毕业论文-化工-Ph值,离子强度和温度等因素对离子交换平衡的影响

1、山东理工大学 毕业设计（论文）Ph值，离子强度和温度等因素对离子交换平衡的影响学 院： 化工学院 专 业： 化学0901 学生姓名： 江自流 指导教师： 王晓斌学 号： 0911081020 毕业设计（论文）时间：二一二年 二月十六日三月三日共二周13摘要摘要氨基酸是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位，是构成动物营养所需蛋白质的基本物质。甘氨酸是氨基酸类中结构最简单的化合物，并且是一种重要的基本有机原料，在医药、食品、化工等行业的具有重要的作用。研究开发高效的甘氨酸提取分离工艺有重要的现实意义。本文提出研究甘氨酸在离子交换树脂上的动力学，主要研究不同条件下甘氨酸在离子交换树脂上的动力学性质，是

2、研究提取和纯化甘氨酸新工艺技术的基础，不仅具有科学研究意义而且具有重要的实际意义。本文应用离子交换法分别测定了甘氨酸在离子强度、pH值和温度等不同因素下在732阳离子交换树脂上的离子交换动力学曲线。研究表明，随着平衡溶液pH值增大，甘氨酸的平衡交换量先增大后减小。随着离子强度的增大，甘氨酸的平衡交换量减小，而且树脂对氨基酸的相对选择系数也减小。温度升高可以增大氨基酸在液固两相间的传质速率，并估算了相应的扩散系数。通过以上研究，我们对甘氨酸的性质与分离提纯方法有了进一步的理解，这对我们为以后提出甘氨酸的新的生产方法打下了良好的基础。同时这也为提纯分离氨基酸打下了良好的基础，这也是研究本试验的主要

3、目的所在。关键词：甘氨酸 ，离子交换技术，离子强度，阳离子交换树脂，离子交换动力学目录AbstractBasic composition unit that the amino acid is the biological function macromolecule protein; it is a basic material which forms the necessary protein of animal's nutrition. Glycine is structural simplest compound in amino acids, and a kind of im

4、portant basic organic raw materials, having important function in trades such as medicine, food, chemical industry, etc. Researching and developing high-efficient glycine has important Practical significance to draw the craft of separating. This text proposes studying glycine dynamics on the ion exc

5、hange resin, the glycine under different conditions of main research dynamics properties on the Ionic exchange technology, it is a foundation of studying drawing and purified glycine new technology, not only have scientific research meanings but also have important actual meanings. This text employs

6、 the law of ion exchange to determine glycine in the ion intensity separately, ion exchange dynamics curve on 732 Cat ion exchange resin under different factors such as pH and temperature. The research indicated, as balanced solution pH increases, the equilibrium exchange amount of the glycine is re

7、duced after increasing. With ion increase of intensity, equilibrium exchange amount of glycine reduce, and resin relative choice coefficient to the amino acid reduced. Temperature can increase amino acids in two firm alternate quality speed of biography of liquid while rising, have estimated corresp

8、onding diffusion coefficient.Through the above-mentioned research, we have further understanding to purify the method to property and the separation of the glycine, this whether afterwards put forward new production method of glycine lay a good foundation to us. This laid a good foundation in order

9、to purify and separate amino acids too at the same time; this is the main purpose of the study, too.Keywords: Glycine ，Ionic exchange technology， Ion intensity， Cat ion exchange resin， Ionic exchange dynamics目录目录摘要1Abstract2目录3第一章 引言51.1 研究背景51.1.1甘氨酸的理化特性51.1.2甘氨酸的生产方法61.1.3甘氨酸的应用及消费61.1.4氨基酸的两性电离特

10、性6第二章 甘氨酸离子交换吸附理论82.1概述82.2理论部分82.2.1甘氨酸的两性特性8第三章 实验结果与讨论103.1实验仪器与试剂103.1.1实验仪器：103.1.2实验药品：103.2实验步骤:113.2.1离子交换树脂的预处理：113.3结果与讨论：123.3.1甘氨酸标准曲线：12结论13参考文献13第一章 引言 第一章 引言1.1 研究背景1.1.1甘氨酸的理化特性甘氨酸又名氨基乙酸，乙氨酸，英文名称Glycine(Aminoacedc acid)，分子式为C2H5NO2，结构式NH2CH2COOH，是一种结构最简单的氨基酸，固态的甘氨酸为白色单斜晶系或六方晶系的晶体或白色结

