第七章吸附与离子交换

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1、 第第7章章 吸附与离子交换吸附与离子交换原料液原料液细胞分离细胞分离( (离心，过滤离心，过滤) )细胞胞内产物细胞胞内产物路线一路线一路线二路线二细胞破碎细胞破碎碎片分离碎片分离路线一路线一A A路线一路线一B B清液胞外产物清液胞外产物粗分离粗分离( (盐析、萃取、超过滤等盐析、萃取、超过滤等) )纯化纯化( (层析、电泳层析、电泳) )脱盐脱盐( (凝胶过滤、超过滤凝胶过滤、超过滤) )浓缩浓缩( (超过滤超过滤) )精制精制( (结晶、干燥结晶、干燥) )包含体包含体溶解溶解( (加盐酸胍、脲加盐酸胍、脲) )复性复性生化分离过程的一般流程生化分离过程的一般流程：7. 吸附与离子交换

2、吸附与离子交换7.1概述概述7.2吸附过程的理论基础吸附过程的理论基础7.3分批与连续吸附分批与连续吸附 7.4固定床吸附和膨胀床吸附固定床吸附和膨胀床吸附 7.5离子交换吸附离子交换吸附 7.6离子交换吸附的应用离子交换吸附的应用7.7其他类型的吸附其他类型的吸附 7.1概述概述7.1.1什么叫吸附什么叫吸附 吸附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。 吸附过程通常包括：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。Step1Step2Step3S7.1.2吸附的类型吸附的类型（1

3、）物理吸附： 由吸附质与吸附剂之间的分子间引力即范德华力所引起。放热，可逆，单分子层或多分子层，选择性差。（2）化学吸附： 由吸附质与吸附剂间的化学键所引起，是吸附剂表面活性点与溶质之间发生化学结合、产生电子转移的现象。放热量大，单分子层，选择性强。（3）离子交换吸附： 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，从而达到分离的目的。吸附剂吸附后同时放出等当量的离子到溶液中。备注：a. 大，对化学键的形成与破裂同化学反应相似； b. 任何表面上均能吸附各种吸附质，整个表面吸附情况相同； c. 在吸附剂表

4、面，存在有比一般吸附量更多的吸附点； d. 很快达到平衡； e. 只依赖于吸附质的物理化学特性； f. 依赖于吸附质和吸附剂的物理化学特性。表表7-1 物理吸附与化学吸附的比较物理吸附与化学吸附的比较物理吸附力的本质物理吸附力的本质 A A 定向力定向力 极性分子的永久偶极静电力极性分子的永久偶极静电力 B B 诱导力诱导力 极性分子与非极性分子之间的吸引力极性分子与非极性分子之间的吸引力 C C 色散力色散力 非极性分子之间的引力（瞬间偶极）非极性分子之间的引力（瞬间偶极） D D 氢键力氢键力 介于库仑引力与范德华引力之间的特殊分介于库仑引力与范德华引力之间的特殊分 子间定向作用力子间定向

5、作用力范德华力（1）处理能力较小；）处理能力较小；（2）吸附过程对溶质的作用较小；）吸附过程对溶质的作用较小；（3）可直接从发酵液中分离所需的产物；）可直接从发酵液中分离所需的产物；（4）溶质和吸附剂之间的平衡关系通常是非线性关系。）溶质和吸附剂之间的平衡关系通常是非线性关系。7.1.3吸附的特点吸附的特点7.1.4吸附剂与离子交换剂吸附剂与离子交换剂 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。表表7-2 生化分离中常用的多孔吸附剂生化分离中常用的多孔吸附剂表表7-3 三种活性炭相关项目的比较三种活性炭相关项目的比较图图7-1 粉末

6、活性炭和锦纶活性炭的构造粉末活性炭和锦纶活性炭的构造图图7-2 打孔网状吸附剂的微观结构打孔网状吸附剂的微观结构表表7-4 主要离子交换基团及其结构主要离子交换基团及其结构(1)表表7-4 主要离子交换基团及其结构主要离子交换基团及其结构(2)表表7-5 部分市售离子交换剂的离子交换容量和蛋白质的离子交换容量部分市售离子交换剂的离子交换容量和蛋白质的离子交换容量 v 交联度数值交联度数值顺序号顺序号骨架代号骨架代号分类代号分类代号分类代号分类代号顺序号顺序号骨架代号骨架代号大孔型代号大孔型代号0017：强酸性强酸性苯乙烯系苯乙烯系交联度为交联度为%顺序号为顺序号为0017交联度为交联度为7%的

