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第六章 吸附分离

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第六章吸附分离课件

第六章吸附分离课件


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13
孔径和比表面积是评价吸附剂性能的重要参
数。一般来说，孔径越大，比表面积越小。比表 面积直接影响溶质的吸附容量，而适当的孔径有 利于溶质在空隙中的扩散，提高吸附容量和操作 速度。
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14
• 离子交换剂（ion exchanger）
也称离子交换树脂。
由三部分组成：不溶性的三维空间网状结构 构成的树脂骨架；与骨架相连的功能基团；与功 能基团所带电荷相反的可移动的离子。
利用固体吸附的原理从液体或气体中除去有害成 分或分离回收有用目标产物的过程称为吸附操作。
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3
• 马王堆中有木炭，可能用于 吸湿和防腐? ...
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4
• 冰箱中除臭，活性炭。 • 工业应用，产品分离、脱色。
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5
吸附种类：物理吸附、化学吸附、离子交换
• 物理吸附 吸附剂和吸附物通过分子间力（范德华力）
第六章 吸附分离技术和理论
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1
6.1 吸附分离介质 6.2 吸附平衡理论 6.3 吸附过程传质动力学 6.4 固定床吸附 6.5 固定床吸附过程理论 6.6 膨胀床吸附 6.7 移动床和模拟移动床吸附 6.8 搅拌釜吸附
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2
• 吸附（adsorption） 溶质从液相或气相转移到固相的过程。
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阴离子交换剂
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19
• 强碱性阴离子交换剂 一种含三甲胺基称为强碱I型，另一种含二甲
基-β-羟基-乙基胺基团，称为II型。对使用的pH范 围没有限制。
• 弱碱性阴离子交换剂 功能团可以是伯胺基-NH2、仲胺基=NH、叔
第六章吸附分离法

第六章吸附分离法


❖氧化铝(Aluminum oxide)
适用于亲脂成分的分离 1、碱性氧化铝： 2、中性氧化铝： 3、酸性氧化铝：
氧化铝吸附层析纯化维生素B12
影响因素： ✓ Al2O3的颗粒度要均匀，流速控制要很慢； ✓ 温度宜在20℃以下层析，洗脱在室温中进行； ✓ 利用B12在丙酮中不溶的特性，在冰冻条件下结晶3
小，较少引起生物活性物质的变性失活。 缺点： ❖选择性差，收率不高。 ❖一些无机吸附剂性能不稳定。
第一节 吸附的基本原理
一 吸附作用 ❖物质从流体相（气体或液体）浓缩到固体
表面从而达到分离的过程称为吸附作用 (adsorption)
❖在表面上能发生吸附作用的固体微粒称为 吸附剂（adsorbent）
在树脂聚合时加入惰性的致孔剂，待网格骨架固 化和链结构单元形成后，用溶剂萃取或水洗蒸馏将致 孔剂去掉，形成不受外界环境条件影响的孔隙，其孔 径可达100nm，故称“大孔”。
特点
❖选择性好、解吸容易、理化性质稳定、机 械强度好、可反复使用等优点。
❖其孔隙大小、骨架结构和极性，可按照需 要，根据不同的原料和合成条件而改变， 因此可适用于吸附各种有机化合物。
❖被吸附的物质称为吸附物（adsorbate）
物理吸附与化学吸附的特点
项目
物理吸附
化学吸附
作用力
范德华力
化学键力
吸附热
较小，接近液化热
较大，接近反应热
选择性
几乎没有
有选择性
吸附速度 较快，需要的活化能很小 慢，需要一定的活化能
吸附分子层 单分子或多分子层
单分子
二 影响吸附的因素
1 吸附剂 ❖ 吸附容量：比表面积、种类、活化状况 ❖ 吸附速度：颗粒度、孔径 ❖ 机械强度
第06章 吸附提取技术 生物分离工程ppt

第06章 吸附提取技术 生物分离工程ppt


R －SO 3H R －SO 3 + H + → R －SO 3 + Na + R －SO 3 Na →
强酸性树脂离解能力很强，在酸性或碱性溶液中 都能离解和产生离子交换作用， 使用时pH没有限制。
−
−
磺丙基交换基团为—(CH2)3SO3H，离解H+，呈 磺丙基 强酸性。 sulphopropyl，记作SP。
生化专用离子交换剂
用于生物大分子分离的吸附剂：需要高的亲水 性和较大孔径，以减少非特异性吸附，大分子 易进入吸附剂内部，提高实际交换容量。
(1) 纤维素类 离子交换纤维是最早用于生物大分子分离的 介质，具有松散的亲水网络、大孔、大的表面积等优点。 (2)葡聚糖系 Sephadex离子交换剂不溶于水及各种溶剂。 葡聚糖系 避免强酸强碱溶液， 具有较高的吸附容量。 另外，还有琼脂糖系离子交换剂（Sepharose)， 聚丙烯酸 羟乙基酯系离子交换剂等。
(6-10)
(6-11)
6.2 固定床吸附过程分析
6.2.1 间歇吸附
F为进料量， A为吸附剂量，C 0和C 分别为进 料和吸附残液中吸附质浓度，q 0和q 分别为吸 附剂初始和最终的吸附量。
Freundlich吸附等温曲线 吸附等温曲线 Langmiur吸附等温曲线 吸附等温曲线 质量衡算 操作线方程
F 2 q = q 0 + (C 0 − C ) = 0 + (0.58 − C ) A 8 即 q = 0.145 − 0.25C
作曲线q＝0.68C 0.38和直线。 交点为 q＝0.14kg／kg，C＝0.0155kg／m3。 故类固醇吸附回收率为：
0.58 − 0.0155 × 100% = 97.3% 0.58
第六章吸附分离法

