高等制药分离工程吸附和离子交换培训课件.ppt

高等制药分离工程吸附和离子交换吸附法特点吸附法特点 1）从从稀稀溶溶液液中中分分离离出出溶溶质质，由由于于受受固固体体吸吸附附剂剂的限制，的限制，处理能力较小处理能力较小；2）操操作作条条件件温温和和，对对溶溶质质的的作作用用较较小小，适适用用于于热敏性物质的分离，如蛋白质分离；热敏性物质的分离，如蛋白质分离；3）吸附是自发过程，吸附时放出热量吸附是自发过程，吸附时放出热量4)溶溶质质和和吸吸附附剂剂间间的的吸吸附附平平衡衡关关系系通通常常是是非非线线性关系性关系2高等制药分离工程吸附和离子交换2吸附的分类吸附的分类 1）物理吸附物理吸附（范德华吸附）：（范德华吸附）：吸附质和吸附剂以吸附质和吸附剂以分子间作用力分子间作用力为主的吸附为主的吸附物理吸附分离在原理上有四种类型：物理吸附分离在原理上有四种类型：选择性吸附选择性吸附 、分子筛效应、分子筛效应 、微孔的扩散和、微孔的扩散和微孔中的凝聚微孔中的凝聚2 2）化学吸附化学吸附：吸附质和吸附剂分子间的：吸附质和吸附剂分子间的化学键化学键作用力作用力所引起的吸附其结合力大，放热量与化所引起的吸附其结合力大，放热量与化学反应热数量级相当，过程往往不可逆。

化学吸学反应热数量级相当，过程往往不可逆化学吸附在催化中起重要作用，分离过程中较少使用附在催化中起重要作用，分离过程中较少使用3高等制药分离工程吸附和离子交换物理吸附与化学吸附的比较4高等制药分离工程吸附和离子交换3三类吸附过程三类吸附过程 1）变温吸附变温吸附吸附通常在室温下进行，而解吸在吸附通常在室温下进行，而解吸在直接或间接加热吸附剂的条件下完成，利用温度直接或间接加热吸附剂的条件下完成，利用温度的变化实现吸附和解吸再生循环操作的变化实现吸附和解吸再生循环操作2 2）变变压压吸吸附附在在较较高高压压力力下下选选择择性性吸吸附附气气体体混混合合物物中中的的某某些些组组分分，然然后后降降低低压压力力使使吸吸附附剂剂解解吸吸，利用压力的变化完成循环操作利用压力的变化完成循环操作3 3）变变浓浓度度吸吸附附液液体体混混合合物物中中的的某某些些组组分分在在环环境境条条件件下下选选择择性性的的吸吸附附，然然后后用用少少量量强强吸吸附附性性液液体体解吸再生解吸再生5高等制药分离工程吸附和离子交换4.吸附吸附应用应用 1 1）气体或液体的脱水及深度干燥气体或液体的脱水及深度干燥2）气气体体或或溶溶液液的的脱脱臭臭、脱脱色色及及有有机机溶溶剂剂蒸蒸气气的的回回收。

收3）气气体体中中痕痕量量物物质质的的吸吸附附分分离离，如如纯纯氮氮、纯纯氧氧的的制取4）分分离离某某些些精精馏馏难难以以分分离离的的物物系系，如如烷烷烃烃、烯烯烃烃、芳香烃馏分的分离芳香烃馏分的分离5）废气和废水的处理废气和废水的处理6高等制药分离工程吸附和离子交换4.吸附吸附应用应用7高等制药分离工程吸附和离子交换6.1.2吸附剂及其特性吸附剂及其特性 1.1.工业吸附剂满足要求工业吸附剂满足要求1 1）具有较大的比表面）具有较大的比表面 吸附容量大吸附容量大；1501500m2/g 2 2）选选择择性性高高 吸吸附附剂剂对对不不同同的的吸吸附附质质具具有有不不同同的的吸吸附附能能力力（吸吸附附量量或或吸吸附附速速率率），其其差差异异愈愈显显著，分离效果愈好；著，分离效果愈好；3 3）具有一定的机械强度）具有一定的机械强度,抗磨损；抗磨损；4 4）有良好的物理及化学稳定性）有良好的物理及化学稳定性 耐热和耐腐蚀耐热和耐腐蚀；5 5）容易再生；）容易再生；6 6）易得，价廉易得，价廉8高等制药分离工程吸附和离子交换2工业用吸附剂工业用吸附剂 天然的吸附剂天然的吸附剂如硅藻土、白土、天然沸石等。

如硅藻土、白土、天然沸石等人工制作的吸附剂人工制作的吸附剂活活性性炭炭、活活性性氧氧化化铝铝、硅硅胶胶、分分子子筛筛、有有机机树树脂脂吸附剂等吸附剂等1）活活性性炭炭-非非极极性性吸吸附附剂剂具具有有很很高高的的比比表表面面积积，活活性性炭炭表表面面上上的的官官能能团团较较少少，对对烃烃类类及及衍衍生生物物的的吸吸附附能能力力强强化化学学稳稳定定性性好好，抗抗酸酸耐耐碱碱，热热稳稳性性高高，再再生生容容易易活活性性炭炭的的作作为为吸吸附附剂剂，在在水水溶溶液液中中最最强强，在在有有机机溶溶剂剂中中则则较较低低弱弱故故水水的的洗洗脱脱能能力力最最弱弱，而而有机溶剂则较强有机溶剂则较强9高等制药分离工程吸附和离子交换活性炭活性炭 一般用稀盐酸、乙醇、水洗净，在一般用稀盐酸、乙醇、水洗净，在80干燥干燥后即可用后即可用回收气体中的有机气体，脱除废水中的有机回收气体中的有机气体，脱除废水中的有机物，脱除水溶液中的色素物，脱除水溶液中的色素活性炭对芳香族化合物的吸附力大于脂肪活性炭对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物，对大分子化合物的吸附力大于小分族化合物，对大分子化合物的吸附力大于小分子化合物。

