吸附与离子交换

吸附与离子交换Absorptionandionexchange1主要内容概述吸附过程的理论基础(基本概念及吸附等温线)离子交换吸附离子交换理论疏水作用吸附、盐析吸附、亲和吸附、染料配位体吸附、免疫吸附、固定金属亲和吸附、羟基磷灰石和磷酸钙凝胶吸附分批式与连续式吸附固定床吸附21、概述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，是物质从一相移动到另外一相的现象。吸附物质从流体相浓缩到固体表面从而实现分离的过程。吸附剂在表面上能发生吸附作用的固体吸附物被吸附的物质吸附

吸收3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Step1Step2Step3Step44固体吸附与生物工程关系密切吸附法的特点（1）不用或少用有机溶剂（2）操作简便、安全、设备简单（3）生产过程pH变化小（4）从稀溶液分离溶质,可直接从发酵液中分离产物，处理能力小（5）

吸附剂对溶质的作用小，适于蛋白质分离（6）

吸附平衡为非线性（7）选择性较差5吸附法应用气体过滤水处理脱色、除臭目标产物的分离62、吸附过程的理论基础1.基本概念固体非多孔性多孔性(吸附剂)7固体内部分子所受分子间的作用力是对称的，而固体表面分子所受力是不对称的。向内的一面受内部分子的作用力较大，而表面向外一面所受的作用力较小，因而当气体分子或溶液中溶质分子在运动过程中碰到固体表面时就会被吸引而停留在固体表面上。8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。9活性炭（Activecarbon）活性炭种类颗粒大小表面积吸附力吸附量洗脱粉末活性炭小大大大难颗粒活性炭较小较大较小较小难锦纶活性炭大小小小易10大孔吸附树脂大孔吸附树脂是一种不含交换基团的,具有大孔结构的高分子吸附剂。新型的、介于离子交换树脂和活性炭之间的优良吸附剂。11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122.吸附的类型2.1基本概念物理吸附：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。交换吸附吸附剂表面如为极性分子或离子所组成，则会吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层，称为极性吸附。离子交换13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,接近反应热选择性较差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层或多分子层单分子142.2吸附的类型吸附质和吸附剂之间相互作用不同亲和吸附疏水吸附盐析吸附免疫吸附实验中所采用的方法间歇式连续式152.3物理吸附力的本质范德华力只表现为相互吸引定向力

由极性分子的永久偶极矩产生的分子间的静电引力诱导力极性分子与非极性分子间的吸引力色散力非极性分子间的引力氢键力介于库仑引力和范德华引力之间的特殊定向力162.4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。172.4吸附等温线Langmuir等温线单分子层Freundlich等温线单分子层Henry等温线稀浓度等温线多分子层182.4吸附等温线1Langmuir等温线(单分子层)2Freundlich等温线(抗生素/类固醇/甾类激素)3离子交换等温线单价：在缓冲液中，Langmuir模拟多价：Freundlich

模拟4亲和吸附等温线：类似于Langmuir192.4.1兰格缪尔(Langmuir)等温线A+S=ASKadA未被吸附的吸附质分子S吸附剂表面被占有的活性点AS占据活性点的吸附质分子理想状态Kad=aAS/(aAaS)=[AS]/([A][S])

表面占据分率=[AS]/([A]+[S])

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

=A/Amax兰格缪尔等温线A=AmaxKad[A]/(1+Kad[A])20Langmuir吸附等温线假定：吸附在活性中心上进行，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。每一个活性只能吸附一个分子，即形成单分子吸附层。吸附速度与溶液浓度C和吸附剂表面未被占据的活性中心数目成正比；解吸速度与吸附剂表面为该溶质所占据活性中心数目成正比

mmax

bcm=(1+bc)

mmaxcm=(kd+c)212.4.2离子交换等温线离子交换等温线以离子交换树脂为吸附剂表现出来的等温线等价离子交换：A=Am[A]/(K+[A])

兰格缪尔公式不等价离子交换弗罗因德利希公式222.4.3亲和吸附等温线亲和吸附利用生物高分子物质对某些相对应物质具有专一识别和可逆结合的能力，即亲和力来实现的吸附剂由载体和配位体组成。232.4.3亲和吸附等温线锁钥机理24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，结构相近的化合物但通用性较差，洗脱条件苛刻25无机离子交换剂有机离子交换剂沸石、磺化煤离子交换树脂离子交换法概述离子交换剂是一类能发生离子交换的物质，分为无机离子交换剂和有机离子交换剂。263、离子交换吸附3.1理论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。27离子交换树脂的构成离子交换树脂是能在水溶液中交换离子的固体。多价高分子基团具有三维空间立体结构的网络骨架，不溶于酸、碱和有机溶媒，化学稳定性良好；另一部分是连接在骨架上的可移动的离子，称为活性离子，活性基团所带的相反电荷的活性离子(可交换离子)28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29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30离子交换动力学

