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10生物工程设备
生物工程设备复习
第一章通风发酵设备(P30-65)
1.生物反应器的分类(催化剂,操作方式,能量输出,结构特征)
(1)按照使用的生物催化剂的不同,分酶催化反应器和细胞生物反应器。
(2)根据反应器的操作方式,分间歇式生物反应器,连续式生物反应器和半间歇式生物反应器。
(3)根据反应器的结构特征,分釜式、管式、塔式、膜式等。
它们之间的差别主要反映在外型和内部结构的不同。
(4)根据反应器所需的能量的输入方式,分通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式,利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器。
(5)根据生物催化剂在反应器中的分布方式,分生物团块反应器和生物膜反应器。
生物团块反应器按催化剂的运动状态又分为填充床、流化床、生物转盘等。
(6)根据反应物系在反应器内的流动和混合状态,分全混流型和活塞型生物反应器。
2.机械搅拌式发酵罐的结构(主要结构识别),什么是发酵罐的公称体积
发酵罐公称体积:
是指罐的筒身(圆柱)体积和底封头体积之和。
3.搅拌的作用
通风发酵设备搅拌的作用为混合和传质,它使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合,使气泡破碎以增大气-液界面,获得所需的溶氧速率,并使细胞悬浮分散于发酵体系中,以维持适当的气-液-固(细胞)三相的混合与质量传递,同时强化传热过程。
4.挡板的作用,全挡板条件(概念)
挡板作用:
(1)防止液面中央产生漩涡;
(2)促使液体激烈翻动,增加溶解氧;(3)改变液流的方向,由径向流改为轴向流。
全挡板条件:
在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时,搅拌功率不再增加,而旋涡基本消失。
5.轴封的作用,端面轴封的原理及结构(钝化)
轴封作用:
防止泄漏和染菌。
端面轴封的原理:
是靠弹性元件(弹簧、波纹管)的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合,并作相对转动而达到密封。
6.发酵罐有几种消泡方式,列举任意五种机械消泡方式
分为机械消泡和化学消泡:
(1)罐内机械消泡 耙式消泡桨
(2)旋转圆板式消泡装置(3)液体吹入式机械消泡(4)气体吹入管内吸引消泡(5)冲击反射板机械消泡(6)超声波消泡(7)碟片式消泡器的机械消泡(8)罐外机械消泡(9)离心力消泡(10)旋风分离器消泡(11)转向板消泡。
7.气升式发酵罐的工作原理,,平均循环时间的计算
工作原理:
空气--喷嘴口--高速喷入--环流管--气泡分散于液体,借助与环流管内气-液混合物的密度与反应主体之间的密度差,使管内气-液混合物连续循环流动。
8.气升式发酵罐的六个特点
(1)反应溶液分布均匀;
(2)较高的溶氧速率和溶氧效率;(3)剪切力小,对生物细胞损伤小;(4)传热良好;(5)结构简单,易于加工制造;(6)操作和维修方便。
9.机械搅拌自吸式发酵罐的吸气原理
叶轮快速旋转形成负压空气吸到罐内,与液体形成气泡,气液混合流体通过导轮流到发酵液主体。
10.文式管的吸气原理(喷射加热)
用泵使发酵液通过文式管吸气装置,由于液体在文式管的收缩段流速增加,形成真空而将空气吸入,并使气泡分散与液体均匀混合,实现溶氧传质。
