連續(xù)離子交換技術(shù)及其應(yīng)用

關(guān)于連續(xù)離子交換技術(shù)及其應(yīng)用第一節(jié)離子交換技術(shù)概述及離子交換樹脂

一、離子交換技術(shù)的概述1、定義離子交換技術(shù)：根據(jù)某些溶質(zhì)能解離為陽離子或陰離子的特性，利用離子交換劑與不同離子結(jié)合力強(qiáng)弱的差異，將溶質(zhì)暫時(shí)交換到離子交換劑上，然后用適合的洗脫劑將溶質(zhì)離子洗脫下來，將溶質(zhì)從原溶液中分離、濃縮和提純的操作技術(shù)。第2頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2、離子交換劑（ionexchanger）離子交換法主要是基于一種合成材料作為吸著劑，成為離子交換劑，以吸附有價(jià)值的離子。.離子交換劑分無機(jī)質(zhì)類和有機(jī)質(zhì)類兩大類。無機(jī)質(zhì)類又可分天然的——如海綠砂；人造的——如合成沸石。有機(jī)質(zhì)類又分碳質(zhì)和合成樹脂兩類。其中碳質(zhì)類如磺化煤等；合成樹脂類分陽離子型——如強(qiáng)酸性和弱酸性樹脂；陽離子型——如強(qiáng)堿性和弱堿性樹脂、兩性樹脂和螯合樹脂等類。第3頁,共78頁，2024年2月25日，星期天二、離子交換樹脂1、離子交換樹脂的發(fā)展背景

早在1850年就發(fā)現(xiàn)了土壤吸收銨鹽時(shí)的離子交換現(xiàn)象，但作為一種現(xiàn)代分離手段，是在20世紀(jì)40年代人工合成了離子交換樹脂后的事。離子交換樹脂是最早出現(xiàn)的功能高分子材料，1935年英國的Adams和Holmes發(fā)表了關(guān)于酚醛樹脂和苯胺甲醛樹脂的離子交換性能的工作報(bào)告，開創(chuàng)了離子交換樹脂領(lǐng)域，同時(shí)也開創(chuàng)了功能高分子領(lǐng)域。根據(jù)他們的發(fā)明，帶有磺酸基和氨基的酚醛樹脂很快就實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)并在水的脫鹽中得到應(yīng)用。第4頁,共78頁，2024年2月25日，星期天1944年D’Alelio合成了具有優(yōu)良物理和化學(xué)性能的磺化苯乙烯-二乙烯苯共聚物離子交換樹脂及交聯(lián)聚丙烯酸樹脂，奠定了現(xiàn)代離子交換樹脂的基礎(chǔ)。此后，Dow化學(xué)公司的Bauman等人開發(fā)了苯乙烯系磺酸型強(qiáng)酸性離子交換樹脂并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化；Rohm&Hass公司的Kunin等人則進(jìn)一步研制了強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂和弱酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂。這些離子交換樹脂除應(yīng)用于水的脫鹽精制外，還用于藥物提取純化、稀土元素的分離純化、蔗糖及葡萄糖溶液的脫鹽脫色等。第5頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

20世紀(jì)50年代末，國內(nèi)外包括我國的南開大學(xué)化學(xué)系在內(nèi)的諸多單位同時(shí)合成出了大孔型離子交換樹脂。這是離子交換樹脂發(fā)展史上的另一重大成果，因此很快得到廣泛的應(yīng)用。在60年代后期，離子交換樹脂除了在品種和性能等方面得到了進(jìn)一步的發(fā)展，更為突出的是應(yīng)用得到迅速的發(fā)展。除了傳統(tǒng)的水的脫鹽、軟化外，在分離、純化、脫色、催化等方面得到廣泛的應(yīng)用。1964年，英國還生產(chǎn)了一種均孔樹脂，是一種交聯(lián)度分布均勻的凝膠型陰離子交換樹脂，抗有機(jī)污然能力強(qiáng)，交換能力并不低于一般的凝膠樹脂，據(jù)報(bào)道用于水處理效果極好。

第6頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2、離子交換樹脂定義及組成

定義：離子交換樹脂是一種不溶于酸、堿和有機(jī)溶劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的功能高分子化合物，化學(xué)穩(wěn)定性良好，且具有離子交換能力?？梢园央x子交換樹脂看作是固體的酸或堿。

組成：離子交換樹脂是由三部分組成的：不溶性的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的樹脂構(gòu)架，使樹脂具有化學(xué)穩(wěn)定性；與骨架相連的功能基團(tuán)；與功能基團(tuán)所帶電荷相反的可移動(dòng)的離子，即活性離子。第7頁,共78頁，2024年2月25日，星期天離子交換樹脂第8頁,共78頁，2024年2月25日，星期天3、離子交換樹脂分類

