第九章離子交換設(shè)備

離子交換是利用交換劑（樹脂）與被提取物間的離子互相交換而進(jìn)行的。被提取物通常是極性化合物，即在溶液中能離解成陰、陽離子。優(yōu)點(diǎn)是：提取周期短、成本低、設(shè)備簡單、操作方便。缺點(diǎn)是：輔助時(shí)間長、酸堿耗量大、產(chǎn)品質(zhì)量差，pH變化范圍大。第一節(jié)離子交換原理一、離子交換基本用法：

1、雜質(zhì)除去：將被提取物中不需要的雜質(zhì)用離交樹脂吸附除去。水處理、食品中去雜；

2、產(chǎn)品吸附：把溶液中的產(chǎn)品用離交樹脂吸附，雜質(zhì)仍留在溶液中；氨基酸、酶制劑、抗菌素；

3、分離：溶液中含有多種產(chǎn)品時(shí)，用不同類型離交樹脂分別吸附分離。氨基酸；二、離子交換樹脂離子交換劑分有無機(jī)和有機(jī)兩類。無機(jī)交換劑：天然海綠砂、合成沸石，由于只能進(jìn)行表面交換，交換能力低，已不用。有機(jī)交換劑：由人工合成的帶有可交換離子的高分子化合物，又叫做離子交換樹脂。（1）離子交換樹脂的組成由高分子化合物（聚苯乙烯）和交聯(lián)劑（二乙烯苯）組成的高分子共聚物。它具有特殊的、疏松的、多孔的或象海綿狀的網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)。其分子結(jié)構(gòu)可分為兩部分：一部分是不能移動(dòng)的基團(tuán)，構(gòu)成樹脂的骨架；另一部分是具有交換作用的活性基團(tuán)；（2）離子交換樹脂分類活性基團(tuán)決定了離子交換樹脂的主要特性，根據(jù)活性基團(tuán)的性質(zhì)可將離子交換樹脂分類：

1、陽離子交換樹脂：可交換陽離子的酸性解離基團(tuán)。根據(jù)離解基團(tuán)的解離度大小又分為強(qiáng)弱兩種：

a、強(qiáng)酸性陽離子樹脂：活性基團(tuán)是磺酸基、磷酸基、亞磷酸基；

b、弱酸性陽離子樹脂：活性基團(tuán)是羧基、酚羥基；2、堿性陰離子樹脂：可交換陰離子的堿性解離基團(tuán)。根據(jù)離解基團(tuán)的解離度大小由分為強(qiáng)弱兩種：

a、強(qiáng)堿性陰離子樹脂：活性基團(tuán)為季胺鹽；

b、弱堿性陰離子樹脂：活性基團(tuán)為伯胺鹽、仲胺鹽、叔胺鹽；常用的離交樹脂為球狀，也有不規(guī)則的顆粒和粉狀。（3）特殊類型的離交樹脂

1、大（多）孔樹脂：制備時(shí)，降低其交聯(lián)度而得到?？梢晕捷^大的離子和有機(jī)物；

2、兩性離子交換樹脂：帶有酸性和堿性基團(tuán)，可同時(shí)進(jìn)行陰、陽離子的交換。適合于兩性電解質(zhì)的吸附；

3、電子交換樹脂：又叫氧化-還原樹脂。樹脂上有能被氧化或還原的基團(tuán)，發(fā)生電子交換反應(yīng)；

4、螯合型樹脂：樹脂能與金屬離子起作用，形成螯合物；三、交換的影響因素

1、離子的水化半徑：離子的體積越小，越易被吸附，但必須以水化半徑來表示；

2、離子的化合價(jià)：在低溫和普通溫度時(shí)，離子的化合價(jià)越高，越易被吸附；

3、溶液的酸堿度：強(qiáng)性樹脂在整個(gè)PH范圍中都能起作用，但弱酸性只能在堿性條件下，弱堿性只能在酸性條件下起作用；

4、交聯(lián)度：交聯(lián)度不同所能交換的離子的大小不同；

5、交換容量：樹脂不同交換容量不同；四、離子交換樹脂的選擇原則

1、強(qiáng)堿性的分離物質(zhì)（Ca2+、Na+、Mg2+）選用弱酸性樹脂；

2、弱堿性的分離物質(zhì)（谷氨酸）選用強(qiáng)酸性樹脂；

3、強(qiáng)酸性的分離物質(zhì)選用弱堿性樹脂；

4、弱酸性的分離物質(zhì)選用強(qiáng)堿性樹脂；在操作中，洗脫條件一般應(yīng)和吸附條件相反，吸附在酸性條件下進(jìn)行，洗脫則應(yīng)在堿性條件下進(jìn)行。五、樹脂層中離子的分布進(jìn)行離子交換時(shí)，被交換離子自起始濃度降至零的這一段樹脂層稱為交換帶。當(dāng)交換帶到達(dá)交換柱底部，而流出液中出現(xiàn)被交換離子時(shí)為漏出點(diǎn)。此時(shí)已交換的被交換離子的量為總工作交換容量。當(dāng)多種離子上柱時(shí)，根據(jù)離子被樹脂吸附的能力而分層，且交換能力差異越大，分層越明顯。在柱中，最上部為交換能力最大的離子，最下部為交換能力最小的離子。第二節(jié)離子交換裝置一、離子交換裝置的方式按照樹脂在交換柱中的放置及聯(lián)結(jié)流程，離子交換裝置有以下幾種：