第六章吸附分离法

•离子交换吸附(ion exchange)：环境中大部分胶体带负电荷，容 易吸附各种阳离子。胶体每吸附一部分阳离子，同时也放出等量的 其他阳离子，这种作用称为离子交换吸附作用，属于物理化学吸附 。该反应是可逆反应，不受温度影响，交换能力与溶质的性质、浓 度和吸附剂的性质有关。
专属吸附 (special sorption)：指在吸附过程中，除了化学键作用 外，尚有加强的憎水键和范德化力或氢键作用。该作用不但可以 使表面电荷改变符号，还可以使离子化合物吸附在同号电荷的表 面上。
Q = Q0·C /(A+C) 1/Q = 1/Q0 + (A/ Q0)(1/C) Q0——单位表面上达到饱和时间的最大吸附量； A——常数，表示达到1/2 Q0时的平衡浓度。
G
G
lgG
H型
c
G
F型 c
lgK
F型
lgc
1/G
G0/2
当溶0质A浓度甚L型低时，c可能在初始阶段呈现 HL型型，当浓1/c度较高 时，可能表现为 F 型，但统一起来仍属于 L 型的不同区段。
较少引起生物活性物质的变性失活。 缺点： (1) 选择性差，收率不高。 (2)一些无机吸附剂性能不稳定。
4
第一节 吸附法基本概念
一、吸附： 物质从流体相（气体或液体）浓缩到固体 表面从而达到分离的过程称为吸附作用 (adsorption)，在表面上能发生吸附作用 的固体微粒称为吸附剂（adsorbent），而 被吸附的物质称为吸附物（adsorbate）。
三、影响吸附的因素
（一）吸附剂 吸附容量：比表面积、种类、活化状况 吸附速度：颗粒度、孔径 机械强度
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（二）吸附物 能使表面张力降低的物质，易为吸附 溶解度：较小易吸附 极性吸附剂易吸附极性吸附物 同系物吸附量变化有规律 氢键
第六章 吸附分离功能高分子材料(共113张PPT)

第六章 吸附分离功能高分子材料(共113张PPT)

骨架上连接的可离子化的功能基团；
功能基团上吸附的可交换的离子
图6—1 聚苯乙烯型阳离子交换树脂的示意图
பைடு நூலகம்
第六章 吸附别离功能高分子材料
强酸型阳离子交换树脂的功能基团是—SO3-H+， 它可解离出H+，而H+可与周围的外来离子互相交换。 功能基团是固定在网络骨架上的，不能自由移动。由 它解离出的离子却能自由移动，并与周围的其他离子 互相交换。这种能自由移动的离子称为可交换离子。
〔1〕强酸型阳离子交换树脂的制备 强酸型阳离子交换树脂绝大多数为聚苯乙烯系骨 架，通常采用悬浮聚合法合成树脂，然后磺化接上交 换基团。
由上述反响获得的球状共聚物称为“白球〞。将白 球洗净枯燥后，即可进行连接交换基团的磺化反响。
第六章 吸附别离功能高分子材料
将枯燥的白球用二氯乙烷或四氯乙烷、甲苯等有 机溶剂溶胀，然后用浓硫酸或氯磺酸等磺化。通常称
2 大孔型离子交换树脂 流动介质的高压，又具有离子交换功能。
〔1〕按交换基团的性质分类
按交换基团性质的不同，可将离子交换树 脂分为
第六章 吸附别离功能高分子材料
阳离子交换树脂可进一步分为强酸型、中酸型和 弱酸型三种。如R—SO3H为强酸型，R—PO(OH)2为
中酸型，R—COOH为弱酸型。习惯上，一般将中酸 型和弱酸型统称为弱酸型。
通常按其化学结构分为以下几类。 〔1〕非极性吸附树脂
指树脂中电荷分布均匀，在分子水平上不存在正
负电荷相对集中的极性基团的树脂。代表性产品为由
苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的吸附树脂。
第六章 吸附别离功能高分子材料
〔2〕中极性吸附树脂
这类树脂的分子结构中存在酯基等极性基团，树
脂具有一定的极性。
08第六章-吸附分离法

08第六章-吸附分离法

较少引起生物活性物质的变性失活。
缺点：
(1)选择性差，收率不高。 (2)一些无机吸附剂性能和吸附条件不稳定。 (3)不能连续操作，劳动强度大 (4)碳粉等吸附剂有粉尘污染
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第一节 吸附法基本概念和吸附原理 第二节 常用吸附剂 第三节 大孔网状聚合物吸附剂
第一节 吸附法基本概念和吸附原理
一、吸附基本概念：
在等吸附容量情况下，表示温度和压力的关系曲线称为 吸附等容线。
应用最广的吸附等温线。
吸附等温线
如果不考虑溶剂的吸附，当固体吸附剂与溶液 中的溶质达到平衡时，其吸附量m应与溶液中 溶质的浓度和温度有关。 当温度一定时，吸附量只和浓度有关， m=f （c），这个函数关系称为吸附等温线。 吸附等温线表示平衡吸附量，可用来推断吸附 剂结构、吸附热和其他理化特性。
常用吸附剂
按其化学结构可分为两大类 无机吸附剂：白陶土、氧化铝、硅胶、硅藻土、磷酸钙 有机吸附剂：活性炭、淀粉、纤维素、大孔吸附树脂等
一、活性炭(activated carbon )
一种被广泛应用的优良的吸附剂。 是吸附能力很强的非极性吸附剂 对色素、细菌和热原等杂质有很强的吸附能力。 一般用木屑、兽骨、兽血或煤屑等为原料高温
2
典型的吸附过程包括四个步骤：
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
Step1
吸附质被吸附 在吸附剂表面
Step2
料液流出 Step3
吸附质解吸附 吸附剂再生
Step4
4
优点：
(1)设备简单、操作简便、价廉、安全。 (2)少用或不用有机溶剂，吸附过程中pH变化小，
活性炭酸性 中性吸附 碱性洗脱
第6章气固、液固传质分离过程

