生物分离与纯化技术(生化工艺)第5章 吸附分离技术
吸附分离技术
化学吸附
化学键力 有选择性 只能形成单分子吸附层 较大，相当于化学反应热，83.7418.7kj/mol 较慢，需要活化能 温度升高，吸附速度增加 化学键大时，吸附不可逆
2、常用的吸附剂
多孔型：活性炭、硅胶、 多孔型 活性炭、硅胶、 活性炭 硅藻土；大网格吸附剂： 硅藻土；大网格吸附剂： 有机高分子材料， 有机高分子材料，如聚苯 乙烯，聚酯。 乙烯，聚酯。
吸附分离技术
韩远龙 生物化工
主要内容
1、基本概念 2、常用的吸附剂 3、吸附平衡理论 4、吸附动力学与传质 5、吸附分离过程
1、基本概念
定义：吸附是利用吸附剂对液体 吸附是利用吸附剂对液体
或气体中某一组分具有选择性 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 吸附的能力，使其富集在吸附 剂表面，再用适当的洗脱剂将 其解吸达到分离纯化的过程。 具有吸附性的物质叫做吸附剂， 具有吸附性的物质叫做吸附剂， 被吸附的物质叫吸附质。 被吸附的物质叫吸附质。 吸附 剂
极性化合物如水、醇、醚、酮、酚、胺、吡啶等能与硅胶表 面的羟基生成氢键，吸附力很强。对极性高的分子如芳香烃 不饱和烃等的吸附能力次之。对饱和烃、环烷烃等只有色散 力的作用，吸附力最弱。 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，同时硅胶也是常用的色谱柱填 充材料。 但是，硅胶的表面的羟基，是硅胶的吸附活性中心。在 200℃以上羟基会脱去，所以硅胶的活化温度应低于200℃。
优点： 优点：
有机溶剂掺入少 操作简便，安全， 操作简便，安全，设备简单 pH变化小，适于稳定性差的物 变化小， 变化小 质
缺点： 缺点：
选择性差 收率低 无机吸附剂性能不稳定 不能连续操作， 不能连续操作，劳动强度大 碳粉等吸附剂有粉尘污染
吸附分离的原理
吸附分离的原理
吸附分离是一种物质分离的常用方法，其原理是通过物质在吸附剂上的不同吸附性质，实现目标物的分离纯化。
吸附剂通常是一种多孔固体材料，具有大量的微观孔隙结构。
这些微孔能够提供大表面积，以增加目标物与吸附剂之间的接触面积。
吸附剂可以选择性地吸附目标物，使其他组分通过，实现目标物的分离。
不同的吸附剂对目标物的选择性吸附是基于物质间的相互作用力。
吸附分离的原理可以归结为两种主要类型：物理吸附和化学吸附。
物理吸附是指目标物与吸附剂之间的非化学吸附，主要通过范德华力、静电力和疏水作用来实现。
物理吸附的主要特点是吸附剂与目标物之间的吸附力较弱，可以通过改变温度和压力等条件来实现目标物的解吸。
化学吸附是指目标物与吸附剂之间发生化学键的吸附，吸附剂与目标物之间形成比较稳定的化学络合物。
化学吸附的主要特点是吸附力较强，不易被改变的外界条件所影响。
在吸附分离的实际应用中，通常需要考虑多种因素，包括吸附剂的选择、操作条件的优化以及吸附剂的再生等。
此外，也可以将不同类型的吸附剂进行组合，以提高分离效果。
总之，吸附分离是一种基于物质在吸附剂上的不同吸附性质实
现目标物分离纯化的方法。
通过选择适当的吸附剂和调节操作条件，可以高效地实现物质的分离纯化。
生物分离工程第五章吸附分离与离子交换
（二）活性炭的吸附机理
(1)物理吸附说 活性炭晶体是由诸多晶面组成的，晶面上碳原
子呈六方形格子排列，每个碳原子以共价键与相邻 的三个碳原子相键合，晶格中形成空穴或空隙，处 于晶体边缘这些空穴或空隙将出现未饱和键，具有 吸附活性。空隙度愈高表面积愈大，其活性点就愈 多，吸附活性将愈大。活性炭的吸附是由于范德华 力引起的物理吸附。
(4) 双电层说
金附氰后络，离 形子 成局[A部u(负CN电)2－区]，在在活静性电炭作微用孔下壁，上矿活浆化中点的吸 正双偶Au离电(在CN子C层)O、M2不、eH+稳产 A2及 u定生及H并定A2Ou进等向3C而的N运等形氧动。成化，离还并子原与偶作AuM用(eC·下NA)u，2－(最C形N终成)2形。双成离电子层，