1、單床式：一種樹脂裝于一個(gè)交換柱中；

2、多床式：一種樹脂裝于多個(gè)串聯(lián)的交換柱中；

3、復(fù)床式：多個(gè)交換柱串聯(lián)，每個(gè)柱中分別放置一種類型的樹脂；

4、混合床式：一個(gè)交換柱中同時(shí)放置不同類型的樹脂；

5、其他更為復(fù)雜的型式：復(fù)床-混合床、電滲析-混合床、多級(jí)混合床等；二、裝置的類型主要是動(dòng)態(tài)交換。分批操作采用固定式，即在交換柱內(nèi)讓液體不斷流動(dòng)而樹脂處于靜止?fàn)顟B(tài)。連續(xù)操作采用移動(dòng)式和流動(dòng)式。

移動(dòng)式：是一種半連續(xù)操作，將樹脂依次送入不同設(shè)備中完成交換、洗脫、再生和清洗等過程。在每個(gè)設(shè)備內(nèi)處于間歇操作。流動(dòng)式：裝置中樹脂、被處理液、再生液、清洗水等均完全處于連續(xù)的流動(dòng)狀態(tài)。分為重力式和壓力式。

重力式：由再生洗滌塔和交換塔組成，交換塔為多室式，每室樹脂與溶液呈順流，而全塔來說卻為逆流。在裝置內(nèi)樹脂呈沸騰狀態(tài)，具有沸騰床的作用。

壓力式：裝置的最大特點(diǎn)是處理液與樹脂的流向?yàn)槟媪?。三、離子交換樹脂的再生再生方法有化學(xué)藥劑法和電解再生法兩種。

化學(xué)藥劑法：又稱酸堿再生法，是將一定濃度的酸、堿溶液加入失效的樹脂中，利用酸堿溶液中的H+、OH－將飽和樹脂上所吸附的陰陽離子置換下來，使樹脂重新獲得交換能力。

電解再生法：利用電離作用將水離解成H＋和OH－，并分別和樹脂上的陰陽離子進(jìn)行置換而使樹脂再生。再生方式：動(dòng)態(tài)法、靜態(tài)法

1、動(dòng)態(tài)法：再生劑不斷流入柱中并不斷流出，在交換柱或再生柱中進(jìn)行。又分為順流、逆流和對(duì)流；

2、靜態(tài)法：多在容器中進(jìn)行，通過攪拌混合加速再生，間歇操作；再生步驟：交換、水洗、反洗、再生、水洗、交換。四、離子交換設(shè)備離子交換設(shè)備從設(shè)備外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上來說和層析設(shè)備、脫色設(shè)備相似，這樣，我們?cè)谥v述離子交換設(shè)備時(shí)，也就講到了層析和脫色設(shè)備。不同之處是離子交換設(shè)備經(jīng)常要和酸堿接觸，它所用的材料要比其它的設(shè)備更耐腐蝕。同理，離子交換系統(tǒng)中的管道、管件、閥門和泵也要有很強(qiáng)的耐腐蝕能力。（1）通用離子交換柱柱體為圓柱體，上下封頭為碟形。上封頭不布置管口，便于拆卸封頭。

1、溢流排污管的作用是在洗滌時(shí)溢出固體顆粒，兼作排氣口。罐內(nèi)開口緊貼上封頭底，罐外開口在柱體上。

2、布液裝置：在樹脂層的上下邊界都有布液裝置。上布液裝置作用是使進(jìn)料液分布均勻，并防止反洗時(shí)樹脂溢出。下布液裝置作用是使進(jìn)入柱內(nèi)的反洗水或再生劑分布均勻。

常用的布液裝置有網(wǎng)布、排水帽和分布盤。

3、視鏡：在上布液裝置和樹脂分界處都應(yīng)有視鏡。

4、布酸（堿）排液管：布酸堿排液管主要用于柱內(nèi)再生的混合床離子交換柱。當(dāng)再生劑同時(shí)流經(jīng)陰陽樹脂兩步法時(shí)，起布液作用；當(dāng)采用酸堿分別通過陰陽樹脂兩步法時(shí)，起排除廢液的作用。排液管的位置比陰陽樹脂的分界面低30-50mm。形式有單管、排管、環(huán)管三種。（2）連續(xù)離子交換裝置篩板式連續(xù)離子交換裝置漩渦式連續(xù)離子交換裝置

ISEP連續(xù)離子交換裝置

（3）制造材料制造材料有金屬材料和非金屬材料兩大類。非金屬材料：有機(jī)玻璃和硬聚氯乙烯；