离子交换技术96课件

离子交换技术离子交换长期以来应用于水处理和金属的回收。在生物工业中，由于离子交换法分辨率高、工作容量大且易于操作，几乎所有的生物分子都是极性的，都可使其带电，所以离子交换法已广泛用于生物分子的分离纯化技术。主要应用在抗生素、氨基酸、有机酸等小分子的提取分离。近年来在蛋白质等生物大分子的分离提取也有应用。一、离子交换技术概述离子交换剂是一类能发生离子交换的物质，分为无机离子交换剂和有机离子交换剂。无机离子交换剂有机离子交换剂沸石、磺化煤离子交换树脂（一）离子交换技术概念离子交换现象是十八世纪中期由Thompson所发现，后来J.ThomasWay全面研究。离子交换树脂的出现已有近80年的历史.

离子交换树脂发展史上的3个重要阶段1933年Adams和Hofms发明了缩聚类酚醛型阳、阴离子交换树脂,二战及二战后期离子交换树脂大发展

1939年德国法本公司和1941年美国的树脂产品和化学品公司先后开始工业生产，在第二次世界大战中，美国获得了苯乙烯系和丙烯酸系加聚型离子交换树脂合成的专利。它开创了当今离子交换树脂制造方法的基础。离子交换树脂的发展50年代以后，开展了膜状离子交换树脂的研究,开辟了电化学的新领域。50年代末，60年代初期,又研制出耐压、耐磨、高交换速度、能交换或吸着高分子量化合物的大孔离子交换树脂。70年代以后，出现了各种大孔吸附树脂及特种树脂。

离子交换树脂的发展“离子交换树脂之父”何炳林1942年毕业于西南联合大学1952年获美国印第安纳大学博士学位南开大学教授1980年当选为中国科学院院士1950年以后开始离子交换树脂的研究，开创并发展了我国的离子交换树脂和吸附工业，1956年他提出并合成了大孔型离子交换树脂，系统研究了新型离子交换树脂和大孔新型吸附树脂的合成、结构、性质及应用。1958年，离子交换树脂在国内正式投入工业化生产。离子交换树脂的结构其结构由三部分组成：1.不溶性的三维空间网状结构构成的树脂骨架，使树脂具有化学稳定性和机械强度；2.是与骨架相联的功能基团；3.是与功能基团带相反电荷的可移动的离子，称为活性离子，它在树脂骨架中的进进出出，就发生离子交换现象。离子交换树脂的结构-网络骨架苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系离子交换树脂结构骨架：接有功能基团，本身是惰性功能基团：连接在骨架上，可与相反离子结合待交换分子：在吸附阶段可与活性离子交换，与骨架上的功能基团结合活性离子：与功能基团所带电荷相反的可移动的离子活性离子为阳离子，称阳离子交换树脂，与阳离子发生交换活性离子为阴离子，称阴离子交换树脂，与阴离子发生交换离子交换法是通过带电的溶质分子与离子交换剂中可交换的离子进行交换而达到分离纯化的方法。（二）离子交换技术的原理(a)阳离子交换树脂交换前交换达到平衡后（b）阴离子交换树脂交换前交换达到平衡后主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中电荷的微小差异而进行分离。选择适当条件可使一些溶质分子变成离子态，通过静电作用结合到离子交换剂上，而另一些物质不能被交换，这两种物质就可被分离。带同种电荷的不同离子虽都可以结合到同一介质上，但由于带电量不同，与介质的结合牢度不同，改变洗脱条件可依次被洗脱而达到分离的目的。离子交换层析原理离子交换层析原理开始吸附解吸解吸结束再生①②④⑤③样品解吸剂再生剂-----++-------（三）离子交换法操作方式离子交换法按操作方法可分为间歇式分批操作和柱式分批操作。①间歇操作又叫静态处理，将离子交换剂浸泡于工作液中达到平衡后滤出介质进行洗脱。②柱式操作又称动态法。交换、洗脱、再生等步骤均在柱内进行，亦称为离子交换层析法(ionexchangechromatography)。目前无论间歇操作还是层析分离，离子交换法已成为生物工程中一重要的分离方法，而且它还涉及生物反应器及反应机理的研究。（四）离子交换树脂的分类1.按骨架分：聚苯乙烯型、聚丙稀酸型、多烯多胺环氧苯胺型、酚-醛型等。2.按聚合的化学反应可分为：共聚型、缩聚型3.按骨架物理结构分：凝胶型、大网格型、均孔型苯乙烯或丙稀酸与交联剂聚合得到的交联网状结构聚合体，一般呈透明状，孔径小，2-4nm，失水闭合非长久性，不稳定，称为”暂时孔“应用有一定的限制。大网格型：在制造时加入一些制孔剂，孔隙大，不透明。特点：理化性质稳定孔径大，交换速度快，抗有机污染能力强，溶胀不易破碎；流体阻力小，工艺参数稳定；适合吸附有机大分子。均孔型：等孔树脂，主要为阴离子型，交联均匀，孔径大小一致，容量高，机械强度好，再生能力强。4、按化学功能团分（1）阳树脂，酸性基团，(弱酸性、强酸性)（2）阴树脂，碱性基团，(弱碱性、强碱性)活性离子H＋氢型阳树脂；活性离子OH－羟型阴树脂；活性离子为其它离子统称盐型树脂。

