生物分离工程第六章 离子交换与吸附幻灯片.ppt

1、Chapter 6吸附与离子交换Adsorption and ion exchange,Knowledge points,The definition of adsorption什么是吸附过程？ The classification of adsorption吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？ The normal adsorbents常用的吸附剂种类有哪些？ Adsorption isotherm and its significance吸附等温线及其意义 The affecting adsorption elements 影响吸附过程的因素有哪些？ Affinity adsorption

2、 and its characteristic什么是亲和吸附？其特点有哪些？ The normal ways of adsorption unit operation常用的吸附单元操作方式？ Ion exchange离子交换 The classification of ion exchange resin and its main physico-chemical properties离子交换树脂的分类？其主要的理化性质有哪些？ The mechanism of ion exchange离子交换的机理？ The selectivity of ion exchange and its affec

3、ting elements什么是离子交换的选择性？其选择性受哪些因素影响？ The basic ion exchange unit operation基本的离子交换操作？ How to isolate the protein by ion exchange chromatograph如何利用离子交换法分离蛋白质？,什么是吸附？,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的过程。 吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、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。,料液与吸附剂混合,吸附质被吸附,料液流出,吸附质解吸附,Step1,Ste

4、p2,Step3,Step4,常见的吸附类型及其主要特点,物理吸附： 吸附作用力为分子间引力、无选择性、无需高活化能、吸附层可以是单层，也可以是多层、吸附和解吸附速度通常较快。 化学吸附：吸附作用力为化学键合力，需要高活化能、只能以单分子层吸附，选择性强、吸附和解吸附速度较慢。,常见的吸附类型及其主要特点,常用吸附剂种类,吸附剂通常应具备以下特征： 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。,活 性 炭（Active carbon）,粉末活性炭,锦纶活性炭,活性炭对物质的吸附规律,活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于有机溶剂中的吸附

5、能力。 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 中性吸附 酸性洗脱 酸性 中性吸附 碱性洗脱 （5）温度 未平衡前 吸附速率随温度升高而增加，平衡后几乎不受影响,硅胶 层析用硅胶有多孔网状结构，优点：惰性，有较大吸附量。易制备不同类型、孔径、表面积的多孔性硅胶。分离范围广；缺点：难以工业化。 氧化铝 特点：亲水性吸收剂；较高的吸附容量；分离效果好；特别适用于亲脂性成分的分离；缺点：难以工业化。,大

6、孔网状吸附剂(macroporous resin),特点：脱色去臭效果理想；对有机物具有良好的选择性；物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再生容易。 价格较高，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素的影响。,大孔网状吸附树脂的种类,非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。 中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。 极性吸附剂：丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基团。,大孔吸附树脂的吸附机理,非离子型共聚物，借助于范德华力从溶液中吸附各种有机物，其吸附能力与树脂的化学结构、物理性能以及与溶质、溶剂的性质

7、有关。通常遵循以下规律： 非极性吸附剂可从极性溶剂中吸附非极性溶质； 极性吸附剂可从非极性溶剂中吸附极性物质； 中等极性吸附剂兼有以上两种能力,常用的解吸方法,低级醇、酮或水溶液解吸附 原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间的相互作用力 碱解吸附 原理：成盐，主要针对弱酸性溶质 酸解吸附原理同上 水解吸附 原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸附量,吸附等温线,概念：当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系称为吸附等温线。 Langmuir吸附等温线 q是吸附容量，qo和K是经验常数，c代表溶液中溶质浓度 蛋白质分离提纯时适合此吸附方程,Irving Langmuir (31 Jan. 1

8、881 16 Aug. 1957) was an American chemist and physicist. His most noted publication was the famous 1919 article The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules in which, building on Gilbert N. Lewiss cubical atom theory and Walther Kossels chemical bonding theory, he outlined his concentric theo

9、ry of atomic structure. Langmuir became embroiled in a priority dispute with Lewis over this work; Langmuirs presentation skills were largely responsible for the popularization of the theory, although the credit for the theory itself belongs mostly to Lewis. While at General Electric (GE company), f

10、rom 19091950, Langmuir advanced several basic fields of physics and chemistry, invented the gas-filled incandescent lamp, the hydrogen welding technique, and was awarded the 1932 Nobel Prize in Chemistry for his work in surface chemistry. He was the first industrial chemist to become a Nobel laureat