合物 （4）pH 值的影响 碱性物质 酸性条件吸附 中性条件洗脱
酸性物质碱性条件吸附 中性条件洗脱 （5）温度 未平衡前 随温度升高而增加
（四）活性碳的再生
再生：指在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，用 某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去，以达到 能够重复使用的目的。
1）加热再生法：分为高温再生和低温再生；一般采用高温再生。 脱水（活性炭与液体分离）－干燥（100－150度）－炭化（300
剪切力和界面 张力对成滴作 用影响相反
图4-1 悬浮单体液滴分散过程示意图 在搅拌的剪切力作用下，单体液层分散成液滴。 单体和水界面间存在界面张力。界面张力越大，形成液滴也越大。
在一定搅拌强度和界面张力下，液滴通过一系列分散、 合并过程，构成动平衡，最后达到一定的平均细度。
1.2.3吸附剂的表征
（1）比表面积 单位重量吸附剂的表面积称为比表面积．吸附剂的粒径
第五章吸附分离及离子交换
生物分离与纯化技术(生化工艺)第5章 吸附分离技术
Langmuir吸附等温线
q
q0
q
q0 c K c
qo和K是经验常数，c代表 溶液中溶质浓度
c
影响吸附的主要因素
★ ★
ห้องสมุดไป่ตู้
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
★
吸附溶剂：极性的吸附剂在非极性溶剂中吸附能力更强； 非极性的吸附剂在极性溶剂中吸附能力更强
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
常用的吸附剂
★ 吸附剂通常应具备以下特征：
1. 2. 3. 4. 5. 具有较强的吸附能力（内表面积大） 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。
常用的吸附剂
★ 活性炭
活性炭种类 颗粒大小 表面积 粉末活性炭 颗粒活性炭 小 较小 大 较大 吸附力 吸附量 大 较小 大 较小 洗脱 难 难
锦纶活性炭
大
小
小
小
易
常用的吸附剂
★ 活性炭
活性炭的吸附规律： 活性炭在极性溶剂中吸附作用强；在弱极性溶剂中吸附 作用弱 1. 水>乙醇>丙酮>氯仿 2. 活性炭对极性基团多的物质吸附作用强；对芳香族 化合物吸附强于脂肪族；对大分子吸附作用强于小 分子 3. pH 值的影响： 碱性或中性吸附则在酸性洗脱 酸性或中性吸附则在碱性洗脱
★吸附平衡与吸附等温线
溶液中的溶质被吸附剂表面俘获的同时，一部分被吸 附的溶质会脱离吸附剂回到溶液，即解吸附，当吸附 的速率与解吸附速率达到相等时，吸附剂上的溶质量 不再改变即为吸附平衡。 在一定温度下，达到吸附平衡时，单位质量的吸附剂所 吸附的溶质量仅与溶液浓度有关，吸附量与溶液浓度 的关系称为吸附等温线。
吸附分离技术简述
吸附分离技术简述现代用于混合溶剂的分离方法有：萃取分离、色谱分离、膜分离、离子交换分离和吸附分离。
其中，吸附分离是现代最常用的一种分离方法。
现主要围绕吸附分离做讨论。
吸附作用是指各种气体、蒸气以及溶液里的溶质被吸着在固体或液体物质表面上的作用。
吸附是一个非均相过程。
具有吸附性的物质叫做吸附剂，被吸附的物质叫吸附质。
吸附作用实际是吸附剂对吸附质质点的吸引作用。
吸附剂所以具有吸附性质,是因为分布在表面的质点同内部的质点所处的情况不同。
内部的质点同周围各个方面的相邻的质点都有联系，因而它们之间的一切作用力都互相平衡，而表面上的质点，表面以上的作用力没有达到平衡而保留有自由的力场，借这种力场，物质的表面层就能够把同它接触的液体或气体的质点吸住。
