第八章離子交換法1

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1、第八章第八章 離子交換法離子交換法概概 述述n離子交換技術(shù)常用于水處理，食品、生物制離子交換技術(shù)常用于水處理，食品、生物制品的提取精制和金屬的回收。品的提取精制和金屬的回收。n離子交換劑：離子交換劑：一種能與其他物質(zhì)發(fā)生離子交一種能與其他物質(zhì)發(fā)生離子交換的物質(zhì)，分為：換的物質(zhì)，分為：n無(wú)機(jī)離子交換劑：沸石無(wú)機(jī)離子交換劑：沸石n有機(jī)離子交換劑有機(jī)離子交換劑(離子交換樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂)：合成材料。：合成材料。n生物工業(yè)中，廣泛用于生物工業(yè)中，廣泛用于抗生素、氨基酸、有抗生素、氨基酸、有機(jī)酸機(jī)酸等工業(yè)。等工業(yè)。離子交換法離子交換法n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n樹(shù)脂無(wú)毒性且可反復(fù)使用，成本低，樹(shù)脂無(wú)毒性且可反復(fù)使用

2、，成本低，工藝操作方便，提取效率高，設(shè)備結(jié)工藝操作方便，提取效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約大量有機(jī)溶劑等。構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約大量有機(jī)溶劑等。n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：n生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)過(guò)程中pH變化大，變化大，不一定能找到合適樹(shù)脂。不一定能找到合適樹(shù)脂。第一節(jié)第一節(jié) 離子交換原理及分類離子交換原理及分類一、離子交換原理一、離子交換原理1、離子交換樹(shù)脂、離子交換樹(shù)脂n離子交換樹(shù)脂：離子交換樹(shù)脂： 一種具有網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的不溶于酸、一種具有網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的不溶于酸、堿和有機(jī)溶劑的固態(tài)高分子化合物，其化堿和有機(jī)溶劑的固態(tài)高分子化合物，其化學(xué)穩(wěn)定性良好，有一定孔隙度，且有離子學(xué)穩(wěn)定性良好，有一定孔隙度，且

3、有離子交換能力。交換能力。n結(jié)構(gòu)組成：結(jié)構(gòu)組成：樹(shù)脂骨架樹(shù)脂骨架（不溶性的三維空間網(wǎng)（不溶性的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）狀結(jié)構(gòu)）、功能基團(tuán)功能基團(tuán)（與骨架相連）、（與骨架相連）、活性活性離子離子（與功能基團(tuán)所帶電荷相反的可移動(dòng)的（與功能基團(tuán)所帶電荷相反的可移動(dòng)的離子）。離子）。離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)帶有活性基團(tuán)的網(wǎng)狀高分子聚合物骨架活性基團(tuán)酚醛樹(shù)脂聚乙烯樹(shù)脂OH + CH2OCH=CH2+CH=CH2CH=CH2交聯(lián)劑酸性基團(tuán)堿性基團(tuán)SO3HCOOHN+R3NR2特殊基團(tuán)離子交換樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂n樹(shù)脂浸在水中，活性離子在因熱運(yùn)動(dòng)在樹(shù)樹(shù)脂浸在水中，活性離子在因熱運(yùn)動(dòng)在樹(shù)脂周圍一定距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散到溶液中；脂

4、周圍一定距離內(nèi)運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散到溶液中；n溶液中的同類型離子，從溶液中擴(kuò)散到骨溶液中的同類型離子，從溶液中擴(kuò)散到骨架的網(wǎng)格或孔內(nèi)；架的網(wǎng)格或孔內(nèi)；n兩種離子濃度差較大，產(chǎn)生交換推動(dòng)力，兩種離子濃度差較大，產(chǎn)生交換推動(dòng)力，濃度差越大，交換速度越快；濃度差越大，交換速度越快；n利用濃度差推動(dòng)力，使樹(shù)脂上的可交換離利用濃度差推動(dòng)力，使樹(shù)脂上的可交換離子發(fā)生可逆交換反應(yīng)。子發(fā)生可逆交換反應(yīng)。n交換按物質(zhì)等當(dāng)量進(jìn)行。交換按物質(zhì)等當(dāng)量進(jìn)行。離子交換樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂n離子交換樹(shù)脂可交換官能團(tuán)中的活性離子離子交換樹(shù)脂可交換官能團(tuán)中的活性離子決定此樹(shù)脂的主要性能，故決定此樹(shù)脂的主要性能，故樹(shù)脂可按活性樹(shù)脂可按活性離子

5、來(lái)分類。離子來(lái)分類。n離子交換樹(shù)脂的功能團(tuán)的電離程度決定樹(shù)離子交換樹(shù)脂的功能團(tuán)的電離程度決定樹(shù)脂的酸性或堿性的強(qiáng)弱。脂的酸性或堿性的強(qiáng)弱。二、離子交換樹(shù)脂分類二、離子交換樹(shù)脂分類n分類方法很多：分類方法很多：n按樹(shù)脂的化學(xué)組成分：按樹(shù)脂的化學(xué)組成分：聚苯乙烯系、聚丙烯聚苯乙烯系、聚丙烯酸系、酚醛系。酸系、酚醛系。n按樹(shù)脂物理結(jié)構(gòu)分按樹(shù)脂物理結(jié)構(gòu)分 ：凝膠型、均孔型、大孔凝膠型、均孔型、大孔型樹(shù)脂等。型樹(shù)脂等。n按聚合反應(yīng)類型分：按聚合反應(yīng)類型分：縮聚型、加聚型樹(shù)脂等?？s聚型、加聚型樹(shù)脂等。n我國(guó)按活性離子來(lái)分類：我國(guó)按活性離子來(lái)分類：強(qiáng)酸、弱酸、強(qiáng)強(qiáng)酸、弱酸、強(qiáng)堿、弱堿、堿、弱堿、螯合、兩性、

6、氧化還原等螯合、兩性、氧化還原等7類。類。離子交換樹(shù)脂離子交換樹(shù)脂n離子交換樹(shù)脂的可交換的官能團(tuán)中離子交換樹(shù)脂的可交換的官能團(tuán)中的的活性離子活性離子決定此樹(shù)脂的主要性能。決定此樹(shù)脂的主要性能。1、強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂n含有強(qiáng)酸性基團(tuán)，如含有強(qiáng)酸性基團(tuán)，如SO3H，能，能在溶液中在溶液中離解離解H+而呈強(qiáng)酸性；而呈強(qiáng)酸性；n反應(yīng)簡(jiǎn)式：反應(yīng)簡(jiǎn)式： RSO3H RSO3 - + H+ RSO3- +Na+ RSO3 Nan此類樹(shù)脂離解能力強(qiáng)，此類樹(shù)脂離解能力強(qiáng)，使用無(wú)使用無(wú)pH值限制。值限制。n再生處理：再生處理：用化學(xué)藥品使離子交換樹(shù)脂的用化學(xué)藥品使離子交換樹(shù)脂的官能團(tuán)回復(fù)原來(lái)

7、狀態(tài)再次使用。官能團(tuán)回復(fù)原來(lái)狀態(tài)再次使用。用強(qiáng)酸進(jìn)用強(qiáng)酸進(jìn)行再生處理行再生處理。2、弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂n含弱酸性官能團(tuán)（含弱酸性官能團(tuán)（COOH，酚羥基，酚羥基OH）能在水中離解出）能在水中離解出H+呈弱酸性。呈弱酸性。n反應(yīng)簡(jiǎn)式：反應(yīng)簡(jiǎn)式： RCOOH RCOO- + H+n樹(shù)脂離解性較弱，只能在堿性、中性、樹(shù)脂離解性較弱，只能在堿性、中性、微酸性下作用；微酸性下作用；n用酸再生。用酸再生。3、強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂n含有強(qiáng)堿性基團(tuán)（季銨基含有強(qiáng)堿性基團(tuán)（季銨基NR3OH），），在水中離解出在水中離解出OH- 而呈強(qiáng)堿性。而呈強(qiáng)堿性。n反應(yīng)簡(jiǎn)式：反應(yīng)簡(jiǎn)