11、e. The Langmuir Laboratory for Atmospheric Research near Socorro, New Mexico was named in his honor as was the American Chemical Society journal for Surface Science, called Langmuir.,back,Langmuir吸附等温线,影响吸附的主要因素,吸附剂的性质：比表面积、粒度大小、极性 吸附质的性质：对表面张力的影响，溶解度，极性，相对分子量 温度：吸附是放热过程，吸附质的稳定性 溶液pH值：影响吸附质的解离 溶液中其它

12、溶质的影响：一般吸附剂对缓和组分的溶质吸附比纯溶质 的吸附差 盐浓度：影响复杂，要视具体情况而定,什么是亲和吸附？(Affinity adsorption),亲和吸附分离是利用溶质和吸附剂之间特殊的化学作用，从而实现分离。 吸附剂由载体（Carrier）和配位体(Ligand)组成,Affinity adsorption,亲和吸附的特点,效率高：利用亲和吸附可以从粗提液中一次性分离得到高纯度的活性物质。 分离精度高：可用于分离含量极低，结构相近的化合物 通用性较差，洗脱条件苛刻,亲和吸附载体的种类,载体的活化和偶联,亲和吸附的载体通常是惰性的，往往不能直接与配基连接，偶联前需要先活化，活化的方

13、法主要有： 溴化氰活化法：琼脂糖、葡聚糖引入亚氨基碳酸盐 高碘酸活化法：氧化多糖，生成烷基胺 环氧化法：多糖类载体与环氧氯丙烷作用生成环氧化合物，再与氨基偶联 甲苯磺酰氯法：双功能试剂法 二乙烯砜,例如：载体活化中的环氧化法,表氯醇,Activation,配基偶联方法,载体经活化后，就可以进行与配基的偶联反应。具体方法如下： 碳二亚胺缩合法(脱水)：常用的水溶性碳二亚胺为1-乙基-3-（3- 二甲氨丙基）碳二亚胺，简称EDC 酸酐法 叠氮化法 重氮化法,影响亲和吸附的因素,配基浓度 配基浓度高有利； 空间位阻 加入“手臂链”以降低空间位阻的影响； 配基与载体的结合位点 就蛋白质等大分子作为配基

14、时，与载体连接的键越少越好； 载体孔径：孔道大小； 微环境：载体或“手臂链”的极性、电性.,常用的吸附单元操作方式,间歇吸附 依据是吸附等温线和物料衡算方程 连续搅拌吸附 固定床吸附 柱式塔 穿透点,离子交换(ion exchange),概念：利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在树脂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。,离子交换树脂的结构,具有三维空间立体结构的网络骨架 联接在骨架上的活性基团 活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离子）,树脂的网络骨架（类似于大孔树脂）,离子交换树脂三维空间立体结构,离子交换的分类

15、,按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂(cation exchange)（含酸性基团）和阴离子交换树脂(anion exchange)（含碱性基团）。 具体又可以分为：强阳、弱阳 强阴、弱阴,离子交换的一般过程,常用的离子交换树脂,强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）； 弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH, -OCH2COOH, C6H5OH等弱酸性基团； 强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-羟基乙基胺基； 弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱.,新型离子交换树脂,大孔离子交换树脂 大孔离子交换

16、树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换树脂,大孔离子交换树脂的优点,通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现象，从而强化了离子交换的功能； 减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机污染”现象（大分子不易洗脱）； 可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。 常用的致孔剂有： 良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳； 不良溶剂 长链醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯,其它离子交换树脂类型,两性树脂：同时含有酸、碱两种基团的树脂； 均孔型离子

17、交换树脂：主要是阴离子型凝胶离子交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机械强度好； 螯合树脂：树脂上含有具有螯合能力的基团，既可以形成离子键，又可以形成配位键；主要用于脱除金属离子； 多糖基离子交换树脂：固相载体为多糖类物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子物致变性作用,主要的多糖基离子交换树脂,离子交换纤维素 树脂骨架为纤维素，根据活性基团的性质可分为阳离子交换纤维素和阴离子交换纤维素两类 特点：骨架松散、亲水性强、表面积大、交换容量大、吸附力弱、交换和洗脱条件温和、分辨率高 常用的离子交换纤维素有： 甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙基纤维素,葡聚糖凝胶离子交换树脂 骨架为葡聚糖凝胶，

18、如sepharose、sephadex，根据功能基团的不同，亦可分为阳离子交换和阴离子交换树脂 命名方法：交换活性基团+骨架+原骨架编号 特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功能，提高了分离的效率 常用的葡聚糖凝胶离子交换树脂：CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等,DEAE anion exchanger,CMC Cation Exchanger,离子交换树脂的命名方法,根据离子交换树脂的功能基的性质，将其分为 强酸(0)、弱酸(1)、强碱(2)、弱碱(3)、螯合(4)、两性(5)和氧化还原(6)七类(各类后面的数字为其分类代号)。 离子交换树脂的骨

