第八章 离子交换、吸附和层析设备 - 副本
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(生物制药工艺学)第八章离子交换法(ion-exchange
•
22
第三节 离子交换动力学
• 一、离子交换平衡
• • R代表离子交换树脂，Z1及Z2分别为离子A1和A2的
价电数。
•
表示溶液中与树脂表面的两种离子。
23
尼科尔斯基方程式
• 用m1、m2及C1、C2分别代表树脂上和溶液中的 两种离子的浓度。
• 数量关系可表示:
•
• 尼科尔斯基方程式
• K＞1时 离子A1比离子A2对树脂有较大的吸引力
10
阳离子交换树脂分类
• 强酸型树脂：磺酸型树脂，功 能基团为磺酸根(—SO3H)及甲 基磺酸根(—CH2SO3H)，有好 的解离能力。
• 中酸性树脂：磷酸型树脂（—
PO3H2 ）
• 弱酸性树脂：羧酸型树脂和酚
型树脂（—COOH ,
），
在酸性环境中解离度受到抑制。
11
阴离子交换树脂
• 强碱型阴离子交换树脂： •
(生物制药工艺学)第八章离子交换法 (ion-exchange
第一节 基本原理
• 离子交换法：利用溶液中带电粒子与离 子交换剂之间结合力的差异进行物质分 离的操作方法。
• 带电粒子与离子交换剂间的作用力是静 电力。
• 电荷密度、电荷种类
2
离子交换剂
• 离子交换剂：由惰性的不溶性载体、功能基团 和平衡离子组成。
用“×”将树脂编号与交联度分开。 • 弱酸101 ×4其交联度为4％。 • 国内常用树脂命名：724；732；717
16
离子交换树脂的骨架
（一）苯乙烯型离子交换树脂
• 由苯乙烯与二 乙烯苯经过氧 苯甲酰催化聚 合而成。
• 交联度
17
18
（二）丙烯酸型离子交换树脂
22
第三节 离子交换动力学
• 一、离子交换平衡
• • R代表离子交换树脂，Z1及Z2分别为离子A1和A2的
价电数。
•
表示溶液中与树脂表面的两种离子。
23
尼科尔斯基方程式
• 用m1、m2及C1、C2分别代表树脂上和溶液中的 两种离子的浓度。
• 数量关系可表示:
•
• 尼科尔斯基方程式
• K＞1时 离子A1比离子A2对树脂有较大的吸引力
10
阳离子交换树脂分类
• 强酸型树脂：磺酸型树脂，功 能基团为磺酸根(—SO3H)及甲 基磺酸根(—CH2SO3H)，有好 的解离能力。
• 中酸性树脂：磷酸型树脂（—
PO3H2 ）
• 弱酸性树脂：羧酸型树脂和酚
型树脂（—COOH ,
），
在酸性环境中解离度受到抑制。
11
阴离子交换树脂
• 强碱型阴离子交换树脂： •
(生物制药工艺学)第八章离子交换法 (ion-exchange
第一节 基本原理
• 离子交换法：利用溶液中带电粒子与离 子交换剂之间结合力的差异进行物质分 离的操作方法。
• 带电粒子与离子交换剂间的作用力是静 电力。
• 电荷密度、电荷种类
2
离子交换剂
• 离子交换剂：由惰性的不溶性载体、功能基团 和平衡离子组成。
用“×”将树脂编号与交联度分开。 • 弱酸101 ×4其交联度为4％。 • 国内常用树脂命名：724；732；717
16
离子交换树脂的骨架
（一）苯乙烯型离子交换树脂
• 由苯乙烯与二 乙烯苯经过氧 苯甲酰催化聚 合而成。
• 交联度
17
18
（二）丙烯酸型离子交换树脂
第八章离子交换法1
