大学吸附及离子交换技术

为了获得满意的分离结果，若峰与峰之间有重叠，宜降低 洗脱剂的强度，若峰间距离过大，或某些成分不能洗脱时， 宜加大洗脱剂的强度(极性)，成分复杂时，可采用洗脱剂由 弱到强的梯度洗脱(方法见离子交换层析)。
工业上的操作。
1) 分批操作法：静态操作法
2) 固定床操作法：动态操作法
固定床：固体物通 常呈颗粒状，堆积 成一定高度（或厚 度）的床层。床层 静止不动，流体通 过床层进行反应。 它与流化床反应器 及移动床反应器的 区别在于固体颗粒 处于静止状态。
不同的物质由于吸附力和解吸力不同 ，移动速度也不同。吸 附力弱而解吸力强的物质，移动速度就较快。经过适当的时间以后， 不同的物质各自形成区带，如果被分离的是有色物质的话，就可以 清楚地看到色带(色层)。
如果被吸附的物质没有颜色，可用适当的显色剂或紫外光观察 定位，也可用溶剂将被吸附物从吸附柱洗脱出来,再用适当的显色 剂或紫外光检测，以洗脱液体积对被洗脱物质浓度作图，可得到洗 脱曲线。
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
区别： 介质不同： 离交法－离交树脂，骨架上接有离子交换基团，利用表面层
和孔隙中离子基团起作用； 吸附法－吸附树脂，无离交基团（称白球），利用外表面和
孔隙内表面分子起作用。 机理不同： 离交法－离子间静电引力吸附，要求树脂和物质的电离度α↑ 吸附法－分子间范德华引力吸附，要求物质的电离度α↓
模拟移动床（SMB）
蛋白质离子交换分离的基本步骤
四．硅胶
• 硅胶是应用很广的一种极性吸附剂。是具有硅氧交联结构， 表面有许多硅醇基的多孔性微粒。硅醇基可与极性化合物
或不饱和化合物形成氢键而使硅胶具较强的吸附力。
• 主要优点是化学惰性，具有较大的吸附量，易制备不同类 型的多孔硅胶，一般以SiO2.xH2O通式表示。
• 硅胶的活性与含水量有关：含水量高则吸附力减弱。当游 离水含量17%以上时，吸附能力极低，可作为分配色谱载
大孔吸附树脂的应用
1 生化制药方面的应用
• 抗生素分离纯化（再生容易、产品灰分少）：β内酰胺类、大环内酯类、氨基糖苷类、肽类、博 莱霉素类、含氮杂环类及其他新抗生素 • 维生素的提取纯化： VB12，VB2，VC •天然产物的分离：生物碱，黄酮，多糖，苷类 、 红景天甙等 •生化药物：酶, 氨基酸, 蛋白质, 肽,甾体
吸附力的本质
• 吸附质和吸附剂之间的作用力：
• 范德华力： 定向力:极性分子之间静电力.由极性分子的永久 偶极距产生. 诱导力：极性与非极性之间引力.极性分子产生的 电场作用会诱导非极性分子极化,产生诱导偶极 距. 色散力：非极性分子之间引力.瞬时偶极距.
影响吸附因素
• 吸附剂性质： – 吸附容量（a 比表面，b 空隙度） – 吸附速度（a 粒度，b 孔径分布） – 机械强度（使用寿命）
•配基浓度 配基浓度高有利； •空间位阻 加入“手臂链”以降低空间位阻的影 响； •配基与载体的结合位点 就蛋白质等大分子作为 配基时，与载体连接的键越少越好； • 载体孔径：孔道大小； • 微环境：载体或“手臂链”的极性、电性；
离子交换(ion exchange)
• 根据某些溶质能解离为阳离子或阴离子的特性，利用离子交换剂与不同离子结合力强弱的差异，将溶质 暂时交换到离子交换剂上，然后用合适的洗脱剂或再生剂将溶质离子交换下来，使溶质从原溶液中分离、 浓缩或提纯的操作技术。
吸附及离子交换技术
吸附法的特点：
① 操作简便、设备简单，成本低 ② 处理能力低 ③ 不用或少用有机溶剂（这一点在蛋白质分离
中特别重要） ④ 选择性低、收率低、不适合连续操作，实验
的工作量较大。
优点：
✓ ✓ ✓
有机溶剂掺入少 操作简便，安全，设备简单 pH变化小，适于稳定性差的物质
缺点：
✓ ✓ ✓ ✓ ✓
吸附柱层析成败的关键是选择合适的吸附剂、洗脱剂和操作方式。
(二) 洗脱涤的选择
洗脱剂指的是溶解被吸附样品的溶剂。合适的洗脱剂应 符合下列条件：
①纯度较高； ②稳定性好； ③能较完全洗脱所分离的成分； ④黏度小； ⑤易和所需要的成分分开。
在实践中，选择洗脱剂的顺序是由极性小到极性大(正 向层析)。当把极性小的洗脱剂换成极性大的时，宜先将极 性大的和极性小的洗脱剂混合使用，浓度则由低到高。总之， 选用洗脱剂的原则是能较完全地洗脱所要分离的成分，并力 求用量少、洗脱时间短。
氧化铝的活性与其含水量有很大的关系。水分会掩盖活性 中心，故含水量愈高，活性愈低。