19、架分为 苯乙烯系(0)、丙烯酸系(1)、酚醛系(2)、环氧系(3)、乙烯吡啶系(4)、脲醛系(5)、氯乙烯系(6)七类(各类后面的数字为骨架分类代号)。 命名方法：D ，其中： D 大孔树脂在名称前加D 分类代号（阴、阳、酸、碱、强、弱） 骨架分类代号 顺序号 凝胶型树脂后加*并注明交联度 举例0017强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂D001大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂 D113大孔弱酸性丙烯酸系阴离子交换树脂,离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号,离子交换树脂的制备,加聚法和缩聚法（依聚合方法分类） 加聚：指具有一个或一个以上双键的单体为原料，在分散相中进行聚合 缩聚法是基于缩合反应的聚合

20、过程； 共聚法和均聚法（以单体分类） 共聚是指两个或两个以上的单体进行聚合 均聚是指以一种单体进行聚合,几种主要的离子交换树脂制备方法,苯乙烯型离子交换树脂 单体：苯乙烯、二乙烯苯 酸性树脂引入磺酸基，碱性树脂引入季铵，伯、叔胺 酚醛树脂 单体：水杨酸、苯酚、甲醛经缩聚而成,离子交换树脂的理化性能,外观：球形、浅色为宜，粒度大小为1660目90%； 机械强度：90%； 含水量：0.30.7g/g 树脂； 交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量或称表观交换容量（在某一条件下）； 稳定性：化学稳定性、热稳定性； 膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子的性质、介质的性质和浓度、骨

21、架结构； 湿真密度：单位体积湿树脂的重量； 孔度、孔径、比表面积,离子交换过程,离子交换过程是可逆多相化学反应 式中 A1，A2液相中的离子 吸附的离子 Z1，Z2 A1，A2的价数 液相和树脂相中的溶剂 ns 离子交换时，溶剂从树脂移入液相的毫摩尔数,离子交换机理,A+自溶液中扩散到树脂表面 A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心 A+与RB在活性中心上发生复分解反应 解吸附离子B+自树脂内部扩散至树脂表面 B+离子从树脂表面扩散到溶液中 交换速度的控制步骤是扩散速度，不同的分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制,交换速度方程,外部扩散控制 内部扩散控制,K1外扩散速度常数 F时间为t时，树脂的

22、饱和度,r0为树脂颗粒半径 D1为液相中的扩散系数 为吸附常数,影响交换速度的因素,颗粒大小：愈小越快 交联度：交联度小，交换速度快 温度：越高越快 离子化合价：化合价越高，交换越快 离子大小：越小越快 搅拌速度：在一定程度上，越大越快 溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，浓度越大，交换速度越快,离子交换的选择性,离子交换常数：交换势或交换系数,R-A、R-B表示结合在树脂上的A离子和B离子浓度 AS、BS表示溶液中A离子和B离子,越大B越易被交换,影响离子交换选择性的因素,水合离子半径：半径越小，亲和力越大； 离子化合价：高价离子易于被吸附； 溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不

23、影响交换容量； 离子强度：越低越好； 有机溶剂：不利于吸附； 交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少； 树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力.,离子交换操作方法,树脂预处理 离子交换吸附 洗脱 再生,树脂预处理,物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒； 化学处理：转型（氢型或钠型） 阳离子树脂 酸碱酸 阴离子树脂 碱酸碱 最后以去离子水或缓冲液平衡,离子交换操作方式,静态：操作简单、但是分批操作，交换不完全 动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，适宜多组份分离 柱式固定床（FixedBed） 模拟移动床（

24、SMB）,模拟移动床（SMB）,洗脱方式,离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法 洗脱方法 （1）改变溶液pH值 （2）改变溶液离子强度,树脂再生,是指使离子交换树脂重新具有交换能力的过程 酸性阳离子树脂 酸-碱-酸-缓冲溶液淋洗 碱性阴离子树脂 碱-酸-碱-缓冲溶液淋洗 方式有：顺流再生和逆流再生,硬水软化,离子交换应用实例,离子交换法提取蛋白质 较无机离子的离子交换平衡复杂，其吸附行为与离子间的静电引力、氢键、疏水作用以及范德华力有关 蛋白质是生物大分子物质，因此，其扩散行为也较无机离子复杂,Some of the charged regions which will infl