第6章气固、液固传质分离过程


II型 和 IV型 等温线
nad
II
B p/p0
IV
B p/p0
多层吸附 (从点 B开始) 对无孔材料比较适用
在低压下类似于 II 型 在高压下发生孔内冷凝
第6章气固、液固传质分离过程
nad
III型 和 V型 等温线
nad
III p/p0
V p/p0
吸附质之间具有强相互 作用, 比如当水分子吸附 到疏水性活性炭上时
(2) Langmuir-Freundlich方程的扩展式
Langmuir方程扩展式和Langmuir-Freundlich方程 的扩展式缺乏热力学一致性，故理论依据不充分， 只具有半经验性质，但应用起来比较简便。
第6章气固、液固传质分离过程
吸附过程的传质
一、 吸附机理
吸附质在吸附剂的多孔表面上的吸附过程分四步：
第六章 气固、液固传质分离过程
主要内容及要求：
1.学习并掌握吸附的基本原理、吸附平衡、吸 附动力学、吸附过程及设备。
2.结晶过程的热力学和动力学基础，吸附、结 晶设备及流程。
3.了解膜分离的基本原理、过程分类、膜和膜 组件的类型以及膜分离技术的应用。
第6章气固、液固传质分离过程
6.1 吸附分离过程 6.1.1 吸附过程基础 6.1.2 吸附分离过程与技术
（3）物理吸附的吸附质分子可通过降低压力的方法 解吸，而化学吸附的吸附质分子的解吸要困难得多， 往往是不可逆的；
（4）物理吸附可以是单分子层吸附也可以是多分子 层吸附，而化学吸附通常只是单分子层吸附，某些情 况下，化学吸附单分子层上还可能发生物理吸附；
（5）物理吸附瞬时发生，而化学吸附一般需要达到 一定的活化能后才发生。
吸附平衡关系通常用等温下吸附剂上吸 附质的含量与流体相中吸附质的浓度或分压 间的关系表示（吸附等温线）。
第六章 吸附分离法

第六章 吸附分离法


操作过程
预处理
上样
吸附
洗杂
洗脱
再生
大孔网状聚合物吸附剂应用
应用广泛，如四环素、土霉素、竹桃霉素、 应用广泛，如四环素、土霉素、竹桃霉素、 红霉素、林可霉素、麦迪霉素、赤霉素、 红霉素、林可霉素、麦迪霉素、赤霉素、 维生素B 及头孢菌素C等 维生素 12及头孢菌素 等
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红霉素的分离纯化
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SIP-1300大孔吸附剂分离纯化超氧化物歧 大孔吸附剂分离纯化超氧化物歧 化酶
3
第一节 吸附的基本原理 第二节 常用吸附剂 第三节 大孔网状聚合物吸附剂
第一节 吸附法基本原理
一、吸附作用
界面上的分子同时受到不相等的两相分子的作 界面上的分子同时受到不相等的两相分子的作 用力，界面分子的力场不饱和，即存在一种固 用力，界面分子的力场不饱和，即存在一种固 体的表面力，能从外界吸附分子、原子或离子， 体的表面力，能从外界吸附分子、原子或离子， 并在吸附剂表面附近形成多分子层或单分子层。 并在吸附剂表面附近形成多分子层或单分子层。
粉状活性炭
纤维状活性碳 o 园柱形活性炭
粉状活性炭 o 不定型颗料活性炭
颗粒活性炭 o 球形活性炭
溶剂中吸附能力：
水>乙醇>甲醇>乙酸乙酯>丙酮>二氯甲烷
吸附物分子结构对吸附性能影响：
对有极性基团的化合物吸附力大 对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物 对分子量大的化合物吸附力大于分子量小的
辅酶A制备 辅酶 制备
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一、大孔网状聚合物吸附剂的类型和结构
据骨架极性强弱分为 非极性、中等极性、极性、 非极性、中等极性、极性、强极性吸附剂 美国罗姆-哈斯公司： 系列； 美国罗姆 哈斯公司：Amberlite系列； 哈斯公司 系列 日本三菱化成公司： 系列。 日本三菱化成公司：Diaion系列。 系列
第六章吸附分离法