11.机械通风固体菌发酵设备中,废气是否可以循环,为什么
原因:
废气适度循环,可以提高进入空气的CO2浓度提高,减少霉菌过度呼吸而减少淀粉原料的无效损耗。
第二章嫌气发酵设备(P66-96)
1.酒精发酵罐的设计(大题:
罐数容积的确定,冷却面积,设置冷却装置,冷却水耗量。
)
a确定罐数;b每个罐的容积;c要冷却面积;d冷却装置尺寸;e冷却水的耗量
例题:
某酒精工厂,每发酵罐的进料量为24t/h。
每4h装满一罐,发酵周期为72h,冷却水的初、终温分别为20℃和25℃,若罐内采用蛇管冷却,试确定发酵罐的结构尺寸、罐数、冷却水耗量、冷却面积和冷却装置的主要结构尺寸。
(糖化醪密度为1076kg/m3)
解:
(1)确定发酵罐个数
(2)确定发酵罐体积及结构尺寸
发酵罐体积
发酵罐几何尺寸
选取结构尺寸比例:
H=1.2D,h1=h2=0.1D
则
发酵罐表面积(圆柱体表面积A1和罐底、罐顶表面积A2、A3)
(3)冷却面积和冷却装置主要结构尺寸
①总的发酵热Q
②冷却水耗量
③对数平均温度差△Tm
④传热总系数K值
⑤冷却面积
⑥冷却装置主要结构尺寸
列管总长度L
每圈蛇管长度l
蛇管总圈数
蛇管总高度
2.啤酒设备大型化的目的
(1)由于大型化,使啤酒质量均一化;
(2)由于啤酒生产的罐数减少,使生产合理化,降低了主要设备的投资。
3.目前使用的大型立式发酵罐有哪些(列举三种)奈坦罐、联合罐、朝日罐等。
4.什么是一罐法,什么是前发酵,后发酵,以及降低发酵时的冷耗量措施有哪些
一罐法:
锥形罐可单独用于前发酵或后发酵,还可以将前、后发酵合并在该罐进行。
前发酵:
主发酵又称“前发酵”,是啤酒发酵的主要过程,在这个过程中,酵母完成了增殖、厌氧发酵及其沉淀回收等,消耗了大部分可发酵性糖和可同化性氮等麦汁成分,排出的发酵代谢产物即啤酒的主要组成。
后发酵:
下酒以后,由于嫩啤酒还含有少量的可发酵性糖类,加上酵母的再次悬浮,在贮酒罐内会再次出现一个较为旺盛的发酵过程,这个过程即称为“后发酵”。
5.锥形罐锥底的目的,具有一定高度的目的,密闭的目的
(1)锥底——回收酵母;
(2)高度——凝聚力较强的酵母可以沉淀,即适用于下面发酵,也适用于上面发酵;(3)密闭——既可以作发酵罐,也可以作贮酒罐。
便于回收和饱和CO2;
6.什么是CIP
是cleaninplace的简称,意即内部清洗系统。
它是借喷水管两头喷嘴以一定喷出速度而形成的反作用力,使喷水管自动旋转。
7.简述CIP的7个步骤
(1)预冲洗:
在罐底的沉渣放了一半之后进行,每次预冲洗的时间为30秒,进行10次,是通过回转喷嘴进行的,每次冲洗之后要有30秒的排泄时间,主要排去底部的沉渣。
(2)在箱底被冲干净后,用足量的水充入CIP的供应及返回管线,改变系统进行碱预洗,自动地将清洗剂加入供水中,使清洗剂成为一种氯化了的碱性洗涤剂,3000一3300ppm之间,用这种碱液循环16分钟。
在此期间CIP供应泵吸引端注入蒸汽,使清洗液温度维持在32℃左右。
(3)中间冲洗:
用CIP循环单位的清水进行4分钟冲洗。
(4)从气动器来的空气流入罐顶的固定喷头,然后进行三次清水喷冲,每次30秒,从罐顶沿罐的四周冲洗下来。
(5)进行碱喷冲:
用总碱度为3500-4000ppm的氯化了的碱液进行喷冲,碱液的温度为32℃左右,喷冲循环15分钟。
(6)用清水冲洗,将残留于罐表面及管线中的碱液冲洗干净。
(7)最后用酸性水冲洗循环,以中和残留的碱性,放走洗水,使罐保持弱酸状况。
至此完成了全部清洗过程。
8.锥形罐为何装真空阀形成真空
真空形成原因:
转罐和清洗;形成负压。
9.锥形罐内如何进行对流传热
对流主要依靠罐内的CO2作用。
由于容器大,在不同高度的发酵液中CO2含量是有所不同的,在整个锥形罐中形成一个CO2含量的梯度。
密度小的发酵液(提升力+(拖曳力)CO2气泡(拖曳力)。
10.朝日罐的结构及朝日罐回收酵母的手段
朝日罐与锥形罐具有相同的功能,但生产工艺不同。
(1)利用离心机回收酵母
(2)利用薄板换热器控制发酵温度(3)利用循环泵把发酵液抽出又送回去。
11.补料分批操作的特点
是指分批培养过程中,间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。
与传统的分批发酵相比,优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度。
低基质浓度的优点:
①可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾;②克服养分的不足,避免发酵过早结束。
第三章植物细胞和动物细胞培养器(P97-125)
1.植物细胞培养的概念(狭义,广义)
狭义:
植物细胞在体外条件下的存活或生长,此时细胞不再形成组织。
广义:
包括植物器官、组织、细胞以及原生质体培养。
2.植物细胞培养时溶氧与生长的关系
在一定范围内,随着kLa值的增大,细胞的生长速度也增大,但kLa值过大对细胞增殖未必有好处。
培养细胞的主要挥发性代谢物,如CO2被强制除去而降低了细胞的增殖速度,从而导致细胞浓度的降低。
3.植物细胞培养主要采用何种培养系统
①悬浮培养细胞培养系统:
机械搅拌反应器、非机械搅拌反应器。
②固定化细胞培养系统:
填充床反应器、流化床反应器、膜反应器。
4.固定化细胞生物反应器有哪些,列举任何三种
填充床反应器、流化床反应器、膜反应器
5.植物组织培养中,发展迅速的两大领域是什么
在组织培养研究当中,大规模培养系统发展较为迅速的领域主要有发状根大规模培养和小植物的大规模快速繁殖。
6.什么是发根
发根(hairyroot)是发根脓杆菌感染整体植株或其某一器官、组织、单个细胞甚至原生质体后,诱导产生的一种特殊表现型(形成多分枝的、生长迅速的不定根)。
7.小植物的大规模快速繁殖的两条途径
①形成不定芽的途径,即从植株茎尖诱导不定芽后在反应器中大规模培养不定芽或不定根;②形成胚状体的途径,即从植株外植体诱导胚性愈伤组织进而得到体胚,然后在反应器中大规模培养体胚,最终制成人工种子。
8.体外培养动物细胞的两种类型,及对立的培养方法
①非贴壁依赖性细胞,来源于血液、淋巴组织的细胞;②贴壁依赖性细胞,大多数动物细胞,包括非淋巴组织的细胞和许多异倍体细胞属于这一类型。
动物细胞的培养方法:
a、贴壁培养b、悬浮培养c、固定化培养。
9.微藻生长的特点
(1)光能利用率高。
(2)微藻是非维管植物,无复杂的生殖器官,整个生物量易于收获、加工和利用。
(3)产物浓度高许多微藻经诱导后可以产生特别高浓度的、有商品化生产价值的化合物。
(4)繁殖速度快。
如螺旋藻,在条件好的情况下3~5d即可增殖一倍。
10.微藻大规模培养的特点
微藻,光能自养型,通过光合作用生长。
(1)光照:
培养微藻必须要有充足的光照。
(2)气液传递:
藻类培养需要大量的二氧化碳,二氧化碳的供给和氧气的排除。
(3)混合:
整个培养体系需要上下混合、里外混合。
原因:
让整个培养体系都能够接受光照,防止受光不均匀(4)培养基:
培养基多采用海水配制。
气体在海水和淡水中的气液传递差异。
海水对材料的要求.
