吸附與離子交換

吸附與離子交換Absorptionandionexchange1主要內(nèi)容概述吸附過(guò)程的理論基礎(chǔ)(基本概念及吸附等溫線)離子交換吸附離子交換理論疏水作用吸附、鹽析吸附、親和吸附、染料配位體吸附、免疫吸附、固定金屬親和吸附、羥基磷灰石和磷酸鈣凝膠吸附分批式與連續(xù)式吸附固定床吸附21、概述吸附是利用吸附劑對(duì)液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面的過(guò)程，是物質(zhì)從一相移動(dòng)到另外一相的現(xiàn)象。吸附物質(zhì)從流體相濃縮到固體表面從而實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程。吸附劑在表面上能發(fā)生吸附作用的固體吸附物被吸附的物質(zhì)吸附

吸收3吸附過(guò)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(gè)過(guò)程。料液與吸附劑混合吸附質(zhì)被吸附料液流出吸附質(zhì)解吸附Step1Step2Step3Step44固體吸附與生物工程關(guān)系密切吸附法的特點(diǎn)（1）不用或少用有機(jī)溶劑（2）操作簡(jiǎn)便、安全、設(shè)備簡(jiǎn)單（3）生產(chǎn)過(guò)程pH變化?。?）從稀溶液分離溶質(zhì),可直接從發(fā)酵液中分離產(chǎn)物，處理能力小（5）

吸附劑對(duì)溶質(zhì)的作用小，適于蛋白質(zhì)分離（6）

吸附平衡為非線性（7）選擇性較差5吸附法應(yīng)用氣體過(guò)濾水處理脫色、除臭目標(biāo)產(chǎn)物的分離62、吸附過(guò)程的理論基礎(chǔ)1.基本概念固體非多孔性多孔性(吸附劑)7固體內(nèi)部分子所受分子間的作用力是對(duì)稱的，而固體表面分子所受力是不對(duì)稱的。向內(nèi)的一面受內(nèi)部分子的作用力較大，而表面向外一面所受的作用力較小，因而當(dāng)氣體分子或溶液中溶質(zhì)分子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中碰到固體表面時(shí)就會(huì)被吸引而停留在固體表面上。8吸附劑通常應(yīng)具備以下特征對(duì)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(jià)格低廉。9活性炭（Activecarbon）活性炭種類顆粒大小表面積吸附力吸附量洗脫粉末活性炭小大大大難顆?；钚蕴枯^小較大較小較小難錦綸活性炭大小小小易10大孔吸附樹(shù)脂大孔吸附樹(shù)脂是一種不含交換基團(tuán)的,具有大孔結(jié)構(gòu)的高分子吸附劑。新型的、介于離子交換樹(shù)脂和活性炭之間的優(yōu)良吸附劑。11大孔吸附樹(shù)脂的吸附機(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(shù)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：非極性吸附劑可從極性溶劑中吸附非極性溶質(zhì)；極性吸附劑可從非極性溶劑中吸附極性物質(zhì)；中等極性吸附劑兼有以上兩種能力122.吸附的類型2.1基本概念物理吸附：吸附作用力為分子間引力、無(wú)選擇性、無(wú)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?；瘜W(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。交換吸附吸附劑表面如為極性分子或離子所組成，則會(huì)吸引溶液中帶相反電荷的離子而形成雙電層，稱為極性吸附。離子交換13物理吸附與化學(xué)吸附的特點(diǎn)項(xiàng)目物理吸附化學(xué)吸附作用力范德華力化學(xué)鍵力吸附熱較小,接近液化熱較大,接近反應(yīng)熱選擇性較差有選擇性吸附速度較快，需要的活化能很小慢，需要一定的活化能吸附分子層單分子層或多分子層單分子142.2吸附的類型吸附質(zhì)和吸附劑之間相互作用不同親和吸附疏水吸附鹽析吸附免疫吸附實(shí)驗(yàn)中所采用的方法間歇式連續(xù)式152.3物理吸附力的本質(zhì)范德華力只表現(xiàn)為相互吸引定向力

由極性分子的永久偶極矩產(chǎn)生的分子間的靜電引力誘導(dǎo)力極性分子與非極性分子間的吸引力色散力非極性分子間的引力氫鍵力介于庫(kù)侖引力和范德華引力之間的特殊定向力162.4吸附等溫線如果不考慮溶劑的吸附，當(dāng)固體吸附劑與溶液中的溶質(zhì)達(dá)到平衡時(shí)，其吸附量m應(yīng)與溶液中溶質(zhì)的濃度和溫度有關(guān)。當(dāng)溫度一定時(shí)，吸附量只和濃度有關(guān)，m=f（c），這個(gè)函數(shù)關(guān)系稱為吸附等溫線。吸附等溫線表示平衡吸附量。172.4吸附等溫線Langmuir等溫線單分子層Freundlich等溫線單分子層Henry等溫線稀濃度等溫線多分子層182.4吸附等溫線1Langmuir等溫線(單分子層)2Freundlich等溫線(抗生素/類固醇/甾類激素)3離子交換等溫線單價(jià)：在緩沖液中，Langmuir模擬多價(jià)：Freundlich