8、式： RNR3OH RNR3+ + OH-n樹(shù)脂離解性很強(qiáng)，使用無(wú)樹(shù)脂離解性很強(qiáng)，使用無(wú)pH限制。限制。n再生用強(qiáng)堿（再生用強(qiáng)堿（NaOH）進(jìn)行。）進(jìn)行。4、弱堿性陰離子交換樹(shù)脂、弱堿性陰離子交換樹(shù)脂n功能團(tuán)：功能團(tuán)：伯胺基伯胺基-NH2、仲胺基、仲胺基=NH、叔胺、叔胺基基N、吡啶基，離解出、吡啶基，離解出OH-而呈弱堿性。而呈弱堿性。n反應(yīng)簡(jiǎn)式：反應(yīng)簡(jiǎn)式： RNH2 + H2O RNH3+ + OH-n樹(shù)脂離解能力弱，在低樹(shù)脂離解能力弱，在低pH下工作下工作(pH19)，pH越低，交換能力越大。越低，交換能力越大。n用用Na2CO3、NH4OH進(jìn)行再生。進(jìn)行再生。 離子交換樹(shù)脂型式離子交換

9、樹(shù)脂型式n樹(shù)脂的四種基本類型，使用時(shí)常轉(zhuǎn)化為其他離樹(shù)脂的四種基本類型，使用時(shí)常轉(zhuǎn)化為其他離子型式：子型式：n強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂轉(zhuǎn)化成強(qiáng)酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂轉(zhuǎn)化成鈉型樹(shù)脂鈉型樹(shù)脂，用鹽水，用鹽水再生；再生；n弱酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂轉(zhuǎn)化成鈉型，再生成氫型；弱酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂轉(zhuǎn)化成鈉型，再生成氫型；n強(qiáng)堿性陰離子樹(shù)脂轉(zhuǎn)化成氯型，用食鹽水再?gòu)?qiáng)堿性陰離子樹(shù)脂轉(zhuǎn)化成氯型，用食鹽水再生；生；n弱堿性陰離子樹(shù)脂轉(zhuǎn)化成氯型，再生成羥型。弱堿性陰離子樹(shù)脂轉(zhuǎn)化成氯型，再生成羥型。n強(qiáng)酸性樹(shù)脂和強(qiáng)堿性樹(shù)脂在轉(zhuǎn)變成鈉型強(qiáng)酸性樹(shù)脂和強(qiáng)堿性樹(shù)脂在轉(zhuǎn)變成鈉型和氯型后，在使用時(shí)就不再有強(qiáng)酸性及和氯型后，在使用時(shí)就不再有強(qiáng)酸性及強(qiáng)堿性。但它們?nèi)?/p>

10、具有這些樹(shù)脂的其他強(qiáng)堿性。但它們?nèi)跃哂羞@些樹(shù)脂的其他典型性能，如強(qiáng)離解性和工作的典型性能，如強(qiáng)離解性和工作的pHpH范圍范圍寬等。寬等。5、樹(shù)脂性能的比較樹(shù)脂性能的比較凝膠型和大孔型樹(shù)脂凝膠型和大孔型樹(shù)脂 按骨架結(jié)構(gòu)不同，離子交換樹(shù)脂可分為凝膠型和大按骨架結(jié)構(gòu)不同，離子交換樹(shù)脂可分為凝膠型和大孔型樹(shù)脂。孔型樹(shù)脂。凝膠型樹(shù)脂：凝膠型樹(shù)脂： 是以苯乙烯或丙烯酸與交聯(lián)劑二乙烯苯聚合得到具是以苯乙烯或丙烯酸與交聯(lián)劑二乙烯苯聚合得到具有交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合體。有交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合體。 這種聚合體一般是呈透明狀態(tài)的，在它的高分子骨這種聚合體一般是呈透明狀態(tài)的，在它的高分子骨架中，沒(méi)有毛細(xì)孔，而在吸水潤(rùn)脹后，

11、才在大分子鏈節(jié)架中，沒(méi)有毛細(xì)孔，而在吸水潤(rùn)脹后，才在大分子鏈節(jié)間形成很微細(xì)的孔隙，通常稱為顯微孔。間形成很微細(xì)的孔隙，通常稱為顯微孔。 這類樹(shù)脂適用于吸附交換無(wú)機(jī)離子等小離子。這類樹(shù)脂適用于吸附交換無(wú)機(jī)離子等小離子。大孔型樹(shù)脂：大孔型樹(shù)脂： 是由苯乙烯或丙烯酸與交聯(lián)劑二乙烯苯的異是由苯乙烯或丙烯酸與交聯(lián)劑二乙烯苯的異構(gòu)體聚合，再經(jīng)特殊的物理處理，使其形成大網(wǎng)構(gòu)體聚合，再經(jīng)特殊的物理處理，使其形成大網(wǎng)孔，再導(dǎo)入交換基團(tuán)制成，它內(nèi)部并存有微細(xì)孔孔，再導(dǎo)入交換基團(tuán)制成，它內(nèi)部并存有微細(xì)孔和大量的粗孔。和大量的粗孔。 較善于吸附大分子有機(jī)物，耐有機(jī)物的污染。較善于吸附大分子有機(jī)物，耐有機(jī)物的污染。三、

12、其他類型的樹(shù)脂三、其他類型的樹(shù)脂1、兩性離子交換樹(shù)脂兩性離子交換樹(shù)脂n將兩種性質(zhì)相反的陰、陽(yáng)離子交換官將兩種性質(zhì)相反的陰、陽(yáng)離子交換官能團(tuán)連接在同一樹(shù)脂骨架上，構(gòu)成兩能團(tuán)連接在同一樹(shù)脂骨架上，構(gòu)成兩性樹(shù)脂。性樹(shù)脂。n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n兩類官能團(tuán)彼此接近，發(fā)生交換反應(yīng)后，兩類官能團(tuán)彼此接近，發(fā)生交換反應(yīng)后，只要通水只要通水 ，稍稍改變體系酸堿條件，即，稍稍改變體系酸堿條件，即可發(fā)生相反水解反應(yīng)，使樹(shù)脂復(fù)原?？砂l(fā)生相反水解反應(yīng)，使樹(shù)脂復(fù)原。2、選擇性離子交換樹(shù)脂、選擇性離子交換樹(shù)脂n又稱螯合性離子交換樹(shù)脂，與金屬離子形又稱螯合性離子交換樹(shù)脂，與金屬離子形成螯合物基團(tuán)，一種對(duì)某些離子有特殊選成螯合物基團(tuán)

13、，一種對(duì)某些離子有特殊選擇性的樹(shù)脂。擇性的樹(shù)脂。n選擇性高于一般強(qiáng)酸、弱酸性樹(shù)脂。選擇性高于一般強(qiáng)酸、弱酸性樹(shù)脂。n如用含汞的樹(shù)脂分離含巰基的化合物（輔如用含汞的樹(shù)脂分離含巰基的化合物（輔酶酶A、半胱氨酸，谷胱甘肽等）半胱氨酸，谷胱甘肽等）3、吸附樹(shù)脂、吸附樹(shù)脂n吸附樹(shù)脂（脫色樹(shù)脂）：吸附樹(shù)脂（脫色樹(shù)脂）：n有較大表面積，具多孔性，吸附能力強(qiáng)；有較大表面積，具多孔性，吸附能力強(qiáng)；n但交換離子的能力很小，甚至不能交換；但交換離子的能力很小，甚至不能交換；n多用于脫色、吸附大分子產(chǎn)物和除去蛋白質(zhì)多用于脫色、吸附大分子產(chǎn)物和除去蛋白質(zhì)等。等。n如：大網(wǎng)格樹(shù)脂如：大網(wǎng)格樹(shù)脂4、電子交換樹(shù)脂、電子交換樹(shù)

