《吸附与离子交换》课件

吸附与离子交换分离概述吸附过程的理论基础常用的吸附剂吸附的应用离子交换的基本原理常用离子交换剂离子交换工艺离子交换应用1精选ppt吸附与离子交换分离概述1精选ppt一.吸附1.概述1.1吸附定义：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。（表面吸附与吸收）1.2吸附作用：脱色、除臭、吸湿、防潮、去热源及某些产品（如：酶、蛋白质、核苷酸、氨基酸、抗生素等）的分离精制。1.3吸附的特点：①选择性高②处理能力较低③可直接分离发酵液中所需的产物④操作简单，但实验设计复杂。2精选ppt一.吸附1.概述2精选ppt2吸附过程的理论基础2.1基本概念吸附：利用吸附剂对液体或气体中某些组分具有选择性吸附能力，使其富集在吸附剂表面的过程。吸附物：被吸附的物质。吸附剂：吸附操作所使用的固体原料。一般为多孔微粒或多孔膜，具有很大比表面积。原因：固体内部分子作用力＝0固体分子外部作用力≠0，即从外界吸附分子、离子原子，并在吸附表面形成单分子或多分子层。3精选ppt2吸附过程的理论基础2.1基本概念3精选ppt2.2吸附类型2.2.1物理吸附（1）作用力：吸附剂与吸附质间的范德华力（定向力、诱导力、色散力）或氢键。如：硅胶薄层层析分离叶绿素（2）吸附力大小：吸附质能否被吸附及吸附量多少a.溶质与吸附剂极性的相似性b.溶剂极性与溶质极性的相似性（3）特点：a.吸附发生在吸附剂整个表面－无选择性b.吸附为可逆吸附，平衡易达到。（可通过改变T、pH、盐浓度等物理条件解吸。）4精选ppt2.2吸附类型2.2.1物理吸附4精选ppt

2.2.2化学吸附（1）原理：吸附剂与吸附质间发生化学键合，产生电子转移而进行的吸附。（2）特点：a.Ea高，需高温下进行；反应时放出大量的热b.选择性很强：只对某种或几种物质有特定吸附c.单分子层吸附，吸附稳定；为不可逆吸附。（若需解吸，必须加破坏化学键的有机试剂。）

5精选ppt2.2.2化学吸附5精选ppt2.2.3交换吸附（1）原理：离子交换剂通过静电引力吸附溶液中带相反电荷的离子，吸附过程发生电荷转移。（2）特点：a.离子电荷越多，越易被吸附。b.电荷相同，离子水合半径越小，越易被吸附。c.一般通过调pH或增加离子强度进行洗脱。6精选ppt2.2.3交换吸附6精选ppt3影响吸附的因素（1）吸附剂的性质：影响吸附容量和吸附速率a.吸附剂表面积大，空隙度大，吸附容量大b.吸附剂孔径大，颗粒度小，吸附速率越大（孔径适中）c.极性：极性化合物选极性吸附剂；非极性化合物选非极性吸附剂。（2）吸附质性质a.溶质从较易溶解的溶剂中被吸附时，吸附量较少（相似相容）b.极性被吸附物质吸附剂溶剂极性极性非极性非极性非极性极性7精选ppt3影响吸附的因素被吸附物质吸附剂溶剂极性极性非极性非极性非c.同系物：分子量越大，极性越低，易被非极性吸附剂吸附如：活性炭：W大＞W小；多肽＞氨基酸；多糖＞单糖(3)其他因素：T、pH、吸附质浓度、吸附剂用量等

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8精选pptc.同系物：分子量越大，极性越低，易被非极性吸附剂吸附8精4常用吸附剂4.1活性炭（非极性吸附剂）（1）种类：