模擬4親和吸附等溫線：類似于Langmuir192.4.1蘭格繆爾(Langmuir)等溫線A+S=ASKadA未被吸附的吸附質(zhì)分子S吸附劑表面被占有的活性點(diǎn)AS占據(jù)活性點(diǎn)的吸附質(zhì)分子理想狀態(tài)Kad=aAS/(aAaS)=[AS]/([A][S])

表面占據(jù)分率=[AS]/([A]+[S])

=Kad[A]/(Kad[A]+1)

=A/Amax蘭格繆爾等溫線A=AmaxKad[A]/(1+Kad[A])20Langmuir吸附等溫線假定：吸附在活性中心上進(jìn)行，這些活性中心具有均勻的能量，且相隔較遠(yuǎn)。因此吸附物分子之間無(wú)相互作用力。每一個(gè)活性只能吸附一個(gè)分子，即形成單分子吸附層。吸附速度與溶液濃度C和吸附劑表面未被占據(jù)的活性中心數(shù)目成正比；解吸速度與吸附劑表面為該溶質(zhì)所占據(jù)活性中心數(shù)目成正比

mmax

bcm=(1+bc)

mmaxcm=(kd+c)212.4.2離子交換等溫線離子交換等溫線以離子交換樹(shù)脂為吸附劑表現(xiàn)出來(lái)的等溫線等價(jià)離子交換：A=Am[A]/(K+[A])

蘭格繆爾公式不等價(jià)離子交換弗羅因德利希公式222.4.3親和吸附等溫線親和吸附利用生物高分子物質(zhì)對(duì)某些相對(duì)應(yīng)物質(zhì)具有專一識(shí)別和可逆結(jié)合的能力，即親和力來(lái)實(shí)現(xiàn)的吸附劑由載體和配位體組成。232.4.3親和吸附等溫線鎖鑰機(jī)理24親和吸附的特點(diǎn)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)。分離精度高：可用于分離含量極低，結(jié)構(gòu)相近的化合物但通用性較差，洗脫條件苛刻25無(wú)機(jī)離子交換劑有機(jī)離子交換劑沸石、磺化煤離子交換樹(shù)脂離子交換法概述離子交換劑是一類能發(fā)生離子交換的物質(zhì)，分為無(wú)機(jī)離子交換劑和有機(jī)離子交換劑。263、離子交換吸附3.1理論利用離子交換樹(shù)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(kù)侖力吸附在樹(shù)脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹(shù)脂上洗脫下來(lái)，達(dá)到分離的目的。27離子交換樹(shù)脂的構(gòu)成離子交換樹(shù)脂是能在水溶液中交換離子的固體。多價(jià)高分子基團(tuán)具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架，不溶于酸、堿和有機(jī)溶媒，化學(xué)穩(wěn)定性良好；另一部分是連接在骨架上的可移動(dòng)的離子，稱為活性離子，活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子(可交換離子)28離子交換樹(shù)脂結(jié)構(gòu)骨架：接有功能基團(tuán)，本身是惰性功能基團(tuán)：連接在骨架上，可與相反離子結(jié)合活性離子：與功能基團(tuán)所帶電荷相反的可移動(dòng)的離子待交換分子：在吸附階段可與活性離子交換，與骨架上的功能基團(tuán)結(jié)合29活性離子為陽(yáng)離子，稱陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，與陽(yáng)離子發(fā)生交換活性離子為陰離子，稱陰離子交換樹(shù)脂，與陰離子發(fā)生交換30離子交換動(dòng)力學(xué)

溶液離子向樹(shù)脂表面擴(kuò)散(膜擴(kuò)散)；離子通過(guò)樹(shù)脂表面向內(nèi)部擴(kuò)散(顆粒擴(kuò)散)；“慢”樹(shù)脂內(nèi)進(jìn)行離子交換(交換反應(yīng))；已交換離子從樹(shù)脂內(nèi)部向外擴(kuò)散(顆粒擴(kuò)散)；“慢”已交換離子由樹(shù)脂表面向本體溶液擴(kuò)散(膜擴(kuò)散)。M④-SO3HMH①②③⑤313、離子交換吸附-Na型的磺酸樹(shù)脂放在氯化鈉溶液中界面樹(shù)脂相溶液相RSO3-Na+Na+

Donnan平衡Cl-Cl-32平衡時(shí)：A電中性結(jié)論33同離子反離子同離子：同樹(shù)脂骨架相同電荷的離子反離子：帶樹(shù)脂骨架相反電荷的離子Donnan平衡導(dǎo)致樹(shù)脂顆粒對(duì)同離子的部分排斥，離子交換膜的選擇性透過(guò)性質(zhì)Donnan平衡還可導(dǎo)致pH效應(yīng)34陽(yáng)離子交換樹(shù)脂交換前交換達(dá)到平衡后35交換前交換達(dá)到平衡后陰離子交換樹(shù)脂363.2離子交換材料包含合成樹(shù)脂骨架的多孔彈性顆粒苯乙烯二乙烯苯共聚苯乙烯樹(shù)脂多糖類骨架的離子交換樹(shù)脂對(duì)先存在于多糖上的羥基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)改性