14、脂n不是進(jìn)行離子交換而是不是進(jìn)行離子交換而是電子轉(zhuǎn)移電子轉(zhuǎn)移；n能起氧化還原作用（又稱氧化還原樹(shù)能起氧化還原作用（又稱氧化還原樹(shù)脂）。脂）。n按活性基團(tuán)性質(zhì)分，有兩種類型：按活性基團(tuán)性質(zhì)分，有兩種類型：n活性基團(tuán)是樹(shù)脂母體的一部分；活性基團(tuán)是樹(shù)脂母體的一部分；n活性基團(tuán)是一種加在樹(shù)脂上的離子。活性基團(tuán)是一種加在樹(shù)脂上的離子。四、樹(shù)脂的命名四、樹(shù)脂的命名n國(guó)外：國(guó)外：常以該公司的名稱或商業(yè)名稱來(lái)表常以該公司的名稱或商業(yè)名稱來(lái)表示。示。n國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)：1977年，石油化學(xué)工業(yè)部制訂了部年，石油化學(xué)工業(yè)部制訂了部頒標(biāo)準(zhǔn)頒標(biāo)準(zhǔn)離子交換樹(shù)脂產(chǎn)品分類、命名及離子交換樹(shù)脂產(chǎn)品分類、命名及型號(hào)型號(hào)，分為，分為7類

15、：類：強(qiáng)酸、弱酸、強(qiáng)堿、弱強(qiáng)酸、弱酸、強(qiáng)堿、弱堿、螯合、兩性、氧化堿、螯合、兩性、氧化還原等還原等7類。類。n離子交換樹(shù)脂全名：分類名稱，骨架（基團(tuán)）離子交換樹(shù)脂全名：分類名稱，骨架（基團(tuán)）名稱，基本名稱排列組成。名稱，基本名稱排列組成。樹(shù)脂的命名樹(shù)脂的命名離子交換樹(shù)脂命名離子交換樹(shù)脂命名 X D 交聯(lián)度交聯(lián)度樹(shù)脂樹(shù)脂聯(lián)接符號(hào)聯(lián)接符號(hào)順序號(hào)順序號(hào)骨架代號(hào)骨架代號(hào)分類代號(hào)分類代號(hào)凝膠型離子交換樹(shù)脂命名凝膠型離子交換樹(shù)脂命名順序號(hào)順序號(hào)骨架代號(hào)骨架代號(hào)分類代號(hào)分類代號(hào)大型號(hào)代號(hào)大型號(hào)代號(hào)大孔型離子交換樹(shù)脂命名大孔型離子交換樹(shù)脂命名第二節(jié)第二節(jié) 離子交換樹(shù)脂的合成離子交換樹(shù)脂的合成離子交換樹(shù)脂的合成

16、離子交換樹(shù)脂的合成n應(yīng)用應(yīng)用高分子聚合高分子聚合和和有機(jī)化學(xué)反應(yīng)原理有機(jī)化學(xué)反應(yīng)原理來(lái)合成帶有活性基團(tuán)的多價(jià)高聚物來(lái)合成帶有活性基團(tuán)的多價(jià)高聚物.n主要的合成方法有兩類：主要的合成方法有兩類：n加聚法：加聚法：n縮聚法：縮聚法：1、加聚法、加聚法 以具有以具有1個(gè)和個(gè)和2個(gè)以上雙鍵個(gè)以上雙鍵的單體的單體原料，在含原料，在含分散劑分散劑的介質(zhì)中的介質(zhì)中攪拌加熱攪拌加熱下進(jìn)行下進(jìn)行懸浮聚合懸浮聚合，得到有立體網(wǎng)狀結(jié)，得到有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的球體，后進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)構(gòu)的球體，后進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)引入活性引入活性基團(tuán)基團(tuán)形成離子交換樹(shù)脂。形成離子交換樹(shù)脂。2、縮聚法、縮聚法 由由2個(gè)或個(gè)或2個(gè)以上帶有功能基的個(gè)以上

17、帶有功能基的單體單體通過(guò)功能基間的通過(guò)功能基間的相互作用相互作用進(jìn)行進(jìn)行反應(yīng)，在分散介質(zhì)下進(jìn)行反應(yīng)，在分散介質(zhì)下進(jìn)行懸浮聚合懸浮聚合，引入活性基團(tuán)引入活性基團(tuán)而成。而成。離子交換樹(shù)脂的合成離子交換樹(shù)脂的合成交聯(lián)劑：交聯(lián)劑：二烯化合物（最常用的是二烯化合物（最常用的是二乙烯二乙烯苯苯），形成樹(shù)脂的三元網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（不溶解），形成樹(shù)脂的三元網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（不溶解性能）。性能）。交聯(lián)度：交聯(lián)度：合成時(shí)在單體相中所含二乙烯苯合成時(shí)在單體相中所含二乙烯苯含量。含量。分散劑：分散劑：水溶性有機(jī)物水溶性有機(jī)物淀粉、明膠、聚淀粉、明膠、聚甲基丙烯酸、聚乙烯酸等；不溶或微溶于甲基丙烯酸、聚乙烯酸等；不溶或微溶于水的無(wú)機(jī)物

18、水的無(wú)機(jī)物硫酸鈣、磷酸鈣、滑石粉等。硫酸鈣、磷酸鈣、滑石粉等。幾種主要的離子交換樹(shù)脂制備方法幾種主要的離子交換樹(shù)脂制備方法n苯乙烯型離子交換樹(shù)脂苯乙烯型離子交換樹(shù)脂 單體：苯乙烯單體：苯乙烯; 交聯(lián)劑交聯(lián)劑:二乙烯苯二乙烯苯 酸性樹(shù)脂引入磺酸基，堿性樹(shù)脂引入季酸性樹(shù)脂引入磺酸基，堿性樹(shù)脂引入季 銨，伯、銨，伯、叔胺叔胺n丙烯酸丙烯酸-二乙烯苯羧基樹(shù)脂二乙烯苯羧基樹(shù)脂n酚醛樹(shù)脂酚醛樹(shù)脂 單體：水揚(yáng)酸、苯酚、甲醛經(jīng)縮聚而成單體：水揚(yáng)酸、苯酚、甲醛經(jīng)縮聚而成n多乙烯多胺多乙烯多胺-環(huán)氧氯丙烷樹(shù)脂環(huán)氧氯丙烷樹(shù)脂樹(shù)脂類型樹(shù)脂類型n國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的樹(shù)脂主要有：國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的樹(shù)脂主要有：n苯乙烯苯乙烯二乙烯苯二乙烯苯

19、型型n丙烯酸丙烯酸二乙烯苯二乙烯苯型型n酚醛型（水楊酸、酚醛型（水楊酸、苯酚、甲醛苯酚、甲醛）n多乙烯多胺多乙烯多胺環(huán)氧氯丙烷型環(huán)氧氯丙烷型第三節(jié)第三節(jié) 離子交換樹(shù)脂的理化性能和測(cè)定離子交換樹(shù)脂的理化性能和測(cè)定一、實(shí)用離子交一、實(shí)用離子交換樹(shù)脂要求換樹(shù)脂要求n外觀：外觀：一種透明或半透明物質(zhì)，有白、一種透明或半透明物質(zhì)，有白、黃、黑、褐等色。黃、黑、褐等色。n 顏色與性能關(guān)系不大；顏色與性能關(guān)系不大；n樹(shù)脂顆粒大小，對(duì)樹(shù)脂樹(shù)脂顆粒大小，對(duì)樹(shù)脂交換能力、溶液交換能力、溶液流動(dòng)、流失流動(dòng)、流失等影響較大；等影響較大；n多為球形，多為球形， 流體阻力；流體阻力；n顆粒大?。侯w粒大小：2060目目（0

20、.250.84mm），），過(guò)小，過(guò)小，流體阻力增大，流速流體阻力增大，流速 ，反洗難。過(guò)大，交，反洗難。過(guò)大，交換速度換速度 。實(shí)用離子交換樹(shù)脂要求（續(xù)）實(shí)用離子交換樹(shù)脂要求（續(xù)）n交聯(lián)度：交聯(lián)度：須具有一定交聯(lián)度，使其不溶于須具有一定交聯(lián)度，使其不溶于一般酸、堿及有機(jī)溶劑。一般酸、堿及有機(jī)溶劑。n交聯(lián)度大小決定樹(shù)脂機(jī)械強(qiáng)度及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)度大小決定樹(shù)脂機(jī)械強(qiáng)度及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的疏密；疏密；交聯(lián)度大，網(wǎng)孔小，結(jié)構(gòu)緊密，樹(shù)脂交聯(lián)度大，網(wǎng)孔小，結(jié)構(gòu)緊密，樹(shù)脂機(jī)械強(qiáng)度大；交聯(lián)度小，網(wǎng)孔大，結(jié)構(gòu)疏松，機(jī)械強(qiáng)度大；交聯(lián)度小，網(wǎng)孔大，結(jié)構(gòu)疏松，樹(shù)脂機(jī)械強(qiáng)度小。樹(shù)脂機(jī)械強(qiáng)度小。n交聯(lián)度變化，使樹(shù)脂對(duì)大小不同離子具