一、物理吸附与化学吸附吸附作用可分为物理吸附和化学吸附。
物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起，此力也称作范德华力。
吸附剂表面的分子由于作用力没有平衡而保留有自由的力场来吸引吸附质，由于它是分子间的吸力所引起的吸附，所以结合力较弱，吸附热较小，吸附和解吸速度也都较快。
被吸附物质也较容易解吸出来，所以物理吸附是可逆的。
如：活性炭对许多气体的吸附，被吸附的气体很容易解脱出来而不发生性质上的变化。
化学吸附则以类似于化学键力的相互吸引，其吸附热较大。
例如，许多催化剂对气体的吸附如：镍对氢气的吸附就属于这一类。
被吸附的气体往往需要在很高的温度下才能解脱，而且在性状上有变化。
所以化学吸附大都是不可逆过程。
同一物质，可能在低温下进行物理吸附而在高温下为化学吸附，或者两者同时进行。
吸附作用的大小跟吸附剂的性质和表面的大小、吸附质的性质和浓度的大小、温度的高低等密切相关。
如活性炭的表面积很大，吸附作用强；活性炭易吸附沸点高的气体，难吸附沸点低的气体。
二、脱附吸附的逆过程就是脱附，脱附就是吸附剂的再生。
现工艺上常用的脱附方法有：○1降低压力：使气相压力小于吸附剂表面的压力，那样吸附在吸附剂表面的气体就会因压差逸出吸附剂。
吸附分离技术
教学目标和要求：通过教学，了解吸附分离的概念、原理、影响因素，理解各种吸附剂的吸附原理和选择依据。
了解离子交换树脂的结构、分类、性能和应用，多糖离子交换剂的类型、特点；掌握离子交换的分离原理、操作方法。
第五章吸附分离技术一、吸附分离技术概论1.吸附：是指物质从气体或液体浓缩到固体表面从而达到分离的过程。
2.吸附的机理3.吸附技术的应用（1 ）在食品的应用a •工业糖液的脱色、脱臭；b •制氮用于果蔬的储藏：是当前世界上一项先进技术。
原理是果蔬在高氮低氧环境下，呼吸作用被抑制，新陈代谢减缓从而大大延缓腐烂过程。
可使果蔬保持原有营养成分，接近采摘的新鲜状态。
蒜苗储存3个月出库时仍新鲜饱满，无萎烂现象。
胚还可用于酿造啤酒时的密封及压送啤酒。
与先用的CO比，因在啤酒中溶解度小而可提高啤酒质量。
（2）在空气净化上的应用a.空气干燥：空气中通常含有一定水分，而这种水分在很多场合是有害的，必须被除去。
吸附法是除去空气中水分最常用的方法之一。
硅胶和活性氧化铝是通用的干燥剂。
b .脱除无机污染物：工业生产中产生大量的CQ SO和NQ等酸性有害气体，它们会引起温室效应、酸雨等现彖，破坏地球和人们的生活环境。
随着工业化发展，这些气体的危害程度越来越大，因此人们在致力于开发各种方法来治理这些有害气体。
其中吸附分离的方法是有效的治理方法之-o活性炭一SO;分子筛、硅胶、活性炭一N0x＞通入热空气（空气与蒸汽的混合物）可回收。
c •天然气：为了使天然气能够达到客输标准，必须将其屮的水分含量降低至一定水平。
d .化学工业：制氧、制氮提纯CO CQ （重要化工原料）等。
*C0用于拨基合成醋酸、醋肝、甲酸等的生产，也用于电子工业。
CO是一种用途十分广泛的需求量很大的重要化工产品。
约40%用作生产尿素、甲醇、水杨酸等化工产品的原料，35%用于提高石油采收率，10%用于制冷，5%用于碳酸饮料碳酸化，其它占10% （超临界流体萃取）。
中药化学 第五章 色谱分离技术-吸附色谱、聚酰胺
（二）吸附柱色谱操作技术
操作步骤
色谱柱的选择 内径与柱长比：1：10～1：20
装柱 上样 洗脱检查
1、装柱
干法装柱：直接用小漏斗将吸附剂均匀装入柱内的方法。 湿法装柱：将吸附剂装入盛有洗脱液的柱内，或将吸附剂 与洗脱液混合成混悬液再装入柱中，吸附剂慢慢沉降。
二、吸附色谱基本构成要素
吸附剂（固定相） 展开剂（流动相、移动相） 被分离的成分
（一）吸附剂
1、基本要求 一般来说，吸附剂要有较大的表面积和适宜