第六章吸附分离法


能吸附非极性化合物和极性化合物
24
CoQ10制备
•
25
洗脱剂的选择
• 极性溶质：极性大的溶剂洗脱能力就大； • 非极性溶质：极性小的溶剂洗脱能力就大。
• 常用洗脱剂排序（极性增大）： 石油醚<甲苯< 乙醚<氯仿< 乙酸乙酯< 丙酮< 乙醇< 甲醇 <水 <乙酸
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氧化铝或硅胶为吸附剂
• 洗脱剂从极性低的开始逐渐增加极性。
洗 脱 液 — — — — → 粗 制 品 — — — — — — → 溶 解 液 — — — — → 结 晶 (放 线 酮 9 0 % ) 用醋酸丁酯溶解 活性炭
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第三节 大孔网状聚合物吸附剂
大网格吸附剂(macroreticular adsorbent ) （大孔网状树脂，macroreticular resin ） 在树脂聚合时加入惰性的致孔剂，待网格 骨架固化和链结构单元形成后，用溶剂萃取或 蒸馏水洗将致孔剂去掉，形成不受外界环境条 件影响的孔隙，其孔径远大于2～4nm，可达 100nm，故称“大孔”。 吸附能力不同 分子量大小
第六章 吸附分离法
1
• 吸附法(adsorption method)指利用吸附 作用，将样品中的生物活性物质或杂质吸 附于适当的吸附剂上，利用吸附剂对活性 物质和杂质间吸附能力的差异，使目的物 和其它物质分离，达到浓缩和提纯目的的 方法。
2
3
优点： (1)设备简单、操作简便、价廉、安全。 (2)少用或不用有机溶剂，吸附过程中pH变化小， 较少引起生物活性物质的变性失活。 缺点： (1) 选择性差，收率不高。 (2)一些无机吸附剂性能不稳定。
影响因素： • (1) Al2O3的颗粒度要均匀，流速控制要很慢； • (2) 温度宜在20℃以下层析，洗脱在室温中进行； • (3) 利用B12在丙酮中不溶的特性，在冰冻条件 下结晶3天，结晶析出。
第六章-吸附分离PPT课件

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阴离子交换剂
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• 强碱性阴离子交换剂 一种含三甲胺基称为强碱I型，另一种含二甲
基-β-羟基-乙基胺基团，称为II型。对使用的pH 范围没有限制。
• 弱碱性阴离子交换剂 功能团可以是伯胺基-NH2、仲胺基=NH、叔
胺基≡N和吡啶等。其交换能力随pH变化而变化， pH越低，交换能力越大。与OH离子结合能力较 强，易再生成羟型，耗碱量少。
20
• 离子交换容量：单位质量或单位体积的离 子交换剂所能吸附的一价离子的量（毫摩 尔数），是表征离子交换能力的主要参数。
21
• 吸附剂的制备
苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的聚合物最为常用，对其 侧链进行改造也可成为离子交换介质。
聚合过程中加入一种惰性成分，不参与反应，但能与 单体互溶，当用悬浮聚合合成时，它还必需不溶于水或微 溶于水。这种惰性组分可以是线性高分子聚合物，也可以 是能溶胀或不能溶胀聚合物的溶剂，其中以不能溶胀聚合 物的溶剂效果最好，用的也较普遍，称为致孔剂。在聚合 过程中，在聚合的液滴内，逐渐形成无数的凝胶微粒，四 周为惰性组分所包围。聚合结束后，利用溶剂萃取或水蒸 气蒸馏的方式将溶剂去除，因而留下了孔隙，形成大网格 结构。一般大网格吸附剂的颗粒直径为0.5mm～数mm左右。
q＝f（c ，T ） 一般吸附在恒温下进行，q只是c的函数，q与 c的关系曲线称为吸附等温线（adsorption isotherm）。
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• Henry型吸附平衡
可以把离子交换树脂看作固体的酸或碱。
15
• 阴离子交换剂anion exchanger：可交换阴离子， 活性基团为碱性。如有机胺。
• 阳离子交换剂cation exc基。
功能团的电离程度决定了树脂的酸性或碱性 的强弱。根据具有离子交换能力的pH范围不同， 分为强酸性阳离子、弱酸性阳离子交换剂，强碱 性阴离子、弱碱性阴离子交换剂。
第六章-吸附分离PPT课件

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吸下来。 – 对于易挥发溶质可用热水或蒸汽解吸。
36
• 从离子交换介质上洗脱
• 阶段洗脱法 分段改变洗脱液中的pH或盐浓度，使吸附在
柱上的各组分洗脱下来。
洗 脱 剂 浓 度
操作时间
37
• 梯度洗脱法 连续改变洗脱液中的pH或盐浓度，使吸附在
柱上的各组分被洗脱下来。通常采用一种低浓度 的盐溶液为起始溶液，另一种高浓度的盐溶液做 为最终溶液。两者通过一混合器混合。优于阶段 法。
20
• 离子交换容量：单位质量或单位体积的离 子交换剂所能吸附的一价离子的量（毫摩 尔数），是表征离子交换能力的主要参数。
21
• 吸附剂的制备
苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的聚合物最为常用，对其 侧链进行改造也可成为离子交换介质。
聚合过程中加入一种惰性成分，不参与反应，但能与 单体互溶，当用悬浮聚合合成时，它还必需不溶于水或微 溶于水。这种惰性组分可以是线性高分子聚合物，也可以 是能溶胀或不能溶胀聚合物的溶剂，其中以不能溶胀聚合 物的溶剂效果最好，用的也较普遍，称为致孔剂。在聚合 过程中，在聚合的液滴内，逐渐形成无数的凝胶微粒，四 周为惰性组分所包围。聚合结束后，利用溶剂萃取或水蒸 气蒸馏的方式将溶剂去除，因而留下了孔隙，形成大网格 结构。一般大网格吸附剂的颗粒直径为0.5mm～数mm左右。
45
• 6.7 移动床和模拟移动床吸附
• 移动床(moving bed) 希望能象气体吸收操作的液相那样，吸附操
作中的固相可以连续输入和排出吸附塔，与料液 形成逆流接触流动，则可实现连续稳态的吸附操 作。
46
47
• 模拟移动床
由于固相吸附剂移动不便且易造成堵塞。可 固定吸附剂，而移动切换液相（包括料液和洗脱 液）的入口和出口位置，如同移动固相一样，产 生与移动床相同的效果。