苯乙烯型离子交换树脂 单体：苯乙烯; 交联剂:二乙烯苯 酸性树脂引入磺酸基，碱性树脂引入季 铵，伯、 叔胺
丙烯酸-二乙烯苯羧基树脂 酚醛树脂
单体：水扬酸、苯酚、甲醛经缩聚而成 多乙烯多胺-环氧氯丙烷树脂
树脂类型
国内生产的树脂主要有：
苯乙烯—二乙烯苯型 丙烯酸—二乙烯苯型 酚醛型（水杨酸、苯酚、甲醛） 多乙烯多胺—环氧氯丙烷型
这类树脂适用于吸附交换无机离子等小离子。
大孔型树脂： 是由苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯的异 构体聚合，再经特殊的物理处理，使其形成大网 孔，再导入交换基团制成，它内部并存有微细孔 和大量的粗孔。 较善于吸附大分子有机物，耐有机物的污染。
三、其他类型的树脂
1、两性离子交换树脂
将两种性质相反的阴、阳离子交换官 能团连接在同一树脂骨架上，构成两 性树脂。
3、吸附树脂
吸附树脂（脱色树脂）：
有较大表面积，具多孔性，吸附能力强； 但交换离子的能力很小，甚至不能交换； 多用于脱色、吸附大分子产物和除去蛋白质
等。
如：大网格树脂
4、电子交换树脂
不是进行离子交换而是电子转移； 能起氧化还原作用（又称氧化还原树
脂）。 按活性基团性质分，有两种类型：
离子交换树脂的合成
交联剂：二烯化合物（最常用的是二乙烯 苯），形成树脂的三元网状结构（不溶解 性能）。
交联度：合成时在单体相中所含二乙烯苯 含量。
分散剂：水溶性有机物—淀粉、明胶、聚 甲基丙烯酸、聚乙烯酸等；不溶或微溶于 水的无机物—硫酸钙、磷酸钙、滑石粉等。
几种主要的离子交换树脂制备方法
按聚合反应类型分：缩聚型、加聚型树脂等。
我国按活性离子来分类：强酸、弱酸、强 碱、弱碱、螯合、两性、氧化还原等7类。
丙烯酸-二乙烯苯羧基树脂 酚醛树脂
单体：水扬酸、苯酚、甲醛经缩聚而成 多乙烯多胺-环氧氯丙烷树脂
树脂类型
国内生产的树脂主要有：
苯乙烯—二乙烯苯型 丙烯酸—二乙烯苯型 酚醛型（水杨酸、苯酚、甲醛） 多乙烯多胺—环氧氯丙烷型
这类树脂适用于吸附交换无机离子等小离子。
大孔型树脂： 是由苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯的异 构体聚合，再经特殊的物理处理，使其形成大网 孔，再导入交换基团制成，它内部并存有微细孔 和大量的粗孔。 较善于吸附大分子有机物，耐有机物的污染。
三、其他类型的树脂
1、两性离子交换树脂
将两种性质相反的阴、阳离子交换官 能团连接在同一树脂骨架上，构成两 性树脂。
3、吸附树脂
吸附树脂（脱色树脂）：
有较大表面积，具多孔性，吸附能力强； 但交换离子的能力很小，甚至不能交换； 多用于脱色、吸附大分子产物和除去蛋白质
等。
如：大网格树脂
4、电子交换树脂
不是进行离子交换而是电子转移； 能起氧化还原作用（又称氧化还原树
脂）。 按活性基团性质分，有两种类型：
离子交换树脂的合成
交联剂：二烯化合物（最常用的是二乙烯 苯），形成树脂的三元网状结构（不溶解 性能）。
交联度：合成时在单体相中所含二乙烯苯 含量。
分散剂：水溶性有机物—淀粉、明胶、聚 甲基丙烯酸、聚乙烯酸等；不溶或微溶于 水的无机物—硫酸钙、磷酸钙、滑石粉等。
几种主要的离子交换树脂制备方法
按聚合反应类型分：缩聚型、加聚型树脂等。
我国按活性离子来分类：强酸、弱酸、强 碱、弱碱、螯合、两性、氧化还原等7类。
