吸附與交換的基本原理

1、第六講 吸附與離子交換6學時一、通過本章學習應掌握的問題1、什么是吸附過程？2、吸附的類型有哪些？它們是如何劃分的？3、常用的吸附劑種類有哪些？4、什么是吸附等溫線？其意義何在？5、影響吸附過程的因素有哪些？6、什么是親和吸附？其特點有哪些？7、常用的吸附單元操作有哪些方式？8、什么是離子交換？9、離子交換樹脂的分類？其主要的理化性質有哪些？10、離子交換的機理是什么？11、什么是離子交換的選擇性？其選擇性受哪些因素影響？12、基本的離子交換操作是怎樣的？13、如何利用離子交換法分離蛋白質？二、什么是吸附？（Adsorption）1、吸附是利用吸附劑對液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，

2、使其富集在吸附劑表面的過程。2、吸附過程通常包括：待分離料液與吸附劑混合、吸附質被吸附到吸附劑表面、料液流出、吸附質解吸回收等四個過程。三、常見的吸附類型及其主要特點1、物理吸附： 吸附作用力為分子間引力、無選擇性、無需高活化能、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。2、化學吸附：吸附作用力為化學鍵合力，需要高活化能、只能以單分子層吸附，選擇性強、吸附和解吸附速度較慢。四、常用吸附劑種類吸附劑通常應具備以下特征：對被分離的物質具有較強的吸附能力、有較高的吸附選擇性、機械強度高、再生容易、性能穩(wěn)定、價格低廉。1、活性炭：是非極性吸附劑，因此在水中吸附能力大于有機溶劑中的吸附能

3、力針對不同的物質，活性炭的吸附規(guī)律遵循以下規(guī)律：（1）對極性基團多的化合物的吸附力大于極性基團少的化合物（2）對芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物;（3）對相對分子量大的化合物的吸附力大于相對分子量小的化合物;（4）pH值的影響 堿性 中性吸附 酸性洗脫; 酸性 中性吸附 堿性洗脫;（5）溫度 未平衡前 隨溫度升高而增加;2、大孔網狀吸附劑特點：脫色去臭效果理想；對有機物具有良好的選擇性；物化性質穩(wěn)定；機械強度好；吸附速度快；解吸、再生容易。但價格昂貴，吸附效果易受流速以及溶質濃度等因素的影響。大孔網狀吸附樹脂的種類：（1）非極性吸附樹脂：苯乙烯交聯而成，交聯劑為二乙烯苯，又稱芳香族吸附劑

4、。（2）中等極性吸附樹脂：甲基丙烯酸酯交聯而成，交聯劑亦為甲基丙烯酸酯，故又稱脂肪族吸附劑。（3）極性吸附劑：丙烯酰胺或亞砜經聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基團。吸附機理：非離子型共聚物，借助于范德華力從溶液中吸附各種有機物，其吸附能力與樹脂的化學結構、物理性能以及與溶質、溶劑的性質有關。通常遵循以下規(guī)律：（1）非極性吸附劑可從極性溶劑中吸附非極性溶質；（2）極性吸附劑可從非極性溶劑中吸附極性物質；（3）中等極性吸附劑兼有以上兩種能力四、吸附等溫線概念：當溫度一定時，吸附量與濃度之間的函數關系稱為吸附等溫線。Langmuir吸附等溫線qo和K是經驗常數，c代表溶液中溶質濃度蛋白質分離提純

5、時適合此吸附方程五、影響吸附的主要因素1、吸附劑的性質：比表面積、粒度大小、極性2、吸附質的性質：對表面張力的影響，溶解度，極性，相對分子量3、溫度：吸附是放熱過程，吸附質的穩(wěn)定性4、溶液pH值：影響吸附質的解離5、鹽濃度：影響復雜，要視具體情況而定六、親和吸附1、親和吸附分離是利用溶質和吸附劑之間特殊的化學作用，從而實現分離。吸附劑由載體和配位體組成2、親和吸附的特點（a）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。（b）分離精度高：可用于分離含量極低，結構相近的化合物（c）但通用性較差，洗脫條件苛刻3、影響親和吸附的因素（1）配基濃度 配基濃度高有利；（2）空間位阻

6、加入“手臂鏈”以降低空間位阻的影響；（3）配基與載體的結合位點 就蛋白質等大分子作為配基時，與載體連接的鍵越少越好；（4）載體孔徑：孔道大??；（5）微環(huán)境：載體或“手臂鏈”的極性、電性；七、離子交換(ion exchange) 1、概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據其電荷差異，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質從樹脂上洗脫下來，達到分離的目的。2、離子交換樹脂的構成（1）具有三維空間離體結構的網絡骨架（2）聯接在骨架上的活性基團（3）活性基團所帶的相反電荷的活性離子（可交換離子）3、離子交換的分類按活性基團分類，可分為陽離子交換樹脂(cation e