利用吸附性的差别，可将水溶性芳子化合物利用吸附性的差别，可将水溶性芳香族物质与脂肪族物质分开，单糖与多糖分开，香族物质与脂肪族物质分开，单糖与多糖分开，氨基酸与多肽分开氨基酸与多肽分开10高等制药分离工程吸附和离子交换硅胶硅胶2）硅硅胶胶SiO2nH2O、亲亲水水性性的的酸酸性性极极性性吸吸附附剂剂，由由H2SiO3溶溶液液经经过过缩缩合合、除除盐盐、脱脱水水等等处处理理制得比表面积达制得比表面积达800m2/g硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末状四种硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末状四种硅硅胶胶的的吸吸附附力力随随吸吸着着的的水水分分增增加加而而降降低低若若含含水水量量超超过过17，吸吸附附力力极极弱弱不不能能用用作作为为吸吸附附剂剂对不饱和烃、甲醇、水分等有明显的选择性对不饱和烃、甲醇、水分等有明显的选择性硅硅胶胶的的活活化化，当当硅硅胶胶加加热热至至100110时时，硅硅胶表面因氢键所吸附的水分即能被除去胶表面因氢键所吸附的水分即能被除去主要用于气体和液体的干燥、溶液的脱水主要用于气体和液体的干燥、溶液的脱水11高等制药分离工程吸附和离子交换活性氧化铝活性氧化铝3）活活性性氧氧化化铝铝Al2O3nH2O、碱碱性性极极性性吸吸附附剂剂。

活活性性氧氧化化铝铝表表面面上上具具有有官官能能团团，这这些些官官能能团团为为极极性性分分子子的的吸吸附附提提供供了了活活性性中中心心比比表表面面积积约约为为200500 m2/g，对对水水分分有有很很强强的的吸吸附附能能力力，可可脱脱至至n1 22高等制药分离工程吸附和离子交换Langmuir吸附等温线吸附等温线 吸附等温线吸附等温线：在一定的温度下，平衡吸附量与吸：在一定的温度下，平衡吸附量与吸附质分压或浓度的关系曲线附质分压或浓度的关系曲线23高等制药分离工程吸附和离子交换多组分和液相吸附平衡多组分和液相吸附平衡2）气体气体多组分吸附平衡方程多组分吸附平衡方程3）液相吸附平衡）液相吸附平衡Langmuir等等温温线线和和Freundlich等等温温线线同同样样适适用用于于低低浓浓度度溶溶液液的的吸吸附附，当当用用于于液液体体时时，压压力力p用用浓度浓度c代替代替，即：，即：如丙腈水溶液在如丙腈水溶液在25oC用活性炭吸附的等温线用活性炭吸附的等温线或或或或24高等制药分离工程吸附和离子交换6.1.4吸附动力学过程与吸附速率吸附动力学过程与吸附速率 1吸附速率吸附速率：当流体与吸附剂接触时，单：当流体与吸附剂接触时，单位时间内吸附的吸附质的量。

吸附速率是设位时间内吸附的吸附质的量吸附速率是设计吸附装置的重要依据计吸附装置的重要依据吸附速率与物系、操作条件及浓度有关吸附速率与物系、操作条件及浓度有关2吸附机理吸附机理：非稳态的扩散传质过程：非稳态的扩散传质过程 1）外扩散过程外扩散过程：吸附质从流体主体通过分子扩散：吸附质从流体主体通过分子扩散和对流扩散的形式传递到固体吸附剂的外表面的过和对流扩散的形式传递到固体吸附剂的外表面的过程2）内内扩扩散散过过程程：吸吸附附质质从从吸吸附附剂剂的的外外表表面面进进入入吸吸附剂的微孔结构的内表面的过程附剂的微孔结构的内表面的过程3）表表面面吸吸附附过过程程：吸吸附附质质在在固固体体内内表表面面上上被被吸吸附附剂所吸附的过程剂所吸附的过程25高等制药分离工程吸附和离子交换吸附机理吸附机理-控制步骤控制步骤3外外扩扩散散控控制制的的吸吸附附：当当外外扩扩散散速速率率小小于于内内扩扩散速率时，总吸附速率由外扩散速率决定散速率时，总吸附速率由外扩散速率决定外扩散可用线性推动力速率方程描述外扩散可用线性推动力速率方程描述4内扩散控制的吸附内扩散控制的吸附：当内扩散速率小于外扩：当内扩散速率小于外扩散速率时，此吸附为内扩散控制的吸附。

散速率时，此吸附为内扩散控制的吸附球形颗粒内孔扩散和吸附的数学表达式为球形颗粒内孔扩散和吸附的数学表达式为 为孔内溶质的质量浓度，为孔内溶质的质量浓度，De为表观扩散系数，为表观扩散系数，与孔径、分子大小和物性有关，与孔径、分子大小和物性有关，108103cm2/sC*c26高等制药分离工程吸附和离子交换6.1.5吸附操作吸附操作 吸附分离过程包括吸附过程和解吸过程吸附分离过程包括吸附过程和解吸过程吸附操作有多种形式吸附操作有多种形式 与需处理的流体浓度、与需处理的流体浓度、性质及要求吸附的程度有关性质及要求吸附的程度有关常用吸附分离设备常用吸附分离设备:搅拌槽、固定床吸附器、移搅拌槽、固定床吸附器、移动床和流化床吸附塔动床和流化床吸附塔一、一、槽式吸附操作（槽式吸附操作（接触过滤式）接触过滤式）过程过程：把要处理的液体和吸附剂一起加入到带有搅：把要处理的液体和吸附剂一起加入到带有搅拌器的吸附槽中，使吸附剂与溶液充分接触，溶液中拌器的吸附槽中，使吸附剂与溶液充分接触，溶液中的吸附质被吸附剂吸附，经过一段时间，吸附剂达到的吸附质被吸附剂吸附，经过一段时间，吸附剂达到饱和，将料浆送到过滤机中分离出吸附剂，吸附剂经饱和，将料浆送到过滤机中分离出吸附剂，吸附剂经适当的解吸，可回收利用。

