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离子交换技术演示文稿1页，共75页，星期五优选）离子交换技术2页，共75页，星期五1）抗生素提取）抗生素提取 链霉素、新霉素、卡那霉素、庆大霉素、链霉素、新霉素、卡那霉素、庆大霉素、土霉素、多粘霉素、头孢菌素等土霉素、多粘霉素、头孢菌素等2）生化制药）生化制药 蛋白质、核酸蛋白质、核酸3）制水）制水 软水、无盐水、纯化水等软水、无盐水、纯化水等4）其他物质提取其他物质提取第一节第一节 概概 述述l1）液固非均相扩散传质过程；l2）定量的离子置换反应过程；l3）酸碱再生可重复使用；l4）可以高倍浓缩；离子交换分离技术特点：应用范围：3页，共75页，星期五1）生产周期长）生产周期长 包括吸附、洗涤、洗脱、再生等四个过程包括吸附、洗涤、洗脱、再生等四个过程2）产品质量操控性差）产品质量操控性差 间歇操作，操控性严格，产生批间差异间歇操作，操控性严格，产生批间差异l1）成本低 可以再生重复使用，如头孢菌素提取，可以使用1000次上l2）设备简单 静态设备，罐或塔等l3）操作方便 固液连续接触第一节第一节 概概 述述离子交换技术优点：离子交换技术缺点：4页，共75页，星期五第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础一、离子交换基本原理l1.离子交换树脂单元结构5页，共75页，星期五。

第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础一、离子交换基本原理l离子交换的分类大孔离子交换树脂大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，在大孔吸附剂合大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换树脂成后（加入致孔剂），再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换树脂通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂由于溶胀现象，产通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂由于溶胀现象，产生的生的“暂时孔暂时孔”现象，从而强化了离子交换的功能；现象，从而强化了离子交换的功能；减少了凝胶树脂在离子交换过程中的减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机污染有机污染”现象（大分子不易洗脱）；现象（大分子不易洗脱）；可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要求常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶剂常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶剂 长链长链醇（碳醇（碳4-104-10） 煤油；高分子聚合物煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯聚苯乙烯、聚丙烯酸酯优点6页，共75页，星期五。

第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础一、离子交换基本原理l2.离子交换平衡关系离子交换树脂在溶液中溶胀后，交换功能团的离子在树脂网状内部的水中扩散，溶液中的离子扩散至树脂表面，然后再扩散至内部与功能团的离子交换被交换的离子由树脂内部扩散至溶液中交换过程是可逆的 当溶液中的离子扩散进入树脂内部的速率与交换的离子扩散进入溶液的速率相等时，达到了离子交换平衡，符合质量作用定律 交换反应交换反应如下式所示如下式所示: Mn+nRARn-M+nA+用用浓度浓度表示的表示的平衡常数平衡常数又称又称选择选择性系数性系数 它反映了树脂对M和A的亲和力的大小式中下标r表示在树脂相的浓度，s表示在溶液中的浓度7页，共75页，星期五l离子交换平衡：离子交换剂中的活性离子与溶液中的溶质离子进行的离子交换平衡：离子交换剂中的活性离子与溶液中的溶质离子进行的交换反应是按化学计量比进行的可逆化学反应过程当正、逆反应速交换反应是按化学计量比进行的可逆化学反应过程当正、逆反应速率相等时，溶液中各种离子浓度不再变化而达平衡状态，称为离子交率相等时，溶液中各种离子浓度不再变化而达平衡状态，称为离子交换平衡。

换平衡l以阳离子交换反应为例，交换反应方程式：以阳离子交换反应为例，交换反应方程式：lAn+(L) +n(R-M-B+)(S) n(R-M-)An+(S) +nB+(L)l反应平衡常数：n(R -M-)An+B+nKAB=R-M-B+nAn+第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础一、离子交换基本原理l2.离子交换平衡关系lAn+，B+分别为液相中离子An+，B-的浓度；ln(R -M-)An+， R-M-B+分别为离子交换树脂相中An+，B-的浓度；lKAB反应平衡常数，又称离子交换常数，也称选择性常数lKAB 越大，表示吸附反应进行程度越大，吸附量越大8页，共75页，星期五第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础一、离子交换基本原理l3.离子交换过程树脂B+A+薄膜A+自溶液中扩散到树脂表面A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心A+与离子交换树脂在活性中心上发生复分解反应解吸附离子B+自树脂内部扩散至树脂表面B+离子从树脂表面扩散到溶液中交换速度的控制步骤是扩散速度，不同的分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制9页，共75页，星期五第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础二、离子交换速率l影响交换速率的因素颗粒大小：愈小越快颗粒大小：愈小越快交联度：交联度小，交换速度快交联度：交联度小，交换速度快温度：越高越快温度：越高越快离子化合价：化合价与高，交换越快离子化合价：化合价与高，交换越快离子大小：越小越快离子大小：越小越快搅拌速度：在一定程度上，越大越快搅拌速度：在一定程度上，越大越快溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时， 浓度越大，交换速度越快浓度越大，交换速度越快溶液黏度：越大，交换速率越小。

粘度影响扩散系数，从而影响内、外扩散速率10页，共75页，星期五a)交换前； (b)选择性交换； （c） 洗脱; (d)加大浓度全部洗脱H+H+A+B+Na+B+Na+Na+A+B+Na+OH-nNa+(a)(b)(c)(d)H+A+B+第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础一、离子交换基本原理l2.离子交换平衡关系11页，共75页，星期五第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础二、离子交换速率l影响离子交换选择性的因素水合离子半径水合离子半径：半径越小，亲和力越大；离子化合价离子化合价：高价离子易于被吸附；溶液溶液pHpH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；离子强度离子强度：越低越好；有机溶剂有机溶剂：不利于吸附；交联度、膨胀度、分子筛交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少； 树脂与粒子间的辅助力树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；12页，共75页，星期五三、离子交换运动学三、离子交换运动学CA0ACA=0CBCB=0研究固定床中离子运动的规律，称微为离子交换运动学。

