6吸附法-华东 分离.ppt

,第六章吸附,防毒面具protectivemask,保护人员呼吸器官、眼睛和面部，防止毒剂、生物战剂和放射性灰尘等有毒物质伤害的个人防护器材。按防护原理，可分为过滤式防毒面具和隔绝式防毒面具。吸附剂：活性炭、硅胶,主要内容,吸附概述吸附的类型吸附等温线影响吸附的因素,吸附法,吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择吸附的能力，使其富集在吸附剂表面，而从混合物中的分离的的过程。典型的吸附过程包括四个步骤：,待分离的料液通入吸附剂,吸附质被吸附在吸附剂表面,料液流出,吸附质解吸吸附剂再生,一吸附法概述,吸附法的发展,吸附法在各种层析技术中应用最早，如一战期间发展起来的活性炭吸附，后来使用的凝胶型离子交换树脂、分子筛和纤维素等近些年发展的大网格吸附剂,吸附法概述,常用的吸附剂,大网格聚合物吸附剂：活性碳：助滤，脱色，去热原使用:偏酸性(pH5-7),加热(50-60)搅拌30min活性白土：脱组胺类过敏物，脱色。硅藻土：助滤，澄清,吸附法概述,树脂的网络骨架,吸附法概述,树脂的网络骨架,吸附法概述,吸附法特点,（1）不用或少用有机溶剂（2）操作简便、安全、设备简单（3）生产过程pH变化小（4）从稀溶液分离溶质（5）吸附剂对溶质的作用小（6）吸附平衡为非线性（7）选择性较差,吸附法概述,吸附法的应用,气体过滤：防毒面具水处理：活性炭吸附脱色、除臭目标产物的分离,吸附法概述,二吸附过程的理论基础,图界面上分子和内部分子所受的力,固体内部分子所受分子间的作用力是对称的，而固体表面分子所受力是不对称的。向内的一面受内部分子的作用力较大，而表面向外一面所受的作用力较小，因而当气体分子或溶液中溶质分子在运动过程中碰到固体表面时就会被吸引而停留在固体表面上。,吸附的类型,（1）物理吸附:放热，可逆，单分子层或多分子层，选择性差（2）化学吸附:放热量大，单分子，选择性强（3）交换吸附:吸附剂吸附后同时放出等当量的离子到溶液中,物理吸附与化学吸附的特点,物理吸附力的本质,A定向力极性分子的永久偶极静电力B诱导力极性分子与非极性分子之间的吸引力C色散力非极性分子之间的引力（瞬间偶极）D氢键力介于库仑引力与范德华引力之间的特殊分子间定向作用力,吸附质和吸附剂之间的作用力范德华力,分子引力/范德华力的总能量,范德华力-定向力,极性分子之间产生的作用力偶极距：分子的电荷重心与正负电荷中心距离的乘积,范德华力-诱导力,极性分子和非极性分子之间的作用力,偶极分子之间其诱导力为：,范德华力-色散力,色散力-非极性分子之间的引力,I=-hv0,在分子间相互作用的总能量中，各种力所占的相对比例是不同的。主要取决于分子的两个性质，即它的极性和极化度。极性越大，定向力作用越大；极化度越大，色散力的作用越大。诱导力是次级效应，范德华力中的色散力是普遍的一种力,一种特殊的分子间作用力，介于库仑引力与范德华引力之间的特殊定向力，比诱导力、色散力都大,氢键力,氢键,两种原子电负性越大，半径越小，H键就越能形成，作用也就越大，越有利于吸附。,不同元素原子所形成的氢键力大小次序如下：F-HFO-HNN-HON-HNNCN,图示21-2吸引力和推斥力,当分子间距离减小时，范德华力增大，但当分子间距离非常接近时，就明显地表现出斥力。当距离大于OB时，吸引力未表示出来。