适当的解吸，可回收利用设备：釜式或槽式，设备结构简单，操作容易设备：釜式或槽式，设备结构简单，操作容易27高等制药分离工程吸附和离子交换槽式吸附操作槽式吸附操作 槽槽式式吸吸附附操操作作适适用用于于外外扩扩散散控控制制的的吸吸附附传传质质过过程使使用用搅搅拌拌使使溶溶液液呈呈湍湍流流状状态态，颗颗粒粒外外表表面面的的膜膜阻力较少阻力较少用于液体的精制，如脱水、脱色和脱臭等用于液体的精制，如脱水、脱色和脱臭等吸附剂用量吸附剂用量S确定确定:物料平衡物料平衡吸附相平衡吸附相平衡L：一批投入的液体量：一批投入的液体量l，Co、c：分别为液体中开始和终止时吸附质的浓度：分别为液体中开始和终止时吸附质的浓度kg/l,S：所需投入的平衡吸附剂量，所需投入的平衡吸附剂量，kgCoCt=0t=t28高等制药分离工程吸附和离子交换槽式吸附操作槽式吸附操作动动力力学学特特征征：槽槽式式吸吸附附过过程程是是非非稳稳态态的的，溶溶液液中中吸吸附附质质的的浓浓度度随随时时间间变变化化29高等制药分离工程吸附和离子交换槽式吸附操作槽式吸附操作吸附时间吸附时间t t的确定的确定 动力学模型动力学模型液膜扩散为控制步骤，传质过程的表达式：液膜扩散为控制步骤，传质过程的表达式：:单位液体体积中吸附剂颗粒的外表面积单位液体体积中吸附剂颗粒的外表面积m2/m3;:与吸附剂吸附量平衡的液相质量浓度与吸附剂吸附量平衡的液相质量浓度kg/m3;:传质系数传质系数m/s，c:与时间与时间t对应的质量浓度。

对应的质量浓度30高等制药分离工程吸附和离子交换槽式吸附操作槽式吸附操作若吸附等温线为线性若吸附等温线为线性则时间与浓度的关系为：则时间与浓度的关系为：31高等制药分离工程吸附和离子交换固定床吸附操作固定床吸附操作二、二、固定床吸附操作固定床吸附操作方法：把吸附剂均匀堆放在吸附塔中的多孔支承板上，方法：把吸附剂均匀堆放在吸附塔中的多孔支承板上，含吸附质的流体可以自上而下流动，也可自下而上流过吸含吸附质的流体可以自上而下流动，也可自下而上流过吸附剂在吸附过程中，吸附剂不动在吸附过程中，吸附剂不动32高等制药分离工程吸附和离子交换固定床吸附操作固定床吸附操作特点：特点：1）固固定定床床吸吸附附塔塔结结构构简简单单，加加工工容容易易，操操作作方方便便灵灵活活，吸吸附附剂剂不不易易磨磨损损，物物料料的的返返混混少少，分分离离效率高，回收效果好效率高，回收效果好2）固固定定床床吸吸附附操操作作的的传传热热性性能能差差，当当吸吸附附剂剂颗颗粒粒较较小小时时，流流体体通通过过床床层层的的压压降降较较大大，吸吸附附、再再生及冷却等操作需要一定的时间，生及冷却等操作需要一定的时间，生产效率较低生产效率较低。

固固定定床床吸吸附附操操作作用用于于气气体体中中溶溶剂剂的的回回收收、气气体体干燥和溶剂脱水等方面干燥和溶剂脱水等方面33高等制药分离工程吸附和离子交换固定床吸附放大过程模型固定床吸附放大过程模型 固定床吸附放大过程模型固定床吸附放大过程模型可用三个方程描述：可用三个方程描述：1)1)溶液中溶质的溶液中溶质的质量平衡方程质量平衡方程 液相内溶质的积累液相内溶质的积累 为流入与流出微元体溶为流入与流出微元体溶质量之差质量之差 为床层内的轴向扩散为床层内的轴向扩散 为被吸附剂吸附的溶质为被吸附剂吸附的溶质量量 34高等制药分离工程吸附和离子交换固定床吸附放大过程模型固定床吸附放大过程模型为床层孔隙率；为床层孔隙率；u u为液体在床层中的表观速度；为液体在床层中的表观速度；D为轴向扩散系数；为轴向扩散系数；z为床层高度为床层高度2)2)被吸附溶质的吸附速率方程被吸附溶质的吸附速率方程 3)吸附平衡方程：等温线吸附平衡方程：等温线Freundlich公式公式 固定床吸附动力学是非线性的而且互相关联，固定床吸附动力学是非线性的而且互相关联，只能用数值计算的方法求解只能用数值计算的方法求解35高等制药分离工程吸附和离子交换吸附过程实验解吸附过程实验解 当当含含吸吸附附质质的的流流体体自自上上而而下下连连续续流流过过床床层层时时，由由于于实实际际吸吸附附过过程程存存在在传传质质阻阻力力，因因而而吸吸附附平平衡衡不不可可能能瞬瞬间间达达成成，将将在在床床层层的的入入口口处处形形成成如如图图所所示示的的传传质质区区。

在在吸吸附附传传质质区区内内，吸吸附附质质浓浓度度由由初初始始浓浓度度C0沿沿流流动动方方向而逐渐下降向而逐渐下降36高等制药分离工程吸附和离子交换吸附过程实验解吸附过程实验解传传质质区区高高度度：吸吸附附过过程程传传质质区区所所占占的的床床层层高高度度传传质质区区以以下下的的区区域域为为新新鲜鲜的的吸吸附附剂剂，称称为为未未用用区吸附负荷曲线吸附负荷曲线：当流体连续流过床层时，某：当流体连续流过床层时，某时刻床层内的吸附质浓度沿床层高度的变化曲时刻床层内的吸附质浓度沿床层高度的变化曲线37高等制药分离工程吸附和离子交换吸附过程实验解吸附过程实验解穿穿透透曲曲线线：吸吸附附器器出出口口流流体体中中的的吸吸附附质质浓浓度度随随时间而变化的曲线时间而变化的曲线38高等制药分离工程吸附和离子交换吸附过程实验解吸附过程实验解对对于于特特定定的的吸吸附附体体系系和和操操作作条条件件，根根据据固固定定床床吸吸附附器器的的透透过过曲曲线线，可可计计算算出出试试验验条条件件下下达达到到规规定定分分离离要要求求所所需的床层高度需的床层高度Z当当达达到到穿穿透透点点时时，相相当当于于吸吸附附传传质质区区前前沿沿已已到到达达床床层层出出口口，此此时时阴阴影影面面积积S1对对应应于于床床层层中中的的总总吸吸附附量量，而而S2对对应应于于床床层层中中尚尚能能吸吸附附的的吸吸附附量量。