7、苯乙烯的苯乙烯系凝胶型强酸性阳离子交换树脂系凝胶型强酸性阳离子交换树脂315：大孔型丙烯酸弱碱大孔型丙烯酸弱碱 性阴离子交换树脂性阴离子交换树脂大孔型大孔型凝胶型凝胶型 离子交换树脂命名法代号表离子交换树脂命名法代号表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螯合性乙烯吡啶系5两性脲醛系6氧化还原性氯乙烯系（1）颗粒度）颗粒度机械筛分（2）含水量）含水量105110下干燥（3）膨胀度）膨胀度 K膨胀=前体积/后体积（4）交换容量）交换容量 全交换容量是指一价离子mmol/g干树脂或mmol/V湿树脂； 工作容量是指漏出点时的交换容量。（5）滴定曲线）

8、滴定曲线（见图7-3） 静态下交换反应，平衡后测定溶液pH值，绘制成 的曲线。用滴定曲线估算交换容量；推算交换基团的 数目。7-7.2吸附过程的理论基础吸附过程的理论基础7.2.1吸附原理吸附原理固体的分类固体的分类：多孔和非多孔性比表面的组成比表面的组成：多孔性固体的比表面是由“外表面”和“内表面”所组成。表面积大并且有较高的吸附势。表面力的产生和吸附力的关系表面力的产生和吸附力的关系：见图7-4 界面分子的力场是不饱和的，能从外界吸附分子、原子、或离子，形成多分子层或单分子层。吸附过程中的几个名词吸附过程中的几个名词： 吸附作用 吸附剂 吸附物（质） 界面图图7-4 界面分子的内部分子所受

9、的力界面分子的内部分子所受的力吸附平衡：吸附平衡：溶质在液-固两相中的含量各达到一定值，即互呈平衡。7.2.2吸附平衡与吸附等温线吸附平衡与吸附等温线吸附等温线：吸附等温线：定义定义：在恒定温度下，当溶质在液固两相间达到吸附平衡 时，吸附剂上吸附的吸附质量与液相中游离溶质浓 度C*关系曲线。是一种函数关系，是吸附平衡的表 达方法。用处：用处：确定吸附量；推断吸附剂结构；吸附热的理 化性质。等温线的类型等温线的类型（见图7-5）直线型的吸附等温线（Henry等温线） 表达式 q* = mC*，m为分配系数。此等温线不常见，一般在低浓度范围低浓度范围内成立。但可在一定范围内近似其它等温线，使其计算

10、简化。弗罗因德利希(Freundlich)等温线 经验公式： q* = kC*1/n 其对数形式是： lgq* = lgk + n-1lgC* 式中：q*单位质量吸附剂上吸附的吸附质量；C*吸附质的平衡 浓度；k和n经验参数，它们可从双对数座标图上曲线的截 距和斜率来求得。是一种经验公式。兰格缪尔(Langmuir) 等温线 A：表达式：或 Kd吸附平衡的解离常数；Kb结合常数； Kd =1/ Kb 。 将q*-1对c-1作图，其截距是qmax-1，斜率是kb/qmax 。B：讨论： a：c值高时，kbc*1，则饱和。 b：c值低时，kbc*1，被吸附的吸附质的量与吸附质 的平衡浓度呈线性关系

11、。C：Langmuir等温线是单分子层吸附。矩形吸附等温线*max*dqcqKc*max*1bbqK cqK 7-7.2.3离子交换平衡及等温线离子交换平衡及等温线（1）离子交换平衡）离子交换平衡 道南平衡道南平衡：若以离子交换树脂为吸附剂，与溶液中溶质 建立的吸附平衡（静电力）称道南平衡。 例：RSO3-Na+树脂放在NaCl溶液中形成两相 有机网状骨架上固定离子不能透 过固液界面外； Na+和Cl-可透过界面自由扩散； 扩散进行到界面两边电解质的化 学位相等时达到道南平衡道南平衡。 道南平衡导致树脂内对同离子的 部分排斥，这个现象产生了离子 交换和树脂的选择性，同时成为 离子排斥法的理论基