最新吸附与离子交换幻灯片

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1、吸附与离子交换吸附与离子交换通过本章学习应掌握以下内容通过本章学习应掌握以下内容：uu什么是吸附过程？什么是吸附过程？uu吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？吸附的类型有哪些？它们是如何划分的？uu常用的吸附剂种类有哪些？常用的吸附剂种类有哪些？uu什么是吸附等温线？其意义何在？什么是吸附等温线？其意义何在？uu影响吸附过程的因素有哪些？影响吸附过程的因素有哪些？uu什么是亲和吸附？其特点有哪些？什么是亲和吸附？其特点有哪些？uu常用的吸附单元操作有哪些方式？常用的吸附单元操作有哪些方式？粉末活性炭粉末活性炭锦纶活性炭锦纶活性炭活性炭对物质的吸附规律uu活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力

2、大于有机溶剂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。中的吸附能力。uu针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：（1 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）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 2）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物（3 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）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合物（4 4）pH pH 值的影响值的影响 碱性碱性 中性吸附中性吸附 酸性洗脱酸性洗脱 酸性酸性

3、中性吸附中性吸附 碱性洗脱碱性洗脱（5 5）温度）温度 未平衡前未平衡前 随温度升高而增加随温度升高而增加大孔网状吸附剂uu特点：脱色去臭效果理想；对有机物具有良好的选择特点：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、性；物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再生容易。再生容易。uu但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素的影响。的影响。大孔网状吸附树脂的种类uu非极性吸附树脂非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。剂为二乙烯苯，又称芳香族吸

4、附剂。uu中等极性吸附树脂中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。肪族吸附剂。uu极性吸附剂极性吸附剂：丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，：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。通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基团。大孔吸附树脂的吸附机理uu非离子型共聚物，借助于非离子型共聚物，借助于范德华力范德华力从溶液中吸附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。通常遵循理性能以及与溶质、溶剂的性质有关。通常遵循

5、以下规律：以下规律：非极性吸附剂可从极性溶剂中吸附非极性溶质；非极性吸附剂可从极性溶剂中吸附非极性溶质；极性吸附剂可从非极性溶剂中吸附极性物质；极性吸附剂可从非极性溶剂中吸附极性物质；中等极性吸附剂兼有以上两种能力中等极性吸附剂兼有以上两种能力常用的解吸方法uu低级醇、酮或水溶液解吸低级醇、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原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间 的相互作用力的相互作用力uu碱解吸附碱解吸附 原理：成盐，主要针对弱酸性溶质原理：成盐，主要针对弱酸性溶质uu酸解吸附酸解吸附原理同上原理同上uu水解吸附水解吸附 原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸原理：

6、降低体系中的离子强度，降低溶质的吸 附量附量吸附等温线uu概念：当温度一定时，吸附量与浓度之间的函概念：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。数关系称为吸附等温线。Langmuir吸附等温线吸附等温线 q qo o和和K K是经验常数，是经验常数，c c代表溶液中溶质浓度代表溶液中溶质浓度蛋白质分离提纯时适合此吸附方程蛋白质分离提纯时适合此吸附方程Langmuir吸附等温线影响吸附的主要因素uu吸附剂的性质：比表面积、粒度大小、极性吸附剂的性质：比表面积、粒度大小、极性uu吸附质的性质：对表面张力的影响，溶解度，极性，吸附质的性质：对表面张力的影响，溶解度，极性，相对分子量相

7、对分子量uu温度：吸附是温度：吸附是放热放热过程，吸附质的稳定性过程，吸附质的稳定性uu溶液溶液pHpH值：影响吸附质的解离值：影响吸附质的解离uu盐浓度：影响复杂，要视具体情况而定盐浓度：影响复杂，要视具体情况而定什么是亲和吸附？(Affinity adsorption)uu亲和吸附分离是利用溶质和吸附剂之间特殊的化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。学作用，从而实现分离。uu吸附剂由载体（吸附剂由载体（CarrierCarrier）和配位体）和配位体(LigandLigand)组成组成Affinity adsorption亲和吸附的特点uu效率高：效率高：利用亲

8、和吸附可以从粗提液中一次性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。分离得到高纯度的活性物质。uu分离精度高：分离精度高：可用于分离含量极低，结构相近可用于分离含量极低，结构相近的化合物的化合物uu通用性较差通用性较差，洗脱条件苛刻，洗脱条件苛刻亲和吸附载体的种类种种种种 类类类类组组组组 成成成成性性性性 能能能能多孔玻璃载体多孔玻璃载体硅酸盐硅酸盐坚硬、耐酸碱、易修饰坚硬、耐酸碱、易修饰聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺凝胶载体凝胶载体丙烯酰胺丙烯酰胺N,N-N,N-亚甲基双丙烯酰胺亚甲基双丙烯酰胺亲水性好亲水性好可供活化基团多可供活化基团多纤维素载体纤维素载体多糖类物质多糖类物质来源丰