（1）按樹脂骨架化學(xué)成分可分為：苯乙烯型樹脂；丙烯酸型樹脂；酚醛型樹脂；多乙烯多胺-環(huán)氧氯苯烷。（2）按制備樹脂的聚合化學(xué)反應(yīng)分為：共聚型樹脂；縮聚型樹脂。（3）按骨架的物理結(jié)構(gòu)可分為：凝膠型樹脂（微孔型）；大網(wǎng)格樹脂（大孔型）；均孔樹脂；載體型樹脂。

第9頁,共78頁，2024年2月25日，星期天1）凝膠型樹脂凡外觀透明、具有均相高分子凝膠結(jié)構(gòu)的離子交換樹脂統(tǒng)稱為凝膠型離子交換樹脂。在水中會(huì)溶脹成凝膠狀，并呈現(xiàn)大分子鏈的間隙孔。在無水狀態(tài)下，凝膠型離子交換樹脂的分子鏈緊縮，體積縮小，無機(jī)小分子無法通過。所以，這類離子交換樹脂在干燥條件下或油類中將喪失離子交換功能第10頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2）大網(wǎng)格或大孔樹脂

在大網(wǎng)格吸附劑上引入離子交換功能團(tuán)所得。和通常凝膠樹脂不同，孔隙大，樹脂內(nèi)部表面積大，因此適宜吸附大分子和用作催化劑，且有永久孔隙度，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，適用于非水溶液的交換，也適用于連續(xù)離子交換操作中。第11頁,共78頁，2024年2月25日，星期天3）載體型樹脂主要用作液相色譜的固定相，一般是將離子交換樹脂包覆在硅膠或玻璃珠等表面制成?？山?jīng)受液相色譜中流動(dòng)介質(zhì)的高壓又具有離子交換功能。（4）按交換基團(tuán)性質(zhì)可分為：陽離子交換樹脂（強(qiáng)酸、弱酸）；陰離子交換樹脂（強(qiáng)堿、弱堿）1）強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂一般是以磺酸基-SO3H為活性基團(tuán)，使用時(shí)的PH沒有限制第12頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2）弱酸型陽離子交換樹脂功能團(tuán)可以是-COOH、酚羥基-OH等，這種樹脂的電離程度小，交換性能和溶液的PH有很大的關(guān)系，交換能力隨溶液PH的升高而提高，和H+的結(jié)合能力強(qiáng)，故再生成氫型較容易。3）強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂根據(jù)功能團(tuán)的不同可分為兩型：Ⅰ型活性基團(tuán)為-N(CH3)3，堿性強(qiáng)，但再生困難；Ⅱ型為-N(CH3)2C2H4OH，穩(wěn)定性差。4）弱堿性陰離子交換樹脂功能團(tuán)為R—NH2、R—NR’H和，R—NR”2或吡啶基等。溶液PH越低，交換能力就越大。第13頁,共78頁，2024年2月25日，星期天4、樹脂的命名

對離子交換樹脂的命名，我國石油化學(xué)工業(yè)部早在1977年已制定了《離子交換樹脂產(chǎn)品分類、命名及型號》部頒標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)離子交換樹脂功能基性質(zhì)不同將其分為強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、弱酸、弱堿、螯合、兩性、氧化還原等七類。

具體的命名規(guī)定為：離子交換樹脂的全名由分類名稱，骨架（或基團(tuán)）名稱，基本名稱排列組成。對大孔型離子交換樹脂，在型號的前面加“D”表示，在型號的后面用“×”接阿拉伯?dāng)?shù)字，表示交聯(lián)度。第14頁,共78頁，2024年2月25日，星期天Ｄ●●●交聯(lián)度數(shù)值順序號骨架代號分類代號分類代號順序號骨架代號大孔型代號００１×７０－強(qiáng)酸性０－苯乙烯系交聯(lián)度為７%順序號為１001×7－交聯(lián)度為7%的苯乙烯烯凝膠型強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂Ｄ315-大孔型丙烯酸弱堿性陰離子交換樹脂大孔型凝膠型●●●×●離子交換樹脂的命名第15頁,共78頁，2024年2月25日，星期天5、樹脂的合成方法

