第七章 吸附与离子交换.ppt

1、生化生物分离工程第7章吸附和离子交换，生化分离过程的一般过程：7。吸附和离子交换，7.1概述7.2吸附过程的理论基础7.3间歇和连续吸附7.4固定床吸附和扩张床吸附7.5离子交换吸附7.6离子交换吸附的应用7.7其他类型的吸附，7.1概述，7.1.1什么是吸附？吸附是液体或气体中的某种成分被吸附剂选择性吸附并富集在吸附剂表面的过程。吸附过程通常包括四个过程：将待分离的液体与吸附剂混合，将吸附质吸附到吸附剂表面，流出液体，以及解吸和回收吸附质。7.1.2吸附类型，(1)物理吸附：它是由吸附质和吸附剂之间的分子间引力引起的，即范德华力。放热、可逆、单分子层或多分子层，选择性差。(2)化学吸附：由吸

2、附质和吸附剂之间的化学键引起，是吸附剂和溶质表面活性点之间的化学结合和电子转移现象。放热大，单分子层，选择性强。(3)离子交换吸附：以离子交换树脂为吸附剂，将溶液中的待分离组分根据其电荷差异，通过库伦力吸附在树脂上，然后用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，从而达到分离的目的。被吸附剂吸附后，相同当量的离子同时释放到溶液中。备注：a .大，化学键的形成和断裂类似于化学反应；b .各种吸附质可以吸附在任何表面，整个表面的吸附情况都是一样的；c .吸附剂表面的吸附点比一般吸附量多；迅速达到平衡；e .仅取决于吸附质的物理和化学特性；f .取决于吸附质和吸附剂的物理和化学特性。表7-1物理吸附和化

3、学吸附的比较，物理吸附力的性质，A方向力极性分子的永久偶极静电力B诱导力极性分子和非极性分子之间的吸引力C分散力非极性分子之间的吸引力(瞬时偶极)D氢键力库仑引力和范德华引力之间的特殊分子间方向力，范德华力，(1)处理能力小；(2)吸附过程对溶质影响不大；(3)所需产物可直接从发酵液中分离出来；(4)溶质和吸附剂之间的平衡关系通常是非线性的。7.1.3吸附特性，7.1.4吸附剂和离子交换剂，以及7.1.4.1吸附剂和离子交换剂通常应具有以下特性，并对分离的物质有很强的吸附能力；具有较高的吸附选择性；高机械强度；易于再生，性能稳定；低价。表7-2生化分离常用的多孔吸附剂，7.1.4.2常用吸附剂

4、，(1)活性炭，表7-3三种活性炭相关项目的比较，尼龙活性炭，粉末活性炭，图7-1粉末活性炭和尼龙活性炭的结构，活性炭对物质的吸附规律，活性炭是一种非极性吸附剂，所以它在水中的吸附能力大于在有机溶剂中的吸附能力。根据不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：(1)极性基团较多的化合物的吸附容量大于极性基团较少的化合物；芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物；相对分子质量大的化合物的吸附能力大于相对分子质量小的化合物；酸碱度的影响；碱性和中性吸附，酸性洗脱；酸性和中性吸附，碱性洗脱。在温度不平衡之前，它随着温度的升高而增加。(2)大孔网络吸附剂，优点：脱色除臭效果理想；对有机物具有良好的选择性；理化

5、性质稳定；良好的机械强度；吸附速度快；解吸和再生很容易。缺点：价格高，吸附效果易受流速、溶质浓度等因素影响。图7-2多孔网状吸附剂的微观结构，m型中极性吸附树脂：由甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂也是甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。极性吸附剂：丙烯酰胺或亚砜是聚合的，通常含有硫、酰胺、氮和氧基团。大孔吸附树脂的吸附机理，非离子共聚物，利用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和物理性质，以及溶质和溶剂的性质有关。一般来说，遵循以下规则：非极性吸附剂可以从极性溶剂中吸附非极性溶质；极性吸附剂可以从非极性溶剂中吸附极性物质；中等极性吸附剂具有上述两种能力。低级醇、酮或水溶液的解吸