因因此此，到到达达穿穿透透点点时时未利用床层的高度未利用床层的高度ZU为为已利用床层的高度为已利用床层的高度为 39高等制药分离工程吸附和离子交换吸附过程实验解吸附过程实验解根根据据试试验验装装置置的的实实验验数数据据，对对固固定定床床吸吸附附器器进进行行放放大大设计实际固定床吸附器内已利用床层的高度可用下式计算实际固定床吸附器内已利用床层的高度可用下式计算实际固定床吸附器的床层总高度为实际固定床吸附器的床层总高度为40高等制药分离工程吸附和离子交换三、三、移动床吸附操作移动床吸附操作 待处理的流体在塔内自上而下流动，在与吸附待处理的流体在塔内自上而下流动，在与吸附剂接触时，吸附质被吸附，已达饱和的吸附剂从剂接触时，吸附质被吸附，已达饱和的吸附剂从塔下连续或间歇排出，同时在塔的上部补充新鲜塔下连续或间歇排出，同时在塔的上部补充新鲜的或再生后的吸附剂的或再生后的吸附剂移动床吸附操作因吸附和再生过程在同一个塔移动床吸附操作因吸附和再生过程在同一个塔中进行，设备投资费用少中进行，设备投资费用少41高等制药分离工程吸附和离子交换模拟移动床42高等制药分离工程吸附和离子交换四、四、流化床吸附操作流化床吸附操作 使流体自下而上流动，流体的流速控制在使流体自下而上流动，流体的流速控制在一定的范围，保证吸附剂颗粒被托起，但不一定的范围，保证吸附剂颗粒被托起，但不被带出，处于流态化状态进行的吸附操作。

被带出，处于流态化状态进行的吸附操作生产能力大，但吸附剂颗粒磨损程度严重，生产能力大，但吸附剂颗粒磨损程度严重，操作范围变窄操作范围变窄43高等制药分离工程吸附和离子交换流流化化床床移移动动床床联联合合吸吸附附操操作作 44高等制药分离工程吸附和离子交换6.2离子交换离子交换 离子交换离子交换：能够解离的不溶性固体物质在与溶液：能够解离的不溶性固体物质在与溶液中的离子发生离子交换反应利用离子交换剂与不中的离子发生离子交换反应利用离子交换剂与不同离子结合力的强弱，将某些离子从水溶液中分离同离子结合力的强弱，将某些离子从水溶液中分离出来，或者使不同的离子得到分离出来，或者使不同的离子得到分离离离子子交交换换过过程程是是液液固固两两相相间间的的传传质质与与化化学学反反应应过过程程，在在离离子子交交换换剂剂内内外外表表面面上上进进行行的的离离子子交交换换反反应应通通常常很很快快，过过程程速速率率主主要要受受离离子子在在液液固固两两相相的的传传质质过过程程制制约约该该传传质质过过程程包包括括外外扩扩散散和和内内扩扩散散步步骤骤离离子子交交换换剂剂也也存存在在再再生生问问题题离离子子交交换换是是一一种种特特殊殊的吸附。

的吸附45高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.1离子交换基本原理离子交换基本原理 能能够够解解离离的的不不溶溶性性固固体体物物质质与与溶溶液液中中的的离离子子发发生生离子交换反应，离子交换反应，RA+称为阳离子交换剂，称为阳离子交换剂，R称为固定离子，称为固定离子，A+称为抗衡离子或反离子称为抗衡离子或反离子R+A称为阴离子交换剂，在与溶液接触时能称为阴离子交换剂，在与溶液接触时能与溶液中的阴离子与溶液中的阴离子B发生离子交换反应发生离子交换反应 46高等制药分离工程吸附和离子交换离子交换树脂的电解质反应离子交换树脂的电解质反应 离子交换树脂进行电解质分离有三类反应：离子交换树脂进行电解质分离有三类反应：1)分解盐的反应分解盐的反应强型离子交换树脂能够进行中性盐的分解反应，强型离子交换树脂能够进行中性盐的分解反应，生成相应的酸和碱，生成相应的酸和碱，下标下标 C C表示阳离子交换树脂，表示阳离子交换树脂，A表示阴离子交换树脂，表示阴离子交换树脂，S表示强型树脂表示强型树脂47高等制药分离工程吸附和离子交换离子交换树脂的电解质反应离子交换树脂的电解质反应2)中和反应中和反应强强型型和和弱弱型型树树脂脂均均能能与与相相应应的的碱碱和和酸酸进进行行中中和和反反应应。

强强型型树树脂脂的的反反应应性性强强，反反应应速速度度快快，交交换换基基团团的的利利用用率率高高，但但中中和和得得到到的的盐盐型型树树脂脂再再生生困困难难，再再生生剂剂用用量量多多弱弱型型树树脂脂中中和和后后再再生生剂剂用用量量少，可接近理论用量少，可接近理论用量3)离子交换反应离子交换反应盐式的强、弱型树脂均能进行交换反应但强型树脂的盐式的强、弱型树脂均能进行交换反应但强型树脂的选择性不如弱型树脂的选择性好，但可用相应的盐直接再选择性不如弱型树脂的选择性好，但可用相应的盐直接再生生 48高等制药分离工程吸附和离子交换离子交换树脂的电解质反应离子交换树脂的电解质反应交换后的交换后的(RSO3)2Ca可用浓可用浓NaCl溶液进行再生溶液进行再生 弱型树脂需用相应的强酸和强碱再生弱型树脂需用相应的强酸和强碱再生49高等制药分离工程吸附和离子交换离子交换树脂离子交换树脂分离过程有三种类型分离过程有三种类型 1)1)离子转换或提取某种离子离子转换或提取某种离子如如水水的的软软化化，将将水水中中的的Ca2+转转换换成成Na+此此时时可可用用盐盐式阳离子交换树脂，将式阳离子交换树脂，将Ca2+从水中分离出来。

