第八章 离子交换、吸附和层析设备 - 副本

交换柱 提升器 料液 水
再生剂 水
再生塔
图10-12
压力流动式离子交换装置流程
树脂 处理液
再生废液
再生液
缩口 交换 塔 出水 树脂 喷射器 树脂 水
洗涤塔 洗涤水
料液 图10-13 重力流动式离子交换装置流程流程
2、ISEP系统 ISEP系统由美国先进分离技术公司（Advanced Separation Technologies Inc.）于1986年开始开发，经过不断完善，目前已 成功的应用在各种不同的产业领域中。
吸附。 • 吸附剂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，同时在吸附剂与溶液间发生离子交换，这种吸附称为交换 吸附。
• 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
离子交换设备
1、反吸附离子交换罐
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
H2O 1 H+ + 4 O2+e Cl 1 Cl2+e 2
1 2
1
Cl2 2
4
6
4
6
4
6
电极水
待处理水 浓缩系统水 K ,Na ,Ca ,Mg Cl,Br
2,SO4 2+ 2+
O 电极水 ... 等 ... 等
2,CO3
图10-19 电渗折装置示意图 1-阳极 2-电极室 3-阴膜 4-淡化室 5-阳膜 6-浓缩室 7-阴极
被吸附的物质称为吸附质。
• 按吸附剂对吸附质的吸附作用可分为三类：物理吸附、化学吸附和交换吸附。
• 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。
• 由于固体表面原子的价，未完全被相邻原子所饱和，还有剩余的成键能力，
吸附剂与吸附质之间发生电子转移，发生化学反应而产生吸附作用称为化学
图
ISEP实验室模型L100示意图
（四）离子交换膜与电渗析
1．离子交换膜 离子交换膜是将离子交换树脂制成薄膜的形式而得到的， 它和离子交换树脂的性质基本上相似。和离子交换树脂一样，
按功能团不同，离子交换膜可以分为阳离子交换膜和阴离子交
换膜。
蛋白溶解 压力计
注射泵
洗脱液
多聚物刷
蛋白
图10-16 离子交换膜捕获蛋白质的过程
第二节
吸附过程原理及设备
• 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。 • 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，而
（四）吸附剂的性能要求
• 大的比表面积 • 颗粒大小均匀
• 具有一定的吸附分离能力
• 具有一定的商业规模及合理的价格
二、 吸附设备
• （一）固定床吸附
高度调节器
流体分布器
料液
• （二）扩张床吸附
a.固定床
料液 b.膨胀床
图10-25 固定床和膨胀床状态的比较
起动前沉降吸附剂
吸附剂膨胀和平衡
加料洗涤
第八章
离子交换、吸附和层析设备设备
第一节 离子交换过程原理与设备
• 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。
• 生物工业中最常用的交换剂为离子交换树脂。
• 离子交换树脂是能在水溶液中交换离子的固体，其分子可
图10-30 模拟移动床连续分离葡萄糖和果糖流程 AC-模拟移动床 RV-旋转阀 EE 果糖浓缩器 RE 葡萄糖浓缩器
二十四通旋转分配阀与配线 （吸附分离制高纯果糖）
第三节 层析原理与设备
• 层析技术是利用混合物中各种组分的物理化学性质（分子的形状和大小、
分子的极性、吸附力、分子亲和力、分配系数等）不同，使各组分以不
13
图10-9 半连续式移动床离子交换系统 1-处理柱 2,3-中间循环柱 4-饱和树脂存贮柱 5-再生柱 6,7,8-传感器 9-树脂计量段 10-缓冲段 11-再生段 12-清洗段 13-快速清洗段
（三）连续式离子交换设备
1．一般连续式离子交换设备
树脂进口
树脂进口 1
1
2 3
2
树脂出口
4
3 5 4
同程度分布在两相中，其中一个相是固定的，称为固定相；另一个相是 流动的，称为流动相。当流动相流过固定相时，各组分以不同的速度移
动，而达到分离的目的。
20世纪初，俄国植物学家T.SWETT发现。层析——色谱（chromatography）
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。
1-被交换溶液进口 2-淋洗水，解吸液及再 生剂进口 3-废液出口 4，5-分布器 6-淋洗 水、解吸液及再生剂出口，反洗水进口
l-底 2-液体分布器 3-底部液体进、出管 4-填充层 5-壳体 6-离子交换树脂层 7-扩 大沉降段 8-回流管 9-循环室 10-液体出 口管 11-顶盖 12-液体加入管 13-喷头
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。
一、吸附过程与原理
（一）吸附法基本概念 固体吸附剂可分为非多孔和多孔性物质两类。
图10-20 界面上分子的内部分子所受的力
一般应用多孔性固体物质作为吸附剂。
6
溶液进口
溶液进口
废液出口 5 图10-10 筛板式连续离子交换设备 1-树脂计量及加料口 2-塔身 3-漏斗形树脂加料口 4-筛板 5-饱和树脂受器 6-虹吸管
空气 废液出口 图10-11 漩涡式连续交换设备 1-树脂加料器 2-具有螺旋带的转子 3-树脂提升管 4-塔身 5-虹吸管
回 流 处理液 再生塔
