吸附与离子交换课件1

1吸附与离子交换

生物分离过程的一般流程原料液细胞分离(离心，过滤)细胞－胞内产物路线一路线二细胞破碎碎片分离路线一A路线一B清液－胞外产物粗分离(沉淀/膜过滤/萃取)纯化(离子交换/层析/吸附脱盐(凝胶过滤、超滤)浓缩(超滤)精制(结晶、干燥)包含体溶解(加盐酸胍、脲)复性

第一节概述

一、概述吸附（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。固—液界面上的吸附：吸附剂：具有吸附能力的固体物质。吸附质：被吸附的物质。物质从流体相浓缩到固体表面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典型的吸附过程包括四个步骤：吸附:

典型的表面现象吸附剂吸附质脱附：吸附的逆过程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。吸附法的特点：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基本概念吸附剂：表面上能发生吸附作用的固体吸附物：被吸附的物质多孔吸附剂：外表面与内表面组成非多孔吸附剂：比表面取决于外表面吸附作用：物质从流体相浓缩到固体表面(1)物理吸附：溶质与吸附剂之间由于范德华力而产生的吸附。(2)化学吸附：溶质与吸附剂发生化学反应，形成牢固的吸附化学键和表面络合物。(3)交换吸附：溶质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上，并置换出原先固定在这些带电点上的其他离子。吸附的分类

实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下吸附性能物理吸附化学吸附作用力分子引力（范德华力）剩余化学键力选择性没有选择性有选择性吸附层单分子或多分子吸附层只能形成单分子吸附层吸附热较小，⋖41.9kj/mol较大，相当于化学反应热，83.7-418.7kj/mol吸附速度快，几乎不要活化能较慢，需要活化能温度放热过程，低温有利于吸附温度升高，吸附速度增加可逆性可逆，较易解析化学键大时，吸附不可逆应用吸附剂通常应具备以下特征：（1）较高的选择性以达到一定的分离要求；（2）较大的吸附容量以减小用量；（3）较好的动力学及传递性质以实现快速吸附；（4）较高的化学及热稳定性，不溶或极难溶于待处理流体以保证吸附剂的数量和性质；（5）较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀；（6）较好的流动性以便于装卸；（7）较高的抗污染能力以延长使用寿命；（8）较好的惰性以避免发生不期望的化学反应；（9）易再生；（10）价格便宜。※一般工业吸附剂难于同时满足这十个方面的要求，因此，应根据不同的场合选用。※几种常用的吸附剂

有机吸附剂有活性炭、球性炭化树脂、聚酰胺、纤维素、大孔树脂等；

无机吸附剂有硅胶、活性氧化铝、硅藻土、分子筛等。按其化学结构可分为有有机吸附剂无机吸附剂几种常用的吸附剂活性炭

高温炭化活化,800~900℃木材、煤、果壳炭渣活性炭

隔绝空气，600℃活化剂：ZnCl2

解吸：从活性炭柱上洗脱被吸附物质时，溶剂的洗脱能力将随溶剂极性的降低而增强。几种常用的吸附剂活性炭吸附非极性有机物脱色，去热原几种常用的吸附剂硅胶（SiO2·nH2O）硅胶的表面保留着羟基，是硅胶的吸附活性中心在200℃以上羟基会脱去，失去活性应用吸附大极性有机物||OO||—Si—O—Si—OH||OO||几种常用的吸附剂极性强，对水有很强的亲和作用活性氧化铝（Al2O3·nH2O）几种常用的吸附剂筛分：将比其孔径小的分子吸附到空穴内部，而把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子的作用吸附：分子筛结晶铝硅酸金属盐的水合物，其化学通式为：Mx/m[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O。分子筛是一种具有网状晶体结构的硅铝酸盐，具有均匀的晶穴，孔径分布非常均一，具有选择筛分分子作用（a）A型（b）X型两种常用沸石分子筛的结构球形分子筛颗粒吸附树脂（Resin）是一种网状结构的有机高聚物，如南开和成公司的ADS系列、美国Rohm&Haas公司的XAD系列树脂是苯乙烯与二乙烯苯的共聚物，可根据需要制成不同孔径、不同比表面积、极性或非极性的吸附剂。比表面积一般在200～700m2／g左右。主要用于废水中有机物的吸附、天然产物与生化产品的分离等。

树脂吸附工艺和设备操作方式连续式间歇式将料液和吸附剂放在容器内搅拌，平衡后排出吸余液固定床移动床流化床吸附剂固定填放在吸附柱(或塔)中在操作过程中定期地将接近饱和的一部分吸附剂从吸附柱中排出，并同时将等量的新鲜吸附剂加入柱中吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态，悬浮于由下而上的水流中第二节离子交换