11.微藻培养反应器的分类及优缺点
①开放式培养系统:
优点在于结构简单,成本低,易于建造和操作。
但容易污染杂菌且培养条件难以控制。
②封闭式培养系统(光生物反应器、发酵罐):
这种方式造价较高,但是光能利用率高,生长条件易于控制。
第四章物料处理和培养基制备(P186-221)
1.什么是糖蜜及其特点,发酵前对糖蜜的处理
糖蜜:
甘蔗或甜菜糖厂的一种副产品,又称废糖蜜,俗称桔水。
糖蜜特点:
1)糖蜜干物质浓度很大;2)糖分高;3)产酸细菌多;4)灰分与胶体物质很多。
糖蜜的处理程序:
稀释→酸化→灭菌→澄清→添加营养盐。
2.马尔荆轲式(水平式)连续稀释器的混合机理
混合机理:
隔板上的孔上下交错地配置。
3.胀缩式稀释器的混合机理
是一个中间几次突然收缩的中空圆筒。
混合机理:
糖液在器内因器径的几次改变使流速随着发生多次改变,促进了糖液的均匀混合,最后从器顶部获得符合工艺需要的稀糖液。
该种稀释器的中间收缩部分直径和筒身直径之比为1:
2~3左右,收缩段的长度等于主体管的直径。
4.酸化的目的:
使灰渣沉淀澄清。
(用硫酸酸化)
5.胀缩式糖蜜连续稀释器设计(主体管径,收缩管径,浓糖蜜管径,进水管径,稀释器高度,收缩段高度)
6.糊化,糖化的概念
糊化:
通过高温高压作用,使淀粉细胞膜和植物组织破裂,即破坏原料中淀粉颗粒的外皮,使其内容物流出,呈溶解状态变成可溶性淀粉。
糖化:
在发酵前必须加入一定量的糖化剂,使溶解状态的淀粉,变为酵母能够发酵的糖类,这一个由淀粉转变为糖的过程,称为糖化。
7.淀粉蒸煮的目的:
糊化和灭菌。
8.罐式连续蒸煮过程中,加热部件的名称及其工作原理,最后一个后熟器的作用
罐式连续蒸煮过程中加热固件是喷射加热器。
工作原理:
当料液经喷嘴高速喷出时,带动周围气体向前运动,从而使得其周围产生负压,即在真空室内形成真空,使得蒸气从吸入口吸入,在混合室内混合,使物料瞬间达到蒸煮所需的温度,然后经扩大管排出,以达到加热目的。
最后一个后熟器的作用:
又称汽液分离器。
分离出的二次蒸汽,可去供粉浆罐预热粉浆。
9.管式连续蒸煮糖化设备中,物料在管道转弯出发生什么变化
管式连续蒸煮糖化中,物料在管道拐弯处产生压力间歇上升和下降,醪液发生收缩和膨胀,使原料的植物组织和细胞壁,淀粉颗粒等彻底破裂,产生淀粉糊化和溶解状态,而利于酶的作用。
10.真空冷却器的作用及工作原理
(一)作用:
冷却物料;排走料液,冷凝两次蒸汽,制造真空。
(二)原理:
物料在一定真空度下蒸发部分水,需要汽化潜热,取自料液本身,因而料液很快被冷却到真空相应的温度,称为真空冷却。
欲保持真空冷却器中真空度,一般要借助于水力喷射泵或蒸汽喷射泵,连续地抽去真空冷却器中的二次蒸汽。
11.水力喷射泵为何需要安装高出地面11m
为了使得水力喷射泵内形成足够的负压,以保持真空冷却器中的真空度,从而使料液很快被冷却到真空度相应的温度,达到冷却的目的。
第五章过滤,离心与膜分离设备(P222-260)
1.板框式压滤机的工作原理(结构)
A过滤:
悬浮液由离心泵或齿轮泵经滤浆通道打入框内,滤液穿过滤框两侧滤布,沿相邻滤板沟槽流至滤液出口,固体则被截留于框内形成滤饼。
B洗涤:
洗水经由洗水通道进入滤板与滤布之间。
由于关闭洗涤板下部的滤液出口,洗水便横穿滤框两侧的滤布及整个滤框厚度的滤饼,最后由非洗涤板下部的滤液出口排出。
