第二部分第三章离子交换吸附设备课件.ppt

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1、第二部分第三章离第二部分第三章离子交子交换吸附吸附设备第1页，此课件共52页哦第一节第一节 离子交换过程原理与设备离子交换过程原理与设备v什么是离子交换法什么是离子交换法?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。第2页，此课件共52页哦离子交换原理离子交换原理第3页，此课件共52页哦第4页，此课件共52页哦生物工业中最常用的交换剂生物工业中最常用的交换剂:离子交换树脂离子交换树脂 v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：v部分是交联的具有三维空间

2、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；v一部分是联结在骨架上的功能基（活性基）；v一部分是活性基所带的相反电荷的离子，称为可交换离子。第5页，此课件共52页哦离子交换的一般流程如下：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。第6页，此课件共52页哦一、离子交换过程原理一、离子交换过程原理 v（一）离子交换树脂的分类（一）离子交换树脂的分类v离子交换树脂按活性基团的性质不同可分为阳

3、离子交换剂（cation exchanger）和阴离子交换剂（anion exchanger）。第7页，此课件共52页哦阳离子交换剂阳离子交换剂第8页，此课件共52页哦阳离子交换剂阳离子交换剂第9页，此课件共52页哦v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。v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。第10页，此

4、课件共52页哦（二）离子交换树脂的性能评价（二）离子交换树脂的性能评价v离子交换树脂一般不溶于水、一般的酸碱溶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。具备一定的理化性能。第11页，此课件共52页哦1外观外观v大多数商品树脂多制成球形，其直径为0.21.2mm。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

5、有黄、白、黄褐、红棕等几种颜色。第12页，此课件共52页哦第13页，此课件共52页哦第14页，此课件共52页哦第15页，此课件共52页哦2膨胀度膨胀度v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，脱吸水就膨胀，脱水就收缩水就收缩。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0.51.0克水分，交联度较低的树脂，每克吸附1.03.0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

6、脂，会显著膨胀或收缩，往往造成操作上的种种困难。第16页，此课件共52页哦3交联度交联度v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，树脂越交联度越大，树脂越坚固坚固，在水中不易溶胀。而交联度减少，树脂变得柔软，容易溶胀。第17页，此课件共52页哦树脂工艺树脂工艺第18页，此课件共52页哦树脂工艺树脂工艺第19页，此课件共52页哦树脂工艺树脂工艺第20页，此课件共52页哦4交换容量交换容量v交换容量是单位质量的

7、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。v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。第21页，此课件共52页哦（三）离子交换树脂和操作条件的选择（三）离子交换树脂和操作条件的选择v1、选择合适的树脂是应用离子交换法的关键。v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。第22页，此课件共52页哦v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

8、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；强弱酸性产物宜用强碱性树脂；强酸性产物宜用弱碱性树脂。酸性产物宜用弱碱性树脂。第23页，此课件共52页哦v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。第24页，此课件共52页哦v2、应注意选择合适的操作条件，最重要的操、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作条件是交换时溶液的pH值。值。v合适的合适的pH值须满

9、足三个条件：值须满足三个条件：v（1）pH值应在产物的稳定范围内；值应在产物的稳定范围内；v（）使产物能离子化；（）使产物能离子化；v（）使树脂能解离。（）使树脂能解离。第25页，此课件共52页哦二、离子交换设备二、离子交换设备v目前已出现的离子交换设备：目前已出现的离子交换设备：v按结构型式分为罐式、塔式、槽式等。v按操作方式分为间歇式、周期式与连续式；v根据两相接触方式的不同，又可分为固定床、移动床、流化床等。第26页，此课件共52页哦固定床设备固定床设备v它是现今应用得最多的离子交换设备。v优点：优点：它具有设备结构简单、操作管理方便、树脂磨损少等优点，v弊端：弊端：存在设备管线复杂、阀