第八章 吸附分离法解读
三、吸附力的本质
吸附作用的最根本因素是吸附质和吸附剂之间的作 用力,也就是范德华力,它是一组分子引力的总称， 具体包括三种力：定向力(keesom)、诱导力(Debye) 和色散力(London)。 范德华力和化学力(库仑力)的主要区别在于它的单 纯性，即只表现为互相吸引。
A．定向力 由于极性分子的永久偶极矩产生的分子间的静 电引力称定向力。它是极性分子之间产生的作用力。与温 度有关。 B．诱导力 极性分子与非极性分子之间的吸引力属于诱导 力。极性分子产生的电场作用会诱导非极性分子极化，产 生诱导偶极矩，因此两者之间互相吸引，产生吸附作用。 与温度无关。
物质从流体相(气体或液体)浓缩到固体表面从 而实现分离的过程称为吸附作用。 在表面上能发生吸附作用的固体称为吸附剂， 而被吸附的物质称为根据其相互作用力的不同来分类。 产生吸附效应的力有范德华力、静电作用力以 及在酶与基质结合成络合物时存在的疏水力、 空间位阻等。按照范德华分子间或键合力的特 性，通常可分为以下三种类型。
物理吸附与化学吸附本质上虽有区别，但有 时也很难严格划分，可能在某些过程以物理 吸附为支配作用，而在另一些过程中以化学 吸附为支配作用。两种吸附的比较见下表：
物理吸附
吸附作用力 选择性 所需活化能 吸附速度 吸附分子层 范德华力 较差 低 快 单层或多层
化学吸附
库伦力 较高 高 慢 单层
（三）、交换吸附
1
弗罗因德利希(Freundlich)等温线
弗罗因德利希提出了如下经验公式
其对数形式是：
式中 m为单位质量吸附剂上吸附的吸附质量，c为吸 附质的平衡浓度；K和n为经验参数，可从双对数坐 标图上曲线的截距和斜率求得。
2
兰格缪尔(Langmuir)等温线
第八章层析
薄层(以固体为载体)的分配层析法等。
层 析分 类
2. 固定相的形状
根据固定相或层析装置形状的不同，液相层析法又分纸层析法、薄层层析法和柱层析法
纸层析和薄层层析多用于分析目的，而柱层析易于放大，适用于大量制备分离，是主要的层析
分离手段。
层 析分 类
3. 压力
在以固体为固定相的液相柱层析中，根据操作压力的不同，分为低压(压力一般小于0.5MPa)、中
2.阻滞因数Rf ：
基本概念
Rf 流溶动质相的的迁迁移移速＝ 速率 同率一溶 时质 间的 流迁 动移 相距 的 距离 迁 离移
溶质的迁移距离＝ V
＝V
能进行分配的有效 积截A面m＋kd As
流动相的迁移距AV离 m ＝Rf
Am Am＋kd
As
基本概念
3.洗脱体积VR ：溶质达最大浓度时，已流出的流动相体积， VR＝Vm＋kdVs 滞留时间：溶质流出色谱柱所需的时间 tR＝VR/Qe t0＝Vm/Qe Qe:洗脱剂的流量 t0：死时间
C B A A+B
层 析分 类
5.分离操作方式 :顶替展开 又称置换，排代展开，利用一种与固定相作用力极强的置换剂作流动相，去替代结合在固定相表面的溶质分
子。优点是浓缩，单位柱长固定相的利用率最高。但各组分一个连一个的流出，界线不明，分离不理想 ；合适的置换剂不易找到。
D
A
B
D：置换剂
层 析分 类
压(压力为0.5～4.OMPa)和高压(压力为 4.0～40MPa)液相层析法；
高压液相层析法中层析介质(固定相)微细，分离精度高、速度快，主要用于成分分析。大量制备
分离常用低压或中压液相层析法。
层 析分 类