的活性，与移动相溶剂及被分离各成分不起化学 反应、颗粒均匀，并且在所用各种溶剂中不溶解。
2、种类 极性吸附剂：氧化铝、硅胶、聚酰胺、氧化镁、 硅酸镁、碳酸钙和硅藻土等。 非极性吸附剂：活性炭
2、种类 亲脂性有机溶剂：石油醚、环己烷、四氯化碳、苯、 甲苯、乙醚、氯仿、乙酸乙酯、正丁醇等。 亲水性有机溶剂：丙酮、乙醇、甲醇等。 极性吸附能力的大小与选择展开剂的极性 和被分离成分的极性大小有关。
一般来说，当选用常用的硅胶或氧化铝这类极性 吸附剂时，展开剂的极性越大，解吸附能力越强， 否则越弱。
色谱分离技术按色谱原理分吸附色谱分配色谱离子交换色谱凝胶色谱色谱分离技术按操作形式分平面色谱tlcpc柱色谱毛细管电泳色谱色谱分离技术按流动相分液相色谱hplc气相色谱gc超临界流体色谱sfc二分类由于色谱法具有强大的分离能力众多的分离模式和灵活的检测手段因而被广泛用于化工医药生化和环境保护等领域尤其对中药化学成分的分离精制定性和定量检测等方面行之有效
影响聚酰胺吸附能力的主要因素如下：
1. 形成氢键的能力与溶剂有关。一般聚酰胺在水中 与化合物形成氢键的能力最强，在有机溶剂中较弱， 在碱性溶剂中最弱。因此溶剂对聚酰胺的洗脱能力 的次序为： 水〈甲醇或乙醇〈丙酮〈稀氢氧化钠溶液或稀氨水 〈甲酰胺或二甲基甲酰胺。
生物分离工程 吸附分离技术与理论
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固定床吸附操作
-吸附过程
吸附塔内填充着活性炭等吸 附剂或者离子交换剂。 当料液连续输入吸附塔中， 溶质被吸附剂吸附。 从吸附塔人口开始，吸附剂 的吸附质浓度不断上升，其 饱和（最大）吸附浓度q0与入 口料液浓度c0相平衡，即当吸 附塔内溶质的吸附接近 饱和时，溶质开始从塔中流出，出口处溶质浓度升高，最后达 到入口料液浓度，即吸附达到完全饱和。
具有一定粒径和/或密度分布的吸附剂
在液体流速的分级作用下，大粒径或高密度吸附剂 分布于床层底部，而小粒径/低密度的介质分布于床 层的顶部，从而在床层内形成稳定的吸附剂的分布
磁性粒子
在外部磁场作用下，磁性粒子呈现稳定的膨胀状态。 但其设备复杂，电磁场产生大量的热，磁性粒子稳 定性差
膨胀床吸附操作-膨胀床结构
常用的吸附剂
活性炭，硅胶，金附性能的参数
比表面积、孔径
活 性 炭
活性炭种类 粉末活性炭 颗粒活性炭 颗粒大小 小 较小 表面积 大 较大 吸附力 吸附量 大 较小 大 较小 洗脱 难 难
锦纶活性炭
大
小
小
小
易
活性炭对物质的吸附规律
活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于 有机溶剂中的吸附能力。 针对不同的物质，活性炭的吸附规律遵循以下规律：
固定床吸附操作
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吸附的操作方式
★ 搅拌罐吸附：包括分批吸附和连续吸附
特点：吸附剂与料液接触充分； 传质速度快，达到吸附平衡用时少； 难吸附完全； 吸附剂易受到搅拌浆破坏
吸附的操作方式
料液出口
★ 固定床吸附： 固定床吸附器是由圆柱形容器、 在内部支撑的格板或多孔 板上、吸附剂构成得吸附 操作设备。 优点：结构简单，造价低， 吸附剂磨损少； 缺点：间歇操作，吸附和 再生两过程必须周期性更 换，需要较高得操作压力，对 含有固体颗粒的料液处理时需 预处理，操作十分麻烦。
★吸附平衡与吸附等温线
溶液中的溶质被吸附剂表面俘获的同时，一部分被吸 附的溶质会脱离吸附剂回到溶液，即解吸附，当吸附 的速率与解吸附速率达到相等时，吸附剂上的溶质量 不再改变即为吸附平衡。 在一定温度下，达到吸附平衡时，单位质量的吸附剂所 吸附的溶质量仅与溶液浓度有关，吸附量与溶液浓度 的关系称为吸附等温线。
料液进口