10、门多、树脂利用率相对较低等。第27页，此课件共52页哦（一）间歇式离子交换设备（一）间歇式离子交换设备第28页，此课件共52页哦v一般的离子交换罐为具有椭圆形封头的圆筒一般的离子交换罐为具有椭圆形封头的圆筒形设备，其圆筒体的长和筒径之比一般为形设备，其圆筒体的长和筒径之比一般为23，也有高至，也有高至5的。树脂层高度约占圆筒的。树脂层高度约占圆筒高度的高度的5070%，须留有充分的空间，已，须留有充分的空间，已备反冲时树脂层的扩胀。备反冲时树脂层的扩胀。v在交换罐的上部有溶液分布装置，以使含有在交换罐的上部有溶液分布装置，以使含有被交换离子的溶液、解吸液或再生剂能在整被交换离子的溶液、解吸液或

11、再生剂能在整个罐截面上均匀地通过树脂层。个罐截面上均匀地通过树脂层。第29页，此课件共52页哦v圆筒体的底部与椭圆形底之间常装有多孔板、筛网及滤布圆筒体的底部与椭圆形底之间常装有多孔板、筛网及滤布以支持树脂层，或者用块石英石或卵石直接铺于罐底以支以支持树脂层，或者用块石英石或卵石直接铺于罐底以支持树脂层。持树脂层。v罐顶应有人孔或者手孔，大型交换罐的人孔也可以装罐顶应有人孔或者手孔，大型交换罐的人孔也可以装在罐壁上，以便于装卸树脂。视镜孔和孔灯可以在罐在罐壁上，以便于装卸树脂。视镜孔和孔灯可以在罐顶也可以在罐壁上。罐顶部的被吸附溶液、解吸液、顶也可以在罐壁上。罐顶部的被吸附溶液、解吸液、软水进

12、口可合用一个进口管与罐顶相连，罐底的各种软水进口可合用一个进口管与罐顶相连，罐底的各种液体出口及反洗水进口和压缩空气进口也可合用一个液体出口及反洗水进口和压缩空气进口也可合用一个总进出口。另外，罐顶上应有压强表、排空口及反洗总进出口。另外，罐顶上应有压强表、排空口及反洗水出口。交换罐一般用钢板制成，内壁衬橡胶。附属水出口。交换罐一般用钢板制成，内壁衬橡胶。附属管道一般为硬聚氯乙烯管，阀门可用聚氯乙烯、不锈管道一般为硬聚氯乙烯管，阀门可用聚氯乙烯、不锈钢或橡皮膜阀门。常用的离子交换罐见图钢或橡皮膜阀门。常用的离子交换罐见图10-1及图及图10-2。第30页，此课件共52页哦1反吸附离子交换罐反吸

13、附离子交换罐第31页，此课件共52页哦v在反吸附离子交换罐中，被交换的溶液由罐的下部导入，其流速和粘度以使树脂在罐内呈沸腾状态而不溢出罐外为宜，交换后的溶液则由罐顶的出口溢出。反吸附除可以省去菌丝过滤（如被交换的溶液为发酵液）这一工序外，还具有液固两相接触面大而且较均匀，操作时不产生短路、死角，以及流速大和生产周期短等优点，因此解吸后所得的产品质量较高。但反吸附时树脂的饱和度不及正吸附的高。此外罐内树脂高度要比正吸附时低一点，以免树脂外溢。第32页，此课件共52页哦2固定床离子交换设备固定床离子交换设备第33页，此课件共52页哦v这种操作方式使用最广，设备结构较为简单，操作也很方这种操作方式使

