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生物工程学课件Ch1028.ppt

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第十章 离子交换分离原理与设备 讲授内容: 第一节 离子交换树脂 第二节 离子交换分离原理 第三节 离子交换设备 第四节 离子交换设备计算 目的与要求:了解常用的离子交换树脂,掌握离子交换的原理、设备及设备计算方法。 重点与难点:离子交换设备及计算 思考题 1、解释概念:树脂的含水量、交换罐负荷 交联度 空塔流速 2、动态交换设备的分类? 3、交换设备放大的原则 ? 4、按设备的结构离子交换设备的种类? 5、计算题:用弱酸型树脂吸附某发酵液,q1=2m3/h,树脂床高H1=1.2m,D1=1m。树脂的最大粒径dm=0.8mm,最小粒径dx=0.4mm,平均粒径dp=0.5mm,静止时的空隙率0.3,湿树脂密度ρs=1140kg/m3,溶液密度ρ=1000kg/m3 ,黏度μ=0.002Pa.s。若将流量放大2倍,m=2,计算放大后的交换罐中树脂床的高度及直径,正吸附时发酵液通过树脂床的压力降(按交换负荷相等的原则放大) 第一节 离子交换树脂 离子交换方法:以离子交换树脂作为吸附剂,吸附溶液中需要分离的离子,进行等当量交换。 特点:树脂无毒性、可反复再生使用,成本低,但操作周期长,pH变化范围大,有时会影响产品质量。  一、离子交换树脂结构: 多孔网状结构高分子化合物组成,不溶于水、酸、碱、有机溶剂。 由两部分组成: 1.立体结构的网络骨架 2.可移动的活性离子 二、分类:有四种分类方法 骨架结构主要成分:聚苯乙烯型、聚苯烯酸型、酚醛树脂。 合成的聚合反应:共聚型、缩聚型树脂。 骨架的物理结构:凝胶型树脂(微孔)、大网络结构树脂(大孔)、均孔树脂。 活性离子: 阳离子交换树脂(强酸性、弱酸性) 阴离子交换树脂(强碱性、弱碱性) 强酸性阳离子交换树脂: 活性基团是-SO3H和 -CH2SO3H,强酸性,在pH1~14范围交换,交换反应: 弱酸性阳离子交换树脂: 以羧基-COOH、酚羟基-OH 等弱酸性,在碱性条件操作。 pH>7 pH越高交换能力越强。电离度弱,再生容易,耗酸量小。 强碱性阴离子交换树脂: 强碱Ⅰ型:含三甲胺基团; 强碱Ⅱ型:二甲基-β羟基-乙基胺基团。 活性基团电离度高、pH1~14 。氯型比羟型稳定。 商品氯型,使用时需先再生。再生耗碱量大。 弱碱性阴离子交换树脂: 伯胺基-NH2、=NH、≡N和吡啶基。 电离度小,再生成羟型容易,耗碱量小。在pH<7使用。pH越小,交换能力越大。 树脂的编号 编号 强酸性阳 弱酸性阳 强碱性阴 弱碱性阴 统一 1~100 101~200 201~300 301~400 上海 731~740 721~730 711~720 701~710 三、树脂合成 1 .加聚法 主要成分构成树脂分子链 : 单烯键单体:苯乙烯、丙烯酸、丙烯腈 常用交联剂:双烯键单体 二乙烯苯 交联度:构成树脂的交联剂在树脂中所占的比例。 特点:树脂结构稳定,性能好。 2.缩聚法: 由2个或2个以上带有功能基的单体通过功能基之间的相互作用反应。伴有低分子的产生。 引入活性基团方法:单体本身有功能团; 合成共聚后通过化学反应引入 常用品种:聚苯乙烯系、丙烯酸系 特点:稳定性较差,结构不十分确定,为多功能团 四、树脂的理化性能 1、颗粒度:大多数球型,直径0.2~1.2微米70~16目。 2、交换容量:交换能力参数。 质量交换容量mol/g干树脂 体积交换容量mmol/mL树脂。 工作交换容量:在一定应用条件下表现出的交换容量。(0.3~0.9)再生交换容量 再生交换容量:在指定的再生剂用量条件下再生后的交换容量。(0.5~1)交换容量. 树脂的利用率:工作交换容量与再生交换容量之比 3、机械强度:要求大于90%。 4、膨胀度:膨胀前后树脂的体积比。 5、含水量和密度 含水量:指每克干树脂吸收水分数。 0.3~0.7g 密度:湿堆积密度600~850kg/m3 湿真密度1100~1400kg/m3 6、孔结构: 孔径的大小与合成方法、原料性质等有关。 第二节 离子交换分离原理 一、交换机理:按等当量、可逆多相化学反应。 A++RH RA+H+ 二、交换速度方程 外扩散控制:交换方程 ln(1-F)=-K.t K -外扩散速度常数 内扩散控制: 三

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