21、有選交聯(lián)度變化，使樹(shù)脂對(duì)大小不同離子具有選擇性通過(guò)的能力。擇性通過(guò)的能力。n樹(shù)脂的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使其具有固體不溶性，但樹(shù)脂的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使其具有固體不溶性，但能吸水溶脹。能吸水溶脹。實(shí)用離子交換樹(shù)脂要求（續(xù)）實(shí)用離子交換樹(shù)脂要求（續(xù)）n化學(xué)穩(wěn)定性：化學(xué)穩(wěn)定性：應(yīng)有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，不應(yīng)有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易分解破壞。易分解破壞。n機(jī)械強(qiáng)度：機(jī)械強(qiáng)度：有一定的物理穩(wěn)定性，避免或有一定的物理穩(wěn)定性，避免或減少破損流失。減少破損流失。n交換量：交換量：為了能有較大的交換容量，在制為了能有較大的交換容量，在制造時(shí)應(yīng)使單位質(zhì)量樹(shù)脂所含的官能團(tuán)盡可造時(shí)應(yīng)使單位質(zhì)量樹(shù)脂所含的官能團(tuán)盡可能多。能多。有較大的交換容

22、量和選擇性好（實(shí)有較大的交換容量和選擇性好（實(shí)際應(yīng)用中具有多少可交換離子的能力），際應(yīng)用中具有多少可交換離子的能力），要容易解吸（良好的可逆性）。要容易解吸（良好的可逆性）。二、樹(shù)脂主要性能的測(cè)定方法二、樹(shù)脂主要性能的測(cè)定方法n含水量：含水量：樹(shù)脂是親水性，故含很多水分。樹(shù)脂是親水性，故含很多水分。在在105110C干燥至恒重來(lái)測(cè)定其含水量干燥至恒重來(lái)測(cè)定其含水量。 將樹(shù)脂離心將樹(shù)脂離心 (400g, 30min)，所失去的，所失去的 水分稱為溶脹水。它和樹(shù)脂的交聯(lián)度有關(guān)，水分稱為溶脹水。它和樹(shù)脂的交聯(lián)度有關(guān)， 可作為測(cè)定交聯(lián)度的一種方法?？勺鳛闇y(cè)定交聯(lián)度的一種方法。樹(shù)脂主要性能的測(cè)定方法樹(shù)脂

23、主要性能的測(cè)定方法n膨脹度：膨脹度：n將將1015ml風(fēng)干樹(shù)脂于量筒中，加入欲試驗(yàn)風(fēng)干樹(shù)脂于量筒中，加入欲試驗(yàn)溶劑溶劑(水水)，不時(shí)搖動(dòng)，不時(shí)搖動(dòng)，24hr后測(cè)樹(shù)脂體積，后測(cè)樹(shù)脂體積，前后體積之比，稱為膨脹系數(shù)。前后體積之比，稱為膨脹系數(shù)。n膨脹系數(shù)與交聯(lián)度、交換量、可交換容量、膨脹系數(shù)與交聯(lián)度、交換量、可交換容量、溶液中離子性質(zhì)有關(guān)。溶液中離子性質(zhì)有關(guān)?？捎门蛎浵禂?shù)表征交可用膨脹系數(shù)表征交聯(lián)度。聯(lián)度。樹(shù)脂主要性能的測(cè)定方法樹(shù)脂主要性能的測(cè)定方法n密度：密度：有干真密度、濕真密度、視密度等。有干真密度、濕真密度、視密度等。n濕真密度：濕真密度：取處理成所需型式的濕樹(shù)脂取處理成所需型式的濕樹(shù)脂于

24、布氏漏斗中抽干，迅速稱取于布氏漏斗中抽干，迅速稱取25g抽干抽干樹(shù)脂于密度瓶中，加水至刻度稱重。樹(shù)脂于密度瓶中，加水至刻度稱重。 濕真密度濕真密度=樹(shù)脂稱樣質(zhì)量樹(shù)脂稱樣質(zhì)量/被排擠的水質(zhì)量被排擠的水質(zhì)量n視密度：視密度：樹(shù)脂充分膨脹后的堆積密度。樹(shù)脂充分膨脹后的堆積密度。樹(shù)脂主要性能的測(cè)定方法樹(shù)脂主要性能的測(cè)定方法n交換容量：交換容量：表征樹(shù)脂性能的重要數(shù)據(jù)，用表征樹(shù)脂性能的重要數(shù)據(jù)，用單位質(zhì)量干樹(shù)脂或單位體積濕樹(shù)脂所能單位質(zhì)量干樹(shù)脂或單位體積濕樹(shù)脂所能吸吸附的附的1價(jià)價(jià)離子的毫摩爾數(shù)表示。離子的毫摩爾數(shù)表示。n工作交換容量：工作交換容量：樹(shù)脂充填在柱中操作，當(dāng)樹(shù)脂充填在柱中操作，當(dāng)溶液中有價(jià)

25、值離子達(dá)到所規(guī)定的某一濃度溶液中有價(jià)值離子達(dá)到所規(guī)定的某一濃度時(shí)（時(shí)（漏出點(diǎn)漏出點(diǎn)），操作即停止，進(jìn)行再生。），操作即停止，進(jìn)行再生。在漏出點(diǎn)時(shí)，樹(shù)脂所吸附的量稱為工作交在漏出點(diǎn)時(shí)，樹(shù)脂所吸附的量稱為工作交換容量，實(shí)用上比較重要。換容量，實(shí)用上比較重要。樹(shù)脂主要性能的測(cè)定方法樹(shù)脂主要性能的測(cè)定方法n滴定曲線：滴定曲線：n與離子強(qiáng)度、與離子強(qiáng)度、種類、樹(shù)脂官種類、樹(shù)脂官能團(tuán)的強(qiáng)度有能團(tuán)的強(qiáng)度有關(guān)。關(guān)。n由轉(zhuǎn)折點(diǎn)可估由轉(zhuǎn)折點(diǎn)可估計(jì)總交換量；計(jì)總交換量；n轉(zhuǎn)折點(diǎn)的數(shù)目轉(zhuǎn)折點(diǎn)的數(shù)目推知官能團(tuán)數(shù)推知官能團(tuán)數(shù)目；目；n表示交換容量表示交換容量隨隨pH的變化。的變化。第四節(jié)第四節(jié) 離子交換過(guò)程的理論基礎(chǔ)離子

26、交換過(guò)程的理論基礎(chǔ)一、離子交換平衡一、離子交換平衡n離子交換過(guò)程是在固態(tài)樹(shù)脂和水溶液接觸離子交換過(guò)程是在固態(tài)樹(shù)脂和水溶液接觸的界面發(fā)生的可逆反應(yīng)。的界面發(fā)生的可逆反應(yīng)。離子交換平衡離子交換平衡n離子交換反應(yīng)是按離子交換反應(yīng)是按化學(xué)物質(zhì)的量化學(xué)物質(zhì)的量的關(guān)的關(guān)系進(jìn)行。系進(jìn)行。n陽(yáng)離子交換反應(yīng)：陽(yáng)離子交換反應(yīng)： An+n(R-SO3-)B+ nB+(R-SO3-)nAn+假平衡假平衡n離子交換過(guò)程對(duì)有機(jī)大分子吸附時(shí)會(huì)存在離子交換過(guò)程對(duì)有機(jī)大分子吸附時(shí)會(huì)存在假平衡假平衡，原因：，原因：n樹(shù)脂的活性中心受空間排列的影響不能全部樹(shù)脂的活性中心受空間排列的影響不能全部吸附有機(jī)大分子，即樹(shù)脂上的活性中性排列