从水中分离出来2)脱脱盐盐如如除除掉掉水水中中的的阴阴阳阳离离子子制制取取纯纯水水，此此时时可可用用强强型树脂的分解中性盐反应和型树脂的分解中性盐反应和强型或弱型树脂的中和反应强型或弱型树脂的中和反应3)3)不同离子的分离不同离子的分离当溶液中各离子的选择性相差不当溶液中各离子的选择性相差不大时，用简单的离子转换不能单独将某种离子吸附而分大时，用简单的离子转换不能单独将某种离子吸附而分离出来，此时需用类似吸附分馏或离子交换色谱法分离离出来，此时需用类似吸附分馏或离子交换色谱法分离50高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.2离子交换树脂的种类离子交换树脂的种类 五种分类方法五种分类方法 1)树树脂脂骨骨架架成成分分如如聚聚苯苯乙乙烯烯型型树树脂脂(0017)、聚聚丙丙烯烯酸酸型型树树脂脂(1124)、环环氧氧氯氯丙丙烷烷型型多多乙乙烯烯多多胺胺型型树树脂脂(330)、酚一醛型树脂、酚一醛型树脂(122)等2)聚聚合合的的化化学学反反应应共共聚聚型型树树脂脂(0017)和和缩缩聚聚型型树树脂脂(122)3)3)骨架的物理骨架的物理结构结构凝胶型树脂凝胶型树脂(2017)(微孔树脂微孔树脂)、大网格树脂大网格树脂(D201)(大孔树脂大孔树脂)以及均孔树脂以及均孔树脂(等孔树脂等孔树脂如如Zeolitep)。

4)4)活性基团活性基团含酸性基团的阳离子交换树脂和含碱性含酸性基团的阳离子交换树脂和含碱性基团的阴离子交换树脂电离强度强弱不同又可分为强基团的阴离子交换树脂电离强度强弱不同又可分为强酸性和弱酸性阳离子交换树脂及强碱性和弱碱性阴离子酸性和弱酸性阳离子交换树脂及强碱性和弱碱性阴离子交换树脂交换树脂5)5)含含其其他他功功能能基基团团的的螯螯合合树树脂脂、氧氧化化还还原原树树脂脂以以及及两两性树脂等性树脂等51高等制药分离工程吸附和离子交换聚苯乙烯型离子交换树脂的特性聚苯乙烯型离子交换树脂的特性52高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.3离子交换树脂的理化性质离子交换树脂的理化性质 1)外观和粒度外观和粒度(颗粒度颗粒度)商品树脂多制成商品树脂多制成球形球形，直径，直径0.21.2mm(1670目目)球形可增大比表面、提高机械强度和减少流体阻力球形可增大比表面、提高机械强度和减少流体阻力抗生素提取一般使用粒度为抗生素提取一般使用粒度为1660目占目占90以上的球以上的球形树脂，因为料液粘度较大、夹杂物较多粒度过小形树脂，因为料液粘度较大、夹杂物较多粒度过小容易产生阻塞粒度过大容易产生阻塞粒度过大强度下降、装填量少、强度下降、装填量少、内扩散时间延长，不利于有机大分子的交换。

内扩散时间延长，不利于有机大分子的交换2)交换容量交换容量(交换当量交换当量)交换容量是表征树脂活性基团数量交换容量是表征树脂活性基团数量(交换能力交换能力)的重的重要参数，要参数，重量交换容量重量交换容量(mmolg干树脂干树脂)和和体积交换体积交换容量容量(mmo1m1湿树脂湿树脂)，体积交换容量体积交换容量直观地反映了直观地反映了生产设备的能力，关系到产品质量、收率高低和设计生产设备的能力，关系到产品质量、收率高低和设计投资额大小的可靠性投资额大小的可靠性53高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.3离子交换树脂的理化性质离子交换树脂的理化性质3)机械强度机械强度(不破损率不破损率)测测定定方方法法：将将离离子子交交换换树树脂脂先先经经过过酸酸、碱碱溶溶液液处处理理后后，将将一一定定量量的的树树脂脂置置于于球球磨磨机机中中撞撞击击、磨磨损损，一一定定时时间间后后取取出出过过筛筛，以以完完好好树树脂脂的的重重量量百百分分率率表表示示商商品品树树脂脂的的机机械械强强度度规规定定在在90以以上上，抗抗生生素素则要求在则要求在95以上4)膨胀度膨胀度(膨胀率膨胀率)干干树树脂脂在在水水（有有机机溶溶剂剂）中中溶溶胀胀，湿湿树树脂脂在在功功能能基基离离子子转转型型或或再再生生后后洗洗涤涤时时有有溶溶胀胀现现象象,空空隙隙扩扩大大而使树脂体积膨胀。

而使树脂体积膨胀膨胀率（膨胀率（膨胀系数）：膨胀前后树脂的体积比膨胀系数）：膨胀前后树脂的体积比54高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.3离子交换树脂的理化性质离子交换树脂的理化性质5)含含水水量量：每每克克干干树树脂脂吸吸收收水水分分的的数数量量，一一般般是是0.30.7g，交交联联度度、活活性性基基团团性性质质及及数数量量、活活性性离离子子的的性性质质对对树脂含水量有影响例如高交联度的树脂，含水量就低树脂含水量有影响例如高交联度的树脂，含水量就低6)堆堆积积密密度度:树树脂脂在在柱柱中中堆堆积积时时，单单位位体体积积湿湿树树脂脂的的重重量量(gm1)，其值为，其值为0.60.85gml7)稳定性稳定性化化学学稳稳定定性性苯苯乙乙烯烯系系磺磺酸酸树树脂脂对对各各种种有有机机溶溶剂剂、强强酸酸、强强碱碱等等稳稳定定阳阳树树脂脂比比阴阴树树脂脂好好；阴阴树树脂脂中中弱弱碱碱性性树树脂脂最最差差低低交交链链阴阴树树脂脂在在碱碱液液中中长长期期浸浸泡泡易易降降解解破破坏坏，羟型阴树脂稳定性差，故以氯型存放为宜羟型阴树脂稳定性差，故以氯型存放为宜55高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.3离子交换树脂的理化性质离子交换树脂的理化性质热稳定性热稳定性。