現(xiàn)有樹脂的制造方法可以分為兩類：縮聚法和加聚法。（1）縮聚法：有低分子產(chǎn)物（通常是水）產(chǎn)生，一般穩(wěn)定性較差，多半為無定形，以甲醛等作為交聯(lián)劑，交聯(lián)度不易控制，反應(yīng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)不十分確定，且多為多功能團(tuán)的。（2）加聚法：結(jié)構(gòu)確定，常為單功能團(tuán)的，一般性能好，多為球形，以二乙烯苯等作為交聯(lián)劑。引入活性功能團(tuán)可采用含功能團(tuán)的單體也可在形成聚合物后再引入第16頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

樹脂一般制成球形，可提高樹脂是機(jī)械強(qiáng)度，并可使在柱中操作時(shí)，流體阻力減少，通常采用的是懸浮聚合法。由于單體與水相之間存在較大的粘度差異，且反應(yīng)器中攪拌剪切力空間分布不均勻等諸多原因，會(huì)導(dǎo)致聚合球狀物（白球）不均勻。為了彌補(bǔ)此法的不足，國外采用了先進(jìn)的全自動(dòng)噴射法合成技術(shù)，得率高且粒度均勻。離子交換樹脂領(lǐng)域的國內(nèi)外學(xué)者一直積極致力于探索新型的合成工藝，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出來的新型工藝有互貫聚合工藝和后交聯(lián)工藝。第17頁,共78頁，2024年2月25日，星期天（1）互貫聚合法

是指將已經(jīng)具有一定交聯(lián)度的聚合物骨架再在相同交聯(lián)度的單體中溶脹，使單體吸入聚合物中，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)格的互相貫穿和纏繞。此法使得樹脂密度增大、剛性增強(qiáng)、珠體合格率提高、工作交換容量也大大高于具有相同交聯(lián)度的常規(guī)樹脂。（2）后交聯(lián)法也叫附加交聯(lián)法，是用聚苯乙烯溶液或溶脹態(tài)低交聯(lián)聚苯乙烯與交聯(lián)劑氯甲醚等發(fā)生付氏反應(yīng)，引入的氯甲基在較高溫度下，可與鄰近的苯環(huán)進(jìn)一步發(fā)生付氏反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)高分子鏈上苯環(huán)的交聯(lián)。第18頁,共78頁，2024年2月25日，星期天6、交換速率影響離子交換樹脂交換速率的因素有：（1）顆粒大?。侯w粒小時(shí)交換速度有所提高（2）交聯(lián)度：交聯(lián)度越低樹脂越易膨脹，在樹脂內(nèi)部擴(kuò)散就較容易（3）溫度：溫度的升高有利于擴(kuò)散，提高交換速率（4）離子的化合價(jià)：相反離子間存在庫倫引力，離子化合價(jià)越高，這種引力越大，因此擴(kuò)散速度就越小

第19頁,共78頁，2024年2月25日，星期天（5）離子的大小：小離子的交換速度比較快，因大分子在樹脂內(nèi)擴(kuò)散時(shí)會(huì)與樹脂骨架碰撞（6）攪拌速度：當(dāng)液膜控制時(shí)，增加攪拌速度會(huì)使交換速度增加（7）溶液濃度：溶液濃度逐漸升高會(huì)從外部擴(kuò)散控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)擴(kuò)散控制第20頁,共78頁，2024年2月25日，星期天7、離子交換過程的選擇性

集中體現(xiàn)在交換常數(shù)K的數(shù)值上，一般離子和樹脂之間的親和力越大，就越容易吸附，當(dāng)吸附后樹脂的膨脹度減小時(shí)，則樹脂對該離子的親和力也越大。

KB·A表示B離子取代樹脂上A離子的交換常數(shù)，值越大就越易吸附B離子。影響因素有：（1）離子的水化半徑：水化半徑較小的離子越易吸附（2）離子化合價(jià)：在低濃度水溶液和普通溫度時(shí)，離子的化合價(jià)越高就越易被吸附第21頁,共78頁，2024年2月25日，星期天（3）溶液的酸堿度：PH對弱酸性樹脂或弱堿性樹脂的解離程度有影響（4）交聯(lián)度、膨脹度和分子篩：對于吸收大離子有兩個(gè)互相矛盾的因素起作用，即選擇性的影響和空間大小的影響（5）樹脂與交換離子之間的輔助力：eg：氫鍵、范德華力（6）有機(jī)溶劑的影響：有機(jī)溶劑存在時(shí)常常會(huì)使對有機(jī)離子的選擇性降低，而容易吸附無機(jī)離子第22頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)離子交換的工作原理及裝置分類一、離子交換法原理