当吸附表面和分子间的距离减小时，其吸引力的能量逐渐增加，当距离减至分子半径OA时，达到最大值。当距离再减小时，推斥力急剧增加。,三吸附等温线,如果不考虑溶剂的吸附，当固体吸附剂与溶液中的溶质达到平衡时，其吸附量m应与溶液中溶质的浓度和温度有关。当温度一定时，吸附量只和浓度有关，m=f（c），这个函数关系称为吸附等温线表示平衡吸附量，,吸附等温线,吸附等温线,Langmuir等温线单分子层,Freundlich等温线单分子层,Henry等温线稀浓度,等温线多分子层,吸附等温线,1Langmuir等温线(单分子层)2Freundlich等温线(抗生素/类固醇/甾类激素)3离子交换等温线单价：在缓冲液中，Langmuir模拟多价：Freundlich模拟4亲和吸附等温线：类似于Langmuir表达,Langmuir吸附等温线,假定：吸附在活性中心上进行，这些活性中心具有均匀的能量，且相隔较远。因此吸附物分子之间无相互作用力。每一个活性只能吸附一个分子，即形成单分子吸附层。吸附速度与溶液浓度C和吸附剂表面未被占据的活性中心数目成正比；解吸速度与吸附剂表面为该溶质所占据活性中心数目成正比,qmaxcm=Kd+C,Freundlich吸附等温线,在稀溶液,吸附量和浓度一次方成正比在浓溶液中,吸附量和浓度零次方成正比可以想象，在中等浓度时，吸附量和浓度的（1/n）次方成正比（n1）。,故Freundlich吸附等温线将上式取对数,由图可求得k=6.53,n=4,Freundlich吸附等温线,lgm=lgk+n-1lgc,lgm,lgc,四影响吸附因素,吸附剂性质：吸附容量（比表面，空隙度）吸附速度（粒度，孔径分布）机械强度（使用寿命）,吸附物性质:表面张力降低的物质溶质在易溶解的溶剂中吸附量小极性吸附剂易吸附极性物质同系物极性越小，越易被非极性吸附剂吸附溶液pH的影响（解离度）温度的影响（吸附热，溶解度）其它组分的影响（促进/干扰/互不影响）,四影响吸附因素,五吸附柱层析法的操作,1、上样和洗脱经过平衡的层析柱，当平衡液流到与固定相表面一致位置时，用滴管轻轻地把样品溶液加到固定相表面，要尽量避免冲动基质。加入样品液的体积一般应小于床体积的1/2(当加入的样品量相同时，体积越小越有利于提高分辨率)。,待样品液的液面流到固定相表面时，用滴管加入洗脱剂(其体积用液面距固定相表面的高度约5厘米计)，并在柱上端与装有洗脱剂的贮液瓶连接开始冼脱。同时在柱下端与部分收集器接通，立即进行分级收集(按体积或时间分管收集)。,防止扰动,将吸附剂填装在玻璃或不锈钢管中，构成层析柱，层析时欲分离的样品自柱顶加入，当样品溶液全部流入吸附层析柱后，再加入溶剂冲洗。冲洗的过程称为洗脱，加入的溶剂称为洗脱剂。,在洗脱过程中，柱内不断地发生解吸、吸附，再解吸、再吸附的过程。即被吸附的物质被溶剂解吸而随溶剂向下移动，又遇到新的吸附剂颗粒被再吸附，后面流下的溶剂又再解吸而使其下移动。经过一段时间以后，该物质会向下移动一定距离。此距离的长短与吸附剂对该物质的吸附力以及溶剂对该物质的解吸(溶解)能力有关。,不同的物质由于吸附力和解吸力不同，移动速度也不同。吸附力弱而解吸力强的物质，移动速度就较快。经过适当的时间以后，不同的物质各自形成区带，如果被分离的是有色物质的话，就可以清楚地看到色带(色层)。,吸附力和解吸力的比较移动速度差异形成区带,如果被吸附的物质没有颜色，可用适当的显色剂或紫外光观察定位，也可用溶剂将被吸附物从吸附柱洗脱出来,再用适当的显色剂或紫外光检测，以洗脱液体积对被洗脱物质浓度作图，可得到洗脱曲线。