11、晶粉末，无臭、无毒，相对密度1.160。熔点为262oC(分解)，有特殊甜昧，可溶于水，微溶于乙醇、乙醚、吡啶，可与盐酸反应生成盐酸盐。甘氨酸在氨基酸类中结构最简单的化合物，是一种重要的基本有机原料，应用领域极为广泛1。1.1.2甘氨酸的生产方法甘氨酸的工业生产方法主要有三种：天然蛋白质水解法、氯乙酸氨解法和Strecker法7。目前国内普遍采用氯乙酸氨解法，国外则以Strecker法为主。1.1.2.1水解法以明胶或蚕丝等天然蛋白质为原料，经水解、精制过滤，离子交换，干燥而得产品。此法因蛋白质原料消耗大，发展受到限制，现已被合成法所取代8。1.1.2.2氯乙酸氨解法由于水相合成甘氨酸中乌洛托

12、品消耗较大，且乌洛托品价格较高，无法回收，故成本较高，而以醇溶液代替水溶液则会大大降低乌洛托品的消耗量，从而降低生产成本，因此，目前国内普遍采用醇相法合成甘氨酸，反应方程式如下。 主反应：CLCH2COOH+2NH3NH2COOHNH4CL副反应：NH2CH2OOH +CLCH2OOH NHCH2OOH)2+HCLNH(CH2COOH)2+CLCH2COOHN(CH2COOH)3+HCL该法根据原料不同，又可分以下几种工艺 (1)水相或醇相中以乌洛托品，氯乙酸、氨水(氨气或液氨均可)为原料合成；(2)水相中以碳酸铵或氨基甲酸胺、氯乙酸、氨水为原料合成9。目前国内的生产方法以前者为主，增率在70

13、左右，后者增率较低(约42)，故很少用于工业化生产。氯乙酸氨解法的优点是原料易得，合成工艺简单，对设备要求不高，易操1.1.3甘氨酸的应用及消费甘氨酸是一种重要的基本有机原料，应用领域极为广泛。甘氨酸是生产氨基酸的基本原料，氨基酸又是医药、食品、化工等行业的重要原料。1.1.4氨基酸的两性电离特性氨基酸分子内具有两种功能团，同时含有氨基（-NH2）和羧酸基（-COOH）（某些特殊的氨基酸带有磺酸基，磷酸基）,在溶液中通常以离子的形式存在20。等电点（pI）是氨基酸所带净电荷为零时的pH值，在等电点处氨基酸的溶解度最小，最容易从溶液中析出。氨基酸的结构通式是如图1-1所示：由于分子中含有氨基和羧

14、基，在溶液中氨基酸可按照两种方式进行电离（，），它在溶液中的电离方式主要取决于溶液的pH和氨基酸本身的等电点（pI）：当溶液的pH值小于pI时，溶液中羧基的解离受到抑制，氨基酸带正电荷；而在溶液的pH值大于pI时，溶液中氨基地解离受到抑制，氨基酸带负电荷,这就是氨基酸的两性电离。如图1-2所示：其中，K1，K2为解离反应的平衡常数，可以由方程11，2、1-2表示。 ， （1-1）， （1-2）第二章 甘氨酸离子交换吸附理论2.1概述性质优良的吸附剂是吸附分离技术的核心，大规模的生产过程要求吸附剂要有较大的吸附容量和适当的选择性。在进行甘氨酸的离子交换和分离操作过程中，作为核心单元的是离子交换树

15、脂，为了选择合适的离子交换树脂，我们有必要对各种树脂的吸附性质进行实验，因此对甘氨酸在各种离子交换树脂上进行离子交换吸附理论是非常必要的。本章将采用间歇式静态吸附离子交换法测定甘氨酸在树脂上的离子交换相平衡关系，考察温度、浓度、离子强度等条件对氨基酸吸附离子交换相平衡的影响，并使用相应的热力学模型估算相关的热力学参数。2.2理论部分2.2.1甘氨酸的两性特性甘氨酸作为一种中性氨基酸，在溶液中有三种解离形式，甘氨酸阳离子，甘氨酸阴离子和甘氨酸两性离子。它的一级电离常数pK12.34，二级电离常数pK29.60，等电点pI5.97。甘氨酸的三种解离形式在溶液中的含量与溶液的pH值有直接关系，计算式