6、原理：溶胀大孔树脂，减弱溶质和吸附剂之间的相互作用。碱水解吸附原理：成盐主要针对弱酸性溶质，酸水解吸附原理与水解吸附原理相同：降低体系中的离子强度，减少溶质的吸附量。表7-4主要离子交换基团及其结构(1)、7.1.4.3常用离子交换剂、表7-4主要离子交换基团及其结构(2)、蛋白质离子交换常用离子交换剂、表7-5部分市售离子交换剂的离子交换能力和蛋白质离子交换能力、离子交换树脂的命名、离子交换树脂命名码表、离子交换树脂性能的评价和测量：(1)粒度的机械筛分；(2)在105-110的含水量下干燥；(3)膨胀度k膨胀=前体积/后体积；(4)交换能力；总交换容量指单价离子毫摩尔/克干树脂或毫摩尔/克

7、湿树脂；工作容量是指泄漏点的交换容量。(5)滴定曲线(见图7-3)静态下的交换反应，平衡后测量溶液的酸碱度，并绘制曲线。用滴定曲线估算交换容量；计算交换组的数量。7-3，7.2吸附过程的理论基础，7.2.1吸附原理，固体的分类：多孔和无孔比表面的组成：多孔固体的比表面由“外表面”和“内表面”组成。大表面积和高吸附潜力。表面力的产生与吸附力的关系：如图7-4所示，界面分子的力场是不饱和的，可以从外部吸附分子、原子或离子，形成多分子层或单分子层。吸附过程中的一些术语：吸附吸附剂吸附质(质量)，图7-4界面分子对内部分子的作用力，吸附平衡：液固两相中溶质的含量达到一定值，即它们相互平衡。7.2.2吸

8、附平衡和吸附等温线，吸附等温线：定义：在恒温下，当溶质达到液固吸附平衡时，吸附剂吸附质量与液相中游离溶质浓度C*的关系曲线。这是一种函数关系和吸附平衡的显式方法。用途：测定吸附容量；推断吸附剂结构；吸附热的化学性质。等温线类型(见图7-5)线性吸附等温线(亨利等温线)的表达式为q*=mC*，m为分配系数。这一等温线是不寻常的，通常建立在低浓度范围内。然而，其他等温线可以在一定范围内近似，以简化计算。Freundlich等温线的经验公式：q*=kC*1/n其对数形式为：lgq*=lgk n-1lgC*其中：q*吸附剂单位质量的吸附质量；C*吸附质的平衡浓度；k和n的经验参数，可从对数-对数图上曲

9、线的截距和斜率获得。是一个经验公式。Langmuir等温线a:表达式：Kd吸附平衡的离解常数；Kb结合常数。Kd=1/Kb .q*-1相对于c-1绘制，截距为qmax-1，斜率为kb/qmax。讨论：当A: C值高时，kbc*1饱和。当B: C值较低时，kbc*1，吸附质的吸附量与吸附质的平衡浓度成线性关系。朗缪尔等温线是单层吸附。矩形吸附等温线，7-5，7.2.3离子交换平衡和等温线，(1)离子交换平衡的南方平衡：如果使用离子交换树脂作为吸附剂，与溶液中溶质建立的吸附平衡(静电力)称为南方平衡。例：RSO3-Na树脂置于氯化钠溶液中，形成两相有机网状骨架，固定离子不能穿透固液界面；钠和氯可以

10、通过界面自由扩散。扩散进行到界面两侧电解质的化学程度相等，从而达到道南平衡。唐南平衡导致树脂中相同离子的部分排斥，从而产生树脂的离子交换和选择性，成为离子排斥法的理论基础。(2)离子交换等温线：由离子交换平衡表示的一价离子交换平衡等温线的平衡常数，其最终结果是钠离子在离子交换树脂上的吸附相当于不等离子交换平衡的Langmuir等温线，最终得到一个复代数公式，反映钙离子的吸附符合freundlich等温线。7.2.4吸附速率和吸附特性，吸附过程：三步：外扩散、内扩散和吸附。吸附传质速率方程：外扩散传质速率方程，内扩散传质速率方程，总传质速率方程，外(液相)扩散传质速率方程：吸附剂上的q吸附质含量

11、，即吸附质(kg)/吸附剂(kg)；时间；p吸附剂的比表面积，m2/g；c .液相中吸附质的平均浓度，千克/立方米；吸附剂外表面液相中Ci吸附质浓度，kg/m3；kf液相侧的传质系数，m/s.它与流体的物理性质、吸附颗粒的几何特征、两相接触的流动条件以及温度和压力等操作条件有关。在内部(固体)扩散传质速率方程中：ks吸附剂固体侧的传质系数，m/s；qi吸附剂外表面的吸附质含量与Ci平衡；吸附剂上吸附质的平衡含量。其中，ks与固体颗粒的微孔结构、吸附质的物理性质和吸附过程的持续时间有关，其值必须通过实验来确定。在总传质速率方程中，C*与吸附质含量为q的吸附剂平衡时，流体中吸附质的浓度为kg/m3