吸附柱层析成败的关键是选择合适的吸附剂、洗脱剂和操作方式。,显色剂洗脱曲线成败的关键,(二)洗脱剂的选择洗脱剂指的是溶解被吸附样品和平衡固定相的溶剂。合适的洗脱剂应符合下列条件：纯度较高；稳定性好；能较完全洗脱所分离的成分；黏度小；易和所需要的成分分开。,洗脱剂的定义洗脱剂满足条件,在实践中，选择洗脱剂的顺序是由极性小到极性大(正向层析)。当把极性小的洗脱剂换成极性大的时，宜先将极性大的和极性小的洗脱剂混合使用，浓度则由低到高。总之，选用洗脱剂的原则是能较完全地洗脱所要分离的成分，并力求用量少、洗脱时间短。,洗脱剂的选择,若峰与峰之间有重叠，宜降低洗脱剂的强度。若峰间距离过大，或某些成分不能洗脱时，宜加大洗脱剂的强度(极性)。成分复杂时，可采用洗脱剂由弱到强的梯度洗脱(方法见离子交换层析)。,洗脱剂的选择,为了获得满意的分离结果,六常用吸附剂种类,吸附剂通常应具备以下特征：表面积大、颗粒均匀、对被分离的物质具有较强的吸附能力有较高的吸附选择性机械强度高再生容易、性能稳定价格低廉。,吸附能力强选择性高性价比高,常用的吸附剂有极性的和非极性的两种。羟基磷灰石、硅胶、氧化铝等属前者，活性炭属非极性。人工合成的如大网格吸附剂、分子筛等两种都有。但大多属非极性的。,分类：极性非极性,1.大网格聚合物吸附,大网格树脂吸附法,1.基本概念一什么是大网格树脂吸附法？将多孔的大网格吸附树脂作为吸附剂，利用表面分子与物质分子间范德华力，把液相中物质吸附到吸附树脂表面。大网格树脂吸附法与离子交换法的比较：相同：操作方法：静态法、动态法；骨架结构：树脂均有溶胀孔隙和永久孔隙的大网格骨架结构。,定义比较,区别：介质不同：离交法-离交树脂，骨架上接有离子交换基团，利用表面层和孔隙中离子基团起作用；吸附法-附树脂，无离交基团（称白球），利用外表面和孔隙内表面分子起作用。机理不同：离交法离子间静电引力吸附，要求树脂和物质的电离度吸附法分子间范德华引力吸附，要求物质的电离度,大网格吸附树脂,大网格吸附树脂适合于提取各种有机化合物。在抗菌素工业中，用于头孢菌素、维生素B12、林可霉素的提取。,优点（1）选择性好（2）解吸容易（3）机械强度好（4）流体阻力小（5）反复使用（6）可适用于各种产品,大网格吸附剂结构与类型,按骨架极性：非极性（苯乙烯-二乙烯苯）中等极性（甲基丙烯酸酯）极性(硫氧基、酰胺、N-O基、磺酸基)孔隙度：吸附剂中空隙所占百分比孔容：每g吸附剂所含的空隙体积骨架密度(真密度)：吸附剂每ml骨架（不包括空隙)的重量。湿真密度：空隙充满水时的密度,比表面测定仪,微球硅胶,液氮,高纯氮,氢气，秒表,比表面BET法,可以用BET法来测定吸附剂的比表面积、平均孔径等,BET法的源由,1938年，勃鲁瑙尔(Brunauer)、爱默特(Emmett)和泰勒(Teller)(简称)等三人建立了多分子层吸附理论。基本假设是：固体表面积是均匀的；吸附质与吸附剂之间的作用力是范德华力，吸附质分子之间的作用力也是范德华力，所以当气相中的吸附质分子被吸附在固体表面上之后，它们还可能从气相分子中吸附同类分子，因而吸附是多层的。但被吸附在同一层的吸附质分子之间相互无作用；吸附平衡是吸附和解吸的动态平衡；第二层及其以后各层分子的吸附热等于气体的液化热。