一般以磺酸基一SO3H作为活性基团，交换反应以磺酸型树脂与氯化钠的作用为例，可表示如下：由于是强酸性基团，其电离程度不随外界溶液的pH而变化，所以使用时的pH一般没有限制。此外，以磷酸基一PO(OH)2和次磷酸基一PHO(OH)作为活性基团的树脂具有中等强度的酸性。强酸性阳离子交换树脂苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂的结构—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—∣∣SO3-H+∣SO3-H+SO3-H+—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—SO3-H+···—CH2—CH—CH2—···SO3-H+HC=CH2HC=CH2m+nHC=CH2弱酸性阳树脂功能团可以为羧基-COOH，-OH(酚羟基）这类树脂的电离程度小，其交换性能和溶液的pH有很大关系。在酸性溶液中，这类树脂几乎不能发生交换反应，交换能力随溶液的pH增加而提高。

对于羧基树脂，应该在pH＞7的溶液中操作，而对于酚羟基树脂，溶液的pH应＞9。阳离子交换基强酸性，聚苯乙烯树脂弱酸性，羧甲基纤维素弱酸性，螯合作用，聚苯乙烯树脂强碱性阴树脂I型的碱性比II型强，但再生较困难，II型树脂的稳定性较差。和强酸性树脂一样，强碱性树脂使用的pH范围没有限制有两种强碱性树脂：功能基团为三甲胺基称为强碱Ⅰ型二甲基-β-羟基-乙基胺为强碱II型水溶液中R≡N＋OH－(Cl－)-弱碱性阴树脂和弱酸性树脂一样，其交换能力随pH变化而变化，pH越低，交换能力越大。功能团为水溶液中：R－NH3+OH－；R

NH2+OH－；R≡NH+OH－阴离子交换基强碱性，聚苯乙烯树脂弱碱性，二乙氨乙基纤维素四类树脂的特性比较④

盐的稳定性

弱酸、弱碱性树脂成的盐（盐型）不稳定，易水解。弱酸树脂：RCOOH+NaOH→RCOONa+H2O

水解：RCOONa+H2O→RCOOH+NaOH

*洗到pH9~10

弱碱树脂：RNH3OH+HCl→RNH3Cl+H2O

水解：RNH3Cl+H2O→RNH3OH+HCl

*洗到pH4~5NaOHH2ORCOONaRCOOHNaOH强酸树脂再生时耗用过量的酸；强碱树脂再生时耗用过量的碱。强酸树脂：RSO3Na+HClRSO3H+NaCl再生难弱酸树脂：RCOONa+HCl→RCOOH+NaCl易强碱树脂：R≡N+Cl¯

