生物工业下游技术

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1、生物工业下游技术第九章离子交换法优点：成本低，工艺操作方便，提炼效率较高，设备结构简单，以及节约大量的有机溶剂等。缺点：不一定能找到合适的树脂，生产周期长，生产过程中pH值变化较大。第一节离子交换原理及分类第二节离子交换树脂的理化性能和测定第三节离子交换过程的理论基础第四节离子交换的应用第一节离子交换原理及分类一、离子交换原理离子交换树脂：是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子材料。它的化学稳定性良好，且有一定孔隙度。其巨大的分子可以分成两部分：一部分是不能移动的，多价的高分子基团，构成树脂的骨

2、架，使树脂具有上述的溶解度和化学稳定的性质；另一部分是可移动的离子，称为活性离子，它在树脂的骨架中进进出出，就发生离子交换现象。或者说，其结构由三部分组成：①不溶性的三维空间网状骨架；②连接在骨架上的官能团；③官能团所带的相反电荷的可交换离子。离子交换的推动力根据树脂所带的可交换的离子性质，离子交换树脂大体上可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。骨架上的活性离子可扩散到溶液中；溶液中的同类型离子也能扩散到骨架的网格或孔内。当这两种离子浓度差较大时，就产生一种交换的推动力，使它们之间产生交换作用。浓

3、度差越大，交换速度越快。利用这种浓度差的推动力能使树脂上的可交换离子发生可逆交换反应。离子在树脂的交换反应与溶液中的置换反应相似。二、离子交换树脂分类1强酸性阳离子树脂：这类树脂含有强酸性基团，如磺酸基—SO3H。能在溶液中离解H+而呈强酸性。反应简式为：树脂中的SO3-基团能吸附溶液中的其他阳离子如：强酸性树脂的离解能力很强，在酸性或碱性溶液中都能离解和产生离子交换作用，因此使用时的pH没有限制。1强酸性阳离子树脂以磷酸基—PO(OH)2和次磷酸基—PHO(OH)作为活性基团的树脂具有中等强度的

4、酸性。树脂在使用一段时间后，要进行再生处理，即用化学药品使树脂的官能团回复原来状态再次使用。强酸性阳离子树脂是用强酸进行再生处理。2．弱酸性阳离子树脂这类树脂含有弱酸性基团，如羧基—COOH、酚羟基—OH，能在水中离解出H+而呈弱酸性。反应简式为：只能在碱性、中性或微酸性溶液中发挥作用(羧基pH＞6，酚羟基PH＞9)。这类树脂也是用酸进行再生。3．强碱性阴离子树脂这类树脂含有强碱性基团，如季铵基—NR3OH，能在水中离解出—OH-而呈碱性，反应简式为：离解性很强，使用的pH范围没有限制，再生一般用

5、强碱。4．弱碱性阴离子树脂这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基(—NH2)、仲胺基(—NHR)或叔胺基(—NR2)，反应简式为：离解能力较弱，只能在低pH值下工作，可用弱碱再生。四种基本类型树脂的实用型1）将强酸性阳离子树脂与NaCl作用，转变为钠型树脂；避免了溶液PH值下降和由此产生的副作用，如对设备的腐蚀。进行再生时，用盐水而不用强酸。2）弱酸性树脂生成的盐RCOONa很易水解，呈碱性，所以用水洗不到中性，一般只能洗到pH9—10左右。但是弱酸性树脂和氢离子结合能力很强，再生成氢型较容易，耗酸量少

6、。四种基本类型树脂的实用型3）强碱性阴离子树脂可先转变为氯型，工作时用Cl-交换其他阴离子，再生只需用食盐水。4）弱碱性树脂生成的盐RNH3Cl同样易水解。这类树脂和OH-离子结合能力较强，所以再生成羟型较容易，耗碱量少。强酸性树脂和强碱性树脂在转变成钠型和氯型后，在使用时就不再有强酸性及强碱性。但它们仍具有这些树脂的其他典型性能，如强离解性和工作的pH范围宽等。凝胶型和大孔型树脂按骨架结构不同，离子交换树脂可分为凝胶型和大孔型树脂。凝胶型树脂：是以苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯聚合得到具有交联网

7、状结构的聚合体。这种聚合体一般是呈透明状态的，在它的高分子骨架中，没有毛细孔，而在吸水润胀后，才在大分子链节间形成很微细的孔隙，通常称为显微孔。这类树脂适用于吸附交换无机离子等小离子。凝胶型和大孔型树脂大孔型树脂：是由苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯的异构体聚合，再经特殊的物理处理，使其形成大网孔，再导入交换基团制成，它内部并存有微细孔和大量的粗孔。较善于吸附大分子有机物，耐有机物的污染。三、其他类型的树脂1．两性离子交换树脂：将两种性质相反的阴、阳离子交换官能团连接在同一树脂骨架上，就构成两性树脂

8、。这种树脂骨架上的两种类型官能团彼此接近，在与溶液里的阴阳离子交换以后，只要通过水，稍稍改变体系的酸碱条件即可发生相反的水解反应，恢复树脂原来的形式。三、其他类型的树脂2．选择性离子交换树脂：这类树脂又叫螯合性离子交换树脂，它与金属离子形成螯合物的基团，是一种对某些离子有特殊选择性的树脂，其选择性高于一般的强酸性和弱酸性树脂。树脂内如含有可与其中某一离子生成螯合物的有机分子基团，则在交换中可以选择性地优先与这种离子结合。利用这种选择性反应，可制备含某一金属离子的树脂来分离含某些有机