吸附与离子交换分离技术-吸附剂分离技术（药物分离纯化课件）

药物分离与纯化技术课程吸附与离子交换分离技术--吸附法概述大纲1.吸附法定义2.吸附法的特点吸附法概述—吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）吸附法概述—吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）美国竟愿用珍贵月球土来兑换长沙马王堆汉墓中的木炭？？？1.吸附法定义吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面，再用适当的洗脱剂将其解吸达到分离纯化的过程。应用：广泛应用于原料脱色、脱臭，目标产物提取、浓缩和粗分离吸附剂吸附质脱附：吸附的逆过程吸附吸附法概述—吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）1.吸附法定义吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混和、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。吸附剂——能够吸附其他物质的多孔性固体。吸附质——在吸附过程中，被吸附的物质。料液与吸附剂混合吸附质被吸附料液流出吸附质解吸附Step1Step2Step3Step4吸附法概述—吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2.吸附法特点常用于从稀溶液中将溶质分离出来，由于受固体吸附剂的限制，处理能力较小；对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特别重要；可直接从发酵液中分离所需的产物，成为发酵与分离的耦合过程，从而可消除某些产物对微生物的抑制作用；溶质和吸附剂之间的相互作用及吸附平衡关系通常是非线性关系，故设计比较复杂，实验的工作量较大。吸附法概述—吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2.吸附法特点优点：有机溶剂掺入少操作简便，安全，设备简单

