吸附和離子交換

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第六講 吸附與離子交換4學(xué)時一、通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握的問題1、什么是吸附過程？2、吸附的類型有哪些？它們是如何劃分的？3、常用的吸附劑種類有哪些？4、什么是吸附等溫線？其意義何在？5、影響吸附過程的因素有哪些？6、什么是親和吸附？其特點(diǎn)有哪些？7、常用的吸附單元操作有哪些方式？8、什么是離子交換？9、離子交換樹脂的分類？其主要的理化性質(zhì)有哪些？10、離子交換的機(jī)理是什么？11、什么是離子交換的選擇性？其選擇性受哪些因素影響？12、基本的離子交換操作是怎樣的？13、如何利用離子交換法分離蛋白質(zhì)？二、什么是吸附？（Adsorption）1、吸附是利用吸附劑對液體或氣體中某一

2、組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面的過程。2、吸附過程通常包括：待分離料液與吸附劑混合、吸附質(zhì)被吸附到吸附劑表面、料液流出、吸附質(zhì)解吸回收等四個過程。三、常見的吸附類型及其主要特點(diǎn)1、物理吸附： 吸附作用力為分子間引力、無選擇性、無需高活化能、吸附層可以是單層，也可以是多層、吸附和解吸附速度通常較快。2、化學(xué)吸附：吸附作用力為化學(xué)鍵合力，需要高活化能、只能以單分子層吸附，選擇性強(qiáng)、吸附和解吸附速度較慢。四、常用吸附劑種類吸附劑通常應(yīng)具備以下特征：對被分離的物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附能力、有較高的吸附選擇性、機(jī)械強(qiáng)度高、再生容易、性能穩(wěn)定、價格低廉。1、活性炭：是非極性吸附劑，因此在水中吸附

3、能力大于有機(jī)溶劑中的吸附能力針對不同的物質(zhì)，活性炭的吸附規(guī)律遵循以下規(guī)律：（1）對極性基團(tuán)多的化合物的吸附力大于極性基團(tuán)少的化合物（2）對芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物;（3）對相對分子量大的化合物的吸附力大于相對分子量小的化合物;（4）pH值的影響 堿性 中性吸附 酸性洗脫; 酸性 中性吸附 堿性洗脫;（5）溫度 未平衡前 隨溫度升高而增加;2、大孔網(wǎng)狀吸附劑特點(diǎn)：脫色去臭效果理想；對有機(jī)物具有良好的選擇性；物化性質(zhì)穩(wěn)定；機(jī)械強(qiáng)度好；吸附速度快；解吸、再生容易。但價格昂貴，吸附效果易受流速以及溶質(zhì)濃度等因素的影響。大孔網(wǎng)狀吸附樹脂的種類：（1）非極性吸附樹脂：苯乙烯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑為

4、二乙烯苯，又稱芳香族吸附劑。（2）中等極性吸附樹脂：甲基丙烯酸酯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑亦為甲基丙烯酸酯，故又稱脂肪族吸附劑。（3）極性吸附劑：丙烯酰胺或亞砜經(jīng)聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基團(tuán)。吸附機(jī)理：非離子型共聚物，借助于范德華力從溶液中吸附各種有機(jī)物，其吸附能力與樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理性能以及與溶質(zhì)、溶劑的性質(zhì)有關(guān)。通常遵循以下規(guī)律：（1）非極性吸附劑可從極性溶劑中吸附非極性溶質(zhì)；（2）極性吸附劑可從非極性溶劑中吸附極性物質(zhì)；（3）中等極性吸附劑兼有以上兩種能力四、吸附等溫線概念：當(dāng)溫度一定時，吸附量與濃度之間的函數(shù)關(guān)系稱為吸附等溫線。Langmuir吸附等溫線qo和K是經(jīng)驗常數(shù)，c代表溶