4.流动相的流动方向 轴向流层析； 径向流层析：溶质在半径方向上得到分离
层 析分 类
2. 固定相的形状
根据固定相或层析装置形状的不同，液相层析法又分纸层析法、薄层层析法和柱层析法
纸层析和薄层层析多用于分析目的，而柱层析易于放大，适用于大量制备分离，是主要的层析
分离手段。
层 析分 类
3. 压力
在以固体为固定相的液相柱层析中，根据操作压力的不同，分为低压(压力一般小于0.5MPa)、中
2.阻滞因数Rf ：
基本概念
Rf 流溶动质相的的迁迁移移速＝ 速率 同率一溶 时质 间的 流迁 动移 相距 的 距离 迁 离移
溶质的迁移距离＝ V
＝V
能进行分配的有效 积截A面m＋kd As
流动相的迁移距AV离 m ＝Rf
Am Am＋kd
As
基本概念
3.洗脱体积VR ：溶质达最大浓度时，已流出的流动相体积， VR＝Vm＋kdVs 滞留时间：溶质流出色谱柱所需的时间 tR＝VR/Qe t0＝Vm/Qe Qe:洗脱剂的流量 t0：死时间
C B A A+B
层 析分 类
5.分离操作方式 :顶替展开 又称置换，排代展开，利用一种与固定相作用力极强的置换剂作流动相，去替代结合在固定相表面的溶质分
子。优点是浓缩，单位柱长固定相的利用率最高。但各组分一个连一个的流出，界线不明，分离不理想 ；合适的置换剂不易找到。
D
A
B
D：置换剂
层 析分 类
压(压力为0.5～4.OMPa)和高压(压力为 4.0～40MPa)液相层析法；
高压液相层析法中层析介质(固定相)微细，分离精度高、速度快，主要用于成分分析。大量制备
分离常用低压或中压液相层析法。
层 析分 类
4.流动相的流动方向 轴向流层析； 径向流层析：溶质在半径方向上得到分离
第八章 土壤胶体及其对离子的吸附交换作用
第八章土壤胶体及其对离子的吸附交换作用【教学目标】●土壤胶体1、掌握土壤胶体的含义、类型和基本构造。
2、重点了解土壤胶体的性质及其在土壤物理、化学和生物学过程中的重要作用。
3、了解土壤的保肥供肥性与土壤胶体组成的关系，为什么说土壤腐殖质含量高的其保肥性强？●土壤离子交换作用1、解土壤产生吸收（吸附）性的根本原因、吸收类型及其产生的机理。
2、重点掌握阳离子交换作用产生的机理以及对土壤性状产生的影响。
土壤胶体是土壤中最细小、最活跃的部分，土壤胶体的组成和性质对土壤的理化性质，如土壤的吸附性、酸碱性、缓冲性以及土壤结构都有很大的影响。
土壤肥力的高低与土壤胶体的组成、数量和性质密切相关，土壤胶体是土壤肥力性状赖以表现的物质基础中最精华的部分；同时，土壤胶体的形成过程也是土壤形成过程的反映，由于土壤形成条件的不同，土壤的胶体类型、含量和性质均有较大的差异。
所以，要了解土壤的形成过程和土壤肥力的实质，必须弄清土壤胶体的性质。
本章将着重讨论对土壤肥力影响较大的土壤胶体的组成、结构、性质及其相关的离子交换性的一般规律。
8.1 土壤胶体8.1.1 土壤胶体的概念8．1. 1. 1 土壤胶体是一种分散系统任何胶体系统都是一种分散系统，而分散系统通常由两种物质所组成，一种物质的分子呈连续分布状态，称为分散介质；另一种物质的分子是不连续的，称为分散相，分散相均匀地分散在分散介质中，构成胶体分散系统。
在自然界中这种分散系统是很多的，如烟是微细的碳粒分散在空气里，云雾是小水滴分散在大气里，豆浆是大豆蛋白分子分散在水里等。
土壤本身就是一个复杂的多元分散系统。
