离子交换树脂在生化分离中的应用

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1、离子交换树脂在生化分离中离子交换树脂在生化分离中的应用的应用 小组成员小组成员 曾茜曾茜 黄琴黄琴 黄丽萍黄丽萍离子交换树脂的原理离子交换树脂的原理离子交换树脂的分类和性能离子交换树脂的分类和性能离子交换树脂的应用离子交换树脂的应用总结与展望总结与展望离子交换树脂的原理离子交换树脂的原理 离子交换树脂的内部结构可分为离子交换树脂的内部结构可分为高分子骨架、离子交换基团和孔高分子骨架、离子交换基团和孔 高分子骨架是由交联的高分子聚合高分子骨架是由交联的高分子聚合物组成：离子交换基团一部分被束缚在物组成：离子交换基团一部分被束缚在高分子骨架上，称为固定离子；一部分高分子骨架上，称为固定离子；一部分

2、可以活动，称为可交换离子或反离子可以活动，称为可交换离子或反离子 阳离子交换过程：阳离子交换过程：R-A+B=R-B+A+ (1) 阴离子交换过程：阴离子交换过程：R+C-+D=R+D+C- (2) 式中式中 R树脂本体；树脂本体；A、C树脂上可树脂上可被交换的例子；被交换的例子；B、D溶液中的交换例溶液中的交换例子子离子交换树脂的分类离子交换树脂的分类（一）阳离子交换树脂一）阳离子交换树脂（1 1）强酸性阳离子树脂：这类树脂含有大量的强酸基团，）强酸性阳离子树脂：这类树脂含有大量的强酸基团，如如-SO3，此离子交换树脂可以交换所有的阳离子。，此离子交换树脂可以交换所有的阳离子。（2 2）弱酸

3、性阳离子树脂：这类树脂含弱酸基团，如羧基）弱酸性阳离子树脂：这类树脂含弱酸基团，如羧基-COOH, , 此离子交换树脂仅可交换弱碱中的阳离子如此离子交换树脂仅可交换弱碱中的阳离子如Ca2+、Mg2+, 对于强碱中的离子无法进行交换对于强碱中的离子无法进行交换（二）阴离子交换树脂（二）阴离子交换树脂（1 1）强碱性阴离子树脂：这类树脂含有强碱性基团，如）强碱性阴离子树脂：这类树脂含有强碱性基团，如季胺基季胺基-NR3OH能在水中解离出能在水中解离出OH-而呈强碱性而呈强碱性（2 2）弱碱性阴离子树脂：这类树脂含有弱碱性基团，如）弱碱性阴离子树脂：这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基伯胺基-NH2、仲

4、胺基、仲胺基-NHR、或叔胺基、或叔胺基-NR2，它们在水中，它们在水中能解离出能解离出OH-而呈弱碱性而呈弱碱性 根据制造工艺不同，离子交换树脂内部形成根据制造工艺不同，离子交换树脂内部形成不同的孔型结构，常见的有凝胶型树脂和大孔型不同的孔型结构，常见的有凝胶型树脂和大孔型树脂两种树脂两种 大孔型：大孔型： 苯乙烯系强酸阳离子交换树脂苯乙烯系强酸阳离子交换树脂（D301-IIIFC) 丙烯酸系弱酸阳离子交换树脂丙烯酸系弱酸阳离子交换树脂（D113-IIIFC) 苯乙烯系强碱阳离子交换树脂苯乙烯系强碱阳离子交换树脂（D201FC) 等等。等等。 （大孔型树脂由于孔隙较大、较多，用它除去水中高分

5、子（大孔型树脂由于孔隙较大、较多，用它除去水中高分子有机物具有良好效果，但交换能力较凝胶型差；特点二是有机物具有良好效果，但交换能力较凝胶型差；特点二是吸附能力强，与交换离子结合牢固，所以不易恢复其交换吸附能力强，与交换离子结合牢固，所以不易恢复其交换能力）能力）物理性能物理性能 主要从离子的外观、粒度、密度、含水量、转型膨胀率主要从离子的外观、粒度、密度、含水量、转型膨胀率和耐磨性判断其实用性对离子交换水处理来说树脂圆球率和耐磨性判断其实用性对离子交换水处理来说树脂圆球率越高越好，含水量和树脂的类别、结构，酸碱性、交联度、越高越好，含水量和树脂的类别、结构，酸碱性、交联度、交换容量、离子形态

6、等有关，含水量愈大，表示树脂孔隙交换容量、离子形态等有关，含水量愈大，表示树脂孔隙愈大交联度愈小，一般树脂含水量在愈大交联度愈小，一般树脂含水量在40%-60%之间；转型之间；转型膨胀率表征树脂的老化程度，耐磨性是影响树脂使用性能膨胀率表征树脂的老化程度，耐磨性是影响树脂使用性能的指标之一。的指标之一。离子交换树脂的性能离子交换树脂的性能化学性能化学性能（1）离子交换树脂是一种不溶性的高分子电解质，）离子交换树脂是一种不溶性的高分子电解质，在水溶液中能发生电离，电离反应分别为：在水溶液中能发生电离，电离反应分别为：该电离过程使水溶液呈酸性或碱性，且溶液的该电离过程使水溶液呈酸性或碱性，且溶液的