按功能團(tuán)的性質(zhì)分類I強(qiáng)離子交換材料含有強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性基團(tuán)，在廣泛的pH范圍內(nèi)保持電離II弱離子交換材料含弱酸或弱堿性基團(tuán)，使用的pH范圍由滴定確定376.2離子交換材料386.2離子交換材料393.3應(yīng)用1.反離子的交換

樹(shù)脂從一種反離子變成另一種反離子置換2.物質(zhì)的濃縮

用一種樹(shù)脂吸附再用另一種高親和力的物質(zhì)洗脫3.相似物質(zhì)的分離反離子4.離子排出

利用Donnan效應(yīng)產(chǎn)生的離子排斥作用5.在離子交換樹(shù)脂上進(jìn)行分配色譜

非離子化合物404.疏水作用吸附疏水作用：非極性分子之間的一種弱的非共價(jià)的相互作用，這些非極性的分子在水相環(huán)境中具有避開(kāi)水而相互聚集的傾向。吸附劑脂肪族長(zhǎng)鏈和生物分子表面存在疏水作用疏水作用隨鹽濃度增加而增加414.疏水作用吸附典型的疏水吸附劑C4,C6,C8,C10的脂肪直鏈和含氨基末端脂肪直鏈的烷基瓊脂糖；借助醚鍵聯(lián)接到辛基、己基和氨基己基瓊脂糖基質(zhì)上的苯基瓊脂糖優(yōu)點(diǎn)對(duì)蛋白質(zhì)的吸附容量較大，并可重復(fù)使用，效果不變使用有局限性，分辨率不高應(yīng)用酶的分離純化425.鹽析吸附疏水吸附和鹽析沉淀操作：將硫酸銨沉淀的蛋白質(zhì)懸浮液，添加到硫酸銨預(yù)平衡的吸附柱中，然后用遞減的鹽濃度展開(kāi)吸附柱：纖維素或葡聚糖和瓊脂糖436.親和吸附親和吸附溶質(zhì)(生物大分子)和樹(shù)脂間特定的化學(xué)相互作用，而非范德華力引起的傳統(tǒng)吸附或靜電相互作用的離子交換。選擇性親和吸附劑支撐體和配基；多點(diǎn)結(jié)合或鎖鑰結(jié)合洗脫親合洗脫用高濃度鹽溶液破除固定配基和蛋白質(zhì)之間的所有非疏水作用；鹽類；改變溫度；稀釋法；電泳法447.染料配位體吸附8.免疫吸附利用抗原-抗體的親和反應(yīng)來(lái)進(jìn)行分離純化的方法抗體對(duì)確切的氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)非常專一結(jié)合系數(shù)非常高，即親和力極強(qiáng)9.固定金屬親和吸附包括金屬離子經(jīng)螯合被固定在吸附劑基質(zhì)上并與蛋白質(zhì)上氨基酸中的電子供體形成金屬配位絡(luò)合物。4510、分批式與連續(xù)式吸附I在帶有攪拌的反應(yīng)罐中，一次將吸附劑加入到生物分子溶液中混合，并用離心的方法逐個(gè)分離（分批吸附）II使生物分子溶液通過(guò)填充有吸附劑的柱，然后進(jìn)入到一個(gè)分布收集器中(柱層析)或?qū)⒁欢髁亢蜐舛鹊牧弦汉愣ǖ倪B續(xù)送入置有純?nèi)軇┖投康男迈r吸附劑的連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器中，經(jīng)吸附后，以同樣流量排出殘液，完成連續(xù)吸附作業(yè)連續(xù)式吸附4610.1分批(間歇)式吸附實(shí)驗(yàn)室燒杯混合布氏漏斗真空抽濾I攪拌含生物分子和吸附劑的溶液10~15min.II沉降吸附劑，清出上清夜III將下層漿液注入布氏漏斗中真空過(guò)濾IV用緩沖溶液洗滌吸附劑V抽干濕吸附劑，倒入燒杯VI用洗滌的緩沖液再將吸附劑制成漿液VII重新真空抽干VIVII重復(fù)活性檢測(cè)主體溶液中取出少量樣品4710.1分批(間歇)式吸附2.計(jì)算吸附平衡和吸附的質(zhì)量平衡吸附平衡q=Kyn

質(zhì)量平衡式Y(jié)FH+qFW=YH+qWY和YF分別為溶液中的最終濃度和進(jìn)料濃度q和qF分別為吸附劑上的最終濃度和進(jìn)料濃度H料液量W為吸附劑的量q=qF+H/W(YF-Y