12、；Q*与液相平衡的吸附剂上的吸附质含量，吸附质浓度为碳；m/s合计。由Kf和C=C-C*驱动的传递系数，m/s；总传质系数由Ks驱动，q=q*-q，kg/sm。如果内扩散快，过程受外扩散控制，气接近于气，那么：Kfkf；如果外部扩散很快，这个过程由内部扩散控制，并且C接近于Ci，那么：Ksks。吸附特性：在液固界面吸附过程中，有三种作用力：a .界面层上固体和溶质之间的作用力；固体和溶剂之间的作用力；溶液中溶质和溶剂之间的作用力。事实上，固体在溶液中的吸附是溶质和溶剂分子争夺表面的净结果，有正吸附和负吸附。影响吸附的因素：温度、溶液浓度、吸附剂的结构和性能、溶质和溶剂的性质等。吸附容量的测量：

13、根据以下公式：q表观吸附容量；m吸附剂的量；溶液体积；C0溶质的原始浓度；C*平衡后溶液中的溶质浓度。7.3分批和连续吸附，7.3.1分批吸附(1)操作方法(2)计算分批吸附取决于吸附平衡和吸附质量平衡。相平衡方程(吸附等温线)为：质量平衡是物质关系，具体如下：(其中溶液中C和C0的最终浓度和进料浓度，Q和q0吸附剂的最终浓度和进料浓度，H料液和W吸附剂的量)。重排后，上述方程，也称为操作线方程，是一个线性方程。斜率为负，截距为()，可以用图解法或解析法求解，如图7-6所示。平衡吸附点，7.3.2连续吸附，适用于中等规模的分离。吸附装置和过程如图所示，7-7，吸附过程的动力学行为分析：当不发生

14、吸附时，溶质离开罐时的浓度随时间变化；吸附速率是无限快的，出口处的碳会很快达到一个很低的值，然后缓慢增加。当吸附剂被溶质饱和时，出口中的碳将以与不发生吸附时相同的方式上升；在大多数情况下，吸附过程是在它们之间，吸附速率是一个有限的值。操作步骤：先将纯溶剂和新鲜吸附剂w放入罐中；进料液体以浓度Cf和流速h流入搅拌罐；剩余液体以相同的流速h流出储罐，其浓度C随时间C(t)而变化。吸附剂上的溶质浓度为q，也随时间变化。由于良好的搅拌，可以认为罐中的浓度处处相等，并且等于流出物的浓度。连续吸附的计算：连续吸附的平衡方程：q*=kCn或溶液中溶质的质量平衡方程：溶质在吸附剂上的质量平衡方程：吸附速率方程

15、：吸附速率与传质系数k有关，它是槽内搅拌速率的函数，但与温度关系不大。在公式中，v为搅拌槽容积，空隙率，c和C0分别表示出料和进料中的溶质浓度，h为进料液体的流速，q为吸附剂中吸附的溶质浓度。单位反应罐体积的吸附速率由吸附动力学机制决定，吸附动力学机制包括外部扩散控制、内部扩散控制和吸附反应控制。在大多数情况下，外部扩散控制传质系数、单位反应罐体积吸附剂表面积和罐中吸附剂的平衡液相浓度。根据以上公式，最终可以得到以下结果：描述Ct之间的关系，描述qt之间的关系，等式右侧的正号I代表1，负号I代表2。T=0，C=0，q=0，只是进料；当t=，C=C0，q=KC0时，吸附剂饱和。7.4固定床吸附和膨胀床吸附，7.4.1固定床吸附，形式：它是最常见和最重要的形式，用于大规模生产过程。设备和操作：固定床是一个简单的垂直管道，充满吸附颗粒。含有目标产物的液体从管道的一端进入，被吸附剂吸附后从管道的另一端流出。这个过程是复杂的：它是不稳定和非线性的；如果床上的颗粒不均匀，水果可能会不同。7-8，计算：溶液中溶质的质量平衡公式：其中：床层孔隙度；塔内液体的空塔速度(表观流速)；轴向分散系数；z床位置。*轴向扩散主要由湍流引起，可以忽略不计。溶质在吸附剂上的物料平衡公式：其中：单位床体积吸附速率由溶质吸附速率方程吸收：=Ka(C