7、pH值也影响树值也影响树脂离子交换能力，因此在实际操作时，检测脂离子交换能力，因此在实际操作时，检测pH值很重要。值很重要。 各类树脂有效pH值范围选择性选择性 离子交换树脂对水中各种离子的交换能力是不相离子交换树脂对水中各种离子的交换能力是不相同的，例如在常温、低浓度水溶液中，树脂对一些常同的，例如在常温、低浓度水溶液中，树脂对一些常见离子的选择性为：见离子的选择性为：强酸性阳离子交换树脂：强酸性阳离子交换树脂：Fe 3+Al 3+ Ca 2+ Mg 2+ K + Na + H +弱酸性阳离子交换树脂：弱酸性阳离子交换树脂：H + Fe 3+ Al 3+ Ca 2+ Mg 2+ K + Na

8、 +强碱性阴离子交换树脂：强碱性阴离子交换树脂：SO42- NO3- Cl - OH- HCO3 - HSiO3 -弱碱性阴离子交换树脂：弱碱性阴离子交换树脂：OH - SO4 2- NO3 - Cl - HCO3 - HSiO3 化合价越大的离子被交换（吸附）的能力越强；在同价离子化合价越大的离子被交换（吸附）的能力越强；在同价离子中则优先交换院子序数大的离子中则优先交换院子序数大的离子交换容量交换容量 主要包括全交换容量和工作交换容量，这是离子交换树脂最主要包括全交换容量和工作交换容量，这是离子交换树脂最重要的性能指标。重要的性能指标。 影响交换容量的主要因素有：树脂种类、粒度、原水水质、

9、出影响交换容量的主要因素有：树脂种类、粒度、原水水质、出水水质的重点控制，以及交换运行流速、树脂层高度、再生方式水水质的重点控制，以及交换运行流速、树脂层高度、再生方式等。等。苯乙烯系弱型与强型树脂交换容量的比较苯乙烯系弱型与强型树脂交换容量的比较 热稳定性热稳定性 在受热作用下树脂保持理化性能（主要为在受热作用下树脂保持理化性能（主要为交换容量）不变的能力。各种树脂的热稳定交换容量）不变的能力。各种树脂的热稳定性顺序可排列为：性顺序可排列为： 弱酸性强酸性弱碱性弱酸性强酸性弱碱性型强型强碱性碱性型强碱性型强碱性 弱酸性阳树脂的工作温度可高达弱酸性阳树脂的工作温度可高达200200，而聚苯乙烯

10、系而聚苯乙烯系型强碱性最高使用温度只有型强碱性最高使用温度只有4040左右。左右。 1 1、水处理、水处理 2 2、食品工业、食品工业 3 3、制药行业、制药行业 4 4、化学合成和石油化学工业、化学合成和石油化学工业 5 5、环境保护、环境保护 6 6、湿法冶金及其他、湿法冶金及其他离子交换树脂的应用离子交换树脂的应用 （一）水处理（一）水处理 离子交换水处理是通过离子交换剂，除去水离子交换水处理是通过离子交换剂，除去水中呈离子态杂质的水处理方法。中呈离子态杂质的水处理方法。 水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的占离子交换树脂产量的

11、90%90%，用于水中的各种阴，用于水中的各种阴阳离子的去除。目前，离子交换树脂的最大消阳离子的去除。目前，离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上，其次是耗量是用在火力发电厂的纯水处理上，其次是原子能、半导体、电子工业等原子能、半导体、电子工业等 。 （二）食品工业（二）食品工业 离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上。例如：高果糖浆的制、生物制品等工业装置上。例如：高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反应，产制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反应，产生葡萄糖与果糖，而后经离子交换处理，可以生生葡萄糖与果糖，而后经

12、离子交换处理，可以生成高果糖浆。离子交换树脂在食品工业中的消耗成高果糖浆。离子交换树脂在食品工业中的消耗量仅次于水处理。量仅次于水处理。 （三）制药行业（三）制药行业 离子交换树脂在医药卫生事业中被大量应用。如离子交换树脂在医药卫生事业中被大量应用。如在药物生产中用于药剂的脱盐、吸附分离、提纯、脱在药物生产中用于药剂的脱盐、吸附分离、提纯、脱色、中和及中草药有效成分的提取等。色、中和及中草药有效成分的提取等。 离子交换树脂本身可作为药剂内服，具有解毒、离子交换树脂本身可作为药剂内服，具有解毒、缓泻、去酸等功效，可用于治疗胃溃疡、促进食欲、缓泻、去酸等功效，可用于治疗胃溃疡、促进食欲、去除肠道放