利用離子交換劑能吸附溶液中一種離子同時(shí)放出另一種相同電荷的離子的特點(diǎn)，使這種交換劑和溶液之間進(jìn)行的同號離子相互交換現(xiàn)象叫離子交換。其作用實(shí)質(zhì)上是一種溶液中的電解質(zhì)和不溶性電解質(zhì)的固、液兩相接觸時(shí)所進(jìn)行的復(fù)分解反應(yīng)。第23頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

膠體化學(xué)中關(guān)于半透膜兩側(cè)電解質(zhì)平衡濃度關(guān)系的理論，1911年由Donnan提出。其要點(diǎn)是：同一電解質(zhì)在半透膜兩邊的化學(xué)勢相等，若膜的一側(cè)有某種符號(正或負(fù))的非擴(kuò)散性離子，則同號的擴(kuò)散性離子在該側(cè)的濃度較另一側(cè)小。離子交換劑（通常是樹脂）可視為某種彈性凝膠，吸水后溶脹，溶脹后的離子交換樹脂內(nèi)部可以看做是一滴濃的電解質(zhì)溶液；樹脂顆粒與外部溶液間的界面可以看作是某種半透膜，膜的一側(cè)是外部溶液主體，另一側(cè)是樹脂相，樹脂相內(nèi)活潑基團(tuán)解離出來的離子和外部溶液主體相中的離子一樣，均可以擴(kuò)散通過半透膜分離原理的理論依據(jù)——道南平衡第24頁,共78頁，2024年2月25日，星期天離子交換過程離子交換原理示意圖外擴(kuò)散

內(nèi)擴(kuò)散

交換反應(yīng)第25頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

若將Na+型的磺酸基陽離子交換樹脂浸入NaCl溶液中，樹脂相中的Na+和溶液主體相中的Na+、Cl-可以通過半透膜擴(kuò)散達(dá)到平衡，此時(shí)溶液中NaCl的濃度不再發(fā)生變化，則由外界溶液相主體到樹脂相中的透過速度為：V1=K[Na+]外·[Cl-]外從樹脂相到外界溶液相主體中的透過速度為：V2=K[Na+]內(nèi)·[Cl-]內(nèi)因?yàn)檫_(dá)到平衡時(shí)V1=V2，所以：K[Na+]外·[Cl-]外=K[Na+]內(nèi)·內(nèi)（1）又[Na+]外=[Cl-]外[Cl-]外2=[Cl-]內(nèi)（[Cl-]內(nèi)+[R-]內(nèi)）[Na+]內(nèi)=[Cl-]內(nèi)+[R-]內(nèi)由于有較多固定離子R-存在，于是[Cl-]外＞＞[Cl-]內(nèi)，[Na+]內(nèi)＞＞[Cl-]內(nèi)，[Na+]內(nèi)＞＞[Na+]外第26頁,共78頁，2024年2月25日，星期天由于陽離子樹脂相中固定離子R-的排斥作用，到達(dá)平衡后外界溶液中[Cl-]外將大大超過樹脂相中的[Cl-]內(nèi)，而[Na+]外則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于[Na+]內(nèi)的，即陽離子可以進(jìn)入陽離子交換樹脂中進(jìn)行交換，陰離子則不能，這就是道南原則。若在外界溶液中加入其它其他離子，如K+，則隨著K+擴(kuò)散到中，有：[K+]內(nèi)·[Cl-]內(nèi)＝[K+]外·[Cl-]外，[K+]內(nèi)＞＞[K+]外（2）結(jié)合（1）式和（2）得：說明溶液中引入的K+將與樹脂相中的Na+發(fā)生交換作用，這種過程將一直進(jìn)行到樹脂相與外界溶液相中的兩種離子濃度之比相等為止。第27頁,共78頁，2024年2月25日，星期天離子交換劑的離子交換功能離子交換樹脂相當(dāng)于多元酸和多元堿，它們可發(fā)生下列三種類型的離子交換反應(yīng)。第28頁,共78頁，2024年2月25日，星期天中和反應(yīng)：

第29頁,共78頁，2024年2月25日，星期天復(fù)分解反應(yīng)：第30頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

中性鹽反應(yīng)：第31頁,共78頁，2024年2月25日，星期天從上面的反應(yīng)可見，所有的陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂均可進(jìn)行中和反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)。僅由于交換功能基團(tuán)的性質(zhì)不同，交換能力有所不同。中性鹽反應(yīng)則僅在強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂和強(qiáng)堿型離子交換樹脂的反應(yīng)中發(fā)生。所有上述反應(yīng)均是平衡可逆反應(yīng)，這正是離子交換樹脂可以再生的本質(zhì)。只要控制溶液的pH值、離子濃度和溫度等因素，就可使反應(yīng)向逆向進(jìn)行，達(dá)到再生的目的。第32頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