pH变化小，适于稳定性差的物质从稀溶液分离溶质吸附剂对溶质的作用小（蛋白质）缺点：选择性差收率低无机吸附剂性能不稳定不能连续操作，劳动强度大碳粉等吸附剂有粉尘污染吸附法概述—吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）药物分离与纯化技术课程吸附与离子交换分离技术—吸附剂吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）大纲1.吸附剂分类2.常用的吸附剂（1）物理吸附（范德华引力，不具有选择性）（2）化学吸附（通过形成化学键的吸附，具有选择性）（3）亲和吸附（对目标物呈现专一性或高选择性。这种吸附专一性或分子识别性能，来源于氢键、范德华引力、偶极-偶极作用等多种键力的空间协同作用）根据吸附剂与吸附质之间相互作用力的不同，吸附可分为1、吸附剂分类吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）吸附性能吸附类型物理吸附化学吸附作用力选择性吸附层吸附热吸附速度稳定性温度的影响分子引力一般没选择多层吸附较小，一般在41.9kJ/mol以内快不稳定，易解吸温度升高，吸附量降低化学键有选择单层吸附较大，一般在83.7～418.7KJ/mol以内较慢较稳定，不易解吸温度升高，吸附速度增加物理吸附和化学吸附之间的区分并没有严格的界限。在实际的吸附过程中，上述几类吸附往往同时存在。物理吸附和化学吸附在一定条件下也是可以互相转化的。同一物质，可能在较低温度下进行物理吸附，而在较高温度下往往又是化学吸附。物理、化学吸附的比较吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2、常用吸附剂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，这主要指内表面，外表面一般没有吸附能力；有较高的吸附选择性，对不同吸附质要有选择性的吸附作用；机械强度高，再生容易、性能稳定，价格低廉。工业上常用的吸附剂有活性炭、硅胶、活性氧化铝、沸石分子筛、碳分子筛、活性碳纤维、聚酰胺、大孔吸附树脂等。吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2、常用吸附剂（1）活性炭一种多孔含碳物质的颗粒粉末，非极性的，疏水性和亲有机物的吸附剂，具有高的比表面积。生产主要原料：含碳物质如木材，泥炭，煤，石油焦，果壳，其中烟煤，无烟煤和果壳是主要原料。吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2、常用吸附剂（2）活性炭纤维活性炭纤维(ACF)是近几十年发展起来的一种新型吸附剂。它是以粘胶基纤维为原料，经高温碳化﹑活化后制成的纤维状新型吸附材料。与颗粒状活性炭（GAC）相比，ACF具有显著的的特点:①具有微孔结构，比表面积大，孔径分布狭窄而均匀，且孔呈多分散型分布。②具有一定量的表面官能团，对各种无机和有机气体、有机物及重金属离子等具有较大的吸附量，且吸附﹑脱附快。吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2、常用吸附剂（3）硅胶：一种坚硬无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，亲水性的极性吸附剂，孔径2-20nm，主要用于吸附水和甲醇。工业上主要用于干燥脱水，最大吸水量可达30%左右，但脱水深度不够，主要用于初脱水。制备方法：水玻璃为原料，与无机酸作用，中和沉淀出H2SiO3，经老化缩水，成型，洗涤，干燥，焙烧法制备。吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2、常用吸附剂（4）活性氧化铝：化学式Al2O3.nH2O；极性吸附剂，主要用于气体、液体的干燥脱水和碳氢化合物和石油气的脱硫，用于脱水时，脱水深度高（几个PPm），吸附水容量不及活性硅胶。制备采用沉淀法，工艺流程和硅胶制备类似。吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2、常用吸附剂（5）沸石分子筛一种水合结晶硅酸盐或硅铝酸盐，具有均匀微孔，孔径与分子大小相当，由于其孔径可用来筛分大小不同的分子，称为沸石分子筛、分子筛沸石或分子筛。沸石分子筛具有很高的吸附量和独特的择形吸附性能、沸石骨架带电荷，平衡阳离子可以交换并产生酸中心或碱中心、孔结构可裁剪和调变、再生性能好，吸附剂或催化剂失活后可重现。主要用于分离和催化，分离领域主要是干燥脱水（干燥剂）和吸附分离（吸附剂）。吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2、常用吸附剂（6）碳分子筛一种兼具有活性炭和分子筛特性的碳质吸附剂，非极性吸附剂，孔径分布均一，和气体分子直径相当（0.3-1nm)。碳分子筛分为富氢碳分子筛和富氮碳分子筛，两者的机理不同，主要用于空气富氮，氧氮在碳分子筛上的平衡吸附量相近，但吸附扩散速率相差很大，氧吸附扩散速率快，而氮的吸附扩散速率慢，空气通过碳分子筛时，由于氧的吸附速率快，优先进入分子筛孔道被吸附，从而得到富氮产品。富氢碳分子筛主要根据吸附量的大小进行分离。吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2、常用吸附剂（7）聚酰胺：属于氢键吸附，不但适用极性物质也适用于非极性物质的分离。特别适合酚类、醌类、黄酮类等的分离。吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2、常用吸附剂（8）大孔吸附树脂大孔吸附树脂是一种没有可解离基团具有大孔结构的高分子吸附剂。分为非极性与中等极性两类。是一类吸附性与分子筛原理相结合的分离材料。大孔吸附树脂的特性、被分离物质及溶剂的性质均影响着分离结果。吸附剂--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）药物分离与纯化技术课程吸附与离子交换分离技术--吸附理论吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）大纲1.吸附原理2.吸附速率3.吸附等温曲线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1.吸附原理界面吸附原理示意图吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）1.吸附原理吸附质在吸附剂多孔表面上被吸附的过程分为下列三步：