16、如下所示：设溶液中甘氨酸的总浓度为： (2-1)其中，甘氨酸阳离子的浓度可由式（2-2）计算： (2-2)甘氨酸两性离子的浓度可由式（2-3）计算： (2-3)甘氨酸两性离子的浓度可由式（2-4）计算： (2-4)图2.1：甘氨酸解离曲线式中K1，K2为甘氨酸的一级和二级解离常数。，分别为甘氨酸两性离子，阴离子和阳离子在甘氨酸的百分含量,。第三章 实验结果与讨论3.1实验仪器与试剂3.1.1实验仪器：本文主要使用的实验仪器见表3-1。表3-1 主要的实验仪器名称型号来源水浴恒温振荡器THZ-82型金坛市富华仪器有限公司电子分析天平JA1003型上海天平仪器厂pH计PHSJ-4A型上海雷磁仪器厂

17、高效液相色谱仪HP1100型美国Agilent公司恒温磁力搅拌器78HW-1型上海金黄浦机械公司循环式真空泵SHZ-D型巩义市予华仪器厂真空干燥箱DZF-6051型南京索特干燥设备厂772可见光分光光度计772型上海精密仪器仪表有限公司3.1.2实验药品：表3-2 主要的化学试剂名称规格来源甘氨酸生化试剂上海伯奥生物科技有限公司茚三铜生化试剂上海伯奥生物科技有限公司磷酸二氢钾分析纯庆盛达化学试剂有限公司盐酸分析纯庆盛达化学试剂有限公司氢氧化钠分析纯庆盛达化学试剂有限公司氯化钠分析纯庆盛达化学试剂有限公司磷酸氢二钠分析纯庆盛达化学试剂有限公司氯化亚锡分析纯庆盛达化学试剂有限公司732阳离子离子交

18、换树脂分析纯庆盛达化学试剂有限公司3.2实验步骤:3.2.1离子交换树脂的预处理：强酸性阳离子交换树脂使用水洗去杂质污垢，然后用5倍树脂体积的无水乙醇浸泡2小时，使用水冲洗干净；然后使用810倍的1mol/L的HCl溶液浸泡4小时，反复使用水洗至中性；再使用810倍的1mol/L的NaOH溶液浸泡4小时，反复使用水洗至中性，重复23次后备用。使用前用HCl溶液浸泡后，冲洗为中性，使树脂成为酸式，或者使用NaOH溶液浸泡后，冲洗为中性，使树脂成为盐式（或Na式）。强碱性阴离子交换树脂的处理方法与强酸性阳离子树脂的处理方法相似，只是用于浸泡的NaOH和HCL溶液的顺序要相应调整。3.3结果与讨论：

19、3.3.1甘氨酸标准曲线：根据772可见光分光光度计的使用要求，保持吸光度在0.1-0.8之间，相应甘氨酸的浓度也进行选择。根据3.2.2.1中的实验方法，分别测定了不同浓度氨基酸溶液的吸光度，吸光度与浓度的对应关系如下图所示。甘氨酸的标准曲线如图所示，在浓度为0.002-0.006mol/L，吸光度为0.2-0.8之间，浓度与吸光度之间为线性关系，使用Origin回归得到相应的方程为：A210.0C-0.223，相关性系数为0.9989，达到精度要求，可以用于甘氨酸浓度的确定。结论本文分别测定了甘氨酸在阳离子离子交换树脂上的吸附相平衡曲线，分析了pH值，离子强度和温度等因素对离子交换平衡的影

20、响。研究表明，溶液的pH值通过影响氨基酸的带电形式，改变氨基酸与离子交换树脂之间的作用力，从而改变了氨基酸在离子交换树脂上的平衡交换量，氨基酸在一定的pH值下存在最大交换量。离子强度通过影响溶液的离子氛围，改变氨基酸在离子交换树脂的平衡交换量，随着离子强度的增大，氨基酸的平衡交换量减小；温度对氨基酸的平衡交换量影响很小。参考文献1甘氨酸的生产和应用。吴华 、华文 江苏南通醋酸化工股份有限公司2甘氨酸的生产与应用 许伟民、程长平 杭州西湖味精集团有限公司杭州3安文林，王惠琴，李林.牛磺酸对中枢神经系统生长发育及对衰老过程影响的研究进展J. 生理科学进展，1997，28（2）：154-1564H.Paul Redmond, P.P.Stapleton and Paul Neary et.al. Immunonutrition: The Role of TaurineJ. Nutrition.1998,14(7-8):599-5045H.Paul Redmond, P.P.Stapleton and Paul Neary et.al. Immunonutrition: The Role of TaurineJ. Nutrition.1998,14(7-8):599-5046Saransaari, P. and Oja.S.S.