交换，只能在能在碱性、中性或微酸性碱性、中性或微酸性溶液中溶液中(如如pH5pH514)14)起作起作用。这类树脂亦是用酸进用。这类树脂亦是用酸进行再生行再生(比强酸性树脂较比强酸性树脂较易再生易再生)。2)2)弱酸性阳离子树脂弱酸性阳离子树脂 l 含有强碱性基团含有强碱性基团l这种树脂的正电基团能这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换合，从而产生阴离子交换作用。作用。p 这种树脂的离解性这种树脂的离解性很强很强,在不同在不同pHpH下都能下都能正常工作。正常工作。p它用强碱它用强碱(如如NaOH)NaOH)进进行再

46、生，耗碱量大。行再生，耗碱量大。p这类树脂的氯型较羟这类树脂的氯型较羟型更稳定，耐热性更好，型更稳定，耐热性更好，故商品大多数是氯型。故商品大多数是氯型。3)3)强碱性阴离子树脂强碱性阴离子树脂 l 含有弱碱性基团含有弱碱性基团l 这种树脂的正电基团能这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换合，从而产生阴离子交换作用。作用。p 这种树脂在多这种树脂在多数情况下是将溶数情况下是将溶液中的整个其他液中的整个其他酸分子吸附。酸分子吸附。p 它只能在中性它只能在中性或酸性条件或酸性条件(如如pH1-9)pH1-9)下工作。下工作。它可用它可用NaNa2 2

47、COCO3 3、NHNH4 4OHOH进行再生。进行再生。4)4)弱碱性阴离子树脂弱碱性阴离子树脂（1 1）被分离物质的性质和分离要求）被分离物质的性质和分离要求（2 2）树脂可交换离子的型式）树脂可交换离子的型式 （3 3）合适的交联度）合适的交联度 （4 4）洗脱难易程度和使用寿命）洗脱难易程度和使用寿命 五、离子交换树脂的选择五、离子交换树脂的选择第四节第四节 离子交换工艺离子交换工艺p常用的常用的阳离子阳离子交换树脂有交换树脂有氢型、钠型、铵型氢型、钠型、铵型等；等；常用的常用的阴离子阴离子交换树脂有交换树脂有羟型、氯型羟型、氯型等。等。p 如：常将如：常将强酸性阳离子树脂强酸性阳离子

48、树脂与与NaClNaCl作用，转变作用，转变为为钠型钠型树脂树脂再使用。再使用。p 如如：阴离子树脂可转变为氯型阴离子树脂可转变为氯型再使用，工作再使用，工作时放出时放出ClCl离子而吸附交换其他阴离子，它的再生离子而吸附交换其他阴离子，它的再生只需用食盐水溶液。只需用食盐水溶液。p 氯型树脂也可转变为碳酸氢型氯型树脂也可转变为碳酸氢型(HCO(HCO3 3)运行。运行。p 强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型后，就不再具有强酸性及强碱性，但它们仍然型后，就不再具有强酸性及强碱性，但它们仍然有这些树脂的其他有这些树脂的其他 典型性能，如离解性强和工典型

49、性能，如离解性强和工作的作的pHpH范围宽广等。范围宽广等。离子树脂的转型离子树脂的转型 一般，对一般，对弱酸性弱酸性和和弱碱性弱碱性树脂，为使树脂能离子树脂，为使树脂能离子化，应采用化，应采用钠型或氯型钠型或氯型。而对而对强酸性强酸性和和强碱性强碱性树脂，可以采用树脂，可以采用任何型式任何型式。但若抗生素在酸性、碱性条件下易破坏，则不宜但若抗生素在酸性、碱性条件下易破坏，则不宜采用氢型和羟型树脂。采用氢型和羟型树脂。图图5-12 各种固定床方式示意图各种固定床方式示意图三、离子交换工艺问题及处理离子交换工艺问题及处理n树脂中毒树脂中毒 中毒的原因：主要有大分子有机物或沉淀物严重堵塞孔隙，中毒

50、树脂往往颜色加深，甚至呈现棕色，乃至黑色；树脂的活性基团脱落；生成不可逆化合物或树脂与氧长期接触发生氧化等；负载离子的交换势极高，通常的洗脱剂或再生剂难以使其从活性基团上交换下来，使其不能与其它离子交换而失效；负载离子发生了变化。如交换了Fe3+的树脂，当用碱性溶液处理时，Fe3+发生水解，产生氢氧化铁凝胶，沉积于树脂孔隙中，造成堵塞。对于中毒树脂的处理：一方面应该尽量净化料液；用常规方法处理后，再用酸、碱加热到4050浸泡；有机溶剂加热浸泡处理；对于吸附了有机物很难洗脱或再生时，可以用氧化剂（如次氯酸钠、双氧水等）将其氧化。三、离子交换工艺问题及处理离子交换工艺问题及处理n2.2.树脂层出现