,表21-4Amberlite大网格吸附剂的物理性质,备注,XAD-2大孔树脂(macroporousresin)又称全多孔树脂，大孔树脂是由聚合单体和交联剂、致孔剂、分散剂等添加剂经聚合反应制备而成。聚合物形成后，致孔剂被除去，在树脂中留下了大大小小、形状各异、互相贯通的孔穴。因此大孔树脂在干燥状态下其内部具有较高的孔隙率，且孔径较大，在1001000nm之间，故称为大孔吸附树脂。,大网格聚合物的合成,（1）线状高分子（聚苯乙烯/聚丙烯酸酯)（2）溶胀共聚物的溶剂(甲苯/乙苯/二氯乙烷/四氯化碳)高交联度，高致孔剂用量（3）溶解单体而不溶胀聚合物的溶剂（C4-C10醇/庚烷/异辛烷/烷烃酯）（1）种孔径大，但比表面小，（2）和（3）种制得聚合物比表面大，孔径小,致孔剂：使树脂形成永久空隙度，不参与聚合反应，但能和单体互溶的惰性组分,大网格吸附剂吸附条件选择,1吸附剂的选择（相似互溶）：非极性吸附剂从极性溶剂中吸附非极性物质高极性吸附剂从非极性溶剂中吸附极性物质中等极性吸附剂对两种情况均有吸附能力孔径与比表面（孔径6倍于分子直径）吸附法提取的生化物质大多是弱极性或非极性，一般选非极性或中等极性。,2无机盐的影响无机盐存在，对吸附不仅无干扰，还有促进作用（盐析）。3吸附pH弱酸物质：pHpK（呈分子状态）中性物质：pH无影响（不会电离）。,大网格吸附剂吸附条件选择,例：林可、红霉素弱碱性，pH吸附量；赤霉素弱酸性，pH吸附量；维生素B12中性，pH对吸附量无影响，实验证实：XAD-2上吸附，pH37吸附量都一样；问:头孢菌素两性物质，应在什么条件下吸附？pK1=2.6(羧基)；pK2=3.3(羧基)；pK3=9.8(氨基),等电点（pI=2.85）附近，pH2.53.0较好，因为呈偶极离子，对外不显电性，有利于范德华力吸附（XAD-4树脂吸附）。,大网格吸附剂吸附条件选择,确定了最佳吸附条件，还应有最佳的什么条件？,解吸条件,解吸条件与何有关？,有6个方面,大孔吸附剂解吸条件,1.选择洗脱剂原则a.洗脱剂应容易溶胀大网格吸附剂。溶质对聚合物的溶胀能力可用溶解度参数或内聚能密度（cohesiveenergydensity,CED)来表征。CED=2=E/VE摩尔内能；V摩尔体积,有利于互相溶解。,分子结构越相似,溶解度参数就越接近,溶剂的溶解度参数和聚合物的溶解度参数接近时，溶剂愈易溶胀聚合物。（洗聚）聚苯乙烯等聚合物的溶解度参数约为18.4,溶剂的解吸能力逐渐降低,大孔吸附剂解吸条件,例赤霉素(920)：吸附时选XAD-2树脂（聚苯乙烯型）聚18.4洗脱剂选乙酯乙18.6，溶解度参数接近，易溶胀XAD-2树脂；易溶于乙酯中。洗脱容易，洗脱峰很集中。,大孔吸附剂解吸条件,b.洗脱剂对被吸附物有较大的溶解度。,吸附在高浓度盐溶液中（加盐析剂），则洗脱可仅用水。易挥发性物质，用热水或蒸汽解吸。洗脱液的流速应恰当控制。如果太快，洗脱物在两相中的平衡过程不完全；如果太慢，洗脱物会扩散。树脂高径比（3:1）,大孔吸附剂解吸条件,6.洗脱pH洗脱剂用水溶液时，须考虑pH：弱酸性物质：吸附偏酸性(pHpK)，洗脱酸性水溶液；例：头孢菌素C，吸附：偏酸性（等电点2.85），洗脱：碱性水溶液丙酮（丙20.4）。,原因：头孢菌素C在碱性洗脱剂中溶解度大，加丙酮是考虑溶解度参数接近，易溶胀吸附剂。,大孔吸附剂解吸条件,为何碱性洗脱？加丙酮？