7、xchange)（含酸性基團）和陰離子交換樹脂(anion exchange)（含堿性基團）。具體又可以分為：強陽、弱陽和強陰、弱陰4、常用的離子交換樹脂（1）強酸性陽離子交換樹脂：活性基團是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；（2）弱酸性陽離子交換樹脂：活性基團有-COOH，-OCH2COOH，C6H5OH等弱酸性基團；（3）強堿性陰離子交換樹脂：活性基團為季銨基團，如三甲胺基或二甲基-羥基乙基胺基；（4）弱堿性陰離子交換樹脂：活性基團為伯胺或仲胺，堿性較弱；5、新型離子交換樹脂（1）大孔離子交換樹脂大孔離子交換樹脂具有和大孔吸附劑相同的骨架結構，在大孔吸附劑合成后（加入

8、致孔劑），再引入化學功能基團，便可得到大孔離子交換樹脂。（2）多糖基離子交換樹脂固相載體為多糖類物質，親水性強、交換空間大、對生物大分子物致變性作用主要的多糖基離子交換樹脂（a）離子交換纖維素樹脂骨架為纖維素，根據活性基團的性質可分為陽離子交換纖維素和陰離子交換纖維素兩類。特點：骨架松散、親水性強、表面積大、交換容量大、吸附力弱、交換和洗脫條件溫和、分辨率高常用的離子交換纖維素有：甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素（CMC）、二乙基氨基乙基纖維素（DEAE）（b）葡聚糖凝膠離子交換樹脂骨架為葡聚糖凝膠，如sepharose、sephadex，根據功能基團的不同，亦可分為陽離子交換和陰離子交換樹脂命名

9、方法：交換活性基團+骨架+原骨架編號特點：除了具有離子交換功能以外，兼有分子篩的功能，提高了分離的效率常用的葡聚糖凝膠離子交換樹脂：CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等6、離子交換樹脂的理化性能（1）外觀：球形、淺色為宜，粒度大小為1660目90%；（2）機械強度：90%；（3）含水量：0.30.7g/g 樹脂；（4）交換容量：重量交換容量、體積交換容量、工作交換容量或稱表觀交換容量（在某一條件下）；（5）穩(wěn)定性：化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性；（6）膨脹度：交聯度、活性基團的性質與數量、活性離子的性質、介質的性質和濃度、骨架結構；（7）濕真密度：單位體積濕樹脂的重量

10、；（8）孔度、孔徑、比表面積A+自溶液中擴散到樹脂表面A+從樹脂表面進入樹脂內部的活性中心A+與RB在活性中心上發(fā)生復分解反應解吸附離子B+自樹脂內部擴散至樹脂表面B+離子從樹脂表面擴散到溶液中交換速度的控制步驟是擴散速度，不同的分離體系可能由內部擴散或外部擴散控制7、離子交換機理8、影響交換速度的因素（1）顆粒大?。河≡娇欤?）交聯度：交聯度小，交換速度快（3）溫度：越高越快（4）離子化合價：化合價與高，交換越快（5）離子大小：越小越快（6）攪拌速度：在一定程度上，越大越快（7）溶液濃度：當交換速度為外擴散控制時， 濃度越大，交換速度越快9、離子交換的選擇性離子交換常數：交換勢或交換系數R

11、-A、R-B表示結合在樹脂上的A離子和B離子濃度AS、BS表示溶液中A離子和B離子10、影響離子交換選擇性的因素（1）水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；（2）離子化合價：高價離子易于被吸附；（3）溶液pH：影響交換基團和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；（4）離子強度：越低越好；（5）有機溶劑：不利于吸附；（6）交聯度、膨脹度、分子篩：交聯度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯度小，膨脹度大，吸附量減少； （7）樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力；11、離子交換操作方法（1） 樹脂預處理物理處理：水洗、過篩，去雜，以獲得粒度均勻的樹脂顆粒；化學處理：轉型（氫型或鈉

12、型）陽離子樹脂 酸堿酸陰離子樹脂 堿酸堿最后以去離子水或緩沖液平衡（2） 離子交換吸附靜態(tài)：操作簡單、但是分批操作，交換不完全動態(tài)：離子交換柱，操作連續(xù)、交換完全，適宜多組份分離柱式固定床（3） 洗脫離子交換完成后，將樹脂吸附的物質重新轉入溶液的方法洗脫方法（a）改變溶液pH值（b）改變溶液離子強度（4）再生是指是離子交換樹脂重新具有交換能力的過程酸性陽離子樹脂 酸-堿-酸-緩沖溶液淋洗堿性陰離子樹脂 堿-酸-堿-緩沖溶液淋洗方式有：順流再生和逆流再生八、離子交換應用實例（離子交換法提取蛋白質）1、 蛋白質的結構特點（1） 多肽鏈（2） 電荷分布不均勻（3） 疏水性（4） 不同的蛋白質具有不同的表面電荷分布2、 pH值對蛋白質荷電情況的影響3、 蛋白質的滴定曲線不同的蛋白質由于其氨基酸組成的差異，具有不同的等電點（pI），當溶液（環(huán)境）pH值低于其pI時，蛋白質帶正電荷，而當環(huán)境pH值高于其等電點時，蛋白質帶負電荷，且偏離等電點越多，其所帶電荷越多；4、 緩沖液pH的選擇離子交換是依據不同蛋白質荷電性質以及大小差異進行分離的，因此緩沖液的選擇將直接影響