分酸性、碱性和中性三种， • 酸性氧化铝(pH4-5)适合于分离酸性化合物， • 碱性氧化铝(pH9-10)适合于分离碱性化合物， • 中性氧化铝(pH7)适合于分生物碱、挥发油、萜类、甾
体及在酸、碱中不稳定的甙类、酯类等化合物。
体。
• 硅胶具有微酸性，适用于分离酸性和中|性物质| ，如有机酸、
氨基酸、甾体等。
O
O
|
|
—Si—O—Si—OH
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|
O
O
|
Байду номын сангаас
|
五、羟基磷灰石（磷酸钙）
• 在无机吸附剂中，磷酸钙是唯一的适用于生物活 性高分子物质（如蛋白质、核酸）的分离的吸附 剂。
• 羟基磷灰石主要适用于蛋白质的层析分离，也适用于较小的核酸，如转移RNA的分离。
强酸型阳离子交换树脂分离示 H+例，K+, Na+, Ag+ 的分离
游离状态
交换反应
K：亲和力 H+ < Na+ < K+ < Ag+
H2O
洗脱
H+ < Na+ < K+ < Ag+
前
一
状 态
C
Na+ K+
Ag+
t
淋洗曲线
离交操作方式
• 静态：操作简单、但是分批操作，交换不 完全
• 动态：离子交换柱，操作连续、交换完全， 适宜多组份分离 柱式固定床（Fixed－Bed） 模拟移动床（SMB）
将吸附剂填装 在玻璃或不锈钢管 中，构成层析柱， 层析时欲分离的样 品自柱顶加入，当 样品溶液全部流入 吸附层析柱后，再 加入溶剂冲洗。冲 洗的过程称为洗脱， 加入的溶剂称为洗 脱剂。
在洗脱过程中，柱内不断地发生解吸、吸附，再解吸、再吸附 的过程。
即被吸附的物质被溶剂解吸而随溶剂向下移动，又遇到新的吸 附剂颗粒被再吸附，后面流下的溶剂又再解吸而使其下移动。经过 一段时间以后，该物质会向下移动一定距离。此距离的长短与吸附 剂对该物质的吸附力以及溶剂对该物质的解吸(溶解)能力有关。
大网格吸附树脂适合于提取各种有机化合物。在 抗菌素工业中，用于头孢菌素、维生素B12、林可霉 素的提取。
大孔吸附剂和大孔离子交换树脂
• 离子交换树脂其结构由三部分组成：
– 1.不溶性的三维空间网状结构构成的树脂骨架， 使树脂具有化学稳定性和机械强度；
– 2.是与骨架相联的功能基团； – 3.是与功能基团带相反电荷的可移动的离子，
2 工业废水的处理和利用
• 大孔吸附树脂对工业废水，废液的处理也有着 广泛的应用。
• 如废水中含苯、硝基苯、氯苯、氟苯、苯酚、 硝基酚、对甲酚、奈酚、苯胺、对苯二胺、水 杨酸、2，3酸、奈磺酸等有机物均具有很好的 吸附、回收净化作用。且对废液中有害物质的 浓度含量适应性强.
三．氧化铝
氧化铝的吸附能力很强，可以活化到不同程度，重演性好， 再生容易，故是常用的吸附剂之一。
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。
界面上分子和内部分子所受的力
化学吸附： 化学吸附是由于吸附剂和吸附物之间的电
选择性差 收率低 无机吸附剂性能不稳定 不能连续操作，劳动强度大 碳粉等吸附剂有粉尘污染
典型的吸附过程包括四个步骤：
待分离的料液 通入吸附剂
吸附质被吸附 在吸附剂表面
吸附质解吸 吸附剂再生
料液流出
吸附的类型
物理吸附: 吸附剂和吸附物通过分子力产生的吸 附。
特点
✓ 是放热过程 ✓ 吸附物分子状态变化不大，需要的活化能很小，多数在较低温下进行。 ✓ 达吸附平衡时间非常短 ✓ 吸附过程可逆
称为活性离子，它在树脂骨架中的进进出出， 就发生离子交换现象。
• 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
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
离子交换体系：
• 离子交换树脂：多空网状立体结构 • 被分离组分：处于被分离料液中，可进行选择性交换分离。 • 洗脱液：离子强度较大的酸或者碱等溶液。把交换到离子交换树脂上的目标离子重新交换到液相。
• 图5-6 离子交换、洗脱示意图
a．交换前；b．A+、B+取代H+而被交换；c．加碱后，A+被 首先洗脱；d．提高碱浓度，B+被洗出；H+—树脂上的平衡离 子；A+、B+—待分离离子
单分子
交换吸附
1st 极性吸附: 吸附剂表面如为极性分子所组 成，则会吸引溶液中逞相反极性的物质或离 子而形成双电层，这种吸附称为极性吸附。
2nd 离子交换: 在吸附剂与溶液间发生离子交 换，即吸附剂吸附离子后，它同时要放出等 当量的离子于溶液中。
吸附剂表面键合的离子基团或可离子化基团, 通过静电引力吸附带有相反电荷的离子,吸附 过程发生电子转移.