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大小较小较小较难锦纶活性炭较小较大小小易（2）选择a.欲分离物是否易被活性炭吸附；若容易吸附，选择吸附力弱的活性炭；反之，亦然。b.一般先选颗粒状，看能否被吸附、洗脱。9精选ppt4常用吸附剂4.1活性炭（非极性吸附剂）活性炭种类颗粒大小（3）活性炭对物质的吸附一般规律a.吸附作用：在水中吸附力最强，在有机溶剂中吸附力最弱b.洗脱作用：水的洗脱能力最弱，有机溶剂洗脱能力最强c.被分离物类型：W大＞W小；芳香族＞脂肪族d.pH值的影响碱性中性吸附酸性洗脱酸性中性吸附碱性洗脱（4）活性炭的预处理：分别用48%HF，12MHCl洗涤，除去杂质。定量分离时应做空白实验。（5）应用：精制有机物常用活性炭脱色；高纯金属微量杂质的分离分析。10精选ppt（3）活性炭对物质的吸附一般规律（4）活性炭的预处理：分别用4.2硅胶－极性吸附剂（1）影响吸附的因素a.吸附物的性质：极性化合物＞非极性化合物b.硅胶含水量（1－20％）（2）硅胶活化：105－110℃活化1h（3）硅胶的再生a.5－10倍1％NaOH回流30min；水洗至中性b.3－6倍5％乙酸回流30min；水洗至中性c.甲醇洗，水洗d.120℃活化12h11精选ppt4.2硅胶－极性吸附剂11精选ppt4.3大孔性吸附树脂（1）大孔性树脂的结构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。通常大孔性树脂是聚苯乙烯和二乙烯苯的共聚物，它们具有多孔性的巨大网状结构。12精选ppt4.3大孔性吸附树脂（1）大孔性树脂的结构12精选ppt(2)大孔网状吸附树脂的种类非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。极性吸附剂：丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基团。13精选ppt(2)大孔网状吸附树脂的种类非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，（3）大孔吸附树脂的特性a.物理吸附、吸附容量大、选择性好b.吸附速度快、易于解吸、机械强度高、再生处理简便。特别适用于从水溶液中分离低极性或非极性化合物。c.贵，吸附效果受流速及溶质浓度等影响14精选ppt（3）大孔吸附树脂的特性14精选ppt（4）吸附原则a.吸附剂的极性非极性吸附剂适应从极性溶剂中吸附非极性物极性吸附剂适应从非极性溶剂中吸附极性物质b.吸附物分子大小－吸附剂孔径（孔径＝吸附物分子直径的6倍）15精选ppt（4）吸附原则15精选ppt（5）解吸方法水溶性有机溶剂－水或低级醇、酮弱酸性物质—碱解吸弱碱性物质—酸解吸高浓度盐—水洗易挥发—热水或蒸馏16精选ppt（5）解吸方法水溶性有机溶剂－水或低级醇、酮16精选ppt5.操作方式5.1分批式吸附（1）方法：将浆状吸附剂添加到装有溶液的搅拌反应罐中，初始抽提物和蛋白质都有可能被吸附到吸附剂上，并逐个分离。（2）步骤吸附剂与溶液混合（吸附）→吸附剂与溶液分离→淋洗（洗涤杂质）→抽干→解吸Ps：典型吸附剂有磷酸纤维素、亲和吸附剂、免疫吸附剂等。17精选ppt5.操作方式5.1分批式吸附17精选ppt5.2连续搅拌罐中的吸附（1）过程：料液（恒定浓度）以一定流速连续进入搅拌罐中，罐内初始装有纯溶剂和新鲜吸附剂，吸附剂上吸附溶质，溶质的浓度随时间变化，溶液并不断流出反应罐。（2）特点a.罐内浓度＝出口液浓度b.溶质的浓度随时间变化（快、中、慢）：18精选ppt5.2连续搅拌罐中的吸附（1）过程：18精选ppt5.3固定床吸附（1）过程：a.吸附：吸附剂固定在一定容器中，含目的物的液体从容器一端进入，经容器上部液体分布器分布，从另一端流出。b.洗脱：用不同pH水或缓冲液、溶剂洗脱（2）特点a.流出液溶质浓度逐步升高（慢－快），穿透时（浓度最大）停止操作。b.柱效高c.无法处理含颗粒的料液，易堵塞，需要预处理19精选ppt5.3固定床吸附（1）过程：19精选ppt5.4膨胀床吸附（1）方法：

