吸附与交换的基本原理

第六讲吸附与离子交换6学时
一、通过本章学习应掌握的问题
1、什么是吸附过程？
2、吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？
3、常用的吸附剂种类有哪些？
4、什么是吸附等温线？其意义何在？
5、影响吸附过程的因素有哪些？
6、什么是亲和吸附？其特点有哪些？
7、常用的吸附单元操作有哪些方式？
8、什么是离子交换？
9、离子交换树脂的分类？其主要的理化性质有哪些？
10、离子交换的机理是什么？
11、什么是离子交换的选择性？其选择性受哪些因素影响？
12、基本的离子交换操作是怎样的？
13、如何利用离子交换法分离蛋白质？
二、什么是吸附？（Adsorption）
1、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。

2、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。

三、常见的吸附类型及其主要特点
1、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。

2、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。

四、常用吸附剂种类
吸附剂通常应具备以下特征：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。

1、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：
（1）对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物
（2）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物;
（3）对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的化合物;
（4）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;
（5）温度未平衡前随温度升高而增加;
2、大孔网状吸附剂
特点：脱色去臭效果理想；对有机物具有良好的选择性；物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再生容易。

但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素的影响。

大孔网状吸附树脂的种类：
（1）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。

（2）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。

（3）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。

吸附机理：
非离子型共聚物，借助于范德华力从溶液中吸附各种有机物，其吸附能力与树脂的化学结构、物理性能以及与溶质、溶剂的性质有关。

通常遵循以下规律：
（1）非极性吸附剂可从极性溶剂中吸附非极性溶质；
（2）极性吸附剂可从非极性溶剂中吸附极性物质；
（3）中等极性吸附剂兼有以上两种能力
四、吸附等温线
概念：当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系称为吸附等温线。

Langmuir 吸附等温线
qo 和K 是经验常数，c 代表溶液中溶质浓度
蛋白质分离提纯时适合此吸附方程
五、影响吸附的主要因素
c K c q q +=
1、吸附剂的性质：比表面积、粒度大小、极性…
2、吸附质的性质：对表面张力的影响，溶解度，极性，相对分子量…
3、温度：吸附是放热过程，吸附质的稳定性
4、溶液pH值：影响吸附质的解离
5、盐浓度：影响复杂，要视具体情况而定
六、亲和吸附
1、亲和吸附分离是利用溶质和吸附剂之间
特殊的化学作用，从而实现分离。

吸附剂由载体和配位体组成
2、亲和吸附的特点
（a）效率高：利用亲和吸附可以从粗提液
中一次性分离得到高纯度的活性物质。

（b）分离精度高：可用于分离含量极低，结构相近的化合物
（c）但通用性较差，洗脱条件苛刻3、影响亲和吸附的因素
（1）配基浓度配基浓度高有利；
（2）空间位阻加入“手臂链”以降低空间位阻的影响；
（3）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；
（4）载体孔径：孔道大小；
（5）微环境：载体或“手臂链”的极性、电性；
七、离子交换(ion exchange)
1、概念：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。

2、离子交换树脂的构成
（1）具有三维空间离体结
构的网络骨架
（2）联接在骨架上的活性
基团
（3）活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离子）
3、离子交换的分类
按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂(cation exchange)（含酸性基团）和阴离子交换树脂(anion exchange)（含碱性基团）。

具体又可以分为：强阳、弱阳和强阴、弱阴
4、常用的离子交换树脂
（1）强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；
（2）弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH，-OCH2COOH，C6H5OH 等弱酸性基团；
（3）强碱性阴离子交换树脂：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；
（4）弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；
5、新型离子交换树脂
（1）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。

（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
主要的多糖基离子交换树脂
（a）离子交换纤维素
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。

特点：骨架松散、亲水性强、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
常用的离子交换纤维素有：
甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素（CMC）、二乙基氨基乙基纤维素（DEAE）（b）葡聚糖凝胶离子交换树脂
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
命名方法：交换活性基团+骨架+原骨架编号
特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功能，提高了分离的效率常用的葡聚糖凝胶离子交换树脂：
CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等
6、离子交换树脂的理化性能
（1）外观：球形、浅色为宜，粒度大小为16~60目>90%；
（2）机械强度：>90%；
（3）含水量：0.3~0.7g/g 树脂；
（4）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）；
（5）稳定性：化学稳定性、热稳定性；
（6）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；
（7）湿真密度：单位体积湿树脂的重量；
（8）孔度、孔径、比表面积
7、离子交换机理
8、影响交换速度的因素
（1）颗粒大小：愈小越快
（2）交联度：交联度小，交换速度快
（3）温度：越高越快
（4）离子化合价：化合价与高，交换越快
（5）离子大小：越小越快
（6）搅拌速度：在一定程度上，越大越快
（7）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
9、离子交换的选择性
离子交换常数：交换势或交换系数
A +自溶液中扩散到树脂表面
A +从树脂表面进入树脂内部的活性中心
A +与R
B 在活性中心上发生复分解反应
解吸附离子B +自树脂内部扩散至树脂表面
B +离子从树脂表面扩散到溶液中
s
s
B A B A R A B R K ]][[]][[--=[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
10、影响离子交换选择性的因素
（1）水合离子半径：半径越小，亲和力越大；
（2）离子化合价：高价离子易于被吸附；
（3）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；（4）离子强度：越低越好；
（5）有机溶剂：不利于吸附；
（6）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；
（7）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；
11、离子交换操作方法
（1）树脂预处理
物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒；
化学处理：转型（氢型或钠型）
阳离子树脂酸—碱—酸
阴离子树脂碱—酸—碱
最后以去离子水或缓冲液平衡
（2）离子交换吸附
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
（3）洗脱
离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法。