+

NaOHR≡N+OH‾

+NaCl难弱碱树脂：R-NH3+Cl¯

+NaOH→R-NH3OH+NaCl易⑤再生的难易程度

树脂的操作步骤（str）：

◆交换（吸着）3RCOONa+str3+(RCOO)3str+3Na+

◆洗脱（解吸）(RCOO)3str+3HCl→3RCOOH+str3++3Cl¯

◆再生RCOOH+NaOH→RCOONa+H2O，水洗至pH9

性能阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性弱酸性强碱性弱碱性活性基团磺酸羧酸季氨胺pH对交换能力的影响无在酸性中交换能力很小无在碱性溶液中交换能力很小盐的稳定性稳定洗涤要水解稳定洗涤时要水解再生需过量的强酸很容易需要过量的强碱再生容易，可用碳酸钠或氨交换速度快慢(除非离子化后)快慢(除非离子化后)（五）影响离子交换的因素1.影响离子交换选择性的因素（1）水合离子半径：半径越小，亲和力越大；（2）离子化合价：高价离子易于被吸附；（3）溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；（4）离子强度：越低越好；（5）有机溶剂：不利于吸附；（6）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；应选择合适的交联度、膨胀度。（7)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；2.影响交换速度的因素（1）树脂颗粒大小：愈小越快（2）交联度：交联度小，交换速度快（3）温度：越高越快（4）离子化合价：化合价与高，交换越快（5）离子大小：越小越快（6）搅拌速度：在一定程度上，越大越快（7）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（8）被分离组分料液的性质：黏度越大，交换速率越小；（9）树脂被污染的情况：交换容量下降，交换速率就会下降。

利用离子交换技术进行分离的关键是选择合适的离子交换剂。离子交换剂是一种不溶性的、具有网状立体结构的、可解离正、负离子基团的固态物质。

可分为无机质和有机质两大类。无机质可分为天然的和人造的；有机质也可分为天然的和合成的。其中合成高分子离子交换树脂在工业中应用较多。Ｄ●●●交联度数值顺序号骨架代号分类代号分类代号顺序号骨架代号大孔型代号００１×７０－强酸性０－苯乙烯系交联度为７%顺序号为１001×7－交联度为7%的苯乙烯系凝胶型强酸性阳离子交换树脂Ｄ315-大孔型丙烯酸弱碱性阴离子交换树脂大孔型凝胶型●●●×●（六）离子交换树脂的命名

离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号代号分类名称骨架名称0强酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2强碱性酚醛系3弱碱性环氧系4螯合性乙烯哌啶系5两性脲醛系6氧化还原氯乙烯系练习：

011×9101×8D312

答案：1.交联度为9%的凝胶型丙烯酸系强酸性阳离子交换树脂2.交联度为8%的凝胶型苯乙烯系弱酸性阳离子交换树脂3.大孔型丙烯酸系弱碱性阴离子交换树脂（七）离子交换树脂合成离子交换树脂合成方法的分类：①缩聚法－在反应过程中有低分子产物（通常是水）产生。以甲醛为交联剂、稳定性不好。②加聚法－在反应过程中没有水产生。以二乙烯苯等为交联剂－树脂结构确定，常为单功能团，树脂一般性能较好，为球形。

D(工业二乙烯苯重量）×P%（纯度）交联度=M(单体相总重量）单体：苯乙烯，丙烯酸，甲基丙烯酸交联剂：二乙烯苯分散剂：分二类①水溶性：淀粉，明胶，聚乙烯醇，（增加凝集阻力）②水不溶性：硫酸钙，磷酸钙、滑石粉等（起机械阻碍作用，防止液滴黏合）X100%在水相中以明胶为分散剂，过氧化苯甲酰为引发剂85℃进行悬浮聚合。在二氯乙烷中溶胀用浓硫酸或氯磺酸进行磺化强酸性离子交换树脂合成碱性离子交换树脂合成氯甲基化溶胀胺化弱碱阴树脂（八）离子交换树脂的理化性质1.外观：球形、浅色为宜，制药生产粒度大小一般为16—60目>90%；2.膨胀度：指把干树脂进入水、缓冲液或有机溶剂后，树脂吸水，体积膨胀，即为膨胀性。与交联度、活性基团的性质与数量、活性离子的性质、介质的性质和浓度、骨架结构有关；3.交联度：树脂中交联剂的含量即为交联度，交联度越高，溶质性越小，选择性越高，物质越难被交换；4.含水量：每克干树脂吸收水分的质量，一般为0.3—0.7g/g树脂；与交联度有关。5.真密度和视密度：定义：干（湿）真密度：单位体积的干树脂（湿树脂）的质量。即树脂的重量与其占有的体积（不包括树脂间的空隙）之比。干（湿）视密度：当树脂在柱中堆积时，单位体积的干（湿）树脂的质量。树脂在工作状态下的堆积密度，即单位体积含有的树脂重量。湿视密度＝湿树脂重量（克）/湿树脂体积（毫升）