體系總的電中性原則交換容量與反離子的性質(zhì)無關(guān)離子交換過程幾乎都是可逆的離子交換是速率控制過程，通常由穿過交換劑外表面液膜的外擴(kuò)散或在交換劑顆粒內(nèi)部的內(nèi)擴(kuò)散過程來控制離子交換原則第33頁,共78頁，2024年2月25日，星期天離子交換技術(shù)的操作過程料液的預(yù)處理待分離料液與離子交換劑進(jìn)行交換反應(yīng)淋洗，除去雜質(zhì)洗脫，收集目標(biāo)物質(zhì)離子交換劑的再生再生后離子交換劑的清洗離子交換技術(shù)的操作工程大致可以分為：交換、反洗、再生、正洗四個(gè)階段。第34頁,共78頁，2024年2月25日，星期天待分離料液與離子交換劑進(jìn)行交換反應(yīng)含水狀態(tài)下的離子交換樹脂內(nèi)部存在著細(xì)孔，離子就在其間擴(kuò)散并進(jìn)行離子交換。固定之陰離子交換基，如SO3-對立之陽離子，如H+苯乙烯基體二乙烯苯架橋水合水Na+陽離子交換樹脂第35頁,共78頁，2024年2月25日，星期天2024/3/2636交換柱內(nèi)的再生樹脂再生：將樹脂恢復(fù)到交換前的形式．這個(gè)過程稱為樹脂再生。有時(shí)洗脫過程就是再生過程。陽離子交換樹脂可用3mol/L鹽酸處理，將其轉(zhuǎn)化為H+型；陰離于交換樹脂可用lmol/L氫氧化鈉處理，將其轉(zhuǎn)化成OH-型備用。第36頁,共78頁，2024年2月25日，星期天反洗的目的：松動(dòng)壓緊的樹脂床層，使床層膨脹。清除截留在樹脂層內(nèi)的懸浮物和有機(jī)雜質(zhì)沖洗細(xì)小的樹脂碎粉再生的目的：使交換終了失效的樹脂上的吸附的離子除去，并代之以新的被交換離子，從而達(dá)到反復(fù)使用的目的。第37頁,共78頁，2024年2月25日，星期天離子交換裝置分類

可粗分為間歇式、固定床、連續(xù)式移動(dòng)床及連續(xù)式流動(dòng)床離子交換設(shè)備第38頁,共78頁，2024年2月25日，星期天間歇式離子交換

是指把離子交換劑與被處理的溶液混合，加以適當(dāng)?shù)臄嚢?，使之達(dá)到適當(dāng)交換平衡，然后濾出溶液使之分離的一種操作方式。通常用于實(shí)驗(yàn)室或小型工業(yè)生產(chǎn)。最簡單的裝置就是采用一個(gè)具有攪拌器的罐。第39頁,共78頁，2024年2月25日，星期天固定床離子交換

是把離子交換劑放在交換柱內(nèi)處于固定態(tài)，被處理的溶液在動(dòng)態(tài)下流過交換柱。固定床的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，操作方便，適用于各種規(guī)模生產(chǎn)；固定床的缺點(diǎn)是離子交換劑的利用率低，再生費(fèi)用大；濾速增高時(shí)，壓強(qiáng)降增大也快。第40頁,共78頁，2024年2月25日，星期天柱式固定床剖視圖

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①有一個(gè)合適的離子交換樹脂床支撐體；②有一個(gè)分布器，使進(jìn)料能均勻分布流過樹脂床；③有反洗控制裝置，要使反洗壓力分布均勻。第41頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)連續(xù)離子交換技術(shù)概述連續(xù)離子交換技術(shù)定義連續(xù)離子交換技術(shù)是一種完全革新的分離工藝技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的固定床（FixedBed）、脈沖床（PulseBed）、模擬移動(dòng)床（SimulatedMovingBed）等工藝。它是在傳統(tǒng)的固定床樹脂吸附和離子交換工藝的基礎(chǔ)上結(jié)合連續(xù)逆流系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢開發(fā)而成。第42頁,共78頁，2024年2月25日，星期天連續(xù)離子交換的背景

連續(xù)離子交換是基于固定床系統(tǒng)，不能連續(xù)生產(chǎn)，能耗大，工藝繁雜，再生用化學(xué)品量大、生產(chǎn)周期長的缺點(diǎn)，而開發(fā)研究的。