根据物质吸附性质的不同，可用吸附法进行分离；根据分子电离（电负性）的差异，可用离子交换法、电泳法和等电聚焦法等进行分离；

离子交换法：是应用合成的离子交换剂作为吸附剂，将溶液中的物质，吸附在交换剂上，然后用合适的洗脱剂将吸附物质从交换剂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的。离子交换树脂结构骨架：接有功能基团，本身是惰性功能基团：连接在骨架上，可与相反离子结合待交换分子：在吸附阶段可与活性离子交换，与骨架上的功能基团结合活性离子：与功能基团所带电荷相反的可移动的离子离子交换法概述/file_post/display/read.php?FileID=19581工作原理离子交换的一般流程（1）原料液的预处理，使得流动相易于被吸附剂吸附；（2）原料液和离子交换树脂的充分接触，使吸附进行；（3）淋洗离子交换树脂，以去除杂质；（4）把离子交换树脂上的有用物质解吸并洗脱下来；（5）离子交换树脂的再生。离子交换层析原理开始吸附解吸解吸结束再生①②④⑤离子交换法概述③样品解吸剂再生剂-----++-------

离子交换树脂的分类

按化学功能团分阳树脂，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－羟型阴树脂；活性离子为其它离子统称盐型树脂。

1阳离子交换树脂交换前交换达到平衡后二.离子交换树脂的分类2阴离子交换树脂交换前交换达到平衡后二.离子交换树脂的分类一般以磺酸基一SO3H作为活性基团，交换反应以磺酸型树脂与氯化钠的作用为例，可表示如下：由于是强酸性基团，其电离程度不随外界溶液的pH而变化，所以使用时的pH一般没有限制。此外，以磷酸基一PO(OH)2和次磷酸基一PHO(OH)作为活性基团的树脂具有中等强度的酸性。1强酸性阳离子交换树脂二.离子交换树脂的分类苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂的结构—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—∣∣SO3-H+∣SO3-H+SO3-H+—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—SO3-H+···—CH2—CH—CH2—···SO3-H+HC=CH2HC=CH2m+nHC=CH2二.离子交换树脂的分类2弱酸性阳树脂功能团可以为羧基-COOH，-OH(酚羟基）这类树脂的电离程度小，其交换性能和溶液的pH有很大关系。在酸性溶液中，这类树脂几乎不能发生交换反应，交换能力随溶液的pH增加而提高。

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，溶液的pH应＞9。二.离子交换树脂的分类3强碱性阴树脂I型的碱性比II型强，但再生较困难，II型树脂的稳定性较差。和强酸性树脂一样，强碱性树脂使用的pH范围没有限制二.离子交换树脂的分类有两种强碱性树脂：功能基团为三甲胺基称为强碱Ⅰ型二甲基-β-羟基-乙基胺为强碱II型水溶液中R≡N＋OH－(Cl－)-4弱碱性阴树脂和弱酸性树脂一样，其交换能力随pH变化而变化，pH越低，交换能力越大。功能团为二.离子交换树脂的分类水溶液中：R－NH3+OH－；R

NH2+OH－；R≡NH+OH－二.离子交换树脂的分类5四类树脂的特性比较二.离子交换树脂的分类5四类树脂的特性比较④

盐的稳定性

弱酸、弱碱性树脂成的盐（盐型）不稳定，易水解。弱酸树脂：RCOOH+NaOH→RCOONa+H2O

水解：RCOONa+H2O→RCOOH+NaOH

*洗到pH9~10

弱碱树脂：RNH3OH+HCl→RNH3Cl+H2O

水解：RNH3Cl+H2O→RNH3OH+HCl

*洗到pH4~5NaOHH2ORCOONaRCOOHNaOH二.离子交换树脂的分类5四类树脂的特性比较强酸树脂再生时耗用过量的酸；强碱树脂再生时耗用过量的碱。强酸树脂：RSO3Na+HClRSO3H+NaCl再生难弱酸树脂：RCOONa+HCl→RCOOH+NaCl易强碱树脂：R≡N+Cl¯

+

NaOHR≡N+OH‾

+NaCl难弱碱树脂：R-NH3+Cl¯

+NaOH→R-NH3OH+NaCl易⑤再生的难易程度树脂的操作步骤（str）：

◆交换（吸着）3RCOONa+str3+(RCOO)3str+3Na+

◆洗脱（解吸）(RCOO)3str+3HCl→3RCOOH+str3++3Cl¯

◆再生RCOOH+NaOH→RCOONa+H2O，水洗至pH9

二.离子交换树脂的分类5四类树脂的特性比较

性能阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性弱酸性强碱性

弱碱性活性基团磺酸羧酸季氨

胺pH对