干燥的树脂受热易降解破坏干燥的树脂受热易降解破坏强酸、强碱树脂的盐型比游离酸强碱树脂的盐型比游离酸(碱碱)型稳定，苯乙烯系型稳定，苯乙烯系比酚羟系树脂稳定，阳树脂比阴树脂稳定比酚羟系树脂稳定，阳树脂比阴树脂稳定56高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.3离子交换树脂的理化性质离子交换树脂的理化性质8)滴定曲线滴定曲线离离子子交交换换树树脂脂的的滴滴定定曲曲线线能能定定性性地地反反映映树树脂脂活活性性基团的特征，可鉴别树脂酸碱度的强弱基团的特征，可鉴别树脂酸碱度的强弱强酸和强碱树脂的滴定曲线开始有一段是水平的，强酸和强碱树脂的滴定曲线开始有一段是水平的，随酸、碱用量的增加而出现曲线的突升和陡降，此随酸、碱用量的增加而出现曲线的突升和陡降，此时表示活性基团已经达到饱和时表示活性基团已经达到饱和弱酸、弱碱性树脂的滴定曲线不出现水平部分和弱酸、弱碱性树脂的滴定曲线不出现水平部分和转折点而呈渐进的变化趋向转折点而呈渐进的变化趋向57高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.4离子交换平衡离子交换平衡 离子交换树脂的离子交换树脂的重要性质：重要性质：电电中中性性守守恒恒离离子子交交换换按按化化学学计计量量进进行行，交交换换容量与反离子的性质无关。

容量与反离子的性质无关离子交换几乎都是离子交换几乎都是可逆过程可逆过程离离子子交交换换过过程程受受扩扩散散速速率率控控制制，控控制制因因素素为为穿穿过颗粒表面液膜的外扩散或颗粒本身的内扩散过颗粒表面液膜的外扩散或颗粒本身的内扩散58高等制药分离工程吸附和离子交换二元系统的相平衡二元系统的相平衡 离子交换平衡可用质量作用定律表示离子交换平衡可用质量作用定律表示阳阳离离子子A和和B在在阳阳离离子子交交换换树树脂脂和和溶溶液液之之间间交交换换反反应应假假设设开开始始时时反反离离子子A在在溶溶液液中中，B在在离离子子交交换树脂中，离子交换反应为换树脂中，离子交换反应为S表示树脂相；表示树脂相；zA、zB分别表示反离子分别表示反离子A和和B的离子价的离子价热力学平衡常数热力学平衡常数K也是选择性系数也是选择性系数一一”表示树脂相表示树脂相 59高等制药分离工程吸附和离子交换二元系统的相平衡二元系统的相平衡用用离子分数离子分数表示溶液和树脂相的浓度，对二元系统有表示溶液和树脂相的浓度，对二元系统有 和和cA，co分别为液相中反离子分别为液相中反离子A的当量浓度和的当量浓度和反离子总当量浓度反离子总当量浓度，eqL；、；、分别为单位质量离子交换树脂中反离子分别为单位质量离子交换树脂中反离子A和全部反离子的当量数，和全部反离子的当量数，eqkg。

习惯用习惯用Qo表示表示 ，称为，称为树脂的总交换容量树脂的总交换容量60高等制药分离工程吸附和离子交换二元系统的相平衡二元系统的相平衡离子在磺酸型阳离子交换树脂上的选择性物质 LiHNa NH4KMg Zn CuCaK1.01.321.581.92.272.953.133.294.15Kij=Ki/Kj4%DVB62高等制药分离工程吸附和离子交换二元系统的相平衡二元系统的相平衡2)选择性系数的影响因素选择性系数的影响因素选选择择性性与与交交换换剂剂本本身身的的特特性性、被被交交换换的的反反离离子子特特性性和和离子交换条件离子交换条件有关交联度交联度交联度愈高，同种离子的选择性系数愈大交联度愈高，同种离子的选择性系数愈大反反离离子子特特性性对对于于等等价价离离子子，选选择择性性随随原原子子序序数数的的增增加加而而增增加加对对不不同同价价离离子子，高高价价反反离离子子优优先先交交换换，有有较较高高的的选选择择性性溶溶液液中中存存在在的的其其他他离离子子若若与与反反离离子子产生缔合或络合反应时，将使该反离子的选择性降低产生缔合或络合反应时，将使该反离子的选择性降低溶溶液液浓浓度度高高价价反反离离子子有有较较高高的的选选择择性性，但但随随溶溶液液浓度的增加而降低。

浓度的增加而降低温温度度离离子子交交换换平平衡衡与与温温度度的的关关系系符符合合热热力力学学基基本本关关系系温温度度升升高高，选选择择性性系系数数变变小小压压力力与与离离子子交交换换平衡无关平衡无关63高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.5离子交换动力学和质量传递离子交换动力学和质量传递 不不同同离离子子交交换换树树脂脂在在静静态态下下进进行行离离子子交交换换时时，达达到到平衡所需的时间差别很大平衡所需的时间差别很大强强酸酸性性阳阳离离子子交交换换树树脂脂只只需需几几分分钟钟时时间间，弱弱碱碱、弱弱酸性离子交换树脂则需要数小时酸性离子交换树脂则需要数小时当当树树脂脂在在离离子子交交换换柱柱中中以以动动态态方方式式进进行行离离子子交交换换时时，交交换换速速率率决决定定着着树树脂脂的的实实际际交交换换量量实实际际交交换换量量一一般明显低于树脂的总交换量般明显低于树脂的总交换量64高等制药分离工程吸附和离子交换离子交换过程机理离子交换过程机理 膜膜扩扩散散或或外外扩扩散散反反离离子子从从溶溶液液主主体体扩扩散散到到树树脂脂颗颗粒粒的的外表面颗颗粒粒扩扩散散或或内内扩扩散散反反离离子子从从颗颗粒粒外外表表面面经经树树脂脂微微孔孔扩扩散到内表面的活性基团上。