27、吸附有機(jī)大分子，即樹(shù)脂上的活性中性排列過(guò)密，其中一部分活性中性被有機(jī)大分子遮過(guò)密，其中一部分活性中性被有機(jī)大分子遮住，影響其吸附量；住，影響其吸附量；n樹(shù)脂顆粒度影響對(duì)大分子的交換：樹(shù)脂顆粒度影響對(duì)大分子的交換：顆粒大，顆粒大，有機(jī)大分子在樹(shù)脂內(nèi)部擴(kuò)散慢，平衡時(shí)間長(zhǎng)。有機(jī)大分子在樹(shù)脂內(nèi)部擴(kuò)散慢，平衡時(shí)間長(zhǎng)。二、離子交換過(guò)程和速度二、離子交換過(guò)程和速度離子交換過(guò)程和速度離子交換過(guò)程和速度 離子交換反應(yīng)是在動(dòng)態(tài)下進(jìn)行的，不論溶液離子交換反應(yīng)是在動(dòng)態(tài)下進(jìn)行的，不論溶液的運(yùn)動(dòng)情況怎樣，在樹(shù)脂表面上始終存在著一層的運(yùn)動(dòng)情況怎樣，在樹(shù)脂表面上始終存在著一層薄膜，起交換的離子只能借分子擴(kuò)散而通過(guò)這層薄膜，起

28、交換的離子只能借分子擴(kuò)散而通過(guò)這層簿膜。簿膜。 A+RB RA+B+ 離子交換速度離子交換速度：在單位時(shí)間內(nèi)，溶液中：在單位時(shí)間內(nèi)，溶液中A+濃濃度減少或度減少或B+濃度增加的量。濃度增加的量。 1、離子交換過(guò)程離子交換過(guò)程n離子交換反應(yīng)在動(dòng)態(tài)下進(jìn)行：離子交換反應(yīng)在動(dòng)態(tài)下進(jìn)行： A+RB RA+B+n離子交換速度：表示在單位時(shí)間內(nèi)，離子交換速度：表示在單位時(shí)間內(nèi)，溶液中溶液中A+濃度減少或濃度減少或B+濃度增加的濃度增加的量。量。離子交換過(guò)程的機(jī)理離子交換過(guò)程的機(jī)理n以以732樹(shù)脂上樹(shù)脂上H+交換谷氨酸離子為例：交換谷氨酸離子為例：n谷氨酸離子從溶液通過(guò)液膜擴(kuò)散至樹(shù)脂谷氨酸離子從溶液通過(guò)液膜擴(kuò)

29、散至樹(shù)脂表面；表面；n穿過(guò)樹(shù)脂表面向樹(shù)脂孔內(nèi)部擴(kuò)散至有效穿過(guò)樹(shù)脂表面向樹(shù)脂孔內(nèi)部擴(kuò)散至有效交換位置；交換位置；n谷氨酸離子與樹(shù)脂中谷氨酸離子與樹(shù)脂中H+離子交換；離子交換；nH+從樹(shù)脂內(nèi)部向樹(shù)脂表面擴(kuò)散；從樹(shù)脂內(nèi)部向樹(shù)脂表面擴(kuò)散；nH+穿過(guò)樹(shù)脂表面的液膜進(jìn)入水溶液。穿過(guò)樹(shù)脂表面的液膜進(jìn)入水溶液。n其中步驟其中步驟(1)、(5)稱為外擴(kuò)散或膜擴(kuò)散；稱為外擴(kuò)散或膜擴(kuò)散；(2)、(4)稱為內(nèi)擴(kuò)散或粒擴(kuò)散；稱為內(nèi)擴(kuò)散或粒擴(kuò)散；(3)稱為交換反應(yīng)。稱為交換反應(yīng)。一般反應(yīng)速度很快，而擴(kuò)散速度很慢，因一般反應(yīng)速度很快，而擴(kuò)散速度很慢，因此，離子交換反應(yīng)的速度主要取決于此，離子交換反應(yīng)的速度主要取決于擴(kuò)散擴(kuò)散

30、速度速度。反應(yīng)速度主要取決于擴(kuò)散速度。反應(yīng)速度主要取決于擴(kuò)散速度。A+樹(shù)脂樹(shù)脂B+薄膜薄膜2、影響交換速度的因素影響交換速度的因素n樹(shù)脂顆粒：樹(shù)脂顆粒：n離子的外擴(kuò)散速度與樹(shù)脂顆粒大小成反比，離子的外擴(kuò)散速度與樹(shù)脂顆粒大小成反比，內(nèi)部擴(kuò)散速度與粒徑倒數(shù)的高次方成正比，內(nèi)部擴(kuò)散速度與粒徑倒數(shù)的高次方成正比，故粒度減小，交換速度加快。故粒度減小，交換速度加快。n樹(shù)脂的交聯(lián)度：樹(shù)脂的交聯(lián)度：n交聯(lián)度下降，樹(shù)脂易膨脹，樹(shù)脂內(nèi)擴(kuò)散較容交聯(lián)度下降，樹(shù)脂易膨脹，樹(shù)脂內(nèi)擴(kuò)散較容易。降低交聯(lián)度，可提高交換速度。易。降低交聯(lián)度，可提高交換速度。n溶液流速：溶液流速：n外擴(kuò)散隨溶液過(guò)柱流速的增加而增加；外擴(kuò)散隨溶液

31、過(guò)柱流速的增加而增加；n內(nèi)擴(kuò)散基本不受流速或攪拌的影響。內(nèi)擴(kuò)散基本不受流速或攪拌的影響。影響交換速度的因素（續(xù)）影響交換速度的因素（續(xù)）n溶液濃度：溶液濃度：n溶液中離子濃度低，對(duì)外擴(kuò)散速度影響較大，溶液中離子濃度低，對(duì)外擴(kuò)散速度影響較大，對(duì)內(nèi)擴(kuò)散影響較?。浑x子濃度較高，對(duì)內(nèi)擴(kuò)對(duì)內(nèi)擴(kuò)散影響較??；離子濃度較高，對(duì)內(nèi)擴(kuò)散影響較大，對(duì)外擴(kuò)散影響較小。散影響較大，對(duì)外擴(kuò)散影響較小。n溫度：溫度：n溶液溫度升高，擴(kuò)散速度加快，交換速溶液溫度升高，擴(kuò)散速度加快，交換速度也增加。度也增加。影響交換速度的因素（續(xù)）影響交換速度的因素（續(xù)）n離子的大小：離子的大?。簄小離子的交換速度較快；大分子受空小離子的交換

32、速度較快；大分子受空間阻礙，擴(kuò)散速度特別慢。間阻礙，擴(kuò)散速度特別慢。n離子的化合價(jià)：離子的化合價(jià)：n離子與樹(shù)脂骨架間存在庫(kù)侖引力，化離子與樹(shù)脂骨架間存在庫(kù)侖引力，化合價(jià)越高，擴(kuò)散越慢合價(jià)越高，擴(kuò)散越慢。三、離子交換選擇性三、離子交換選擇性離子交換選擇性離子交換選擇性離子交換選擇性離子交換選擇性： 在實(shí)際應(yīng)用中，溶液中常常同時(shí)存在著很多離子。離在實(shí)際應(yīng)用中，溶液中常常同時(shí)存在著很多離子。離子交換樹(shù)脂能否將所需離子從溶液中吸附出或?qū)㈦s質(zhì)離子子交換樹(shù)脂能否將所需離子從溶液中吸附出或?qū)㈦s質(zhì)離子全部全部(或大部或大部)吸附住，具有更大的實(shí)際意義。這就是離子吸附住，具有更大的實(shí)際意義。這就是離子交換選擇性