ISEP連續(xù)離子交換最先是由美國先進(jìn)分離技術(shù)公司(AdvancedSeparationTechnologiesInc.)于1986年開始開發(fā),經(jīng)過不斷完善，而形成的真正連續(xù)的離子交換技術(shù)。第43頁,共78頁，2024年2月25日，星期天連續(xù)離子交換技術(shù)工作原理連續(xù)離子交換系統(tǒng)由一個(gè)帶有多個(gè)樹脂柱的（16、20、30）的圓柱和一個(gè)多孔分配閥組成。通過圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)和閥口的轉(zhuǎn)換，使分離柱在一個(gè)工藝循環(huán)中完成了吸附、水洗、解吸、再生的全部工藝過程。并且離子分離的所有工藝步驟在同時(shí)進(jìn)行。第44頁,共78頁，2024年2月25日，星期天如何實(shí)現(xiàn)連續(xù)？

傳統(tǒng)的離子交換應(yīng)用時(shí)采用固定床實(shí)現(xiàn)的，我們對固定床的工作過程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在交換過程中樹脂床將分為三段，即飽和區(qū)、活性區(qū)（傳質(zhì)區(qū)）和新鮮樹脂區(qū)。隨著交換進(jìn)行，傳質(zhì)區(qū)不斷下移直至底部交換完全。整個(gè)過程只有傳質(zhì)區(qū)處于工作狀態(tài)，飽和區(qū)和新鮮樹脂區(qū)閑置，因此樹脂利用率低。第45頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

為了提高樹脂利用率，我們把傳質(zhì)區(qū)進(jìn)行抽象分割成幾個(gè)小單元，一旦上面的小單元飽和后就移出來進(jìn)行洗水及再生操作，處理用的新鮮樹脂單元又回到傳質(zhì)區(qū)底部循環(huán)使用，這樣大大提高樹脂的利用率。第46頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

為了能夠?qū)崿F(xiàn)樹脂單元自動(dòng)高效的運(yùn)作，我們采用了全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，把樹脂柱小單元放到一個(gè)轉(zhuǎn)盤上，通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)切換。第47頁,共78頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)物料通過一個(gè)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)分配法控制，把樹脂柱分成交換、水洗、再生、漂洗等功能區(qū)域，當(dāng)樹脂單元到達(dá)指定區(qū)域就執(zhí)行相應(yīng)的工藝過程，這樣可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)過程獨(dú)立進(jìn)行，而整體工藝成連續(xù)運(yùn)行。第48頁,共78頁，2024年2月25日，星期天功能糖的簡要介紹定義

功能糖其實(shí)是指功能性低聚糖、功能性膳食纖維、功能性糖醇等幾種具有特殊生理功效的物質(zhì)的統(tǒng)稱。第四節(jié)連續(xù)離子交換在功能糖生產(chǎn)中的應(yīng)用第49頁,共78頁，2024年2月25日，星期天這其中，功能性低聚糖是指對人體健康具有一定改善效果的功能性糖類，多是由2～10個(gè)單糖通過糖苷鍵連接形成直鏈或支鏈的低度聚合糖。并不是所有的低聚糖都成為功能糖，只有在人體腸胃道內(nèi)不被消化吸收而直接進(jìn)入大腸內(nèi)為雙歧桿菌所利用低聚糖才稱為功能糖。第50頁,共78頁，2024年2月25日，星期天功能糖制法

功能糖多是由玉米芯、蔗渣、麥稈等富含半纖維素的物質(zhì)經(jīng)過酸法、酸酶法或酶法制取的糖，如低聚木糖；或是由一些淀粉糖類經(jīng)過酸法、酸酶法或酶法制取的糖，如低聚異麥芽糖。第51頁,共78頁，2024年2月25日，星期天功能糖功能簡介1、改善腸道菌群的功能2、潤腸通便3、增強(qiáng)免疫力4、促進(jìn)礦物質(zhì)的吸收5、抗齲齒6、降血脂第52頁,共78頁，2024年2月25日，星期天工藝過程傳統(tǒng)的固定床離子交換設(shè)備

在功能糖生產(chǎn)工藝過程中的精制工序中需要去除產(chǎn)品中的無機(jī)鹽和有機(jī)雜質(zhì)。

粗糖液經(jīng)過陽離子交換柱、陰離子交換柱和混合離子交換柱,得到精制物料。采取的設(shè)備為兩套并聯(lián)的方式,一套正常運(yùn)行,一套進(jìn)行樹脂再生,交替進(jìn)行,兩套共6臺(tái)設(shè)備,規(guī)格都比較大。第53頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