生物制药学——第六章 吸附分离法

第五章 吸附分离法
主要内容 吸附的基本原理 常用吸附剂 大孔网格聚合物吸附树脂

第一节 吸附的基本原理
吸附法（adsorption method）：指利 用吸附作用，将样品中的生物活性物质或杂 质吸附于适当的吸附剂上，利用吸附剂对活 性物质和杂质间吸附能力的差异，使目的物 和其他物质分离，达到浓缩和提纯目的的方 法。
几个概念： 孔容、骨架密度、湿真密度

二、大孔网状吸附法操作过程 1、树脂选择
极性：“类似物容易吸附类似物”
树脂孔径：约等于溶质分子直径的6倍。
树脂预处理：甲醇洗涤。
再生：用一种或数种有机溶剂清洗。

2、吸附条件选择 溶液的pH：影响弱电解质的离解程度。

3.吸附条件
温度：吸附热越大，温度对吸附的影响 越大；影响吸附物溶解度。
pH：可控制吸附剂或吸附物解离情况。
盐的浓度：对不同物质的吸附有不同的 影响。 溶剂的影响：单溶剂吸附，混合溶剂解 吸附。

4.吸附物浓度与吸附剂用量
硅藻土
成分：无定形的二氧化硅，由硅藻的遗体 沉积而成。 制备：商品硅藻土是经过盐酸洗涤和缎烧 去除杂质后的产品。 特点：惰性 应用：助滤剂，澄清剂

皂土
主要成分：铝和镁的硅酸盐 应用：吸附金属离子、多肽、碱性蛋白， 是核酸酶的抑制剂。

wwwthemegallerycom物理吸附与化学吸附项目物理吸附化学吸附作用力范德华力库仑力吸附力较小接近液化热较大接近反选择性几乎没有有选择性吸附速度较快需要的活化能很慢需要较高的活化能吸附分子层单分子层或多分子层单分子层wwwthemegallerycom1吸附剂的特性2吸附物的性质3吸附条件4吸附物浓度与吸附剂用量三影响吸附的因素wwwthemegallerycom吸附剂的特性理想的吸附效果

生物分离工程-第六章-吸附分离技术与理论


转化为氯型
5、离子交换的一般过程
6、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-ß-羟基乙基胺基；
； 配基与载体的结合位点 就蛋白质等大分子作为配
基时，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；
6、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
三、离子交换(ion exchange)
q q0c K c
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
Langmuir吸附等温线
CA K D /1 S (CA K D )S
4、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 盐浓度：影响复杂，要视具体情况而定
两性树脂：同时含有酸、碱两种基团的树脂； 均孔型离子交换树脂：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集团， 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
生物分离工程-第六章-吸附分离技术与 理论
学习目的和要求
在了解吸附剂和离子交换剂、吸附 和离子交换平衡的基础上，掌握吸 附和离子交换操作及其设计的理论 基础。

制药分离工程 第六章 吸附分离技术(69张)


第六章 吸附分离技术 第一节 吸附分离原理及分类
四、吸附结合作用类型
1.物理吸附 2.化学吸附
3.交换吸附 （1）定义 ——表面带极性分子或带电粒子的吸附剂，吸附相反电荷的离子
(2）吸附结合作用力 ——主要是静电作用力 ——表面带阴离子如磺酸基，则吸附结合带正电性的吸附质如氨类 ——表面带阳离子如氨基，则吸附结合带负电性的吸附质如羧酸类
化学吸附分离跟物理吸附相比，一个突出的特点 是具有较强的吸附选择性和结合牢固性。此说法 对吗？
A 对的 B 不对 C 不好说
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单选题 1分
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已知胆红素的分子结构如图所示， 有人将乙烯多胺接枝到载体上用来 吸附胆红素，请问所使用的主要 原理是？
A 分子之间的范德华力
1. 常用吸附剂 (5)人工合成大分子高聚物类
——种类繁多，可定向设计合成制备 ——可具有特定的选择性，是开发 新型高效选择性吸附剂的 重要领域和方向 ——但制备可能复杂、成本高 ——常见的如聚苯乙烯
聚苯乙烯大孔树脂微球
——常用于抗生素、维生素等的 浓缩分离
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机制
分类 物理吸附类(如大孔树脂，氢键、极性相吸)
亲和吸附类(综合化学/物理吸附，再加上空间协 同效应，如抗原-抗体结合类)
第六章 吸附分离技术
第二节 吸附剂及其特性
二、吸附剂主要性能参数
第六章 吸附分离技术
第二节 吸附剂及其特性
二、吸附剂主要性能参数
1.颗粒尺寸及尺寸分布 ——吸附剂颗粒尺寸易小不宜大(纳米到毫米范围内)以增大 吸附接触面积，可增大吸附容量
(3)特点 ——吸附选择性较物理吸附的高 ——吸附结合不牢固，可逆化，易脱落