33、。交換選擇性。 離子交換樹(shù)脂和離子間的親和力越大，就越容易吸附。離子交換樹(shù)脂和離子間的親和力越大，就越容易吸附。n樹(shù)脂的選擇性集中反應(yīng)在交換常數(shù)樹(shù)脂的選擇性集中反應(yīng)在交換常數(shù)K的數(shù)值上。的數(shù)值上。離子交換選擇性離子交換選擇性離子選擇系數(shù)離子選擇系數(shù)K： B KA越大，離子交換樹(shù)脂對(duì)越大，離子交換樹(shù)脂對(duì)B離子的選擇離子的選擇性越大性越大(相對(duì)于相對(duì)于A離子而言離子而言)；反之，小于；反之，小于1，樹(shù)脂對(duì)樹(shù)脂對(duì)A離子的選擇性大。離子的選擇性大。 離子選擇系數(shù)定性地表示離子交換劑離子選擇系數(shù)定性地表示離子交換劑的選擇性，因此又稱分配系數(shù)或交換勢(shì)。的選擇性，因此又稱分配系數(shù)或交換勢(shì)。影響離子交換樹(shù)脂選

34、擇性的因素影響離子交換樹(shù)脂選擇性的因素1、離子價(jià)數(shù)：離子價(jià)數(shù)：優(yōu)先選擇高價(jià)離子，低優(yōu)先選擇高價(jià)離子，低價(jià)離子被吸附時(shí)較弱。價(jià)離子被吸附時(shí)較弱。n陽(yáng)離子被吸附順序：陽(yáng)離子被吸附順序： Fe3+ Al3+ Ca2+ Mg2+ Na+n陰離子被吸附順序：陰離子被吸附順序： 檸檬酸根檸檬酸根 硫酸根硫酸根 硝酸根硝酸根影響影響 離子交換樹(shù)脂選擇性的因素離子交換樹(shù)脂選擇性的因素2、溶液濃度的影響：、溶液濃度的影響：n樹(shù)脂對(duì)離子交換吸附的選擇性，在稀溶液中樹(shù)脂對(duì)離子交換吸附的選擇性，在稀溶液中選擇性較大，在濃溶液中較小。選擇性較大，在濃溶液中較小。因此可將溶因此可將溶液稀釋，樹(shù)脂選擇吸附高價(jià)離子。液稀釋，

35、樹(shù)脂選擇吸附高價(jià)離子。3、離子的水化半徑：、離子的水化半徑：n離子在水溶液中的大小應(yīng)用水化半徑來(lái)表征，離子在水溶液中的大小應(yīng)用水化半徑來(lái)表征，而不是原子量。水化半徑較小的離子優(yōu)先吸而不是原子量。水化半徑較小的離子優(yōu)先吸附。附。影響影響 離子交換樹(shù)脂選擇性的因素離子交換樹(shù)脂選擇性的因素4、樹(shù)脂物理結(jié)構(gòu)的影響：、樹(shù)脂物理結(jié)構(gòu)的影響：n交聯(lián)度高對(duì)離子的選擇性較強(qiáng)；交聯(lián)度高對(duì)離子的選擇性較強(qiáng)；n大孔型樹(shù)脂選擇性低于凝膠型樹(shù)脂。大孔型樹(shù)脂選擇性低于凝膠型樹(shù)脂。5、有機(jī)溶劑的影響：、有機(jī)溶劑的影響：n有機(jī)溶劑存在，樹(shù)脂對(duì)有機(jī)離子的選有機(jī)溶劑存在，樹(shù)脂對(duì)有機(jī)離子的選擇性降低，而易吸附無(wú)機(jī)離子。擇性降低，而易

36、吸附無(wú)機(jī)離子。影響影響 離子交換樹(shù)脂選擇性的因素離子交換樹(shù)脂選擇性的因素6、樹(shù)脂與交換離子間的輔助力：、樹(shù)脂與交換離子間的輔助力：n能與樹(shù)脂間形成輔助力能與樹(shù)脂間形成輔助力（氫鍵、范德華力（氫鍵、范德華力等）等） ，樹(shù)脂對(duì)其吸附力就大；，樹(shù)脂對(duì)其吸附力就大；n破壞輔助力的溶液，能將離子從樹(shù)脂上破壞輔助力的溶液，能將離子從樹(shù)脂上洗脫出來(lái)。洗脫出來(lái)。第五節(jié)第五節(jié) 離子交換的應(yīng)用離子交換的應(yīng)用一、離子交一、離子交 換裝置換裝置n主要裝置：主要裝置：離子離子交換柱。交換柱。離子交換柱離子交換柱二、離子交換樹(shù)脂的工作過(guò)程二、離子交換樹(shù)脂的工作過(guò)程1、樹(shù)脂預(yù)處理、樹(shù)脂預(yù)處理n新樹(shù)脂須預(yù)處理，才能使用。新樹(shù)

37、脂須預(yù)處理，才能使用。n預(yù)處理過(guò)程：預(yù)處理過(guò)程： 新樹(shù)脂新樹(shù)脂 裝柱裝柱 去離子水浸泡去離子水浸泡 10%食食鹽水浸泡鹽水浸泡 水洗水洗 根據(jù)樹(shù)脂類型和型號(hào)分根據(jù)樹(shù)脂類型和型號(hào)分別用酸、堿處理別用酸、堿處理 調(diào)調(diào)pH。2、上柱交換、上柱交換n離子交換的關(guān)鍵，要求吸附完全，集中。離子交換的關(guān)鍵，要求吸附完全，集中。n交換方式：交換方式：順流順流(正上柱正上柱)或逆流或逆流(倒上柱倒上柱)進(jìn)進(jìn)行。行。已交換層已交換層交換帶交換帶未交換層未交換層交換柱交換柱上柱交換（續(xù)）上柱交換（續(xù)）n實(shí)際應(yīng)用中要求實(shí)際應(yīng)用中要求交換帶寬度越窄越好交換帶寬度越窄越好，有效交換容量大，柱利用率高。有效交換容量大，柱利

38、用率高。n生產(chǎn)上，開(kāi)始上柱時(shí)加快流速，提高生生產(chǎn)上，開(kāi)始上柱時(shí)加快流速，提高生產(chǎn)力，最后降低流速，減小交換帶寬度，產(chǎn)力，最后降低流速，減小交換帶寬度，提高柱利用率。提高柱利用率。n交換至漏出點(diǎn)，停止交換，進(jìn)行洗脫或交換至漏出點(diǎn)，停止交換，進(jìn)行洗脫或再生。再生。強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分離示例強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分離示例Cl-, K+, Na+, Ag+ 的分離的分離K：親和力：親和力H+ Na+ K+ Ag+H2O交換交換 exchange游離狀態(tài)游離狀態(tài)強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分離示例Cl-, K+, Na+, Ag+ 的分離K：親和力：親和力 H+ Na+ K+ Ag+H2O游離狀態(tài)交換反應(yīng)3、洗

39、脫、洗脫n洗脫：洗脫：用親和力更強(qiáng)的同性離子取代樹(shù)脂上用親和力更強(qiáng)的同性離子取代樹(shù)脂上吸附的產(chǎn)物。吸附的產(chǎn)物。n生物大分子分離純化兩種方式：生物大分子分離純化兩種方式：n正吸附：正吸附：將產(chǎn)物離子化，被交換到介質(zhì)上，雜將產(chǎn)物離子化，被交換到介質(zhì)上，雜質(zhì)從柱中流出，產(chǎn)物經(jīng)洗脫收集。產(chǎn)物純度高，質(zhì)從柱中流出，產(chǎn)物經(jīng)洗脫收集。產(chǎn)物純度高，濃縮大，適用于產(chǎn)物濃度低且溶液的量大。濃縮大，適用于產(chǎn)物濃度低且溶液的量大。n負(fù)吸附：負(fù)吸附：雜質(zhì)離子化后被交換，產(chǎn)物直接流出雜質(zhì)離子化后被交換，產(chǎn)物直接流出收集?？沙ゴ蟛糠蛛s質(zhì)，產(chǎn)物純度不高，適收集?？沙ゴ蟛糠蛛s質(zhì)，產(chǎn)物純度不高，適用于產(chǎn)物濃度高的工作液。用于