1)吸附质从流体主体通过分子与对流扩散穿过薄膜或边界层传递到吸附剂的外表面，称之为外扩散过程。

2)吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的内表面，称为内扩散过程。

3)吸附质沿孔的表面进行扩散，被吸附在孔表面上。整个吸附传质过程的速率由上述三个串联过程的速率共同决定。一般情况下，表面吸附速度很快，该过程几乎可在瞬间完成，因此整个吸附传质过程的速率主要由外扩散或内扩散来控制。吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2.吸附速率吸附速率可用单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的吸附质的量来表示。在吸附过程中，若内扩散的传质速度很快，则传质阻力主要集中于外扩散，吸附过程为外扩散控制。反之，若外扩散的传质速度很快，则传质阻力主要集中于内扩散，吸附过程为内扩散控制。吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）3.吸附等温线在固体对气体的吸附中，吸附量是温度和压力的函数；在固体对液体的吸附中则为温度和溶液中吸附质浓度的函数。固定温度下，吸附量与浓度的关系为等温吸附，通常用吸附等温线来描述所研究体系达到平衡时吸附量与溶液中吸附质浓度的关系吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）3.吸附等温线五种类型的吸附等温线吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）3.吸附等温线Ⅰ、朗格缪尔型吸附等温线单分子层吸附等温线，在压力较低时，吸附量就较大，在相对压力较大时，有吸附饱和现象，发生在浓度较低时的吸附和孔径小于2-3nm时的吸附。吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）3.吸附等温线Ⅱ、反S型吸附等温线完成单分子层吸附后，再形成多分子层吸附的等温线，发生在孔径大于5nm孔吸附，没有吸附饱和现象。吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）3.吸附等温线Ⅲ、反朗格缪尔型吸附等温线在压力较低的初始阶段，吸附量很低，在高压下，有较高的吸附能力，没有吸附饱和现象。同样属于多分子层吸附，形式少见。吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）3.吸附等温线

Ⅳ吸附等温线和Ⅱ型相对应，在相对压力高时出现吸附饱和现象。吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）3.吸附等温线Ⅴ吸附等温线和Ⅲ型相对应，在相对压力高时出现吸附饱和现象。吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）3.吸附等温线曲线的形状反映吸附的难易，低浓度下曲线向下弯，如I、II、IV的初始表示分子容易被吸附；如不易被吸附则向上弯，如III、V。五类吸附等温线中，第Ⅰ类吸附等温线最为常见，常见气体在分子筛，活性氧化铝，硅胶等吸附剂上的吸附等温线都为第Ⅰ类吸附等温线.五种类型的吸附等温线吸附理论--吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）药物分离与纯化技术课程吸附与离子交换分离技术—脱附与常用的脱附方法脱附及常用的脱附方法－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）大纲1.降压脱附2.升温脱附3.通气吹扫4.置换脱附脱附及常用的脱附方法－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）脱附---吸附的逆过程脱附是使已被吸附的组分达到饱和的吸附剂中析出，吸附剂得以再生的操作过程。即被吸附于界面的物质在一定条件下，离逸界面重新进入体相的过程，也称解吸。（1）降压脱附在吸附过程中吸附压力高，平衡吸附量大，当压力降低时吸附量变小，吸附组分脱附出来，这种再生方法在变压吸附分离过程中被广泛采用。脱附及常用的脱附方法－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）（2）升温脱附吸附过程是一个放热过程，温度增加，吸附量减小，在低温下有较高的吸附能力。因而温度降低有利于吸附过程进行，升温有利于脱附的进行，因而在实际的吸附分离过程中，可在低温下进行吸附，吸附饱和后，吸附床层升高温度，吸附组分解吸出来，采用这种方法的吸附分离过程为升温吸附。脱附及常用的脱附方法－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）吸附饱和后，将不被吸附剂吸附的惰性气体或吸附能力比较弱的气体通入吸附床层进行吹扫，降低了吸附质的分压，从而使吸附组分脱附。这种方式一般不单独使用。（3）通气吹扫脱附及常用的脱附方法－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）当吸附床层吸附饱和后，向床层通入另一种流体，当该流体吸附能力和被吸附物吸附能力相近时，这种组分就把前一种置换出来，当再通入混合物时，吸附组分又将置换物置换。（4）置换脱附脱附及常用的脱附方法－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）工业上为了使吸附床层脱附的比较彻底，上述几种方法经常要综合利用，例如在变压吸附过程中，即采用降压又采用弱吸附能力的气体吹扫。在变温吸附分离过程中采用水蒸气或热空气吹扫。脱附及常用的脱附方法－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）药物分离与纯化技术课程吸附与离子交换分离技术—吸附设备与操作吸附设备及操作－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）大纲1.槽式搅拌吸附2.固定床吸附分离3.移动床吸附分离4.流化床吸附分离根据待分离物系中各组分的性质和过程的分离要求(如纯度、回收率、能耗等)，在选择适当的吸附剂和解吸剂基础上，采用相应的工艺过程和设备。常用的吸附分离设备有：