交换带CA0CBH (cm)交换带越狭窄，说明树脂交换效率越高影响交换带因素：1）交换平衡常数K K1比K R-M R-M+ +OHOH- -; R-M; R-M- -NaNa+ + R-M R-M- -H H+ +l苯乙烯型较酚醛型树脂稳定；阳离子树脂较阴离子树脂稳定；苯乙烯型较酚醛型树脂稳定；阳离子树脂较阴离子树脂稳定；l（3 3）机械强度）机械强度l机械强度指树脂在各种机械力作用下，抵抗破碎的能力一般用耐磨性能来机械强度指树脂在各种机械力作用下，抵抗破碎的能力一般用耐磨性能来表征l测定：将一定量的树脂经酸、碱处理后，置于球磨机或振荡筛中撞击、磨损一定测定：将一定量的树脂经酸、碱处理后，置于球磨机或振荡筛中撞击、磨损一定时间后取出过筛，以完好树脂的质量分数来表示时间后取出过筛，以完好树脂的质量分数来表示l药品生产中，要求机械强度大于药品生产中，要求机械强度大于959525页，共75页，星期五l1.强酸性阳离子交换树脂（R-M-A+或R-M-Cation ）l这类树脂一般以磺酸基作为活性基团如苯乙烯磺酸型离子交换树脂母体为苯乙烯，交联剂为二乙烯苯共聚后磺化引入磺酸基第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础四、离子交换树脂的功能特性26页，共75页，星期五。

l强酸性树脂活性基团的电离程度大，不受溶液强酸性树脂活性基团的电离程度大，不受溶液pH影响，在影响，在pH=114范围内均可进行离子交换反应范围内均可进行离子交换反应l强酸性树脂与强酸性树脂与H+结合力弱，因此再生成氢型比较困难，故耗酸量结合力弱，因此再生成氢型比较困难，故耗酸量较大，一般为该树脂交换容量的较大，一般为该树脂交换容量的35倍l这类树脂主要用于软水和无盐水的制备，在链霉素、卡那这类树脂主要用于软水和无盐水的制备，在链霉素、卡那霉素、庆大霉素、赖氨酸等提取精制中也有应用霉素、庆大霉素、赖氨酸等提取精制中也有应用l其交换反应如下：其交换反应如下：中和反应中性盐分解反应复分解反应第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础四、离子交换树脂的功能特性27页，共75页，星期五l2.弱酸性阳离子交换树脂l含有羧基 ，膦酸基 ，酚基 等l弱酸性基团的离子交换树脂称为弱酸性阳离子交换树脂其中含羧基的树脂应用最广弱酸性基团的电离程度受溶液的弱酸性基团的电离程度受溶液的pH影响较大，在酸影响较大，在酸性溶液中几乎不发生交换反应，只有在性溶液中几乎不发生交换反应，只有在pH7的溶液的溶液中才有较好交换能力。

中才有较好交换能力例如例如1014树脂树脂pH56789交换容量/(mmol/g)0.82.58.09.09.0pH值升高，交换容量增大第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础四、离子交换树脂的功能特性28页，共75页，星期五l2.弱酸性阳离子交换树脂第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础四、离子交换树脂的功能特性l在碱性条件下，发生电离电离后发生 交换反应在中性或酸性条件下，易水解：所以，羧酸钠型树脂不宜洗涤到中性，一般洗到出口pH=99.5即可110-Na型树脂提取链霉素的反应：R-COOH OH R-COO H2OR-COO M R-COOM R-COO H R-COOHR(COONa)3 String3+ R(COO)3String3+ 3Na+29页，共75页，星期五l2.弱酸性阳离子交换树脂第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础四、离子交换树脂的功能特性l与强酸性树脂不同，弱酸树脂和H结合力很强，容易生成氢型而耗酸量少l应用：1104、1014树脂分离提取链霉素；l 1014提取溶菌酶尿激酶；l 1224链霉素脱色；从庆大霉素废液中提取VB12;30页，共75页，星期五。

3.强碱性阴离子交换树脂 R-M+B- 或 R-M+Anion这类树脂以季胺基为交换基团，活性基团有I型：三甲基氨基 N(CH3)3OH;II型 二甲基-羟乙氨基 -N(CH3)2(C2H4OH)OH.I型比II型碱性强，应用更为广泛强碱树脂与OH-结合力较弱，所以再生时耗碱量较大，同时，也不稳定，所以通常转化为氯型销售，稳定及耐热性更好第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础四、离子交换树脂的功能特性31页，共75页，星期五l强碱性活性基团的电离度大，所以它可以在酸性、中性甚至碱性介质中都可以进行交换l其交换反应有：中和反应中性盐分解反应复分解反应第二节第二节 离子交换过程理论基础离子交换过程理论基础四、离子交换树脂的功能特性32页，共75页，星期五4.弱碱性阴离子交换树脂 R-M+B- 或 R-M+Anion交换基团为：伯胺基-NH2/仲胺-NHR/叔胺-NR2;这些弱碱基团在水中解离程度较小，仅在中性或酸性的介质中较大程度解离，才可进行离子交换其碱性 R-NH2 + H2O R-NH3OH其交换反应中和反应复分解反应弱碱。