树脂的密度与其结构密切相关，活性基团越多，湿真密度愈大，交联度越大，湿视密度越大。6.交换容量：

每克干燥的树脂或每mL完全溶胀的树脂所能吸附一价离子的mmol数。表征树脂活性基团数量或交换能力的重要参数。实际应用常有三个概念：理论交换容量、再生交换容量、工作交换容量；一般情况下：理论交换容量＞再生交换容量＞工作交换容量7.稳定性：化学稳定性、热稳定性；8.机械强度：>95%；9.孔度、孔径、比表面积：孔度：每单位质量或体积树脂所含的空隙体积，以ml/g或ml/ml表示。比表面积：单位质量的树脂所具有的表面积，以m2/g表示。（九）离子交换树脂性能测定（1）含水量（烘干失水，溶胀水与交联度）（2）膨胀度：吸水后体积与烘干树脂体积比（3）膨胀率：树脂转型时体积增大百分率（4）湿真密度：湿树脂重量与体积比交换容量；单位重量干树脂或单位体积湿树脂吸附一价离子毫麾尔数阳树脂：NaOH

剩余滴定阴树脂：羟基不稳定，吸附CO2氯型动态硫酸钠，AgNO3滴定工作交换容量：流出曲线漏点滴定曲线：（十）离子交换树脂的选择与应用在工业应用中，对离子交换树脂的要求是：（1）具有较高的交换容量（2）具有较好的交换选择性（3）交换速率快（4）具有在水、酸、碱、有机溶剂中的不可溶性（5）有较高的机械强度，耐磨性能好，能反复使用（6）耐热性好，化学性质温度。目标物质是非离子型目标物质是离子型可能用离子交换法来分离不能用离子交换法来分离树脂的选择根据要分离的目标物质的性质来选择合适的树脂。对树脂强弱的选择原则：目标物强酸（碱）——树脂弱碱（酸）

原因：提高选择性，便于洗脱

目标物弱酸（碱）——树脂强碱（酸）

原因：保证足够结合力，提高选择性特殊情况：对于蛋白质、酶和其他生物大分子的分离对采用弱碱或弱酸性树脂，以减少生物大分子的变性，有利于洗脱，并提高选择性。阳、阴离子树脂的选择按被分离物质所带电荷决定正-阳，负-阴Q:中性离子如何选择？A：应根据在它稳定的PH范围有何种电荷来选择树脂，如细胞色素C，pI=10.2，在酸性溶液中较稳定且带正电荷，故一般采用阳离子交换树脂来分离。对离子交换树脂离子型的选择阳离子交换树脂有：氢型（游离酸型）和盐型（Na型）阴离子交换树脂有：羟型（游离碱型）和盐型（Cl型）原则上：弱酸和弱碱树脂应采用盐型强酸和强碱树脂则可根据用途任意使用（对于在酸性、碱性条件下不稳定的物质，不宜用氢型和羟型树脂）其他因素（1）合适的交联度：原则：在不影响交换容量的条件下，尽量提高交联度。多数药物的分子较大，应选择交联度较低的树脂。（2）洗脱难易程度和使用寿命总之，应根据目标物质的理化性质及具体分离要求，综合多方面的因素来选择树脂。应用实例：西索米星的离子交换树脂提取

西索米星结构式

西索米星离解常数（pKa值）pH≥9.7时：西索米星99%以上以0价存在，当PH降至8.0时，0价将为61.3%，而+1价升至33.2%，并开始有5%的西索米星处于+2价。pH7.2～7.4时：发酵结束，约75%的西索米星以+1和+2价形式存在pH值6.6～6.8时：菌体生长初期，则+2和+3价形式占75%以上，并有5%-10%的+4价pH≤4.6时：96.2%是以+4价存在，其余的均以+3价形式存在。不同pH条件下西索米星的价态分布