第六章 吸附分离法


五、氢氧化铝凝胶 将氨水或碱液加入铝盐形成的无定形凝胶，其结构和表面状态与生成后放置时间
有关，吸附能力和陈化程度有关。
六、氧化铝 特别适用于亲脂成分的分离 1、碱性氧化铝：氢氧化铝高温脱水，适用于对碱稳定的中性、碱性物质分离
2、中性氧化铝：碱性氧化铝加水煮沸 10min，反复处理至水提取液 pH7.5，活化后 使用。 3、酸性氧化铝：氧化铝加水，加 2mol/L 盐酸呈刚果红酸性反应，热水洗至刚果红 弱紫色，过滤，加热活化。
1.06 1.081 I.058
1．251 1．259 1．268 1．209 1．169 1．437
比表面积 空隙度系指吸附剂中空隙所占的体积百分率。 孔容度指每 1g 吸附剂所含的空隙体积。 骨架密度系指吸附剂骨架的密度，即每 1ml 骨架(不包括空隙)的重量(g) 。 湿真密度系指空隙充满水时的密度，在实际使用时湿真密度不能小于 1，否则树脂 就要上浮。
一般形成氢键越多，吸附力越大。
第三节 大孔网状聚合物吸附剂
大孔网状聚合物吸附剂（大网格吸附剂，macroreticular adsorbent）于 1957 年首 次合成成功，它和大孔网状离子交换树脂具有相同的大网格骨架。在合成树脂时， 加入一种惰性组分，它不参与聚合反应，但能和单体互溶，称为致孔剂。待网络骨 架固化和链结构单元形成后，用溶剂萃取或水洗蒸馏的方法将致孔剂去掉，就留下 了不受外界条件影响的永久孔隙，其孔径远大于 2~4nm，可达到 100nm 甚至 1000nm 以上，故称“大孔”。与大孔网状离子交换树脂相比，它不含离子交换树脂的功能团， 仅保留了多孔的骨架，其性质与活性炭、硅胶等吸附剂相似，称为大孔网状聚合物 吸附剂。 特点：
解吸 常用低级醇、酮或其水溶液解吸，所用解吸溶剂要求能使大孔网状聚合物吸附剂溶 胀，减弱溶质与吸附剂之间的吸附力。另一要求为所选用的溶剂应容易溶解吸附物。 对弱酸性物质可用碱来解吸 ，弱碱性物质可用酸来解吸 如吸附在高浓度盐类溶液中进行，则常用水洗就能解吸下来。

6 吸附分离技术和理论基础.


• ６.６.２ 移动床和模拟移动床吸附 • 如果像气体吸收操作的液相那样，吸附操作中固相可连续 输入和排出吸附塔，与料液形成逆流接触流动，可实现连 续稳态的吸附操作。这种操作法称为移动床吸附。
• ６.６.３ 搅拌釜吸附 • 搅拌釜吸附即有限池吸附，是最基本的吸附操作方式。
6.2 吸附平衡
• ６.２.１ 吸附等温线 • 吸附是一种平衡分离方法，即根据不同溶质在液固两相间 分配平衡的差别实现分离。因此，溶质的吸附平衡行为既 是评价吸附剂性能的重要指标，也是吸附过程分析和设计 的理论基础。
• ６.２.２ 离子交换的计量置换模型 • ①系统为理想体系，各组分的活度系数为１。 • ②吸附剂表面均一，孔道形状和尺寸均匀，且孔道直径足 够大，对溶质无尺寸排阻效应。
• ③对于蛋白质类生物大分子，与溶质分子结合的伴离子分 成两类：当溶质在离子交换剂表面吸附时，第一类伴离子 从溶质上释放出来，而第二类伴离子始终与溶质分子相结 合。
• ④用特征电荷ｚ描述具有多点结合特性的蛋白质与离子交 换剂结合位点的数量。
• ６.２.２.１ 线性吸附平衡的分配系数 • 在没有待分离的溶质存在时，离子交换剂表面的离子基团 或可离子化的基团Ｒ（Ｒ＋或Ｒ－）一直被其反离子（ｃ ｏｕｎｔｅｒｉｏｎ）覆盖，液相中的反离子浓度为常数 。溶质与反离子带有相同的电荷，溶质的吸附是基于其与 离子交换基间相反电荷的静电引力。生物分离工程6 吸附分离技术和理论基础
• 吸附是溶质从液相或气相转移到固相的现象。利用固体吸 附的原理从液体或气体中除去有害成分或分离回收有用目 标产物的过程称为吸附操作。吸附操作所使用的固体材料 一般为多孔微粒或多孔膜，具有很大的比表面积，称为吸 附剂或吸附介质。吸附剂对溶质的吸附作用按吸附作用力 区分主要有三类，即物理吸附、化学吸附和离子交换。 • 物理吸附基于吸附剂与溶质之间的分子间力，即范德华力