槽式搅拌吸附固定床吸附器移动床流化床吸附设备及操作－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）工业吸附过程通常包括两个步骤:①将流体与吸附剂接触,吸附质被吸附剂吸附后与其他流体分开,此过程为吸附操作;②吸附质从吸附剂上解吸出来,使吸附剂得到再生。若吸附剂不需再生,则此步骤改为吸附剂的更新。吸附设备及操作－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）（1）槽式搅拌吸附吸附过程一般在带有搅拌器的吸附槽中进行。首先将原料液加入吸附槽，然后在搅拌状态下加入吸附剂。在搅拌器的作用下，槽内液体呈强烈湍动状态，而吸附质则悬浮于溶液中。当吸附过程接近吸附平衡时，通过过滤装置将吸附剂从溶液中分离出来。接触过滤式吸附过程属间歇操作过程，常用于溶质的吸附能力很强，且溶液的浓度很低的吸附过程，以回收其中少量的溶解物质或除去某些杂质等。吸附设备及操作－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）（2）固定床吸附分离固定床吸附分离是常见的吸附分离工艺，吸附器多为圆柱形立式设备，在内部支撑的格板或多孔板上，放置吸附剂成为吸附剂床层，当流体通过时，吸附质被吸附在吸附剂上，其余流体由出口流出。固定床吸附操作吸附设备及操作－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）当干燥器A在操作时，原料气由下方通入（通干燥气B的阀关闭），经干燥后的原料气由顶部出口排出；同时，干燥器B处于再生阶段，再生用气体经加热器加热到指定温度，从顶部进入干燥器B，再生气携带吸附剂上脱附的水分从干燥器底部排出，经冷却器降温分离出水后循环使用。固定床吸附器流程示意图（以原料气干燥过程为例）（2）固定床吸附分离吸附设备及操作－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）（3）移动床吸附分离原水从下而上流过吸附层，吸附剂由上而下间歇或连续移动。间歇移动床处理规模大时，每天从塔底定时卸炭1-2次，每次卸炭量为塔内总炭量的5%-10%；连续移动床，即饱和吸附剂连续卸出，同时新吸附剂连续从顶部补入。移动床较固定床能充分利用床层吸附容量，出水水质良好，且水头损失较小。因而不需要反冲洗设备，对原水预处理要求较低。吸附设备及操作－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）1-通气阀；2-进料斗；3-溢流管；4、5-直流式衬胶阀；5-水射器；7-截止阀移动床吸附塔构造示意图（4）流化床吸附分离流化床分离主体设备为双体流化床，由吸附单元和脱附单元组成。含有吸附质的流体由吸附床底部进入，由下而上流动，使向下流动的吸附剂流态化，净化后的流体由吸附塔顶排出，吸附了吸附质的吸附剂由吸附塔底部排出进入脱附单元顶部，在脱附单元，用加热吸附剂或其他方法使吸附剂再生解吸，再生吸附剂返回流化床顶部继续进行吸附过程。吸附设备及操作－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）药物分离与纯化技术课程吸附与离子交换分离技术—影响吸附的因素影响吸附的因素－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）大纲1.吸附剂的物理化学性质2.吸附质的物理化学性质3.pH值4.共存物的影响5.温度6.接触时间吸附是一种表面现象，吸附剂的比表面积越大，吸附容量越大。吸附剂的种类、制备方法不同，其比表面积、粒径、孔隙构造及其分布各不相同，吸附效果也有差异。此外，吸附剂的表面化学结构和表面电荷性质对吸附过程也有很大的影响。极性分子型的吸附剂容易吸附极性分子型的吸附质，非极性分子型的吸附剂容易吸附非极性分子型的吸附质。1、吸附剂的物理化学性质影响吸附的因素－吸附分离技术（吸附与离子交换分离技术）2、吸附质的物理化学性质吸附质的溶解性能对平衡吸附量有重大影响。溶解度越小的吸附质越容易被吸附，也越不易解吸。对于有机物在活性炭上的吸附，随同系物含碳原子数的增加，有机物的疏水性增强，溶解度减小，因而活性炭对其吸附容量越大。吸附质的分子