,提取工艺路线的比较,大孔强酸性阳树脂物质为弱碱性盐型RSO3NH4不用H型pH，,48.5的氨水乙醇pH：物质电离度，乙醇：溶解度；电离度,选XAD-4树脂，物质为弱极性树脂：S比=784大，平均孔径5.0较大,8.5pH9物质电离度小；稳定性好,丁酯解吸（不需调pH）丁17.4聚18.4；丁酯中溶解度大；稳定,大孔吸附树脂的应用,抗生素分离纯化（再生容易、产品灰分少）：-内酰胺类、大环内酯类、氨基糖苷类、肽类、博莱霉素类、含氮杂环类及其他新抗生素维生素的提取纯化：VB12，VB2，VC天然产物的分离：生物碱，黄酮，多糖，苷类、红景天甙等生化药物：酶,氨基酸,蛋白质,肽,甾体,1生化制药方面的应用,2工业废水的处理和利用,大孔吸附树脂处理工业废水，废液。如废水中含（苯、硝基苯、氯苯、氟苯、苯酚、硝基酚、对甲酚、奈酚、苯胺、对苯二胺、水杨酸、2，3酸、奈磺酸）等有机物均具有很好的吸附、回收净化作用。且对废液中有害物质的浓度含量适应性强，,活性炭对物质的吸附规律,活性炭是非极性吸附剂，在水中吸附能力有机溶剂中的吸附能力。,二活性炭,大于,针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：（1）对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物（2）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物（3）对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的化合物（4）pH值的影响：碱性吸附，酸性洗脱酸性吸附，碱性洗脱（5）温度：未平衡前随温度升高而增加,活性炭（Activecarbon）,三氧化铝,氧化铝的吸附能力很强，可以活化到不同程度，重演性好，再生容易，故是常用的吸附剂。氧化铝的活性与其含水量有很大的关系。水分会掩盖活性中心，故含水量愈高，活性愈低。分酸性、碱性和中性三种，酸性氧化铝(pH4-5)适合于分离酸性化合物，碱性氧化铝(pH9-10)适合于分离碱性化合物，中性氧化铝(pH7)适合于分生物碱、挥发油、萜类、甾体及在酸、碱中不稳定的甙类、酯类等化合物。,四硅胶,硅胶是应用很广的极性吸附剂。是具有硅氧交联结构，表面有许多硅醇基的多孔性微粒。硅醇基可与极性化合物或不饱和化合物形成氢键而使硅胶具较强的吸附力。主要优点是化学惰性，具有较大的吸附量，易制备不同类型的多孔硅胶，一般以SiO2.xH2O通式表示。,|OO|SiOSiOH|OO|,硅胶的活性与含水量有关：含水量高则吸附力减弱。当游离水含量17%以上时，吸附能力极低，可作为分配色谱的载体。硅胶具有微酸性，适用于分离酸性和中性物质，如有机酸、氨基酸、甾体等。,5羟基磷灰石（磷酸钙）,在无机吸附剂中，磷酸钙是唯一的适用于生物活性高分子物质（如蛋白质、核酸）的分离的吸附剂。羟基磷灰石主要适用于蛋白质的层析分离，也适用于较小的核酸，如tRNA的分离。用0.5mol/LCaCl2加0.5mol/L磷酸二钠盐，在室温下反应，得到满意的流速的磷酸钙。CaHPO4.2H2O在pH7以上，慢慢变为羟基磷灰石，即Ca5(PO4)3OH放出H3PO4。,七吸附操作技术,固定床吸附操作膨胀床吸附操作流化床吸附操作模拟/移动床吸附操作搅拌釜吸附操作,1.1固定床吸附操作,、单柱吸附饱和(最大)吸附浓度q0:与入口料液浓度c0相平衡的吸附浓度。