散到内表面的活性基团上在活性基团上进行反离子的在活性基团上进行反离子的交换反应交换反应被置换下来的反离子从树脂微孔扩散到颗粒外表面被置换下来的反离子从树脂微孔扩散到颗粒外表面被置换下来的反离子从颗粒外表面扩散到溶液主体被置换下来的反离子从颗粒外表面扩散到溶液主体65高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.6离子交换过程的设备与操作方式离子交换过程的设备与操作方式离子交换分离过程有三步：离子交换分离过程有三步：料液与离子交换剂进行交换反应；料液与离子交换剂进行交换反应；离子交换剂的再生；离子交换剂的再生；再生后离子交换剂的清洗再生后离子交换剂的清洗离子交换过程为液固相间的传质过程离子交换过程为液固相间的传质过程设备有搅拌槽、流化床、固定床等形式设备有搅拌槽、流化床、固定床等形式操作方法有间歇式、半连续和连续式三种操作方法有间歇式、半连续和连续式三种66高等制药分离工程吸附和离子交换离子交换树脂使用说明离子交换树脂使用说明 一、一、保存方法保存方法：离子交换树脂存放温度为离子交换树脂存放温度为040C，当存放处温度，当存放处温度稍低于稍低于0C时，应向包装袋内加入澄清的时，应向包装袋内加入澄清的饱和食盐饱和食盐水水、浸泡树脂。

当存放处温度过高时，不但使树脂、浸泡树脂当存放处温度过高时，不但使树脂易于脱水，还会加速阴树脂的降解易于脱水，还会加速阴树脂的降解一旦树脂失水，使用时不能直接加水，可用饱一旦树脂失水，使用时不能直接加水，可用饱和食盐水浸饱，然后再逐步加水稀释，洗去盐分，和食盐水浸饱，然后再逐步加水稀释，洗去盐分，贮存期间应使其保持湿润贮存期间应使其保持湿润67高等制药分离工程吸附和离子交换离子交换树脂使用说明离子交换树脂使用说明二、二、予处理予处理：1.1.水洗水洗:将准备装柱使用的新树脂，先用将准备装柱使用的新树脂，先用热水反复清洗，阳离子交换树脂用热水反复清洗，阳离子交换树脂用70-70-80C80C的热水，阴离子交换树脂用的热水，阴离子交换树脂用50-60C50-60C热水开始浸洗时，每隔约热水开始浸洗时，每隔约1515分钟换水一分钟换水一次，浸洗时要不时搅动，换水次，浸洗时要不时搅动，换水4-54-5次后，可次后，可隔约隔约3030分钟换水一次，总共换水分钟换水一次，总共换水7-87-8次，浸次，浸洗至浸洗水不带褐色，泡沫很少时为止洗至浸洗水不带褐色，泡沫很少时为止68高等制药分离工程吸附和离子交换离子交换树脂使用说明离子交换树脂使用说明2.2.酸碱处理酸碱处理:阳离子交换树脂处理步骤：阳离子交换树脂处理步骤：1)1)用用1N1N盐酸盐酸缓慢流过树脂，用量约为强缓慢流过树脂，用量约为强酸阳树脂体积的酸阳树脂体积的2-32-3倍，弱酸树脂的倍，弱酸树脂的3-53-5倍，倍，流量流量为每小时为每小时1.51.5倍床层体积流过。

倍床层体积流过2)2)水冲洗水冲洗，出水，出水PHPH为为5 5左右，用左右，用3 3倍树脂倍树脂体积体积5%5%的的NaClNaCl溶液流过树脂溶液流过树脂3)3)用用1NNaOH1NNaOH流过树脂流过树脂4)4)用水冲洗至出水用水冲洗至出水PHPH为为9 9左右69高等制药分离工程吸附和离子交换离子交换树脂使用说明离子交换树脂使用说明5)5)用用1N1N盐酸或硫酸，将树脂转成盐酸或硫酸，将树脂转成H H型，用型，用量为树脂体积的量为树脂体积的3-53-5倍6)6)酸流完后，用去离子水冲洗至出水酸流完后，用去离子水冲洗至出水PHPH值为值为6 6以上时，即可投入使用以上时，即可投入使用对于阴离子交换树脂水洗后的酸碱处对于阴离子交换树脂水洗后的酸碱处理次序，可采用碱理次序，可采用碱酸酸碱次序，酸、碱碱次序，酸、碱用量及流速，强碱树脂与强酸树脂相对应用量及流速，强碱树脂与强酸树脂相对应70高等制药分离工程吸附和离子交换离子交换树脂使用说明离子交换树脂使用说明三、三、再生处理再生处理：1.1.在离子交换树脂使用过程中，经过在离子交换树脂使用过程中，经过一段时间运转后，会发生质量逐渐下降，一段时间运转后，会发生质量逐渐下降，交换容量逐渐降低等现象。