机外1-固定端板2-滤板3-滤框4-活动端板5-活络接头6-支承7-传动齿轮8-手轮形
2.什么是明流,什么是暗流
明流:
凡是滤液从每一滤板下方直接引出的称明流。
暗流:
集中在末端出口流出的称为暗流。
3.转筒的7个结构及分配阀的作用
1一转鼓2一过滤室3一分配阀4一料液槽5一摇摆式搅拌器6一洗涤液喷嘴7一刮刀
4.转筒真空过滤机过滤顺序
筒内每一空间相继与分配头中的I、Ⅱ、Ⅲ室相通,可顺序进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等项操作。
5.转筒真空过滤机圆筒的三个区域,滚压轴的作用
整个圆筒分为过滤区、洗涤及脱水区,卸渣及再生区3个区域。
滚筒压轴的作用:
安装滚压轴:
避免滤饼层裂缝以提高脱水效果,防止空气从裂缝处大量流入筒内而影响真空度。
6.带式真空过滤机的操作特点(高浓度滤饼及滤液)
7.过滤速度强化的方法有哪些
1)加热;2)凝聚和絮凝;3)加入盐类;4)调节pH;5)加入助滤剂。
8.对强化作用方法的陈述(加热,调pH,加助滤剂)
加热的作用:
发酵液预处理最简单最常用的方法,蛋白质变性凝固的有效方法,发酵液黏度明显降低
助滤剂的作用:
在含有大量细小胶体粒子的发酵液中加入固体助滤剂,则这些胶体粒子吸附于助滤剂微粒上,助滤剂就作为胶体粒子的载体,均匀地分布于滤饼层中,相应地改变了滤饼结构,降低了滤饼的可压缩性,也就减小了过滤阻力。
目前生物工业中常用的助滤剂是硅藻土,其次是珍珠岩粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纤维素、白土等。
调pH值的作用:
蛋白质一般以胶体状态存在于发酵液中。
胶体状态的稳定性与其所带电荷有关。
蛋白质属两性物质,在酸性溶液中带正电荷,而在碱性溶液中带负电荷。
某一pH下,净电荷为零,溶解度最小,称为等电点。
大幅度改变pH,还能使蛋白质变性凝固。
9.如何增大物料在离心中所受到的离心力,并比较两种方法的效果
根据
或
Fp—物料所受到的离心力,N;m—物料质量,kg;g—重力加速度,m/s2;
r—转鼓半径,m;vT—圆周线速度,m/s;vT=2πrn/60;n—转鼓转速,r/min。
可以得出:
增加转速来增大离心力比增加转鼓直径更有效
10.如何根据分离因素把离心机分类(3000-50000)
普通离心机:
一般为600~12O0,转鼓直径大,转速低,可用于分离0.01~1.0mm固体颗粒。
高速离心机:
f=3000~50000.转鼓直径小,可用于乳浊液的分离。
超速离心机:
f>50000,转速高(可达50000r/min),适用于分散度较高的乳浊液的分离
11.蝶式离心机的分类
离心澄清机:
藉离心沉降速度的不同将悬浮液中的液、固相分开的离心机
离心分离机:
藉离心沉降速度的不同将轻重不同或互不溶解的两种液体分开
12.离心分离机和离心澄清机结构上的区别
离心分离机的每只碟片在离开轴线一定距离的圆周上开有几只对称分布的圆孔,许多这样的碟片叠置起来时,对应的圆孔就形成垂直的通道。
13.离心分离机碟片开口的选择方法
①如果离心分离的结果是为了收集轻液并要求保证轻液的质量(浓缩的倍数高),而对重液的成份没有严格要求(浓缩的倍数低),可使用碟片上开孔在距离离开轴线1/3的位置上。