13、射物质等。去除肠道放射物质等。 对于外敷药剂，用离子交换树脂粉末可配制软对于外敷药剂，用离子交换树脂粉末可配制软膏、粉剂及婴儿护肤用品，用以吸除伤口毒物和作为膏、粉剂及婴儿护肤用品，用以吸除伤口毒物和作为解毒药剂。解毒药剂。 （四）合成化学和石油化学工业（四）合成化学和石油化学工业 在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应。用离子交换树脂代水解、酯交换、水合等反应。用离子交换树脂代替无机酸、碱，同样可进行上述反应，且优点更替无机酸、碱，同样可进行上述反应，且优点更多。如树脂可反复使用，产品容易分离，反应器多。如树脂可反复使用，产品

14、容易分离，反应器不会被腐蚀，不污染环境，反应容易控制等。不会被腐蚀，不污染环境，反应容易控制等。甲基叔丁基醚甲基叔丁基醚（MTBE）的制备，就是用大孔型的制备，就是用大孔型离子交换树脂作催化剂，由异丁烯与甲醇反应而离子交换树脂作催化剂，由异丁烯与甲醇反应而成，代替了原有的可对环境造成严重污染的四乙成，代替了原有的可对环境造成严重污染的四乙基铅。基铅。 （五）环境保护（五）环境保护 离子交换树脂在废水，废气的浓缩、处理、分离子交换树脂在废水，废气的浓缩、处理、分离、回收及分析检测上都有重要应用，已普遍用电离、回收及分析检测上都有重要应用，已普遍用电镀废水、造纸废水、矿冶废水、生活污水，影片印镀废

15、水、造纸废水、矿冶废水、生活污水，影片印废水、工业废气等的治理。例如影片洗印废水中银废水、工业废气等的治理。例如影片洗印废水中银是以是以Ag(SOAg(SO3 3) )2 23-3-等阴离子形式存在的，使用等阴离子形式存在的，使用型碱型碱性离子交换树脂处理后，银的回收率可达性离子交换树脂处理后，银的回收率可达9090上，上，既节约了大量的资金，又使废水达到了排放标准。既节约了大量的资金，又使废水达到了排放标准。 （六）原子能工业原子能工业 离子交换树脂在原子能工业上的应用包括核燃离子交换树脂在原子能工业上的应用包括核燃 料的分离、提纯、精制、回收等。用离子交换树脂料的分离、提纯、精制、回收等。

16、用离子交换树脂制备高纯水，是核动力用循环、冷却、补给水供应的制备高纯水，是核动力用循环、冷却、补给水供应的唯一手段。离子交换树脂还是原子能工业废水去除放唯一手段。离子交换树脂还是原子能工业废水去除放射性污染处理的主要方法。射性污染处理的主要方法。 （七）湿法冶金及其他（七）湿法冶金及其他 离子交换是冶金工业的重要单元操作之离子交换是冶金工业的重要单元操作之一。在铀、钍等超铀元素、稀土金属、重一。在铀、钍等超铀元素、稀土金属、重金属、轻金属贵金属和过渡金属的分离、金属、轻金属贵金属和过渡金属的分离、提纯和回收方面，离子换树脂均起着十分提纯和回收方面，离子换树脂均起着十分重要的作用。离子交换树脂还

17、用于选矿。重要的作用。离子交换树脂还用于选矿。在矿浆中加入离子交换树脂可改变矿浆中在矿浆中加入离子交换树脂可改变矿浆中水的离子组成，使浮选剂更有利于吸附所水的离子组成，使浮选剂更有利于吸附所需要的金属，提高浮选剂的选择性和选矿需要的金属，提高浮选剂的选择性和选矿效率。效率。 （八）（八）海洋资源利用海洋资源利用 利用离子交换树脂，可从许多海洋利用离子交换树脂，可从许多海洋生物（例如海带）中提取碘、溴、镁等生物（例如海带）中提取碘、溴、镁等重要化工原料。在海洋航行和海岛上，重要化工原料。在海洋航行和海岛上，用离子交换树脂以海水制取淡水是十分用离子交换树脂以海水制取淡水是十分经济和方便的经济和方便的 结语结语 传统的市政及电厂水处理对离子交换树脂传统的市政及电厂水处理对离子交换树脂需求量巨大，并在不断增长，并且制糖及食需求量巨大，并在不断增长，并且制糖及食品工业的需求也很强劲。但离子交换树脂在品工业的需求也很强劲。但离子交换树脂在化工工艺、超纯制药、湿法冶金、环境保护化工工艺、超纯制药、湿法冶金、环境保护及电子等领域具有更高的增长速度，我们应及电子等领域具有更高的增长速度，我们应加大在这些方面应用开发工作的力度，以促加大在这些方面应用开发工作的力度，以促进离子交换树脂行业的发展。进离子交换树脂行业的发展。