用這種間歇式離子交換技術(shù)進(jìn)行物料的精制，存在操作繁瑣，樹脂再生時(shí)間難以控制，樹脂再生所需酸堿及沖洗水用量都很大，水壓不易控制，產(chǎn)生的廢液量大，樹脂易流失以及物料品質(zhì)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。第54頁,共78頁，2024年2月25日，星期天連續(xù)離子交換設(shè)備的應(yīng)用

為了脫除功能糖生產(chǎn)過程中粗糖液中的陰陽雜質(zhì)離子，在離交生產(chǎn)工藝中設(shè)計(jì)采用了兩臺(tái)ISEP裝置，串聯(lián)操作，一臺(tái)樹脂裝陽離子交換樹脂，另一臺(tái)樹脂柱裝陰離子交換樹脂。流程如下:第55頁,共78頁，2024年2月25日，星期天(1)料液由泵打入陽柱，再經(jīng)過陰柱，從陰柱出來的物料經(jīng)段間加壓泵加壓后，再進(jìn)入陽柱，物料完成精制過程，進(jìn)入貯槽;(2)將需進(jìn)行再生的樹脂柱中的糖液頂出，置換出來的糖液進(jìn)入給料管;(3)用稀酸液再生陽樹脂，用稀堿液再生陰樹脂;(4)用水徹底清洗樹脂中殘留的酸和堿;(5)再生廢液排放至污水處理站進(jìn)行處理。第56頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

對在低聚半乳糖生產(chǎn)工藝過程中，對連續(xù)離子交換參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，與傳統(tǒng)的間歇式離子交換技術(shù)進(jìn)行比較。第57頁,共78頁，2024年2月25日，星期天表1兩種離交方式的比較第58頁,共78頁，2024年2月25日，星期天表2日均生產(chǎn)能力比較分析表第59頁,共78頁，2024年2月25日，星期天表3連續(xù)離交與間歇式離交技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對照表第60頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)連續(xù)離子交換技術(shù)的優(yōu)勢1、傳統(tǒng)的離子交換柱相比,其設(shè)備緊湊、系統(tǒng)簡化、管道縮減和占地面積少;2、與固定床相比,樹酯消耗量減少(50-90%),再生劑、沖洗水消耗降低;3、減少化學(xué)藥品、洗脫劑的用量約30-55%）;減少廢水排放量的40-75%;4、減少占地面積40-60%,系統(tǒng)緊湊,原固定床所有工序都集中在該系統(tǒng)中;第61頁,共78頁，2024年2月25日，星期天第六節(jié)連續(xù)離子交換技術(shù)的其他應(yīng)用制藥行業(yè)濕法冶金行業(yè)食品行業(yè)水處理（廢水處理、純水制備）精細(xì)化工和生物技術(shù)第62頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

1．產(chǎn)品儲(chǔ)槽2．產(chǎn)品泵3．原水儲(chǔ)槽4．水泵5．原料儲(chǔ)槽6．原料泵7．頂水儲(chǔ)槽8．洗水儲(chǔ)槽9．轉(zhuǎn)子流量計(jì)10．采樣口11．再生廢液儲(chǔ)槽12．連續(xù)離子交換實(shí)驗(yàn)機(jī)13．再生劑儲(chǔ)槽，14．水泵15．再生劑泵圖二維生素C連續(xù)離子交換轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)流程圖一、制藥行業(yè)在化學(xué)制藥方面的應(yīng)用主要有抗生素、氨基酸、維生素分離、純化與濃縮。（一）維生素C連續(xù)離子交換轉(zhuǎn)化（VC-Na→VC-H）

第63頁,共78頁，2024年2月25日，星期天

本工藝采用30柱系統(tǒng)，我們把系統(tǒng)分為幾個(gè)功能區(qū)：吸附區(qū)（5-15）、交換水洗區(qū)（1-4)、堿洗區(qū)（29-30）、再生區(qū)（21-28）、再生水洗區(qū)（17-20）、頂水區(qū)（16）。1234567891011121314151617181920