14、用最广，设备结构较为简单，操作也很方便。离子交换树脂的下部要用多孔陶土板、粗粒无烟煤、便。离子交换树脂的下部要用多孔陶土板、粗粒无烟煤、石英砂等作为支撑体。被处理的溶液从树脂上方加入，经石英砂等作为支撑体。被处理的溶液从树脂上方加入，经过分布管使液体均匀分布于整个树脂的横截面。加料可以过分布管使液体均匀分布于整个树脂的横截面。加料可以是重力加料，也可以是压力加料，后者要求设备密封。料是重力加料，也可以是压力加料，后者要求设备密封。料液与再生剂可以从树脂上方通过各自的管道和分布器分别液与再生剂可以从树脂上方通过各自的管道和分布器分别进入交换器，树脂支撑下方的分布管则便于水的逆洗。柱进入交换器，树

15、脂支撑下方的分布管则便于水的逆洗。柱式离子交换器可用不锈钢、硬塑料制作，常常用有衬里的式离子交换器可用不锈钢、硬塑料制作，常常用有衬里的碳钢制造，管道、阀门一般均用塑料制成。固定床离子交碳钢制造，管道、阀门一般均用塑料制成。固定床离子交换器的再生方式分成顺流与逆流两种。逆流再生有较好的换器的再生方式分成顺流与逆流两种。逆流再生有较好的效果，再生剂用量可减少；但要发生树脂层的上浮。效果，再生剂用量可减少；但要发生树脂层的上浮。第34页，此课件共52页哦v如将阳、阴两种树脂混合起来，则制成混合如将阳、阴两种树脂混合起来，则制成混合离子交换设备。将混合床用于抗生素等生物离子交换设备。将混合床用于抗生

16、素等生物产品的精制，可避免采用单床时溶液变酸产品的精制，可避免采用单床时溶液变酸（通过阳离子柱时）及变碱（通过阴离子柱（通过阳离子柱时）及变碱（通过阴离子柱时）的现象，因而可减少目标产物的破坏。时）的现象，因而可减少目标产物的破坏。单床及混合床固定式离子交换装置见图单床及混合床固定式离子交换装置见图10-4所示。所示。第35页，此课件共52页哦v另外，有一些离子交换器既可用于固定床的另外，有一些离子交换器既可用于固定床的操作，也可用于流化床的操作。该装置的示操作，也可用于流化床的操作。该装置的示意图见图意图见图10-5，第36页，此课件共52页哦第37页，此课件共52页哦（三）连续式离子交换设

17、备（三）连续式离子交换设备v1一般连续式离子交换设备一般连续式离子交换设备v固定床的离子交换操作中（指正吸附操作），固定床的离子交换操作中（指正吸附操作），交换仅限于在很短的交换带中进行，因此树交换仅限于在很短的交换带中进行，因此树脂利用率低，生产周期长。若采用连续逆流脂利用率低，生产周期长。若采用连续逆流式操作则可避免上述缺点，且交换速度快，式操作则可避免上述缺点，且交换速度快，产品质量均匀，连续化生产便于自动化控制。产品质量均匀，连续化生产便于自动化控制。但连续离子交换过程中的树脂破损很大，设但连续离子交换过程中的树脂破损很大，设备及操作较复杂且不易控制。图备及操作较复杂且不易控制。图10

18、-10和图和图10-11为连续逆流离子交换设备的示意图。为连续逆流离子交换设备的示意图。第38页，此课件共52页哦第39页，此课件共52页哦第二节第二节 吸附过程原理及设备吸附过程原理及设备v吸附(Adsorption)是利用适当的吸附剂，在一定的操作条件下，使有用目标产物或有害成分被吸附剂吸附，富集在吸附剂表面，然后再以适当的洗脱剂将吸附的物质从吸附剂上解吸下来，从而达到浓缩和提纯的目的，这样的过程称为吸附操作。吸附操作。当物质从流体相（气体或液体）浓缩到固体表面从而实现分离的过程称为吸附作用。在表面上能发生吸附作用的固体微粒称为吸附剂吸附剂，而被吸附的物质称为吸附质吸附质。第40页，此课件

