分离工程朱家文第六章吸附与制备色谱

1、吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程第七节第七节 复杂精馏塔的计算复杂精馏塔的计算 分分 离离 工工 程程 华东理工大学化工学院分离工程教学组华东理工大学化工学院分离工程教学组 2007年年11月月吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程目目 录录6.1吸附等温式6.2色谱分离的基本原理6.3新型吸附技术6.4应用实例吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程吸附用固体吸附剂处理气体或液体混合物，将其中所含的一种或几种组分吸附在固体表面上， 从而实现混合物的组分分离。 常用的传统吸附剂有活性炭、 活性白土、硅藻土、硅胶、活性氧化铝、分子

2、筛、合成树脂等。吸附在工业上的主要用途有： 气体和液体的深度干燥； 食品、药品等的脱色、脱臭；异构体分离；空气分离；废水和废气处理等。 吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程吸附等温线吸附等温线是被吸附在吸附剂（固定相）上的溶质浓度cs对其在液相中的平衡浓度cm的标绘，是该特定溶质在固定相和流动相之间的分配平衡关系。其中cs用单位固定相表面积上被吸附的溶质的摩尔数表示（mol/m2），或更方便地，用单位质量固定相所 吸 附 的 溶 质 的 摩 尔 数 表 示（mol/g）；cm的单位为m。 cmcs吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程langmuir 吸附等温式 假定对于指定的吸

3、附质分子p， 吸附剂上的吸附位点s是以一对一的方式进行可逆吸附，则吸附平衡关系可表示为 pssp； sppsk 式中，k是吸附平衡常数；ps=cs，p=cm，s+ ps=q是单位吸附剂表面积（或单位吸附剂质量）上吸附位点的数量，称之为吸附剂的吸附容量。从上式中解出cs，可得 mmskcqkcc1 此即为著名的 langmuir 吸附等温式。 吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程吸附的应用实例某化工厂在生产中用氯苯作溶剂，由于氯苯在气相中的挥发造成污染，并使溶剂损耗增加。后考虑采用吸附法回收气相中的氯苯以减少对环境的污染。为此开发了采用活性炭为吸附剂的吸附流程，可使气相中的氯苯浓度从约

4、28 mg/l 减少到约 1.5 mg/l，并使生产中溶剂损耗减少约三分之二。研究表明，活性炭可吸附约相当与其装载质量 10的氯苯，吸附饱和后的活性炭可用水蒸气脱附后重复使用。 抽真空1234567891014空气1213151611060120180240300360420c, mg/l05.010.015.020.025.030.030有水蒸汽影响吸附曲线t, min吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程6.2 色谱分离的基本原理色谱（层析）是一类分离技术的总称。在色谱分离中，被分离物质的分子在两相（固定相和流动相）之间分配，亲固定相的分子在系统中移动较慢，而亲流动相的分子则随流动相

5、较快地流出系统，从而实现了不同物质之间的分离。固定相通常都是固体，流动相（也称为洗脱相）则可以是气体或液体。如流动相是液体（通常是水相缓冲液） ，称为液相色谱。 吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程常 见 的 色 谱 分 离 方 法 是 柱色 谱 （ 柱 层 析 ） 。 在 柱 色 谱 中 ，将 固 定 相 装 填 在 一 根 管 子 （ 称之 为 色 谱 柱 ） 中 ， 流 动 相 则 泵送 进 入 色 谱 柱 。 被 分 离 的 样 品被 加 到 色 谱 柱 的 上 游 ， 随 着 流动 相 向 下 游 移 动 ， 依 固 定 相 对不 同 组 分 分 子 的 吸 附 能 力 从

6、弱到 强 ， 样 品 中 的 不 同 组 分 在 色谱 柱 中 的 移 动 速 度 由 快 到 慢 ，在 色 谱 柱 的 下 游 按 其 流 出 顺 序分 别 加 以 收 集 ， 即 可 实 现 对 样品 中 不 同 组 分 的 分 离 。 流动相流动相流动相加样展开洗脱色谱过程示意图 吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程色谱过程的流出曲线和保留参数0 2 4 681 .5 .3 .2 .15vrv00volumekrf吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程容量因子（分配比）吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程只有当两种不同物质的保留参数不同时，才有可能实现它们之间的分离

7、。然而，色谱分离不仅与保留参数有关。从左图可以看出，谱图 a 和 b 中两种组分分别具有相同的保留值，但分离效果却大不一样。谱图 a 具有陡峭的色谱峰，因而两组分能得到完全的分离；谱图 b 中的色谱峰较为平坦，两峰之间有一定的重合，因而分离效果不好。为此，必须对峰的宽度及其影响因素，亦即色谱分离的分辨率，进行研究。 ab吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程色谱柱的“理论塔板数”为了对色谱柱的分离效果的好坏进行研究，引入“理论板数”n的概念。这是一种经验性的描述方法。由统计理论可以导出，理论板数n与色谱峰的形状有如下关系 22/1)(55. 5wtnr (a) 2)(16brwtn (b