穿透曲线(breakthroughcurve)：吸附柱出口溶质浓度的变化曲线。穿透时间:一般为出口浓度达到入口浓度的5%-10%的时间。穿透点(breakthroughpoint):出口处溶质浓度开始上升的点。洗脱(elution)：再生(re-generation)：,浓度波/吸附带/交换带：吸附塔中液相或固相溶质浓度从c0或q0到0的分布区带。传质区：在交换带中发生的液、固相之间的传质恒定图式分布(constantpatern)：浓度波以恒定的形式移动，一般发生在Langmuir和Freundlich型的吸附操作中。,1.1固定床吸附操作,多柱串联吸附,动态法测定吸附量曲线1为不吸附溶质的穿透曲线，对应的体积为V0。曲线2为吸附溶质的曲线，对应体积为V。吸附剂吸附溶质的量为斜线面积，即为c0(V-V0)。利用不同浓度的溶液反复作吸附操作，即可得到吸附平衡关系q*=f(c).,1.2流化床吸附操作,固定床：在吸附颗粒确定以后，床层的膨胀与通过床层液体的表观流速U有关。当表观流速U不大时，颗粒之间仍保持静止并互相接解，这为固定床。,流化床：当U增大至起始流态化速度Umf，颗粒不再相互支撑，开始悬浮在液体中；进一步提高U，床层随之膨胀，床层的压力降几乎不变，但床层中颗粒的运动加剧，这时的床层为流化床。优点：A压降小，可处理高黏度或固体颗粒的粗料液；B不需要特殊吸附剂，设备操作简单。,1.3膨胀床吸附操作,固定床优点：流体在介质层中基本上呈平推流，返混小，柱效率高。缺点：无法处理含颗粒的料液，因会堵塞床层，造成压力降增大而最终使操作无法进行。流化床缺点：存在严重的返混，特别是高径比很小的流化床，使床层理论塔板数降低，吸附剂的利用率低。,1)、膨胀床综合固定床和流化床的优点，使吸附颗粒按自身的物理性质相对稳定地处在床层中的一定层次上实现稳定分级，而流体保持以平推流的形式流过床层，同时吸附颗粒间有较大的空隙，使料液中的固体颗粒能顺利通过床层。,1.3膨胀床吸附操作,2)、操作见图。3)、计算当颗粒较小时(雷诺数20),起始流态化速度:而自由沉降速度Ut为：液体表观流速U为Richardson-Zaki公式：n-系数(层流时为4.8),-膨胀率。在稳定膨胀时，通过床层的表观流速U应在起始流态化速度Umf和自由沉降速度Ut之间。,1.4模拟/移动床吸附操作P239,、移动床(movingbed)吸附床：再生床：吸附质的轴向浓度分布：存在问题A吸附剂的磨损;B固相出口的堵塞(为此，必须采用床层震动或用球形旋转阀等特殊装置)。,1.4模拟/移动床吸附操作P240,模拟移动床(simulatedmovingbed),1.5搅拌釜吸附操作,单釜吸附恒算方程：多级吸附恒算方程：,1.5搅拌釜吸附操作,多级逆流吸附恒算方程：,5Applications,分析化学：On-linepre-concentrationofanalytebysolid-phaseextractioninHPLC,Solidphaseextraction,5Applications,膨胀床吸附纯化G6PDH6-磷酸脱氢酶原料液：酵母细胞匀浆液条件：柱I.D.=10mm,柱高=200mm,表面流速=66-200cm/h。,模拟移动床（SMB）SimulatedMovingBed,是一种利用吸附原理进行液体操作的设备。它以逆流连续操作方式，通过变换固定床吸附设备的物料进出