吸附分离技术hf


2 吸附分离介质
多孔型：活性炭、硅胶、 多孔型 活性炭、硅胶、 活性炭 硅藻土； 硅藻土；大网格吸附 有机高分子材料， 剂：有机高分子材料， 如聚苯乙烯，聚酯。 如聚苯乙烯，聚酯。
BIOSEPARATION ENGINEERING
凝胶型：纤维素凝胶， 凝胶型 纤维素凝胶， 纤维素凝胶 琼脂糖凝胶， 琼脂糖凝胶，匍聚糖 凝胶等。 凝胶等。
BIOSEPARATION ENGINEERING
硅胶（ 硅胶（SiO2·nH2O） ） 是用Na 与无机酸反应生成H 是用Na2SiO3与无机酸反应生成H2SiO3，其水合物在适 宜的条件下聚合、缩合而成为硅氧四面体的多聚物， 宜的条件下聚合 、 缩合而成为硅氧四面体的多聚物 ， 即硅溶胶，硅溶胶经凝胶化、洗盐和脱水成为硅胶。 即硅溶胶，硅溶胶经凝胶化、洗盐和脱水成为硅胶。 硅胶的表面保留着大约5wt％的羟基， 硅胶的表面保留着大约5wt％的羟基，是硅胶的吸附 活性中心。 200℃以上羟基会脱去， 活性中心。在200℃以上羟基会脱去，所以硅胶的活化 温度应低于200 200℃ 温度应低于200℃ 硅胶常作为干燥剂用于气体或液体的干燥脱水， 硅胶常作为干燥剂用于气体或液体的干燥脱水 ， 也 可用于分离烷烃与烯烃、烷烃与芳烃， 可用于分离烷烃与烯烃 、 烷烃与芳烃 ， 同时硅胶也是 常用的色谱柱填充材料。 常用的色谱柱填充材料。
BIOSEPARATION ENGINEERING
硅藻土 是由硅藻类植物死亡后的硅酸盐遗骸形成的， 是由硅藻类植物死亡后的硅酸盐遗骸形成的 ， 基本质 是含水的无定形SiO 并含有少量Fe MgO、 是含水的无定形 SiO2 ， 并含有少量 Fe2O3 、 MgO 、 Al2O3 及有机杂质，外观一般呈浅黄色或浅灰色， 及有机杂质 ， 外观一般呈浅黄色或浅灰色 ， 优质的呈 白色，质软，多孔而轻。 白色 ， 质软 ， 多孔而轻 。 硅藻土的多孔结构使它成为 一种良好吸附剂，在食品、 一种良好吸附剂 ， 在食品 、 化工生产中常用来作助滤 剂及脱色剂。 剂及脱色剂。
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吸附剂通称离子交换剂 ion exchanger 离子交换树脂 ion exchange resin
第六章 吸 附 分 离
1. 离子交换吸附特点
1） 吸附剂其它性质不变，对相反离子的吸附是动态 平衡过程。 2）吸附强弱与吸附剂表面的电荷密度有关。 3）吸附强弱取决于被吸附离子的电荷数与离子的水 化半径大小。离子带电荷越多，在吸附剂表面的吸 附力越强；电荷相同时，水化半径越小，越易被吸 附。 4）吸附有电性选择性，吸附相反电荷离子。
第六章 吸 附 分 离
产生吸附原因---吸附作用力 物理吸附，化学吸附，固液相多种相互作用力
离疏亲 子水和 交作吸 换用附 吸吸 附附
第六章 吸 附 分 离
3. 吸附剂（adsorbent）
固体表面对溶质的吸附作用是由固体的表面力所引 起。表面上能发生吸附作用的固体称为吸附剂，是 吸附作用的主体。
第六章 吸 附 分 离
吸引力
合力
5）作用力与分子间距关系 分子间距离大时，范德华力
较弱。分子间距离小，范德
吸引力
华力增大，有利于分子间吸
附。当距离过小时，产生推
距离
0
A
推斥力
B 斥力。 最佳距离为吸附分子中心间
的距离比一个分子半径稍大
一点OA， 吸附物分子处于
最稳定状态。
推斥力
第六章 吸 附 分 离
第六章 吸 附 分 离
第六章 吸 附 分 离
一、吸附分离概述 二、吸附的理论基础 三、离子交换吸附 四、生物分子的吸附类型 五、吸附分离工艺
第六章 吸 附 分 离
一. 吸附分离概述
1. 吸附（adsorption） 吸附是相转移过程，溶质从气相或液相转移到固相
发生在表面----吸附？？ 发生在全相----吸收？？
离子交换树脂的结构-网络骨架
苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系
第六章 吸 附 分 离
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
活性离子：与功能基团所带电荷相 反的可移动的离子
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
第六章 吸 附 分 离
第六章 吸 附 分 离
2.离子交换树脂的结构
三部分组成： • 1.不溶性的三维空间网状结构构成的树脂骨架，
使树脂具有化学稳定性和机械强度； • 2.与骨架相联的功能基团； • 3.与功能基团带相反电荷的可移动的离子，称
为活性离子，它在树脂骨架中的进进出出，就 发生离子交换现象。
第六章 吸 附 分 离
A：被吸附的吸附物分子； Amax：表面吸附饱和时的分子数； Kad：在理想状态下平衡的解离常数
a. 当吸附分子浓度很高时， [A] 值很大，Kad[A]>> 1
A = Amax ，表面吸附处于饱和状态，单分子层吸附完全， 不可能有更多的分子再被吸附；
b. 当吸附分子浓度低时，[A] 值小， Kad[A] <<1
第六章 吸 附 分 离
5. 吸附分离应用
工业生产（脱色，除臭，吸湿） 生物产品（除菌，蛋白质分离、纯化） 层析（色谱）分离 利用各种吸附原理，但保持吸附与解吸的动态过程
第六章 吸 附 分 离
二 吸附过程的理论基础
第六章 吸 附 分 离
吸附的类型
（1） 物理吸附: 放热，可逆，单分子层或 多分子层，选择性差
第六章 吸 附 分 离
• 典型的吸附过程包括四个步骤：
待分离的料液 通入吸附剂
吸附质被吸附 在吸附剂表面
