12 吸附法与离子交换.ppt

第17章吸附和离子交换absorptionexchange，生物分离过程的一般流程，吸附：利用吸附剂对液体或气体中的某些成分具有吸附能力，浓缩到吸附剂表面，从混合物中分离出来的过程。 即溶质从液相或气相向固相转变的过程。第一节吸附法概要、吸附剂：的吸附操作中使用的具有大比表面积的固体多孔微粒. 吸附有吸附质：的溶质。 另一方面，常用吸附剂、吸附剂通常对分离的物质具有较强的吸附能力，具有较高的吸附选择性，机械强度高，容易再生，性能稳定，价格便宜。 一般吸附剂、按化学结构分类的：有机吸附剂、无机吸附剂有机吸附剂：活性炭、纤维素、大网状聚合物(聚苯乙烯树脂、聚丙烯酸酯树脂等)等； 无机吸附剂：硅胶(SiO2nH2O )、活性氧化铝(Al2O3nH2O )、硅藻土(硅酸盐)、分子筛(结晶状态硅酸盐或硅酸铝酸盐)等. 大孔吸附树脂的特点是？ 特点：对脱色除臭效果理想的有机物具有良好选择性的物化性质稳定、机械强度好、吸附速度快、脱附再生容易。 但价格高，吸附效果易受流速、溶质浓度等影响。 从稀溶液中分离溶质，能够从处理能力小、对溶质作用小的发酵液中直接分离所需产物的溶质与吸附剂的相互作用和吸附平衡关系通常为非线性关系。 二、吸附法的特征：图界面上分子和内部分子受到的力，固体内部分子受到的分子间的力是对称的，固体表面分子受到的力是不对称的。 溶质分子在运动中碰到固体表面时被吸引而停留在固体表面。 第二节吸附过程的理论基础根据吸附力的不同分为： (1)物理吸附：吸附力为分子间引力(范德华力)，无选择性，无需高活化能，吸附层无论是单层还是多层，吸附和解吸速度通常都很快。 (2)化学吸附：吸附力为化学键合力，需要较高的活化能，只能在单分子层吸附，选择性强，吸附和解吸速度慢。 另一方面，吸附的类型，物理吸附和化学吸附的特征，(3)交换吸附：吸附剂表面为极性分子或离子，吸引溶液中相反电荷的离子形成双电层，即在极性吸附的同时，吸附剂必须向溶液中释放相应物质的离子。 二、吸附等温线不考虑溶剂的吸附，固体吸附剂和溶液中溶质达到平衡时，其吸附量m必须与溶液中溶质的浓度和温度有关。 在温度恒定的情况下，吸附量仅与浓度相关联，由m=f(c )表示，这种函数关系被称为吸附等温线。 吸附等温线表示平衡吸附量，Langmuir吸附吸附等温线，假设吸附物分子间没有相互作用。 每种活性只能吸附一个分子，形成单分子吸附层。 关于吸附速度，溶液浓度c与吸附剂表面所占活性中心的数量成比例的吸附速度与吸附剂表面所占活性中心的数量成比例，三是影响吸附的主要原因，(1)固体-溶质固体-溶剂溶质-溶剂(2)吸附剂的性质：吸附容量(a比表面、b空隙度)吸附速度(a粒度、b孔径分布)的机械强度(寿命) 考虑(3)吸附物性质：表面张力降低的物质对溶质容易溶解的溶剂的吸附量小极性吸附剂容易吸附极性物质极性越小，(4)溶液pH的影响(解离度) (5)温度的影响(吸附热、溶解度) (6)其他成分的影响(促进、干扰、无相互影响)、4， 吸附技术的应用固定床吸附操作膨胀床吸附操作，1 .固定床吸附定义：将吸附剂固定在一定的容器上，含有目标物的液体从容器的一端进入，流过吸附剂后，从管的另一端流出。最初溶质的大部分被吸附了。随着吸附过程的进行，流出的溶质的浓度逐渐变高，在某个时刻急剧增大，这种情况下被称为“透过”，必须马上停止操作。 1 .原理吸附原理活性炭对烟气中SO2的吸附，既有物理吸附，也有化学吸附，特别是烟气中存在氧气和水蒸气时，化学反应显着。 应用实例、吸附法去除SO2、活性炭再生：活性炭吸附的硫酸存在于活性炭的细孔中，吸附能力下降。 水洗释放出SO2，活性炭再生。 水洗再生是从活性炭的细孔中水洗的硫酸。 流化床吸附操作，固定床：吸附粒子确定后，床层的流化与通过床层的液体表观流速u有关。 u不大时，粒子之间保持静止的状态相互支撑是固定床。 流化床：如果u增大到一定程度，粒子就不能相互支撑，如果开始在液体中浮游的u进一步增大，床层中粒子的运动就会加剧，此时床层就是流化床。 优点： a压降小，可处理高粘度或固体粒子粗材料液的b装置操作简单。 膨胀床的吸附操作、固定床的优点：流体呈平冲流，回流小，柱效率高。 缺点：不能处理含有粒子的材料液。 流化床缺点：存在严重混合，吸附剂利用率低。 膨胀床的吸附粒子相对稳定地在床层中的某个水平上实现稳定分级，流体以平流的形式在床层中流动，吸附粒子之间有很大的间隙。 概念：利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中应分离的成分根据其电荷差异用库仑力吸附在树脂上，用适当的溶出剂使吸附质从树脂中溶出，达到分离的目的。 