40、產(chǎn)物濃度高的工作液。洗脫洗脫 elute H+ Na+ K+ Ag+CtNa+K+Ag+淋洗曲線淋洗曲線洗脫劑洗脫劑 eluant洗出液洗出液 eluate H+ Na+ K+ Ag+CtNa+K+Ag+前一狀態(tài)洗脫淋洗曲線4、樹(shù)脂的再生、樹(shù)脂的再生n樹(shù)脂逐漸吸附料液中雜質(zhì)，使離子交換能樹(shù)脂逐漸吸附料液中雜質(zhì)，使離子交換能力降低，需再生處理。力降低，需再生處理。n再生反應(yīng)是交換吸附的逆反應(yīng)。再生反應(yīng)是交換吸附的逆反應(yīng)。n再生步驟：再生步驟：清水洗凈；再生劑再生；清水清水洗凈；再生劑再生；清水洗至所洗至所需需pH值。值。n再生劑的種類：再生劑的種類：根據(jù)樹(shù)脂的離子類型來(lái)選根據(jù)樹(shù)脂的離子類型來(lái)選擇

41、。擇。n控制樹(shù)脂控制樹(shù)脂恢復(fù)程度為恢復(fù)程度為7080%，降低再生費(fèi)，降低再生費(fèi)用。用。三、樹(shù)脂和操作條件的選擇三、樹(shù)脂和操作條件的選擇1、樹(shù)脂的選擇樹(shù)脂的選擇n離子型產(chǎn)品離子型產(chǎn)品(雜質(zhì)雜質(zhì))用離子交換法提取或脫用離子交換法提取或脫除，選用合適樹(shù)脂是應(yīng)用離子交換法的關(guān)除，選用合適樹(shù)脂是應(yīng)用離子交換法的關(guān)鍵：鍵：n強(qiáng)堿性離子宜用弱酸性樹(shù)脂；強(qiáng)堿性離子宜用弱酸性樹(shù)脂；n弱堿性離子宜用強(qiáng)酸性樹(shù)脂；弱堿性離子宜用強(qiáng)酸性樹(shù)脂；n強(qiáng)酸性離子宜用弱堿性樹(shù)脂；強(qiáng)酸性離子宜用弱堿性樹(shù)脂；n弱酸性離子宜用強(qiáng)堿性樹(shù)脂；弱酸性離子宜用強(qiáng)堿性樹(shù)脂；n吸附大分子離子，選擇交聯(lián)度較低的樹(shù)脂；吸附大分子離子，選擇交聯(lián)度較低的

42、樹(shù)脂；n吸附小分子離子，交聯(lián)度不影響交換容量。吸附小分子離子，交聯(lián)度不影響交換容量。原因原因：1、4：強(qiáng)酸對(duì)強(qiáng)堿，解吸較困難；：強(qiáng)酸對(duì)強(qiáng)堿，解吸較困難； 2、3：弱酸對(duì)弱堿，形成的鹽易水解，不易吸附；：弱酸對(duì)弱堿，形成的鹽易水解，不易吸附； 5：低交聯(lián)度便于大分子擴(kuò)散到樹(shù)脂內(nèi)部，但交聯(lián)度：低交聯(lián)度便于大分子擴(kuò)散到樹(shù)脂內(nèi)部，但交聯(lián)度過(guò)低，會(huì)影響樹(shù)脂的選擇性和機(jī)械強(qiáng)度；過(guò)低，會(huì)影響樹(shù)脂的選擇性和機(jī)械強(qiáng)度； 6：交聯(lián)度過(guò)高，樹(shù)脂在清洗再生及轉(zhuǎn)型過(guò)程中，膨：交聯(lián)度過(guò)高，樹(shù)脂在清洗再生及轉(zhuǎn)型過(guò)程中，膨脹度較大，對(duì)設(shè)備造成損壞。脹度較大，對(duì)設(shè)備造成損壞。2、合適、合適操作條件的選擇操作條件的選擇n交換時(shí)的

43、交換時(shí)的pH：npH應(yīng)在產(chǎn)物穩(wěn)定范圍內(nèi)；應(yīng)在產(chǎn)物穩(wěn)定范圍內(nèi)；n使產(chǎn)物離子化；使產(chǎn)物離子化；n使樹(shù)脂能解離。使樹(shù)脂能解離。n樹(shù)脂的型式：樹(shù)脂的型式：n酸性樹(shù)脂可采用氫型或鈉型；酸性樹(shù)脂可采用氫型或鈉型；n堿性樹(shù)脂可采用羥型或氯型。堿性樹(shù)脂可采用羥型或氯型。操作條件的選擇操作條件的選擇n溶液中產(chǎn)物濃度：溶液中產(chǎn)物濃度：n低價(jià)離子增加濃度有利于交換上樹(shù)脂；低價(jià)離子增加濃度有利于交換上樹(shù)脂；n高價(jià)離子稀釋時(shí)易被吸附。高價(jià)離子稀釋時(shí)易被吸附。n洗脫條件：洗脫條件：n洗脫前，樹(shù)脂的洗滌很重要；洗脫前，樹(shù)脂的洗滌很重要；n盡量使溶液中被洗脫離子濃度降低；盡量使溶液中被洗脫離子濃度降低；n洗脫條件洗脫條件一般

44、應(yīng)和吸附條件相反。一般應(yīng)和吸附條件相反。四、軟水和無(wú)鹽水的制備四、軟水和無(wú)鹽水的制備n離子交換法是最主要、最先進(jìn)、最離子交換法是最主要、最先進(jìn)、最經(jīng)濟(jì)的水處理技術(shù)；經(jīng)濟(jì)的水處理技術(shù)；n鍋爐給水：軟水；鍋爐給水：軟水；n樹(shù)脂洗滌：無(wú)鹽水或軟水。樹(shù)脂洗滌：無(wú)鹽水或軟水。1、軟水制備、軟水制備n軟水：軟水：利用鈉型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂去除利用鈉型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂去除Ca2+、Mg2+后的水：后的水： Ca2+ Ca2+ 2RSO3Na + (RSO3)2 + 2Na+ Mg2+ Mg2+n再生用食鹽水再生用食鹽水(1015%)生成鈉型，反復(fù)使生成鈉型，反復(fù)使用。用。2、無(wú)鹽水的制備、無(wú)鹽水的制備n無(wú)鹽水：無(wú)

45、鹽水：將原水中的所有溶解性鹽類、將原水中的所有溶解性鹽類、游離酸、堿離子去除。游離酸、堿離子去除。n將原水通過(guò)將原水通過(guò)氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂氫型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和和羥型羥型陰離子交換樹(shù)脂陰離子交換樹(shù)脂，經(jīng)離子交換反應(yīng)，去，經(jīng)離子交換反應(yīng)，去除陰、陽(yáng)離子制成。除陰、陽(yáng)離子制成。n制備無(wú)鹽水包括陽(yáng)離子交換、陰離子制備無(wú)鹽水包括陽(yáng)離子交換、陰離子交換反應(yīng)。交換反應(yīng)。無(wú)鹽水的制備（續(xù)）無(wú)鹽水的制備（續(xù)）n陽(yáng)離子交換反應(yīng)多采用陽(yáng)離子交換反應(yīng)多采用強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂樹(shù)脂：n用一定濃度用一定濃度的的HCl、H2SO4再生。再生。 無(wú)鹽水的制備（續(xù)）無(wú)鹽水的制備（續(xù)）n陰離子交換反應(yīng)用陰離子交換

46、反應(yīng)用強(qiáng)堿或弱堿性樹(shù)脂強(qiáng)堿或弱堿性樹(shù)脂做交做交換：換： 2ROH+H2SO4(HCl、H2SiO3) R2SO4(RCl、RHSiO3)+H2On失效后失效后用用58%的的NaOH再生。再生。無(wú)鹽水的制備（續(xù)）無(wú)鹽水的制備（續(xù)）n根據(jù)原水質(zhì)量和供水要求，采用不根據(jù)原水質(zhì)量和供水要求，采用不同組合：同組合：n原水經(jīng)一個(gè)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂床和一個(gè)原水經(jīng)一個(gè)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂床和一個(gè)陰離子交換樹(shù)脂床陰離子交換樹(shù)脂床一級(jí)復(fù)床系統(tǒng)一級(jí)復(fù)床系統(tǒng)（初級(jí)純水）（初級(jí)純水）；n幾個(gè)陽(yáng)離子交換器與陰離子交換器串幾個(gè)陽(yáng)離子交換器與陰離子交換器串聯(lián)聯(lián)多床多塔除鹽系統(tǒng)多床多塔除鹽系統(tǒng)。無(wú)鹽水的制備（續(xù)）無(wú)鹽水的制備（續(xù)）n混合