21222324252627282930第64頁,共78頁，2024年2月25日，星期天工藝說明：吸附區(qū)：由5-15樹脂柱組成。維生素C鈉溶液從5-6進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行第一級交換，鈉離子被部分交換到樹脂上，流出液為維生素C與維生素C鈉的混合溶液，pH值將降低；然后與吸附水洗下來的殘料液合并進(jìn)入7-9第二級交換，然后進(jìn)入10-12第三級交換，最后進(jìn)入13-15第四級交換，這樣經(jīng)過四級交換可以保證鈉離子被部分交換到樹脂上，流出液就是最終產(chǎn)品--維生素C溶液。第65頁,共78頁，2024年2月25日，星期天交換水洗區(qū)（吸附水洗區(qū)）：由1-4樹脂柱組成。經(jīng)過吸附后，各樹脂罐需要水洗，樹脂罐旋轉(zhuǎn)到吸附水洗區(qū)后，央帶在樹脂間的料液(主要是維生素C鈉)被水頂出，流出液與吸附區(qū)流出液混合一同進(jìn)入7-9對應(yīng)的樹脂罐。經(jīng)過交換飽和的5號柱轉(zhuǎn)動(dòng)到4位置開始水洗，經(jīng)過3-4一級水洗，然后1-2二級水洗，保證到1號柱時(shí)物料清洗干凈。而水經(jīng)過兩級利用提高了利用率，以節(jié)省洗水用量。

第66頁,共78頁，2024年2月25日，星期天堿洗區(qū)（交叉再生區(qū)）：由29-30樹脂柱組成。物料中含有蛋白等雜質(zhì)會(huì)在交換過程中滯留在樹脂柱中，容易造成堵塞和樹脂中毒，因此30號采用堿液來清洗樹脂，然后用水將29號樹脂罐中夾帶的堿溶液沖洗干凈。再生區(qū)（酸再生區(qū)）：由21-28樹脂柱組成。本工藝采用稀鹽酸進(jìn)行樹脂再生，在該區(qū)域內(nèi)，氫離子與樹脂上的鈉離子交換。酸從21-22進(jìn)入系統(tǒng)第一級再生，然后與再生水洗的殘酸混合進(jìn)入23-25二級再生，最后進(jìn)入26-28三級再生。經(jīng)過三級再生可以保證樹脂柱再生完全恢復(fù)交換性能。123456789101112131415161718192021222324252627282930第67頁,共78頁，2024年2月25日，星期天再生水洗區(qū)：由17-20樹脂柱組成。經(jīng)過酸再生后，樹脂需要經(jīng)過水的沖洗，將樹脂罐中殘留的酸全部洗出，才能重新再進(jìn)入吸附區(qū)。經(jīng)過完全再生的21號柱轉(zhuǎn)到20位置開始水洗，經(jīng)過19-20一級水洗，然后17-18二級水洗，保證17號柱時(shí)酸被清洗干凈，而水經(jīng)過來年估計(jì)利用提高效率，節(jié)省洗水用量。頂水區(qū)（ER區(qū)）：由16號柱組成，從17號柱轉(zhuǎn)過來時(shí)，樹脂柱中殘留大量水，如果直接轉(zhuǎn)入交換區(qū)15號位置，則水混入物料造成物料稀釋，因此在16號柱先用產(chǎn)品液把樹脂柱中的水頂出，避免了對物料的稀釋，同時(shí)頂出的水可回收利用，節(jié)省系統(tǒng)整體用水量。第68頁,共78頁，2024年2月25日，星期天產(chǎn)品收率最高可達(dá)到99%以上同等收率可以最大限度的提高產(chǎn)品液濃度酸用量減少30%以上，堿用量減少40%以上。減少洗脫酸堿時(shí)水的60%用量減少產(chǎn)品中氯離子的殘留

本實(shí)例應(yīng)用與采用傳統(tǒng)固定床對比具有以下優(yōu)點(diǎn)：第69頁,共78頁，2024年2月25日，星期天（二）氨基酸提純連續(xù)離子交換分離賴氨酸：賴氨酸為堿性氨基酸，在酸性條件下形成賴氨酸鹽，與銨型陽離子樹脂進(jìn)行離子交換被吸附，從而與非堿性氨基酸、糖、蛋白等有機(jī)雜質(zhì)分離。然后用氨水洗脫，結(jié)晶后得到賴氨酸成品，當(dāng)樹脂被洗提和水洗后，可以再次吸附更多的賴氨酸。離子交換后流出的廢水中的硫酸氨可以被回收。脫離離子交換的菌體可用于制造化肥。第70頁,共78頁，2024年2月25日，星期天與固定床分離對比的優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)的離子交換分離器可直接接納全部發(fā)酵醪液，不需過濾器，而固定床分離器在發(fā)酵反應(yīng)堆和分離器之間需要一個(gè)過濾階段。這樣可以減少資金成本、占地面積和工藝成本。固定床系統(tǒng)一般需要對樹脂洗提后的化學(xué)廢水進(jìn)行二次處理。而ISEP連續(xù)分離系統(tǒng)則不需要，它可以再循環(huán)利用絕