5、液中溶質(zhì)濃度蛋白質(zhì)分離提純時適合此吸附方程五、影響吸附的主要因素1、吸附劑的性質(zhì)：比表面積、粒度大小、極性2、吸附質(zhì)的性質(zhì)：對表面張力的影響，溶解度，極性，相對分子量3、溫度：吸附是放熱過程，吸附質(zhì)的穩(wěn)定性4、溶液pH值：影響吸附質(zhì)的解離5、鹽濃度：影響復(fù)雜，要視具體情況而定六、親和吸附1、親和吸附分離是利用溶質(zhì)和吸附劑之間特殊的化學(xué)作用，從而實現(xiàn)分離。吸附劑由載體和配位體組成2、親和吸附的特點(diǎn)（a）效率高：利用親和吸附可以從粗提液中一次性分離得到高純度的活性物質(zhì)。（b）分離精度高：可用于分離含量極低，結(jié)構(gòu)相近的化合物（c）但通用性較差，洗脫條件苛刻3、影響親和吸附的因素（1）配基濃度 配基濃

6、度高有利；（2）空間位阻 加入“手臂鏈”以降低空間位阻的影響；（3）配基與載體的結(jié)合位點(diǎn) 就蛋白質(zhì)等大分子作為配基時，與載體連接的鍵越少越好；（4）載體孔徑：孔道大?。唬?）微環(huán)境：載體或“手臂鏈”的極性、電性；七、離子交換(ion exchange) 1、概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，達(dá)到分離的目的。2、離子交換樹脂的構(gòu)成（1）具有三維空間離體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架（2）聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)（3）活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子（可交換離子）3、離子交換的分類按活性基團(tuán)分類，可分為陽離子

7、交換樹脂(cation exchange)（含酸性基團(tuán)）和陰離子交換樹脂(anion exchange)（含堿性基團(tuán)）。具體又可以分為：強(qiáng)陽、弱陽和強(qiáng)陰、弱陰4、常用的離子交換樹脂（1）強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；（2）弱酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)有-COOH，-OCH2COOH，C6H5OH等弱酸性基團(tuán)；（3）強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為季銨基團(tuán)，如三甲胺基或二甲基-ß-羥基乙基胺基；（4）弱堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為伯胺或仲胺，堿性較弱；5、新型離子交換樹脂（1）大孔離子交換樹脂大孔離子交換樹脂具有和大孔吸附劑

8、相同的骨架結(jié)構(gòu)，在大孔吸附劑合成后（加入致孔劑），再引入化學(xué)功能基團(tuán)，便可得到大孔離子交換樹脂。（2）多糖基離子交換樹脂固相載體為多糖類物質(zhì)，親水性強(qiáng)、交換空間大、對生物大分子物致變性作用主要的多糖基離子交換樹脂（a）離子交換纖維素樹脂骨架為纖維素，根據(jù)活性基團(tuán)的性質(zhì)可分為陽離子交換纖維素和陰離子交換纖維素兩類。特點(diǎn)：骨架松散、親水性強(qiáng)、表面積大、交換容量大、吸附力弱、交換和洗脫條件溫和、分辨率高常用的離子交換纖維素有：甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素（CMC）、二乙基氨基乙基纖維素（DEAE）（b）葡聚糖凝膠離子交換樹脂骨架為葡聚糖凝膠，如sepharose、sephadex，根據(jù)功能基團(tuán)的不同

9、，亦可分為陽離子交換和陰離子交換樹脂命名方法：交換活性基團(tuán)+骨架+原骨架編號特點(diǎn)：除了具有離子交換功能以外，兼有分子篩的功能，提高了分離的效率常用的葡聚糖凝膠離子交換樹脂：CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等6、離子交換樹脂的理化性能（1）外觀：球形、淺色為宜，粒度大小為1660目>90%；（2）機(jī)械強(qiáng)度：>90%；（3）含水量：0.30.7g/g 樹脂；（4）交換容量：重量交換容量、體積交換容量、工作交換容量或稱表觀交換容量（在某一條件下）；（5）穩(wěn)定性：化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性；（6）膨脹度：交聯(lián)度、活性基團(tuán)的性質(zhì)與數(shù)量、活性離子的性質(zhì)、介質(zhì)的性