在一般情况下，是把土壤固相颗粒作为分散相，而把土壤溶液和土壤空气看做分散介质。
8．1. 1. 2 土壤胶体的大小范围一般胶体是指作为分散相的那些细小颗粒，其大小的上限是0.1 μm, 下限为 1nm(<1 nm属于溶液范围)。
但是胶体大小的界限也不是绝对的，而主要应根据表现出的胶体性质而定，如光学、电学性质等。
有色冶金原理第八章溶剂萃取和离子交换
溶剂萃取应用范围
溶剂萃取被广泛应用于有色冶金中的金属提取、有机物的分离等领域。
离子换基本原理
离子交换是利用固体层状材料具有特定化学结构和吸附性能，通过吸附和解 吸过程实现目标物质的分离提取。
离子交换应用范围
离子交换广泛应用于有色冶金中的离子分离、水处理、废水处理等方面。
溶剂萃取与离子交换的比较
溶剂萃取和离子交换都是重要的分离和提取技术，具有各自的优势和适用范 围。
总结与展望
溶剂萃取和离子交换在有色冶金中发挥着重要作用，随着技术的不断发展， 它们的应用将不断扩大和深化。
有色冶金原理第八章溶剂 萃取和离子交换
本章将介绍有色冶金中重要的分离和提取技术，包括溶剂萃取和离子交换， 并探讨它们的原理、应用范围以及比较等方面。
原理概述
溶剂萃取和离子交换是在有色冶金中广泛使用的分离和提取技术。
溶剂萃取基本原理
溶剂萃取是通过溶剂将目标物质从溶液中分离提取出来的过程，主要利用物 质在不同溶剂中的溶解度差异实现分离。
《分离技术概论》第8章吸附分离
功能基团
亚氨二乙酸
基团结构式 －N(CH2COOH)2
聚胺（含聚乙烯 亚胺）
磷酸
－（NHCH2）n NH2 －PO3H2
氨基磷酸 硫醇 二硫代氨基甲酸 偕胺肟
－NHCH2PO3H2 －SH ＞NCS2H －C(NOH)NH2
葡萄糖胺
－N(CH2(CHOH)5H)CH3
选择性大小次序
Hg2＋＞Cu2＋＞UO22＋＞Pb2＋＞Fe3＋＞Al3＋＞Cr3＋＞Ni2＋＞ Zn3＋＞Ag＋＞Co2＋＞Cd2＋＞Fe2＋＞Mn2＋＞Ba2＋＞Ca2＋＞ Sr2＋＞Mg2＋＞Na＋ ＞Au2＋＞Hg2＋＞Pt2＋＞Pd2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞Zn2＋＞Cd2＋ ＞Ni2＋＞Co2＋＞Ag＋＞Mn2＋＞＞Ca2＋,Mn2＋,Na＋
强碱阴离子树脂
• 在相等浓度的流动相中，不同阴离子 在上选择性依次减小为：
F-＞OH-＞CH3COO-＞HCOO-＞Cl＞SCN-＞Br-＞CrO42-＞NO3-＞I-＞草 酸＞ SO42-＞柠檬酸
强酸型阳离子树脂
• 流动相中各阳离子的选择性强弱依次 为： Li＋＞H＋＞Na＋＞NH4＋＞K＋＞Rb＋＞ Cs＋＞Ag＋＞Ti＋＞UO22＋＞Mg2＋＞ Zn2＋＞Co2＋＞Cu2＋＞Cd2＋＞Ni2＋＞ Ca2＋＞Sr2＋＞Pb2＋＞Ba2＋
• 对活性碳一类非极性固定相吸附剂，则次 序相反。
吸附特征及效率
优惠与非优惠吸附线
（a）优惠吸附 (b) 线性吸附 (c) 非优惠吸附 （d）S型吸附 优惠吸附等温线：溶液浓度增高，等温线的斜率减小，浓度波前沿中高浓度一端比低
浓度一端移动得快。随着时间得增加，浓度波前沿变窄，最后达到以恒定波形向 前移动；
吸附剂劣化原因
《生物制药工艺学》8离子交换
pH小于等电点时，物质带正电荷，可 以与阳离子交换剂进行交换。