8、) 2)(28. 6pprahtn (c) 式中，hp为峰高，wb为峰宽，w1/2为半峰高处的峰宽，ap为峰面积，见图。 trhp2hpw1/2wb吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程理论板概念被广泛的应用于衡量色谱柱性能的好坏。较大的板数意味着较窄的色谱峰，即性能较好的柱。同时被引入的还有等板高度(hetp)h的概念 nlh 式中 l 为柱的有效高度。显然，等板高度 h 小意味着性能好的柱。 “等板高度”吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程组分分辨率吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程相对保留值吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程最终缓冲液初始缓冲液磁力搅拌子

9、至色谱柱色谱的梯度洗脱法吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程色谱的传质过程吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程分析型色谱和制备型色谱分析型色谱（层析）用于分离和鉴别样品中的组分，为此希望能在尽可能小的进样量的情况下，提供尽可能高的组分分辨率和线性的分离特性。 制备型色谱 （层析） 则是用于分离、富集或纯化混合物中的某一或某些组分，为此需要一定的处理量，一般进样量要比分析型色谱大的多。能有适当的分离度，并要考虑层析分离过程的规模、速率和分离成本。 吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程制备色谱的上样（装载）量制备色谱是一种动态分离技术，需分离的样品一次 上 柱 ， 然 后

10、在 流 动 相 的 带 动 下 逐 渐 向 柱 的 下 游 移动，并逐渐分离，再分别收集被分离的不同组分。一般总希望一次能分离尽可能多的样品，或者，为了分离 同 样 的 样 品 ， 可 使 用 较 小 的 色 谱 柱 和 较 少 的 流 动相。 问题在于：如何在能达到所希望的分离效果的前提下，在一次色谱过程中能处理尽可能多的样品？ 吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程超载和非线性色谱吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程色谱过程的循环操作原理吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程用循环操作提高色谱过程效率的一个实例吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程6.3新型吸附技

11、术 模拟移动床吸附 变压吸附 扩张床吸附吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程模拟移动床吸附分离技术连续逆流接触的操作方式由于整个过程的传质推动力最大，具有最佳的过程效率（操作强度）和分离效率，广泛应用于各种气液和液液接触过程，例如精馏，萃取，吸收等。然而，在液固（气固）接触的吸附和层析过中，由于难以使固相与流动相之间实现真实逆流运动，直接运用逆流操作方式是很困难的。目前的逆流连续吸附技术多采用所谓模拟移动床操作方式，即整个吸附柱分成多段小柱，利用旋转阀之类的液流分配装置，模拟实现分段小柱和流动相之间的逆流移动。 吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程移动床吸附分离原理吸附与制备色

12、谱吸附与制备色谱分离工程分离工程模拟移动床原理吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程parex模拟移动床吸附过程在 c8芳烃中，对二甲苯是经济价值高、用途广泛的产品，对于其分离，二十世纪五十年代已实现工业化的低温结晶分离法是较成熟的一种方法，但其能耗大，设备投资和生产成本高，产品纯度略低。六十年代美国 uop 公司首先发展起来的 parex 模拟移动床吸附分离法，利用对对二甲苯有较强吸附作用的分子筛固体吸附剂，通过固相模拟移动的方法产生两相连续逆流接触的效果，既提高了吸附剂利用率、设备的生产能力和分离效率，又避免了固体吸附剂的磨损破碎、堵塞及固体颗粒缝间的沟流，与固定床吸附装置相比较，其

13、吸附剂装填量仅为 1/25，液体脱附剂用量为 1/2，明显降低了设备投资费用和分离成本， 获得的产品纯度很高， 可以95%的回收率得到纯度为 99.5%的对二甲苯。工业化实现后发展很快，并已用到其它异构体的分离、烯烃和烷烃的分离和柠檬酸提取等。 吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程变压吸附吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程扩张床吸附吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程扩张床吸附过程原理吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程应用扩张床吸附简化生物分离过程吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程蛋白质制备色谱吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程吸附与制备色谱吸附与制备色谱分离工程分离工程各种蛋白质液相色谱分 离 原 理 色 谱 类 型 分 子 大 小 和 形 状 凝 胶 过 滤 净 电 荷 离 子 交 换 色 谱 等 电 点 等 电 聚 焦 色 谱 疏 水 性 疏 水 作 用 色 谱 反 相 色 谱 生 物 活 性 功 能 亲 和 色 谱 抗 体 -抗 原 作 用 免 疫 吸 附 糖