19、共52页哦v按吸附剂对吸附质的吸附作用可分为三类，按吸附剂对吸附质的吸附作用可分为三类，即物理吸附、化学吸附和交换吸附。即物理吸附、化学吸附和交换吸附。v分离过程中的吸附操作应用最广的是物理吸分离过程中的吸附操作应用最广的是物理吸附，化学吸附的应用较少，而交换吸附在生附，化学吸附的应用较少，而交换吸附在生物工程的下游技术中应用越来越广泛。物工程的下游技术中应用越来越广泛。第41页，此课件共52页哦物理吸附物理吸附v吸附剂和吸附质通过分子间范德华力而产生吸附剂和吸附质通过分子间范德华力而产生的吸附作用称为物理吸附。物理吸附无选择的吸附作用称为物理吸附。物理吸附无选择特异性，但随着物系的不同，吸附

20、量可相差特异性，但随着物系的不同，吸附量可相差很多。物理吸附不需要较高的活化能，在低很多。物理吸附不需要较高的活化能，在低温条件下也可进行。物理吸附通常是可逆的，温条件下也可进行。物理吸附通常是可逆的，在吸附的同时，被吸附的分子由于热运动离在吸附的同时，被吸附的分子由于热运动离开固体表面而发生解吸。开固体表面而发生解吸。第42页，此课件共52页哦v吸附操作广泛应用于各种生产领域的分离过程，如除臭、脱色、去盐、吸湿、防潮以及制备软水、无盐水等方面。固体吸附与生物工程关系密切，在原料液处理、除臭、目标产物的分离、精制等方面发挥着重要的作用。早期使用的吸附剂有高岭土、氧化铝、凝胶型离子交换树脂、活性

21、碳、分子筛等。近年来合成的大孔网状聚合物吸附剂，与经典的活性炭吸附剂相比，有很多优点，在各个领域得到了广泛的应用。随着新吸附剂的出现及应用技术的进步，吸附法已广泛渗透到水处理、金属冶炼、原子能科学技术、海洋资源开发、食品加工、医药卫生和环境保护等领域。第43页，此课件共52页哦一、吸附过程与原理一、吸附过程与原理v（一）吸附法基本概念（一）吸附法基本概念v固体吸附剂可分为非多孔和多孔性物质两类。固体吸附剂可分为非多孔和多孔性物质两类。非多孔性固体具有很小的比表面积，如将固非多孔性固体具有很小的比表面积，如将固体物质粉碎成微粒，则可增大其比表面积。体物质粉碎成微粒，则可增大其比表面积。而多孔性固

22、体由于其颗粒内存在着微孔，比而多孔性固体由于其颗粒内存在着微孔，比表面可以很大。非多孔性固体的比表面仅决表面可以很大。非多孔性固体的比表面仅决定于外表面积，而多孔性固体比表面积是由定于外表面积，而多孔性固体比表面积是由外表面积和比外表面积大几百倍的内表面积外表面积和比外表面积大几百倍的内表面积所组成的，并且内表面具有较大的吸附能力，所组成的，并且内表面具有较大的吸附能力，故一般应用多孔性固体物质作为吸附剂。故一般应用多孔性固体物质作为吸附剂。第44页，此课件共52页哦（二）常用吸附剂（二）常用吸附剂v1活性炭活性炭v2硅胶硅胶v3氧化铝氧化铝v5沸石沸石v4大孔网状聚合物吸附剂大孔网状聚合物吸附剂第45页，此课件共52页哦活性炭活性炭第46页，此课件共52页哦硅胶硅胶第47页，此课件共52页哦硅胶制品硅胶制品第48页，此课件共52页哦硅胶制品硅胶制品第49页，此课件共52页哦氧化铝氧化铝第50页，此课件共52页哦沸石沸石第51页，此课件共52页哦（三）吸附剂的性能要求（三）吸附剂的性能要求v1大的比表面积大的比表面积v2颗粒大小均匀颗粒大小均匀v3具有一定的吸附分离能力具有一定的吸附分离能力v4具有一定的商业规模及合理的价格具有一定的商业规模及合理的价格第52页，此课件共52页哦