溶液离子向树脂表面扩散(膜扩散)；离子通过树脂表面向内部扩散(颗粒扩散)；“慢”树脂内进行离子交换(交换反应)；已交换离子从树脂内部向外扩散(颗粒扩散)；“慢”已交换离子由树脂表面向本体溶液扩散(膜扩散)。M④-SO3HMH①②③⑤313、离子交换吸附-Na型的磺酸树脂放在氯化钠溶液中界面树脂相溶液相RSO3-Na+Na+

Donnan平衡Cl-Cl-32平衡时：A电中性结论33同离子反离子同离子：同树脂骨架相同电荷的离子反离子：带树脂骨架相反电荷的离子Donnan平衡导致树脂颗粒对同离子的部分排斥，离子交换膜的选择性透过性质Donnan平衡还可导致pH效应34阳离子交换树脂交换前交换达到平衡后35交换前交换达到平衡后阴离子交换树脂363.2离子交换材料包含合成树脂骨架的多孔弹性颗粒苯乙烯二乙烯苯共聚苯乙烯树脂多糖类骨架的离子交换树脂对先存在于多糖上的羟基团进行化学改性

按功能团的性质分类I强离子交换材料含有强酸或强碱性基团，在广泛的pH范围内保持电离II弱离子交换材料含弱酸或弱碱性基团，使用的pH范围由滴定确定376.2离子交换材料386.2离子交换材料393.3应用1.反离子的交换

树脂从一种反离子变成另一种反离子置换2.物质的浓缩

用一种树脂吸附再用另一种高亲和力的物质洗脱3.相似物质的分离反离子4.离子排出

利用Donnan效应产生的离子排斥作用5.在离子交换树脂上进行分配色谱

非离子化合物404.疏水作用吸附疏水作用：非极性分子之间的一种弱的非共价的相互作用，这些非极性的分子在水相环境中具有避开水而相互聚集的倾向。吸附剂脂肪族长链和生物分子表面存在疏水作用疏水作用随盐浓度增加而增加414.疏水作用吸附典型的疏水吸附剂C4,C6,C8,C10的脂肪直链和含氨基末端脂肪直链的烷基琼脂糖；借助醚键联接到辛基、己基和氨基己基琼脂糖基质上的苯基琼脂糖优点对蛋白质的吸附容量较大，并可重复使用，效果不变使用有局限性，分辨率不高应用酶的分离纯化425.盐析吸附疏水吸附和盐析沉淀操作：将硫酸铵沉淀的蛋白质悬浮液，添加到硫酸铵预平衡的吸附柱中，然后用递减的盐浓度展开吸附柱：纤维素或葡聚糖和琼脂糖436.亲和吸附亲和吸附溶质(生物大分子)和树脂间特定的化学相互作用，而非范德华力引起的传统吸附或静电相互作用的离子交换。选择性亲和吸附剂支撑体和配基；多点结合或锁钥结合洗脱亲合洗脱用高浓度盐溶液破除固定配基和蛋白质之间的所有非疏水作用；盐类；改变温度；稀释法；电泳法447.染料配位体吸附8.免疫吸附利用抗原-抗体的亲和反应来进行分离纯化的方法抗体对确切的氨基酸序列和三维结构非常专一结合系数非常高，即亲和力极强9.固定金属亲和吸附包括金属离子经螯合被固定在吸附剂基质上并与蛋白质上氨基酸中的电子供体形成金属配位络合物。4510、分批式与连续式吸附I在带有搅拌的反应罐中，一次将吸附剂加入到生物分子溶液中混合，并用离心的方法逐个分离（分批吸附）II使生物分子溶液通过填充有吸附剂的柱，然后进入到一个分布收集器中(柱层析)或将一定流量和浓度的料液恒定的连续送入置有纯溶剂和定量的新鲜吸附剂的连续搅拌罐式反应器中，经吸附后，以同样流量排出残液，完成连续吸附作业连续式吸附4610.1分批(间歇)式吸附实验室烧杯混合布氏漏斗真空抽滤I搅拌含生物分子和吸附剂的溶液10~15min.II沉降吸附剂，清出上清夜III将下层浆液注入布氏漏斗中真空过滤IV用缓冲溶液洗涤吸附剂V抽干湿吸附剂，倒入烧杯VI用洗涤的缓冲液再将吸附剂制成浆液VII重新真空抽干VIVII重复活性检测主体溶液中取出少量样品4710.1分批(间歇)式吸附2.计算吸附平衡和吸附的质量平衡吸附平衡q=Kyn

质量平衡式YFH+qFW=YH+qWY和YF分别为溶液中的最终浓度和进料浓度q和qF分别为吸附剂上的最终浓度和进料浓度H料液量W为吸附剂的量q=qF+H/W(YF-Y