47、床離子交換系統(tǒng)：混合床離子交換系統(tǒng)：n將陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂裝在同一交換器將陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂裝在同一交換器內(nèi)直接進(jìn)行離子交換除鹽的系統(tǒng)；內(nèi)直接進(jìn)行離子交換除鹽的系統(tǒng)；n優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)完全，脫鹽效果很好；優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)完全，脫鹽效果很好；n缺點(diǎn)：再生操作不便；缺點(diǎn)：再生操作不便；混合床交換反應(yīng)綜合式混合床交換反應(yīng)綜合式無(wú)鹽水的制備（續(xù)）無(wú)鹽水的制備（續(xù)）n混合床操作：混合床操作：五、離子交換技術(shù)五、離子交換技術(shù) 在生物工程的應(yīng)用在生物工程的應(yīng)用n用離子交換樹(shù)脂從發(fā)酵液中富集與純化用離子交換樹(shù)脂從發(fā)酵液中富集與純化產(chǎn)物；產(chǎn)物；n氨基酸：氨基酸：含氨基和羧基的兩性化合物，含氨基和羧基的兩性化合物，不同不同pH下

48、能以正、負(fù)離子或兩性離子存下能以正、負(fù)離子或兩性離子存在：在：npH 3.22時(shí)，谷氨酸呈陽(yáng)離子狀態(tài)，用時(shí)，谷氨酸呈陽(yáng)離子狀態(tài)，用732強(qiáng)強(qiáng)酸性酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂對(duì)谷氨酸陽(yáng)離子選擇吸陽(yáng)離子交換樹(shù)脂對(duì)谷氨酸陽(yáng)離子選擇吸附。附。離子交換技術(shù)在生物工程的應(yīng)用離子交換技術(shù)在生物工程的應(yīng)用n抗生素：抗生素：利用離交樹(shù)脂可選擇性吸附分利用離交樹(shù)脂可選擇性吸附分離多種離子型抗生素離多種離子型抗生素n核苷酸及脫氧核苷酸：核苷酸及脫氧核苷酸：兩性化合物，可兩性化合物，可用陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分離純化。用陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分離純化。n吸附樹(shù)脂從發(fā)酵液中吸附提取吸附樹(shù)脂從發(fā)酵液中吸附提取維生素、維生素、酶、輔酶酶、輔

49、酶等。等。n有機(jī)酸有機(jī)酸的制備中。的制備中。第六節(jié)第六節(jié) 生化用離子交換劑的特點(diǎn)和種類生化用離子交換劑的特點(diǎn)和種類 一、生化用離子交換劑的特點(diǎn)一、生化用離子交換劑的特點(diǎn)n分離活性大分子的生化專用介質(zhì)（樹(shù)脂）應(yīng)分離活性大分子的生化專用介質(zhì)（樹(shù)脂）應(yīng)具有特殊的性能：具有特殊的性能：n親水性及生物相溶性：親水性及生物相溶性：以親水性骨架衍生的離子以親水性骨架衍生的離子交換劑為生物大分子提供適宜的微環(huán)境，有很好交換劑為生物大分子提供適宜的微環(huán)境，有很好的生物相容性；的生物相容性；n孔結(jié)構(gòu)：孔結(jié)構(gòu)：比通用介質(zhì)要求高，孔徑分布更均勻。比通用介質(zhì)要求高，孔徑分布更均勻。n電荷密度：電荷密度：電荷密度適當(dāng)才有

50、利于生物大分子分電荷密度適當(dāng)才有利于生物大分子分離純化。離純化。n粒度：粒度：粒徑小粒徑小(2030 m)n純度純度純純 度度n生化用介質(zhì)可分以下幾個(gè)等級(jí)：生化用介質(zhì)可分以下幾個(gè)等級(jí)：n工業(yè)級(jí)：工業(yè)級(jí)：適用于要求純度不高的工藝過(guò)程或用適用于要求純度不高的工藝過(guò)程或用量很大、用戶用酸堿等處理純化后使用。量很大、用戶用酸堿等處理純化后使用。n分析級(jí)：分析級(jí)：經(jīng)有機(jī)溶劑、絡(luò)合劑及高純酸堿處理經(jīng)有機(jī)溶劑、絡(luò)合劑及高純酸堿處理后的產(chǎn)品，適用于分析實(shí)驗(yàn)。后的產(chǎn)品，適用于分析實(shí)驗(yàn)。n生物技術(shù)級(jí)：生物技術(shù)級(jí)：經(jīng)特殊純化處理和滅菌，每克介經(jīng)特殊純化處理和滅菌，每克介質(zhì)中存在的微生物小于質(zhì)中存在的微生物小于100

51、個(gè)，粒徑小，分布個(gè)，粒徑小，分布均勻。均勻。n分子生物級(jí)分子生物級(jí)(DNA級(jí)級(jí))：要求介質(zhì)中既無(wú)核酸內(nèi)要求介質(zhì)中既無(wú)核酸內(nèi)切酶、外切酶，也無(wú)連接酶抑制劑。切酶、外切酶，也無(wú)連接酶抑制劑。二、生化用離子交換劑種類二、生化用離子交換劑種類n纖維素類：纖維素類：n離子交換纖維具有松散的親水網(wǎng)絡(luò)、大孔、離子交換纖維具有松散的親水網(wǎng)絡(luò)、大孔、大表面積等優(yōu)點(diǎn)。大表面積等優(yōu)點(diǎn)。n葡聚糖系葡聚糖系Sephadex離子交換劑：離子交換劑：n不溶于水及各種溶劑，避免強(qiáng)酸強(qiáng)堿，中性不溶于水及各種溶劑，避免強(qiáng)酸強(qiáng)堿，中性pH時(shí)可用時(shí)可用120C消毒消毒30min。n具有較高容量。具有較高容量。n瓊脂糖系列離子交換劑等

52、瓊脂糖系列離子交換劑等大網(wǎng)格離子交換樹(shù)脂大網(wǎng)格離子交換樹(shù)脂n在大網(wǎng)格吸附劑上引入離子交換功在大網(wǎng)格吸附劑上引入離子交換功能團(tuán)即成；能團(tuán)即成；大網(wǎng)格離子交換樹(shù)脂大網(wǎng)格離子交換樹(shù)脂n與凝膠樹(shù)脂相比有下列優(yōu)點(diǎn)：與凝膠樹(shù)脂相比有下列優(yōu)點(diǎn)：n交聯(lián)度高，交聯(lián)度高，因而有較好的化學(xué)和物理穩(wěn)定因而有較好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性；性；n孔徑大，孔徑大，適宜交換有機(jī)大分子，且交換速適宜交換有機(jī)大分子，且交換速度較快；度較快；n比表面大，比表面大，適用于有機(jī)反應(yīng)中作為催化劑；適用于有機(jī)反應(yīng)中作為催化劑；n即使完全失水也能維持其多孔結(jié)構(gòu)和巨大即使完全失水也能維持其多孔結(jié)構(gòu)和巨大的內(nèi)部表面積。的內(nèi)部表面積。大網(wǎng)格離子交換樹(shù)脂大網(wǎng)格離子交換樹(shù)脂n用反應(yīng)平衡關(guān)系式描述上述反應(yīng)：用反應(yīng)平衡關(guān)系式描述上述反應(yīng)： KAB=( B)n( RnA)/( A)( RB)n式中：式中：KAB -選擇系數(shù)選擇系數(shù) A 、 B -溶液中離子溶液中離子A、B活度活度 RnA、 RB-離子離子A、B在樹(shù)脂內(nèi)的相應(yīng)在樹(shù)脂內(nèi)的相應(yīng)活度活度