吸附剂固定在一定容器中，通入液体后吸附剂膨胀，含目的物的液体从底端进入，经经容器下端液体分布器分布，流经吸附剂，顶端流出。（2）步骤a.床层稳定膨胀和介质平衡－平衡液吸附剂膨胀，床层分级b.进料吸附－原料液20精选ppt5.4膨胀床吸附（1）方法：20精选ppt

c.洗涤－缓冲液（去固体颗粒及弱吸附杂质）

d.洗脱－洗脱剂

e.再生和清洗a.效率高b.适合含固体颗粒物质的分离c.兼有吸附和固液分离的作用（3）特点21精选pptc.洗涤－缓冲液（去固体颗粒及弱吸附杂质）

d.洗脱－二、离子交换分离法22精选ppt二、离子交换分离法22精选ppt1.离子交换概述1.1定义：

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。23精选ppt1.离子交换概述23精选ppt1.2离子交换树脂的结构

在水溶液中呈不溶解状态，能释放反离子，同时也可与溶液中其它带相反电荷物质结合。如：RSO3Na，DEAE－纤维素（1）基质：具有三维空间立体结构的网络骨架（2）功能基团（或活性基团）：联接在骨架（3）反离子（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）24精选ppt1.2离子交换树脂的结构24精选ppt1.3离子交换的分类1.3.1按活性基团分类，可分为（1）阳离子交换树脂（含酸性基团）强酸性阳离子交换树脂：a.活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）b.pH1－14使用，选择性差弱酸性阳离子交换树脂：a.活性基团有-COOH,-OCH2COOH,C6H5OH等弱酸性基团；b.pH大于7，选择性好25精选ppt1.3离子交换的分类1.3.1按活性基团分类，可分为25精选（2）阴离子交换树脂（含碱性基团）。

强碱性阴离子交换树脂：a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；b.pH1－14，选择性差，应用广泛弱碱性阴离子交换树脂：a.活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；b.pH小于7，选择性好，应用范围窄26精选ppt（2）阴离子交换树脂（含碱性基团）。26精选ppt以上为4种基本类型，可通过转型成其它类型R-SO3-H+

→R-SO3-Na+R-COOH→R-COO-Na+R-NR3+OH-→R-NR3+Cl-R-NH3+OH-→R-NH3+Cl-27精选ppt以上为4种基本类型，可通过转型成其它类型R-SO3-H+类型结构活性机团使用pH值商品号强酸型交联的聚苯乙烯－SO3H（磺酸基）0~14国产#732Amberlite1R-120(美)Dowex50(美)Zerolit225(英)神胶1号（日）弱酸型聚丙烯酸－COOH（羧基）－OH（酚羟基）不能小4不能小于9.5国产#724几种离子交换树脂（1）28精选ppt类型结构活性机团使用pH值商品号强酸型交联的聚苯乙烯－SO3几种离子交换树脂（2）类型结构活性基团使用pH值商品号强碱型交联的聚苯乙烯－N（CH3）3Cl（磺酸基）0~14国产#717国产#201Amberlite1RA-400（410）(美)Dowex50(美)Zerolit225(英)神胶801（日）弱碱型交联的聚苯乙烯－NH（CH3）2OH－NH2（CH3）OH0~7国产#704和#330Amberlite1R-45（410）(美)Dowex3(美)ZerolitH29精选ppt几种离子交换树脂（2）类型结构活性基团使1.3.2新型离子交换树脂大孔离子交换树脂大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换树脂30精选ppt1.3.2新型离子交换树脂大孔离子交换树脂30精选ppt大孔离子交换树脂的优点a.通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现象，从而强化了离子交换的功能；b.减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机污染”现象（大分子不易洗脱）；c.可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。d.常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶剂长链醇（碳4-10）煤油；高分子聚合物聚苯乙烯、聚丙烯酸酯31精选ppt大孔离子交换树脂的优点a.通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了1.3.3其它离子交换树脂类型两性树脂：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.如：国产#401型是属于氨羧基［－N（CH2COOH）2］*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小32精选ppt1.3.3其它离子交换树脂类型两性树脂：同时含有酸、碱两种基主要的多糖基离子交换树脂（1）离子交换纤维素

a.树脂骨架为纤维素，根据活性基团的性质可分为阳离子交换纤维素和阴离子交换纤维素两类b.特点：骨架松散、亲水性强，易吸收大分子；表面积大、交换容量大；吸附力弱、交换和洗脱条件温和；分辨率高c.常用的离子交换纤维素：甲基磺酸纤维素（SM－C）、羧甲基纤维素（CM－C）、二乙基氨基乙基纤维素（DEAE－C）、TEAE－C

