第二部分第三章離子交换、吸附设备.ppt

离子交换、吸附设备 李尊华 第一节 离子交换过程原理与设备 什么是离子交换法? 离子交换法是应用合成的离子交换剂作为吸附剂，将溶液中的物质，依靠库仑力吸附在交换剂上，然后用合适的洗脱剂将吸附物质从交换剂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。 离子交换原理 生物工业中最常用的交换剂: 离子交换树脂 离子交换树脂是能在水溶液中交换离子的固体，其分子可以分成三个部分： －部分是交联的具有三维空间立体结构的网络骨架，通常不溶于酸、碱和有机溶媒，化学稳定性良好； 一部分是联结在骨架上的功能基（活性基）； 一部分是活性基所带的相反电荷的离子，称为可交换离子。 离子交换的一般流程如下： （1）原料液的预处理，使得流动相易于被吸附剂吸附； （2）原料液和离子交换树脂的充分接触，使吸附进行； （3）淋洗离子交换树脂，以去除杂质； （4）把离子交换树脂上的有用物质解吸并洗脱下来； （5）离子交换树脂的再生。 一、离子交换过程原理 （一）离子交换树脂的分类 离子交换树脂按活性基团的性质不同可分为阳离子交换剂（cation exchanger）和阴离子交换剂（anion exchanger）。 阳离子交换剂 阳离子交换剂 阳离子交换剂对阳离子具有交换能力，活性基团为酸性；阴离子交换剂对阴离子具有交换能力，活性基团为碱性。 阴阳离子交换剂又根据其活性基团的电离程度强弱不同，分为强酸性阳离子交换剂和弱酸性阳离子交换剂、强碱性阴离子交换剂和弱碱性阴离子交换剂。强离子交换剂的离子化率基本不受pH的影响，离子交换作用的pH范围广，而弱离子交换剂的离子化率受pH的影响大，离子交换作用的pH范围小。 （二）离子交换树脂的性能评价 离子交换树脂一般不溶于水、一般的酸碱溶液和有机溶剂，是一种具有良好化学稳定性的高分子聚合物。同时，离子交换树脂必须具备一定的理化性能。 1．外观 大多数商品树脂多制成球形，其直径为0.2~1.2mm。球形的优点是增大比表面积、提高机械强度和减少流体阻力。普通凝胶型树脂是透明的球珠，大孔树脂呈不透明的雾状球珠。随合成原料、工艺条件不同，树脂的颜色也有所不同，一般有黄、白、黄褐、红棕等几种颜色。 2．膨胀度 各种离子的交换树脂，都含有极性很强的交换基团，因此亲水性极强，但由于交联后具有立体型的网状结构，因而不溶于水，具有亲水凝胶的性质，吸水就膨胀，脱水就收缩。膨胀是可逆地进行的，其程度随树脂的交联度、相反离子的种类和浓度、外部溶液的浓度而变化，一般的商品树脂，每克干树脂可吸附0.5~1.0克水分，交联度较低的树脂，每克吸附1.0~3.0克水分。交联度大的树脂，膨胀度小，因而由于实验条件的变化而引起的膨胀度的差异就小。但交联度小的树脂，会显著膨胀或收缩，往往造成操作上的种种困难。 3．交联度 树脂的性质随着作为交联剂的DVB（二乙烯苯 ）的含量不同而有所差异。合成树脂时，单体中DVB 的含量百分数称为交联度，在商品树脂中，通常是8%~12%。但合成时，通过改变它和苯乙烯的混合比，可制出不同含量的产品。一般说来，交联度越大，树脂越坚固，在水中不易溶胀。而交联度减少，树脂变得柔软，容易溶胀。 树脂工艺 树脂工艺 树脂工艺 4．交换容量 交换容量是单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离子交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数，是表征树脂交换能力的主要参数。 其表示方法有重量交换容量和体积交换容量两种，后一种较直观的反映生产设备的能力。 （三）离子交换树脂和操作条件的选择 1、选择合适的树脂是应用离子交换法的关键。 选用树脂的主要依据是被分离物的性质和分离目的。树脂的选用，最重要的一条是根据分离要求和分离环境，保证分离目的物与主要杂质对树脂的吸附力有足够的差异。 一般来说，对强碱性产物宜选用弱酸性树脂，用强酸性树脂固然也能吸附，但解吸较困难。对弱碱性产物宜选用强酸性树脂，若选用弱酸性树脂则因弱酸、弱碱所成的盐易水解故不易吸附。弱酸性产物宜用强碱性树脂；强酸性产物宜用弱碱性树脂。 必须指出，用离子交换树脂吸附酶等蛋白质是有困难的，因为酶在吸附、解吸过程中会失活。将树脂骨架由憎水性改为亲水性，如经过加工的纤维素所制得的离子交换剂，现已被用于提取酶。俄罗斯开发了一种以三嗪为骨架的羧基树脂，可用来提取胞外酶。 2、应注意选择合适的操作条件，最重要的操作条件是交换时溶液的pH值。 合适的pH值须满足三个条件： （1）pH值应在产物的稳定范围内； （２）使产物能离子化； （３）使树脂能解离。 二、离子交换设备 目前已出现的离子交换设备： 按结构型式分为罐式、塔式、槽式等。 按操作方式分为间歇式、周期式与连续式； 根据两相接触方式的不同