②若离心分离的结果是为了收集重液并要求保证重液的质量,如在乳品行业中对牛奶进行离心是为了得到高质量的奶脂,而对脱脂奶中的成份没有严格要求(即允许有少量的分散奶脂),可使用碟片上开孔在距离离开轴线2/3的位置上。
14.膜分离的推动力有哪些,相对应的膜分离过程有哪些
推动力:
1)浓度差△C(渗透、透析);2)压力差△P(微过滤、反渗透、超滤、气体透过);3)电位差△V(电渗透);4)温度差△T等。
膜分离过程:
反渗透、超过滤和微过滤等。
15.反渗透的原理
反渗透是利用反渗透膜选择性地只能透过溶剂(通常是水)的性质,对溶液施加压力,克服溶剂的渗透压,使溶剂通过反渗透膜而从溶液中分离出来的过程
16.浓差极化现象的概念,消除浓差极化现象的方法
浓差极化:
待分离液从膜面一侧流过时,靠近膜面的液体处于层流状态;同时,当水及小分子溶质透过膜面时,大分子的溶质在靠近膜面处被阻留。
被阻留分子从膜面返回液体主流的速度受其通过层流区的扩散速度所控制,当这一速度低于被阻留分子在膜面聚集的速度,就必然会在膜面的一侧逐渐形成一高浓度的被阻留溶质层。
消除减小:
通常采用错流操作或加大流速等措施,提高液流的雷诺准数,可以减小层流区的厚度,增大被阻留分子返回液体主流的速度,这是削弱浓差极化的重要措施。
但某些酶在高的剪切应力下,容易丧失其部分酶活力,因此不能无限提高液体流速(提高液流的雷诺准数方法之一)。
提高液流的雷诺准数最有效的方法是使超过滤液体沿着与膜平行的方向流动是克服浓差极化的最有效方法,这种方法称为:
TFF(TangentialFlowFilration)切向流式过滤。
17.膜片的形式分为哪四种
1)板式;2)管式;3)中空纤维式;4)螺旋卷式。
18.平板式膜分离设备中筛网的作用(滤版表面作用)
筛网作用:
平板型的超滤膜之间均夹有一层筛网。
防止由于高分子的堆积所形成的凝胶层(浓差极化)。
而且膜与膜之间夹有筛网,液体流进筛网时产生波流,这样更能进一步冲洗膜表面,从而减少由于浓度极化所产生的膜透过液低下的问题。
为了减小浓差极化,滤板的表面为凹凸形,以形成浓液流的湍动。
19.中空纤维细丝和粗丝如何选择
细丝型适用于粘性低的溶液;粗丝型可用于黏度较高和带有固体粒子的溶液。
20.如何根据所分离的物质种类选择不同的膜分离设备
第六章萃取与色谱分离设备(P261-303)
1.溶质,萃取剂,萃取液,萃余液的概念
溶质:
欲提取的物质;萃取剂:
用于萃取的溶剂;萃取液:
溶质转移到萃取剂中得到的溶液;萃余液:
剩余的料液
2.影响有机溶剂萃取的条件有哪些,对溶剂有何要求
水相物理条件的影响:
①水相pH值对选择性和弱电解质分配系数具有显著影响:
弱酸性电解质的分配系数随pH降低(即氢离子浓度增大)而增大,而弱碱性电解质正相反。
例如红霉素是碱性电解质,在乙酸戊酯和pH9.8的水相之间分配系数为44.7,而水相pH降至5.5时为14.3。
②温度的影响:
一般来说,温度升高则引起互溶的程度增加,当升高至某一温度时,甚至可使两相区消失,这样萃取操作成为不可能。
故降低系统的温度可提高萃取效率与料液的分离程度。
降低温度对热敏产物的提取有利。
但另一方面,降低操作温度会使液体粘度增大,扩散系数减少,并增加整个系统的冷却负荷和动力消耗,所以应对这些因素加以综合考虑,然后选取适合的温度。
③盐的影响:
无机盐的存在可降低溶质在水相中的溶解度,有利于溶质向有机相中分配。
如:
萃取维生素B12时加入硫酸铵,萃取青霉素时加入氯化钠等。
当盐与水结合越强烈,会导致游离水分子数减少,该盐析剂就越有效。
但盐的添加量要适当,以利于目标产物的选择性萃取。
盐加入料液中,使萃余相的密度增大,有利于相分离。
3.解释pH对选择性和弱电解质分配系数的影响
弱酸性电解质的分配系数随pH降低(即氢离子浓度增大)而增大,而弱碱性电解质则正相反。
例如红霉素是碱性电解质,在乙酸戊酯和pH9.8的水相之间分配系数为44.7,而水相pH降至5.5时为14.3。
4.交换容量,再生交换容量,工作交换容量和树脂利用率的概念
交换容量是表征树脂交换能力的重要参数。
表示方法:
质量交换容量(mmol/g干树脂);体积交换容量(mmol/mL树脂)。
再生交换容量(树脂在指定的再生剂用量条件下再生后的交换容量);工作交换容量(在一定的应用条件下树脂表现出来的交换量)。
三者的关系为:
再生交换容量=(0.5~1.0)交换容量;工作交换容量=(0.3~0.9)再生交换容量。
工作交换容量与再生交换容量之比称为离子交换树脂利用率。
5.简述树脂力度大小对离子交换的影响
粒度过小,堆积密度大,容易产生阻塞。
粒度过大,强度下降,装填量少,内扩散时延长,不利于有机大分子的交换。
6.简述离子交换过程
①A自溶液中扩散到树脂表面;②A从树脂表面再扩散到树脂内部的活动中心;③A在活动中心发生交换反应;④解吸离子B自树脂内部的活动中心扩散到树脂表面;⑤B从树脂表面扩散到溶液中。
7.影响交换速度的因素
离子间的交换反应速度一般很快,甚至难以测定,大多数情况下交换反应不是控制步骤,而内外扩散则是控制步骤。
液相流速快,浓度越小,颗粒越大,吸附越弱,越是趋向于内扩散控制。
液相流速慢,浓度大,颗粒小,吸附强,越是趋向于外扩散控制。
8.离子交换树脂的活性集团(酸碱确定)
磺酸基团(-SO3H)和次甲基磺酸基团(-CH2SO3H)(强酸性阳离子):
它们都是强酸性基团,电离程度大且不受溶液pH变化的影响,在pH1~14范围内均能进行离子交换反应,RSO3H+NaCl=RSO3Na+HCI
活性基团有羧基-COOH和酚羟基-OH等(弱酸性阳离子):
电离程度小,交换性能受溶液pH的影响很大,交换能力随溶液pH的增加而提高。
在酸性溶液中,这类树脂几乎不发生交换反应、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,应使溶液的pH>9。
和强酸树脂不同,弱酸树脂和氢离子结合能力很强,故再生成氢型较容易,耗酸量少。
含三甲胺基称为强碱I型(强碱性阴离子):
含二甲基-b羟基-乙基胺基团为强碱Ⅱ型。
活性基团电离程度较强且不受pH变化的影响,在pH1~14范围内均可使用。
这类树脂成氯型时较羟型稳定,耐热性也较好,因此,商品大多以氯型出售。
I型的碱性比对Ⅱ型强,但再生较困难,Ⅱ型树脂的稳定性较差。
典型的交换反应为:
RN(CH3)3CI+NaOH—→RN(CH3)3OH+NaCl
活性基团:
伯胺基团-NH2、仲胺基=NH、叔胺基≡N和吡啶基等。
(弱碱性阴离子)交换能力受溶液pH的影响很大,pH越小交换能力越强。
故在pH<7的溶液中使用。
这类树脂和OH-结合能力较强,再生
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