这是由于树脂交换容量逐渐降低等现象这是由于树脂在运转过程中受到污染造成在废水和生在运转过程中受到污染造成在废水和生化物质提炼中，由于成份比较复杂，树脂化物质提炼中，由于成份比较复杂，树脂更易受到污染，应当采取适当的措施进行更易受到污染，应当采取适当的措施进行复活处理，针对不同情况，采用不同的复复活处理，针对不同情况，采用不同的复活处理工艺活处理工艺2.2.大孔树脂用丙酮或甲醇泡，用量为树大孔树脂用丙酮或甲醇泡，用量为树脂的脂的3-53-5倍倍71高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.7树脂技术的应用树脂技术的应用 一、中药有效成分提取一、中药有效成分提取(1)生生物物碱碱它它在在中中性性和和酸酸性性条条件件下下以以阳阳离离子子形形式式存存在在，可可用用阳阳离离子子交交换换树树脂脂从从提提取取液液中中分分离离,也也可可在在醇醇溶溶液液中中用用吸吸附附树树脂吸附分离脂吸附分离2）黄黄酮酮具具有有酚酚羟羟基基和和羧羧基基，呈呈酸酸性性，但但酸酸性性不不强强，不不能用阴离子交换树脂发生交换，可用吸附树脂分离能用阴离子交换树脂发生交换，可用吸附树脂分离3)皂皂苷苷皂皂苷苷由由皂皂苷苷元元和和糖糖组组成成，甾甾体体皂皂苷苷和和三三萜萜类类皂皂苷苷有有羟羟基基，呈呈酸酸性性。

这这两两类类皂皂苷苷一一般般极极性性较较大大，离离子子交交换换和和吸吸附树脂对其有较强的吸附作用附树脂对其有较强的吸附作用4)糖糖类类含含有有许许多多醇醇羟羟基基，只只有有极极弱弱的的酸酸性性，在在中中性性水水溶溶液液中中可可与与强强碱碱性性阴阴离离子子交交换换树树脂脂(OH型型)发发生生离离子子交交换换作作用用而而被被吸吸附附，并并易易被被10的的NaCl水水溶溶液液解解吸吸，但但许许多多糖糖类类物物质质在在强强碱碱性性条条件件下下会会发发生生异异构构化化和和分分解解反反应应，限限制制了了强强碱碱性性阴阴离离子子交交换换树树脂脂在在糖糖类类物物质质分分离离纯纯化化中中的的应应用用非非极极性性吸吸附附树树脂脂对分子量稍大的多糖有很好地吸附对分子量稍大的多糖有很好地吸附72高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.7树脂技术的应用树脂技术的应用(5)复方中药复方中药不不同同有有效效成成分分在在同同一一型型号号大大孔孔吸吸附附树树脂脂上上的的吸吸附附能能力力有有差差异异LD605型型大大孔孔吸吸附附树树脂脂为为例例，有有效效成成分分的的吸吸附附能能力力强强弱弱规规律律为为：生物碱生物碱黄酮黄酮酚类酚类无机物。

无机物离子交换树脂和吸附离子交换树脂和吸附树脂分离纯化中的规律树脂分离纯化中的规律：a.酸酸性性有有机机物物质质被被阴阴离离子子交交换换树树脂脂吸吸附附，碱碱性性有有机机物物质质容容易易被阳离子交换树脂吸附被阳离子交换树脂吸附b.聚聚苯苯乙乙烯烯型型树树脂脂分分子子体体积积较较大大的的、非非极极性性或或微微极极性性物物质质和和芳香性化合物；芳香性化合物；c.聚丙烯酸类吸附树脂聚丙烯酸类吸附树脂带酯基或酰胺基的微极性或极性物质；带酯基或酰胺基的微极性或极性物质；d.吸吸附附树树脂脂孔孔径径与与吸吸附附质质分分子子之之比比应应以以(26)：1为为宜宜，吸吸附附量与比表面积成正比；量与比表面积成正比；e.在水中，分子形式有利于吸附，离子形式有利于解吸，溶液在水中，分子形式有利于吸附，离子形式有利于解吸，溶液中无机盐的存在，有利于吸附，不利于交换；分子量大，在扩中无机盐的存在，有利于吸附，不利于交换；分子量大，在扩散路径的允许下，对吸附是有利的散路径的允许下，对吸附是有利的73高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.7树脂技术的应用树脂技术的应用二、二、抗生素工业中的应用抗生素工业中的应用非离子化的抗生素用大孔吸附剂提取；对于多数能离子非离子化的抗生素用大孔吸附剂提取；对于多数能离子化的抗生素可用离子交换树脂提取。

化的抗生素可用离子交换树脂提取具体选择时的通则：具体选择时的通则：a.强强碱碱性性和和强强酸酸性性抗抗生生素素宜宜选选用用弱弱酸酸和和弱弱碱碱树树脂脂；对对弱弱碱性和弱酸性抗生素需要强酸或强碱树脂碱性和弱酸性抗生素需要强酸或强碱树脂b弱弱酸酸性性和和弱弱碱碱性性树树脂脂应应采采用用盐盐型型，而而强强酸酸性性和和强强碱碱性树脂则根据用途任意使用性树脂则根据用途任意使用c尽尽可可能能选选用用体体积积交交换换量量高高、选选择择性性好好、使使用用寿寿命命长长的树脂，选择交联度、孔容、比表面适中的树脂的树脂，选择交联度、孔容、比表面适中的树脂d洗洗脱脱条条件件的的选选择择洗洗脱脱过过程程是是吸吸附附的的逆逆过过程程，洗洗脱脱条件一般和吸附条件相反条件一般和吸附条件相反如如酸酸性性吸吸附附剂剂应应碱碱性性洗洗脱脱，碱碱性性吸吸附附剂剂应应酸酸性性洗洗脱脱洗洗脱脱流流速速一一般般为为吸吸附附流流速速的的1/10为为防防止止洗洗脱脱过过程程pH值值变变化化过过大大，可可选选用用缓缓冲冲液液洗洗脱脱剂剂有有时时使使用用含含有有机机溶溶剂剂的的洗洗脱脱剂以提高洗脱效果剂以提高洗脱效果74高等制药分离工程吸附和离子交换6.2.7树脂技术的应用树脂技术的应用三、三、水处理中的应用水处理中的应用目目前前离离子子交交换换树树脂脂用用量量最最大大的的领领域域是是水水处处理理，用以满足水的软化和去离子水的制备的需要。

用以满足水的软化和去离子水的制备的需要制制药药工工业业需需要要质质量量很很高高的的去去离离子子水水已已得得到到了了普遍的应用普遍的应用75高等制药分离工程吸附和离子交换。