10、質(zhì)和濃度、骨架結(jié)構(gòu)；（7）濕真密度：單位體積濕樹脂的重量；（8）孔度、孔徑、比表面積A+自溶液中擴(kuò)散到樹脂表面A+從樹脂表面進(jìn)入樹脂內(nèi)部的活性中心A+與RB在活性中心上發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)解吸附離子B+自樹脂內(nèi)部擴(kuò)散至樹脂表面B+離子從樹脂表面擴(kuò)散到溶液中交換速度的控制步驟是擴(kuò)散速度，不同的分離體系可能由內(nèi)部擴(kuò)散或外部擴(kuò)散控制7、離子交換機(jī)理8、影響交換速度的因素（1）顆粒大?。河≡娇欤?）交聯(lián)度：交聯(lián)度小，交換速度快（3）溫度：越高越快（4）離子化合價：化合價與高，交換越快（5）離子大?。涸叫≡娇欤?）攪拌速度：在一定程度上，越大越快（7）溶液濃度：當(dāng)交換速度為外擴(kuò)散控制時， 濃度越大，交換速度

11、越快9、離子交換的選擇性離子交換常數(shù)：交換勢或交換系數(shù)R-A、R-B表示結(jié)合在樹脂上的A離子和B離子濃度AS、BS表示溶液中A離子和B離子10、影響離子交換選擇性的因素（1）水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；（2）離子化合價：高價離子易于被吸附；（3）溶液pH：影響交換基團(tuán)和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；（4）離子強(qiáng)度：越低越好；（5）有機(jī)溶劑：不利于吸附；（6）交聯(lián)度、膨脹度、分子篩：交聯(lián)度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯(lián)度小，膨脹度大，吸附量減少； （7）樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力；11、離子交換操作方法（1） 樹脂預(yù)處理物理處理：水洗、過篩，

12、去雜，以獲得粒度均勻的樹脂顆粒；化學(xué)處理：轉(zhuǎn)型（氫型或鈉型）陽離子樹脂 酸堿酸陰離子樹脂 堿酸堿最后以去離子水或緩沖液平衡（2） 離子交換吸附靜態(tài)：操作簡單、但是分批操作，交換不完全動態(tài)：離子交換柱，操作連續(xù)、交換完全，適宜多組份分離柱式固定床（3） 洗脫離子交換完成后，將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液的方法洗脫方法（a）改變?nèi)芤簆H值（b）改變?nèi)芤弘x子強(qiáng)度（4）再生是指是離子交換樹脂重新具有交換能力的過程酸性陽離子樹脂 酸-堿-酸-緩沖溶液淋洗堿性陰離子樹脂 堿-酸-堿-緩沖溶液淋洗方式有：順流再生和逆流再生八、離子交換應(yīng)用實例（離子交換法提取蛋白質(zhì)）1、 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1） 多肽鏈（2） 電荷分布不均勻（3） 疏水性（4） 不同的蛋白質(zhì)具有不同的表面電荷分布2、 pH值對蛋白質(zhì)荷電情況的影響3、 蛋白質(zhì)的滴定曲線不同的蛋白質(zhì)由于其氨基酸組成的差異，具有不同的等電點(diǎn)（pI），當(dāng)溶液（環(huán)境）pH值低于其pI時，蛋白質(zhì)帶正電荷，而當(dāng)環(huán)境pH值高于其等電點(diǎn)時，蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷，且偏離等電點(diǎn)越多，其所帶電荷越多；4、 緩沖液pH的選擇離子交換是依據(jù)不同蛋白質(zhì)荷電性質(zhì)以及大小差異進(jìn)行分離的，因此緩沖液的選擇將直接影響蛋白質(zhì)的荷電情