33精选ppt主要的多糖基离子交换树脂（1）离子交换纤维素33精选ppt（2）葡聚糖凝胶离子交换树脂a.骨架为葡聚糖凝胶，如sepharose、sephadex，根据功能基团的不同，亦可分为阳离子交换和阴离子交换树脂b.命名方法：交换活性基团+骨架+原骨架编号c.特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功能，提高了分离的效率c.常用的葡聚糖凝胶离子交换树脂：CM-sephadexC-25、DEAE-sephadexA-25等34精选ppt（2）葡聚糖凝胶离子交换树脂34精选pptPS：（1）离子交换树脂：适用于无机离子交换和有机酸、aa、抗生素等小分子的提取、分离（2）蛋白质类生物大分子－多糖基离子交换剂a.亲水性强－提供微环境b.孔径较大－提高实际交换容量c.粒度较小－增加扩散，减小阻力d.电荷密度较低－静电作用小，避免失活；易洗脱35精选pptPS：35精选ppt1.4离子交换树脂的命名方法（1）由3位数字组成a.第一位代表产品的分类b.第二代表骨架c.第三位顺序号d.大孔树脂，前加De.凝胶树脂－要标明交联度36精选ppt1.4离子交换树脂的命名方法（1）由3位数字组成36精选pp

离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号代号分类名称骨架名称0强酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2强碱性酚醛系3弱碱性环氧系4螯合性乙烯哌啶系5两性脲醛系6氧化还原氯乙烯系D101、D201、201×837精选ppt离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号代号分类名称骨1.5离子交换树脂的理化性能外观：球形、浅色为宜，粒度大小为16~60目>90%；机械强度：>90%；含水量：0.3-0.7g/g树脂；交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量或称表观交换容量（在某一条件下）；稳定性：化学稳定性、热稳定性；膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子的性质、介质的性质和浓度、骨架结构；湿真密度：单位体积湿树脂的重量；孔度、孔径、比表面积38精选ppt1.5离子交换树脂的理化性能外观：球形、浅色为宜，粒度大小为2.离子交换分离的理论基础

（1）A+自溶液中扩散到树脂表面（2）A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心（3）A+与RB在活性中心上发生复分解反应（4）解吸附离子B+自树脂内部扩散至树脂表面（5）B+离子从树脂表面扩散到溶液中交换速度的控制步骤是扩散速度，不同的分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制2.1离子交换过程39精选ppt2.离子交换分离的理论基础

（1）A+自溶液中扩散到树脂表面2.2离子交换

离子交换树脂与含离子的溶液接触时，树脂上的反离子A+进入溶液，而溶液中的B+被树脂“吸附”，即“化学吸附”。（1）反应可逆，平衡可迅速达到，且平衡移动遵守质量作用定律。如：B+浓度增加，平衡右移（2）离子交换树脂的选择性－对溶液中不同离子具有不同结合力选择性系数：

40精选ppt2.2离子交换（1）反应可逆，平衡可迅速达到，且平衡移动遵守2.3离子交换的选择性（1）离子交换常数：交换势或交换系数[R-A]、[R-B]表示结合在树脂上的A离子和B离子浓度[A]S、[B]S表示溶液中A离子和B离子越大B越易被交换41精选ppt2.3离子交换的选择性（1）离子交换常数：交换势或交换系数[（2）影响离子交换选择性的因素a.水合离子半径：半径越小，亲和力越大；b.离子化合价：高价离子易于被吸附；c.溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；d.离子强度：越低越好；e.有机溶剂：不利于吸附；f.交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少；g.树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；42精选ppt（2）影响离子交换选择性的因素a.水合离子半径：半径越小，亲对于强酸型阳离子交换树脂，当与金属离子M+接触时:

选择性系数值的大小表示树脂对金属离子M+的亲和力的大小，它与树脂的类型、离子的性质与浓度以及溶液的组成有关。

为什么金属离子(Na+、K+等)可以吸附在H-型强酸型阳离子交换柱上，而后又可以用HCl来再生强酸型阳离子交换柱?43精选ppt对于强酸型阳离子交换树脂，当与金属离子M+接触时:选择性系