西索米星为弱碱性生物有机碱，分子中含有四个氨基，在水溶液中存在四级离解平衡，在不同pH值的水溶液体系中能以不同的电化学状态存在，随着溶液的pH值由高到低而出现逐级解离。在解离条件下，选用强酸性阳离子交换树脂，或选用弱酸型阳树脂均可达到吸附西索米星阳离子的目的。目前多选择732强酸性阳树脂进行离交，溶液pH值5.5，发酵液原液浓度（约1000-1500ug/ml）。为什么？树脂的预处理离子交换过程洗脱树脂的再生处理二、离子交换操作技术1.离子交换树脂的处理（1）物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒；（2）化学处理：转型（氢型或钠型）阳离子树脂酸—碱—酸阴离子树脂碱—酸—碱最后以去离子水或缓冲液平衡2.装柱实验用层析柱生产用层析柱一般采用湿法填充。将经过处理及缓冲液平衡的离子交换剂放入容器，加入适量溶液，边加边搅拌倒入柱内，使树脂缓慢沉降。注意：装柱时不容许有气泡及分层现象产生。3.离子交换过程交换时的pH应具备三个条件：

pH应在产物稳定范围内能使产物离子化；能使树脂解离。溶液中产物的浓度：低价离子增加浓度有利于交换上树脂，高价离子稀释时容易被吸附。即被交换物质从料液中交换到树脂上的过程。可分为:正交换：料液自上而下流经树脂。优点：有清晰的离子交换层，交换饱和度高，洗脱质量好；不足：交换周期长，交换后树脂阻力大，影响交换速率反交换：料液自下而上流经树脂，树脂呈沸腾状，对设备要求较高。工业上一般采用：多罐串联正交换法。4.洗脱（1）洗涤：相当重要，对分离质量的影响很大。目的：将树脂上吸附的废液和夹带的大量色素、杂质除去。洗涤剂：应使杂质洗脱下来，而不和有效组分发生化学反应。常用：软化水、无盐水、稀酸、稀碱、盐等。（2）洗脱：离子交换完成后，将树脂吸附的物质释放出来，重新转入溶液中的过程。原理：使用亲和力更强的同性离子取代树脂上吸附的目标物质。①洗脱条件：应尽量是溶液中被洗脱离子的浓度降低。条件与吸附相反：酸性吸附，碱性解吸；碱性吸附，酸性解吸。②洗脱方法（a）改变溶液pH值（b）改变溶液离子强度洗脱液为酸、碱、盐、溶剂等，酸、碱洗脱液旨在改变吸附物的电荷或改变树脂活性基团的解离状态，以消除静电结合力；盐是通过高浓度的带同种电荷的离子与目标物竞争树脂上的活性基团，并取而代之。③洗脱方式：静态洗脱：将树脂与洗脱液混合置于一定容器中搅拌进行。可进行一次，也可进行多次反省洗脱，旨在提高目的物的收率。特点：操作简单，设备要求低，分批进行，交换不完全，树脂有损耗。动态洗脱：树脂装柱，洗脱液以平流的方式通过柱床进行交换。特点：无须进行搅拌，交换完全，操作连续。阶段洗脱：按分离要求，人为的分阶段改变PH和离子强度。常用于多组分的分离上。所用仪器叫梯度混合仪。5.树脂的再生是指是离子交换树脂重新具有交换能力的过程。酸性阳离子树脂：酸-碱-酸-缓冲溶液淋洗碱性阴离子树脂：碱-酸-碱-缓冲溶液淋洗毒化树脂的逆转：树脂失去交换性能后不能用一般的再生手段重新获得交换能力的现象称为树脂的毒化。原因：孔隙堵塞、活性基团脱落、生成不可逆化合物、重金属离子污染。处理方法：酸、碱40-50℃浸泡；有机溶剂加热浸泡。三、离子交换树脂的工业应用1.软水的制备硬水：含一定量Ca2+、Mg2+的水。水的硬度用H0表示，1度表示1L水中含有相当于10mgCaO的数。硬水不能直接提供给锅炉和粗提岗位，必须进行软化，除去Ca2+、Mg2+的水称为软水。软水的硬度一般要求1HO以下。国内制备软水一般采用011×7型树脂。其交换反应式为：2R-SO3Na+Ca2+(R-SO3)2Ca+2Na+2R-SO3Na+Mg2+(R-SO3)2Mg+2Na+2.无盐水的制备无盐水：即去离子水，是指不含任何盐类及可溶性阴离子和阳离子的水。其纯度比软水高得多，在药品生产中应用较多。一、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四、新型离子交换树脂大孔离子交换树脂的优点（1）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“暂时孔”现象，从而强化了离子交换的功能；（2）减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机