蛋白质等电点与所用交换剂
离子交换技术的应用
11
第二节 离子交换树脂的结构和分类
结构
载体或骨架：惰性,不溶,具有一定孔隙的三维结构高聚物
功能基团：与骨架共价相联的，不能移动的带电活性基团 （磺酸基，羧基；季铵，胺等）
平衡离子：与功能基团以离子键维系，可移动，带相反电
强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂
特点：
淡黄色球状颗粒； 化学稳定性好，耐磨性好； 在酸性、碱性和中性介质中都可使用； 交换反应速度快； 无机、有机阴离子均可交换。
丙烯酸型离子交换树脂
丙烯酸甲酯与二乙烯苯以过氧化苯甲酰作为引发剂， 聚合后碱水解即得
特点：活性基团(甲基丙酸酯)存在于单体中，交换 容量大。
110树脂：丙烯酸甲酯与二乙烯苯聚合而成。 724树脂：它是由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯
和二乙烯苯三元共聚而得 。 “两次聚合”树脂 ：将第一次聚合物与单体混 合物（含引发剂）搅拌混和，使聚合物吸饱单 体，然后加热进行第二次聚合
28
其它树脂
1.蛇笼树脂 由丙烯酸或甲基丙烯酸在季胺型阴离子交换树脂
尼科尔斯基方程式
用m1、m2及C1、C2分别代表树脂上和溶液中 的两种离子的浓度。 数量关系可表示:
尼科尔斯基方程式
K＞1时 离子A1比离子A2对树脂有较大的吸引力
二、离子交换速度
R－B+ + A+ R－A+ + B+ 离子交换过程： 1.A+从溶液扩散到树脂表面，称
“膜扩散” 2.A+从树脂表面扩散到交换位置，
第八章 离子交换法 (ion-exchange)
蛋白质等电点与所用交换剂
离子交换技术的应用
11
第二节 离子交换树脂的结构和分类
结构
载体或骨架：惰性,不溶,具有一定孔隙的三维结构高聚物
功能基团：与骨架共价相联的，不能移动的带电活性基团 （磺酸基，羧基；季铵，胺等）
平衡离子：与功能基团以离子键维系，可移动，带相反电
强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂
特点：
淡黄色球状颗粒； 化学稳定性好，耐磨性好； 在酸性、碱性和中性介质中都可使用； 交换反应速度快； 无机、有机阴离子均可交换。
丙烯酸型离子交换树脂
丙烯酸甲酯与二乙烯苯以过氧化苯甲酰作为引发剂， 聚合后碱水解即得
特点：活性基团(甲基丙酸酯)存在于单体中，交换 容量大。
110树脂：丙烯酸甲酯与二乙烯苯聚合而成。 724树脂：它是由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯
和二乙烯苯三元共聚而得 。 “两次聚合”树脂 ：将第一次聚合物与单体混 合物（含引发剂）搅拌混和，使聚合物吸饱单 体，然后加热进行第二次聚合
28
其它树脂
1.蛇笼树脂 由丙烯酸或甲基丙烯酸在季胺型阴离子交换树脂
尼科尔斯基方程式
用m1、m2及C1、C2分别代表树脂上和溶液中 的两种离子的浓度。 数量关系可表示:
尼科尔斯基方程式
K＞1时 离子A1比离子A2对树脂有较大的吸引力
二、离子交换速度
R－B+ + A+ R－A+ + B+ 离子交换过程： 1.A+从溶液扩散到树脂表面，称
“膜扩散” 2.A+从树脂表面扩散到交换位置，
第八章 离子交换法 (ion-exchange)