实验表明，在常温下，当离子浓度不大时，强酸型阳离子交换树脂树脂亲和力大小有如下一些规律。(1)金属离子的价数增大，亲和力增大。如Na+<Ca2+<Al3+<Th4+(2)离子价数相同时，亲和力大小随着水合离子半径的减少而增大。如1价离子：Li+<H+<Na+<NH4+<K+<Rb+<Cs+<Tl+<Ag+；2价离子：Mg2+<Zn2+<Co2+<Cu2+<Cd2+<Ni2+<Ca2+<Sr2+<Pb2+<Ba2+。44精选ppt实验表明，在常温下，当离子浓度不大时，强酸型阳离子交2.4影响交换速度的因素颗粒大小：愈小越快交联度：交联度小，交换速度快温度：越高越快离子化合价：化合价高，交换越快离子大小：越小越快搅拌速度：在一定程度上，越大越快溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，浓度越大，交换速度越快45精选ppt2.4影响交换速度的因素颗粒大小：愈小越快45精选ppt2.5分离机理（1）选择性吸附（目的物结合力大，杂质结合力小）a.使目的物带上与反离子同类型的电荷且数量大b.使杂质带上与反离子相反的电荷或不带电。如SO3Na（2）分步洗脱a.改变洗脱液的pH，使两性物质的带电情况发生改变b.用高浓度的盐溶液洗脱46精选ppt2.5分离机理（1）选择性吸附（目的物结合力大，杂质结合力小-+OverallchargeonproteinNH3RCOOH+NH3RCOO+-RNH2COO-acidisoelectricpoint alkalineexcesspositivechargebalancedpositiveandnegativechargeexcessnegativechargepH310Titrationcurves47精选ppt-+OverallchargeonproteinNH348精选ppt48精选ppt※两性物质的分离（1）pH＜pI（+）－被阳离子交换树脂吸附；pH＞pI（-）－被阴离子交换树脂吸附（2）若在相同pH条件下，且pH＜pI，pI越高的物质带正电荷越多，越易被阳离子交换树脂吸附；若在相同pH条件下，且pH＞pI，pI越低的物质带负电荷越多，越易被阴离子交换树脂吸附；（3）阳离子交换树脂：用增加pH的缓冲溶液洗脱，洗脱顺序：pI低先流出阴离子交换树脂：用增加pH的缓冲溶液洗脱，洗脱顺序：pI高先流出49精选ppt※两性物质的分离（1）pH＜pI（+）－被阳离子交换树3.离子交换操作方法树脂的选择树脂预处理离子交换吸附洗脱50精选ppt3.离子交换操作方法树脂的选择50精选ppt3.1树脂的选择（1）树脂基本要求：交换容量大、选择性好、物理化学性质稳定、机械强度好等（2）树脂类型的选择①阴、阳离子交换树脂的选择－－被分离物所带的电荷情况及稳定性a.（+）－阳b.（-）－阴如：细胞色素c（pI10.2、酸性条件下稳定）51精选ppt3.1树脂的选择（1）树脂基本要求：51精选ppt

②－目的物酸碱性、树脂离解状态及选择性、洗脱a.目的物具有较强的酸（或碱）性－－选弱碱（酸）性阴（或阳）离子交换树脂b.目的物具有较弱的酸（或碱）性－－选强碱（酸）性阴（或阳）离子交换树脂c.生物样品习惯采用弱性树脂d.强树脂，选择性小，应用广泛；弱树脂，选择性好，应用窄如：赤霉素pk3.8一元弱酸52精选ppt

②－目的物酸碱性、树脂离解状态及选择性、洗脱a.目的物具有③离子交换树脂－反离子的选择

－－取决于结合力、实际需求阳离子－Na+、H+、NH4+；阴离子－Cl-、OH-、一般来说：a.强阳离子交换树脂－Na+、H+

弱阳离子交换树脂－Na+b.强阴离子交换树脂－Cl-、OH-弱阴离子交换树脂－Cl-如：去水中Ca2+链霉素（为一强碱性生物活性药物，pH4-5稳定）－弱阳离子交换树脂－Na+、中性溶液中吸附、酸溶液洗脱53精选ppt③