吸附质解吸 吸附剂再生
料液流出
第六章 吸 附 分 离
2. 吸附的本质
固体表面分子(原子) 处于特殊的状态。
固体内部分子受力对称，处于力平衡态。 界面分子 受两相分子不相等的作用力，受力不平衡，存在固 体的表面力。表面力可吸附外界的分子，原子，在 表面形成多分子层，单分子层。
（2） 化学吸附: 放热量大，单分子，选择 性强
（3） 交换吸附: 吸附剂吸附后同时放出等 当量的离子到溶液中
第六章 吸 附 分 离
物理吸附与化学吸附的特点
项目
物理吸附
化学吸附
作用力
范德华力
化学鍵力
吸附热
较小,接近液化热 较大,接近反应热
选择性 吸附速度 吸附分子层
较差
较快，需要的活 化能很小 单分子层或多分 子层
第六章 吸 附 分 离
物理吸附力的本质
吸附质和吸附剂之间的作用力－范德华力
• A 定向力 极性分子的永久偶极静电力 • B 诱导力 极性分子与非极性分子之间的 • 吸引力 • C 色散力 非极性分子之间的引力（瞬间
偶极） • D 氢键力 介于库仑引力与范德华引力之
间的特殊分子间定向作用力
第六章 吸 附 分 离
S：为吸附剂表面未被占有的活性点；
AS：为吸附剂表面上所吸附的吸附物分子。
Kad：在理想状态下平衡的解离常数 （可用浓度代替活度表示）
: 表面占据分率
[AS]
= [AS]+[S]
= Kad[A]
Kad[A]+1
第六章 吸 附 分 离
Langmuir 等温线 Amax Kad [A]
A= 1 +Kad [A]
吸附力越大, C/m就愈小。 若 CA=CB，且B与吸附剂的吸附力大于A，则：
CA > mA
CB mB
由于A 的吸附力小，它将首先 从吸附剂中解吸附。然后B解 吸附。
第六章 吸 附 分 离
2. 化学吸附
电子转移
吸附剂
吸附分子
化学吸附特点：
（1） 吸附分子与吸附剂发生化学反应； （2）不存在吸附平衡，吸附过程不可逆； （3） 吸附有选择性，取决于二者间的化学性质； （4） 吸附剂的表面积，细孔分布，温度决定吸附 量的大小；
第六章 吸 附 分 离
吸附是在吸附剂的活性中心上进行的； 这些活性中心具有均匀的能量，且相隔较远，因此 吸附物分子之间无相互作用力； 每个活性中心只能吸附一个分子，即形成单分子吸 附层。
第六章 吸 附 分 离
A + S Kad AS
[AS] Kad = [A][S]
( aAS ) aAaS
A：未被吸附的吸附物分子；
c 吸附分子的平衡浓度；
Freundlich 是在大量实验基础上 总结出的经验公式。描述了大量 抗生素，类固醇，甾类激素的 吸附过程。
K 和 n 为经验参数，可从双 对数坐标图上曲线的截距和 斜率求得。一般1<n<10。
第六章 吸 附 分 离
吸附等温线中吸附物浓度C 和吸附量m的比是衡量吸 附剂对吸附物吸附性强弱的尺度。
R－SO3－骨架； SO3－ H＋(Na+) 化学功能团。
活性离子为阳离子，称阳离子交换树脂， 与阳离子发生交换 活性离子为阴离子，称阴离子交换树脂， 与阴离子发生交换
第六章 吸 附 分 离
离子交换吸附剂组成和分类
骨架
亲水性 疏水性
纤维素 葡聚糖 琼脂糖
聚苯乙烯等 有机高分子
组成
阳离子功能基
功能基
第六章 吸 附 分 离 三. 离子交换吸附
第六章 吸 附 分 离
离子交换吸附 ion exchange
离子交换吸附剂表面键合离子基 团或可离子化基团。通过静电引力吸 附溶液中带相反电荷的离子。
离子交换吸附过程中发生离子转 移，吸附剂与溶液中离子发生离子交 换，吸附剂吸附溶液离子后，同时要 放出等当量的离子于溶液中。
第六章 吸 附 分 离
一般吸附操作在恒温下进行，m只是浓度c的函数。 m与c的关系曲线称为吸附等温线。
m=k c
k:分配系数 c:溶液浓度 m: 吸附浓度
吸附等温线可以表示平衡 吸附量，判断吸附作用力 的大小以及吸附剂的性能 和结构。
第六章 吸 附 分 离
吸附等温线
Freundlich等温线 单分子层
A = Amax Kad[A]，被吸附的吸附分子的量与吸附分子的平 衡浓度呈正比。
第六章 吸 附 分 离
Langmuir （b） 浓度低时，呈线性关系 浓度高时，吸附达饱和，完成单 分子吸附过程，吸附不再进行。
第六章 吸 附 分 离
弗罗因德利希（Freundlich）等温线
m = Kc1/n
lg m = lgK + n-1lgc m 单位质量附 分 离
3）色散力:
非极性分子间的引力 ，分子间瞬时产生的偶极 矩引起。 (分子由于外围电子运动及原子核的振动, 使分子的 正负电荷中心出现瞬时相对位移,产生快速变化的瞬 时偶极矩。瞬时偶极矩能使外围非极性分子极化， 被极化的分子又影响瞬时偶极矩的变化。)
U=
3 I a2 4r 6
色散力大小与分子间距，极化度以及分子中的
+ N
RRR123
强阴离子交换剂 弱阴离子交换剂
阴离子功能基
SO-24 COO-
强阳离子交换剂 弱阳离子交换剂
R H R1，2，3 =H
第六章 吸 附 分 离
2. 1 离子交换吸附剂理化性能及评价
（1）颗粒形状及大小 一般为球形，20-60目（0.25-0.84mm）球形可减少流 体阻力
颗粒大小影响离子交换能力，影响树脂层中溶液流 动分布的均匀程度，影响溶液通过树脂层的压力以 及交换和分离的效率。
第六章 吸 附 分 离
树脂的网络 骨架
第六章 吸 附 分 离吸附法概述 树脂的网络骨架
第六章 吸 附 分 离
4. 吸附分离
利用吸附剂使物质在固体表面吸附，浓缩，从而 除去气相，液相中废弃组分或回收有用目标产物 的过程。
吸附分离可用于 1）除去杂质（使杂质吸附在固相，溶质保留在 液相） 2）提取目标物（目标物吸附在固相，保留固相， 再解吸目标物)