★膨胀床吸附 膨胀床与固定床不同指出 之处在与膨胀床存在升降 板，可根据料液流速或压 力调节升降板高度，从而 调节吸附剂之间的间隙 优点：可以直接对含有固 体颗粒的料液进行处理
料液出口
升降板
料液进口
常用的吸附剂
★ 活性炭
活性炭是一种吸 附能力很强的吸 附剂，容易吸附 气体造成活性炭 “中毒”，使用 前需要活化，即 在160℃下烘干 4～5h（锦纶活 性炭在120℃烘 干） 粉末活性炭
锦纶活性炭
常用的吸附剂
★ 硅胶
硅胶是应用最广泛的一种极性吸附剂，主要 优点：化学惰性，具有较大的吸附量，廉价易 得，可用于生物碱、酸性化合物、磷脂类、脂 肪类、氨基酸的吸附分离 1. 硅胶的吸附能力：硅胶为极性吸附剂，在非极 性溶剂中吸附能力强，对极性物质吸附较强， 硅胶的吸附能力受其含水量的影响
Langmuir吸附等温线
q
q0
q
q0 c K c
qo和K是经验常数，c代表 溶液中溶质浓度
c
影响吸附的主质：对表面张力的影响，溶解度，极性，相对 分子量
★
吸附溶剂：极性的吸附剂在非极性溶剂中吸附能力更强； 非极性的吸附剂在极性溶剂中吸附能力更强
常用的吸附剂
★ 大网格聚合物吸附剂 （大孔树脂） 优点 （1） 选择性好 （2） 解吸容易 （3） 机械强度好 （4） 流体阻力小 （5） 反复使 用 （6） 可适用于各种产品
常用的吸附剂
★ 大网格聚合物吸附剂（大孔树脂） 吸附规律：同前 解吸： ① 低级醇、酮或水溶液解吸 原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间 的相互作用力 ② 碱解吸附 原理：成盐，主要针对弱酸性溶质 ③ 酸解吸附——原理同上
☆ 应用：广泛应用于生物、制药、食品、化工、
环保等
★吸附的类型： • 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。 极性吸附剂通常对极性物质的吸附作用较强；非 极性吸附剂通常对非极性物质的吸附作用较强 • 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：吸附剂通过静电作用从溶液中吸附离 子，同时释放出等当量的离子到溶液中。
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
常用的吸附剂
★ 吸附剂通常应具备以下特征：
1. 2. 3. 4. 5. 具有较强的吸附能力（内表面积大） 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。
常用的吸附剂
★ 活性炭
活性炭种类 颗粒大小 表面积 粉末活性炭 颗粒活性炭 小 较小 大 较大 吸附力 吸附量 大 较小 大 较小 洗脱 难 难
第5章 吸附分离技术
本章重点： 吸附的类型有哪些？ 常用的吸附剂种类有哪些？ 影响吸附过程的因素有哪些？ 常用的吸附单元操作有哪些方式？
概述
★ 吸附:溶液中的成分通过分子间作用 力或氢键结合到固体表面的过程。
☆ 特点：
浓缩倍数高，适合从含量极低溶液中富集溶质； 有机溶剂用量少；pH变化小；操作简便、安 全、设备简单等
常用的吸附剂
★ 硅胶 2. 硅胶的活化：硅胶表面带有大量的羟基，有很 强的亲水性，能吸附大量水分，导致吸附能力 下降。使用前通常在105℃活化1～2h，活化的 硅胶马上使用，不宜长期放置。 3. 硅胶的再生：1％的NaOH水溶液回流30min，再 用蒸馏水清洗3次，5％乙酸回流30min，再用 蒸馏水洗至中性，最后烘干活化
锦纶活性炭
大
小
小
小
易
常用的吸附剂
★ 活性炭
活性炭的吸附规律： 活性炭在极性溶剂中吸附作用强；在弱极性溶剂中吸附 作用弱 1. 水>乙醇>丙酮>氯仿 2. 活性炭对极性基团多的物质吸附作用强；对芳香族 化合物吸附强于脂肪族；对大分子吸附作用强于小 分子 3. pH 值的影响： 碱性或中性吸附则在酸性洗脱 酸性或中性吸附则在碱性洗脱