成水，可避免溶液中pH的变化而破坏生物产品。操作时．溶液由上而下流动； 再生时，先用水反冲，使阳、阴树脂借重度差分层（一般阳离子树脂较重， 二者密度差应为0.1～0.13），然后将碱液由罐的上部引入，酸液则由罐底 引入，废酸、碱液在中部引出，再生及洗涤结束后，压力空气将两种树脂重 新混合，阳、阴离子交换树脂常以体积比l:1混合。
其表示方法有重量交换容量和体积交换容量两种。
2．滴定曲线
可估算离子交换剂的交换容量
3．外观 4．膨胀度 5．交联度
（三）离子交换机理
由于树脂放入水溶液中表面就会始终 存在一层薄膜，所以离子交换过程一般包 含有下列五个步骤。 （ｌ）液相中的离子Ａ扩散到树脂表面； （２）离子Ａ从树脂表面再扩散到树脂内 部的活性中心； （３）离子Ａ与树脂上离子Ｂ发生交换反 应； （４）解吸离子Ｂ自树脂内部扩散到树脂 表面； （５）Ｂ离子再从树脂表面扩散到溶液中。 其中（１）和（５）为外部扩散，（２） 和（４）为内部扩散，（３）为化学交换 反应。整个交换反应的控制步骤是扩散。
（四）离子交换树脂和操作条件的选择
• 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。 • 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。 • 洗脱条件总的选择原则是：尽量使溶液中被洗脱离子的浓度 降低。
混合床交换罐制备去离子水流程
制药工业用反渗透加混合 床生产纯水工艺流程图
3．薄膜压滤式离子交换设备
液体进入
挤压介质
液体通道 滤布
树脂 过滤板
液体流出
32mm 图10-7 薄膜压滤式离子交换设备
4．活动式自动化离子交换设备
（二）半连续移动床式离子交换设备
6 7 8
1
9 10 11 4 5
2
3
12
根据离子交换剂的材料也可分为两类：第一类是包含合成树脂骨架的多 孔弹性颗粒，通常是苯乙烯和二乙烯苯共聚而成的聚苯乙烯树脂;第二类离 子交换剂是多糖类骨架的离子交换树脂，通常为纤维素或葡聚糖骨架改性的 多糖材料。
（二）离子交换树脂的性能评价 1．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。
W (a)移动床
W
(b) 模拟移动床
图10-29 移动床和模拟移动床 F 料液 P-吸附质 E 洗脱液 W 非吸附质
加热蒸汽
冷凝水
2 3
供 洗 脱 液
EE RV
洗脱剂（水） 冷凝水 果糖溶液
排 5 出洗 脱液 6
AC
7 8 液 9 供料 10 11 液 残 12 附 吸 出 排 料液
RE
葡萄糖溶液
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。惰 性不溶的网络骨架和活性基联成一体，不能自由移动。活
性离子则可以在网络骨架和溶液间自由迁移。
• 离子交换的一般流程如下：
洗脱填充床
图10-26 扩张床吸附的操作过程
(三) 流化床吸附
液体出口
流化床层
料液入口 图10-27 流化床吸附操作
（四）移动床和模拟移动床吸附
再生的 吸附剂
饱和 吸附剂
z=0
吸 附 剂 再 生 床
z=0
z=L z=L
料液 洗脱液 图10-28 移动床吸附操作
E
E W P P F F E P
F
（二）常用吸附剂
• 活性炭 — 多孔含碳物质的颗粒粉末。 • 硅胶 — 天然的硅胶即多孔SiO2，通常称为硅藻土，人工合成的就称 为硅胶。 • 氧化铝 — 活性氧化铝。 • 大孔网状聚合物吸附剂—有多孔的骨架 ，没有引入离子交换功能团。 • W-Way沸石 — 加拿大的W—Way天然沸石(Na4K4)(Al8Si40O96).24H2O是 特有的火山矿石，具蜂窝状结构，具有非常大的阳离子交换能力。
（三）吸附平衡
• 当吸附剂达到平衡时，其吸附量m与溶液浓度C和温度的关系称为吸 附平衡关系。当温度一定时，吸附量只是浓度C的函数。m与C的关系 曲线称为吸附等温线。
(a)
吸附浓度q
(b)
(d) (c)
பைடு நூலகம்
溶液浓度Y 图10-22 常见的吸附等温线类型 （a）弗罗因德利希(经验型) （b）兰格缪尔型 （c）凹型 （a）和（b）是优惠型吸附等温线 （d）直线型
2. 电渗析技术
阴极室
H2 NaOH
+ Na Cl
阳极室 阳膜
Cl2
H2
阳膜
阴膜
Cl 2
+ Na Cl
NaOH
图10-17 离子交换膜用于食盐电解
图10-18 三槽电渗析
浓缩水 + 3 5 淡化水 3 5 3 5 H2 H2O+e 1 OH-+2 H2 Na+ 2O +e H NaOH+H 2 -
（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）。前者对阳离子具有交换 能力，活性基团为酸性；后者对阴离子具有交换能力，活性基团为碱性。
二、离子交换设备
（一）间歇式离子交换设备
2 1 3
1
2
4 5
3
6
4
7
6
8 图10-1 具有多孔支持板的离子交换罐 1-视镜 2-进料口 3-手孔 4-液体分布器 5-树脂层 6-多孔板 7-尼龙布 8-出液口
5 图10-2 具有块石支持层的离子交换罐 1-进料口 2-视镜 3-液位计 4-树脂层 5-卵石层 6-出液口
2．固定床离子交换设备
蒸气 再生剂 升液器
NaOH 空气
流量计 计量槽 料液 处理液 碱计量槽 处理液 HCL
酸计量槽 (A) 单床 (B)混合床 图10-4 固定式离子交换装置的流程
混合床交换罐
混合床内的树脂是由阳、阴两种树脂混合而成，脱盐较完全。制备无 盐水时，可将水中的阳、阴离子除去，而从树脂上交换出来的H+和OH-结合