精制方式：将目标物离子化后更换为介质，杂质未被吸附而从柱中流出，称为正吸附。 杂质离子化后被交换，目标物不被交换而流出的方式称为负吸附。 第三节，离子交换吸附、离子交换长期应用于水处理和金属回收。 在生物工业中，离子交换法分辨率高，工作容量大，操作容易，几乎所有生物分子都能以极性带电，因此离子交换法广泛应用于生物分子的分离纯化技术。 主要应用于抗生素、氨基酸、有机酸等小分子的提取分离。 近年来也应用于蛋白质等生物高分子的分离提取。 离子交换法概述、优点： (1)设备简单，操作方便；(2)选择性高；(3)浓缩倍数高，分离效果显着。 缺点： (1)使用后其性能逐渐消失，需要用酸、碱再生；(2)生成周期长；(3)生成过程中PH变化大，不适于分离稳定性差的物质。 一是离子交换树脂的结构和离子交换，一是离子交换树脂的结构，离子交换树脂是不溶于酸、碱和有机溶剂的固体高分子聚合物。 具有网状立体结构，含有活性基团，可与溶剂中的其他带电粒子进行离子交换或吸附。 树脂网络骨架、离子交换树脂可以是载体或骨架、具有不溶于惰性的三维空间立体结构的网络骨架、功能基团：与骨架结合的活性基团、可交换离子：活性基团所具有的反电荷的活性离子(反离子)、离子交换树脂结构、骨架：功能基团结合，其自身不活性、功能基团：与骨架结合， 可与反离子结合的应交换离子：在吸附阶段与活性离子交换，与骨架上的功能基团结合，活性离子：与功能基团带电的电荷相反的可移动离子、二、离子交换树脂的分类，1 .按骨架：合成树脂骨架：聚苯乙烯型、聚丙烯酸型产生致密的母体，阻止生物高分子进入树脂粒子，疏水性特性为蛋白质适于离子型小分子分离的离子交换纤维素树脂骨架为纤维素的特征：骨架松弛、亲水性强、表面积大、交换容量大、吸附力弱、交换和溶出条件温和、分辨率高的葡聚糖凝胶离子交换树脂骨架为葡聚糖凝胶， sephadex的特征：除了离子交换功能外，兼备分子筛的功能，提高分离效率；多糖骨架：用纤维素、葡聚糖分离生物高分子；2 .不同化学功能基团的阳树脂、酸性基团(弱酸性、强酸性)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-羟基型阴离子树脂； 活性离子是统称为其它离子的盐型树脂。 (1)阳离子交换树脂、交换前、交换达到平衡后、2阴离子交换树脂、交换前、交换达到平衡后、2 .离子交换树脂的分类一般以磺酸基一SO3H为活性基团，交换反应以磺酸型树脂和氯化钠的作用为例，由于是强酸性基团，因此通过外界溶液的pH而离子化的程度不足：与h离子结合力弱，难以再生为氢型，耗氧量大。 1强酸性阳离子交换树脂、2 .离子交换树脂的分类、2 .弱酸性阳树脂、功能团为羧基-COOH、(-C6H4OH ) (酚性羟基)这样的树脂的电离度小，其交换性能与溶液的pH有很大关系。 在酸性溶液中，这种树脂几乎不发生交换反应，随着溶液pH值的提高，交换能力提高。 羧基树脂应用pH7的溶液操作，酚羟基树脂应用溶液pH7。 2 .离子交换树脂的分类，3 .强碱性阴离子交换树脂，以季铵基-NR3为活性基的离子交换树脂。 强碱性活性基团离子化程度大，在酸性、中性、碱性介质中也显示离子交换功能。 特点：与OH-的结合力弱，再生时的碱消耗量大。 4 .弱碱性阴离子交换树脂是以伯氨基(-NH2 )、仲氨基(-NHR )、叔氨基(-NR2 )为活性基离子交换树脂. 这些弱碱性基团在水中离子化程度小，PHM2 M (M表示阳离子)，2 )反离子的性质强的离子交换剂强、反离子稳定键弱的离子交换剂强的反离子中，弱离子交换剂弱、反离子不稳定键强的反离子将离子交换剂上的弱活性离子能够置换成高浓度弱反离子的(难)离子交换剂对各种反离子的亲和性，3 )离子的浓度离子浓度增大到某种程度，离子交换过程与反离子的性质无关地溶出时，盐离子的浓度逐渐增加，离子交换剂对各种反离子的亲和性，4、离子交换树脂的选择， 在工业应用中，对离子交换树脂的要求是： (1)具有高交换容量，(2)交换选择性高，(3)交换速度快，(4)对水、酸、碱、有机溶剂不溶性高，(5)具有机械强度，耐磨性高，(6)耐热性高，化学性质稳定。 交换容量：每干燥树脂克或完全溶胀的树脂mL可吸附的1价离子的mmol数。 表示树脂活性基团数量和交换能力的重要参数。 1 .阳阴离子的选择，根据分离物质带电的电荷，正-阳、负-阴Q:中性离子如何选择？ a :细胞色素c、PI=10.2，应根据在稳定的PH范围内有什么样的电荷来选择树脂，在酸性溶液中比较稳定地具有正电荷，因此一般用阳离子交换树脂进行分离。 2、树脂强弱的选择，原则：目标强酸(碱) 树脂的弱碱(酸)原因：提高选择性，保证目标弱