9、富，但非特异性吸附及来源丰富，但非特异性吸附及空间位阻强，对分离不利空间位阻强，对分离不利葡聚糖凝胶载体葡聚糖凝胶载体经环氧丙烷交联的多糖类经环氧丙烷交联的多糖类理化性质稳定，但粒径太小理化性质稳定，但粒径太小载体的活化和偶联uu亲和吸附的载体通常是惰性的，往往不能直接与配基连接，偶联前需要先活化，活化的方法主要有：溴化氰活化法：琼脂糖、葡聚糖引入亚氨基碳酸盐溴化氰活化法：琼脂糖、葡聚糖引入亚氨基碳酸盐 高碘酸活化法：氧化多糖，生成烷基胺高碘酸活化法：氧化多糖，生成烷基胺 环氧化法环氧化法：多糖类载体与环氧氯丙烷作用生成环氧：多糖类载体与环氧氯丙烷作用生成环氧化合物，再与氨基偶联化合物，再与氨

10、基偶联 甲苯磺酰氯法：双功能试剂法甲苯磺酰氯法：双功能试剂法 二乙烯砜二乙烯砜环氧化法表氯醇Activation配基偶联方法uu载体经活化后，就可以进行与配基的偶联反应。具体方法如下：碳二亚胺缩合法碳二亚胺缩合法(脱水脱水)酸酐法酸酐法叠氮化法叠氮化法重氮化法重氮化法影响亲和吸附的因素uu配基浓度配基浓度 配基浓度高有利；配基浓度高有利；uu空间位阻空间位阻 加入加入“手臂链手臂链”以降低空间位阻的影响；以降低空间位阻的影响；uu配基与载体的结合位点配基与载体的结合位点 就蛋白质等大分子作为配就蛋白质等大分子作为配基时，与载体连接的键越少越好；基时，与载体连接的键越少越好；uu载体孔径：孔道大

11、小；载体孔径：孔道大小；uu微环境：载体或微环境：载体或“手臂链手臂链”的极性、电性；的极性、电性；常用的吸附单元操作方式uu间歇吸附 依据是吸附等温线和物料衡算方程uu连续搅拌吸附uu固定床吸附 柱式塔 穿透点离子交换(ion exchange)uu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。离子交换树脂的结构uu具有三维空间立体结构的网络骨架uu联接在骨架上的活性基团uu活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离子）树脂的网络骨架离交树脂三维空间立体结构离子交换的分类uu按活性

12、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）。uu具体又可以分为：强阳、弱阳 强阴、弱阴离子交换的一般过程常用的离子交换树脂uu强酸性阳离子交换树脂：活性基团是强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SOSO3 3HH（磺酸基）磺酸基）和和-CHCH2 2SOSO3 3HH（次甲基磺酸基）；次甲基磺酸基）；uu弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOHCOOH,-OCH-OCH2 2COOH,CCOOH,C6 6HH5 5OHOH等弱酸性基团；等弱酸性基团；uu强碱性阴离子

13、交换树脂：活性基团为季铵基团，如三甲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胺基或二甲基-羟基乙基胺基；羟基乙基胺基；uu弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；较弱；新型离子交换树脂uu大孔离子交换树脂大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨大孔吸附剂相同的骨架结构架结构，在大孔吸附剂合成后（加入，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂致孔剂），），再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换树脂树脂大孔离子交换树脂的优点uu通过在合成时加入惰

14、性致孔剂，克服了普通凝通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂由于溶胀现象，产生的胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔暂时孔”现象，现象，从而强化了离子交换的功能；从而强化了离子交换的功能；uu减少了凝胶树脂在离子交换过程中的减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机污有机污染染”现象（大分子不易洗脱）；现象（大分子不易洗脱）；uu可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。表面积，以适应不同的分离要求。uu常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的）常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶剂甲苯、四氯化碳；不

15、良溶剂 长链醇（碳长链醇（碳4-104-10）煤油；高分子聚合物煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯聚苯乙烯、聚丙烯酸酯其它离子交换树脂类型uu两性树脂两性树脂：同时含有酸、碱两种基团的树脂；：同时含有酸、碱两种基团的树脂；uu均孔型离子交换树脂：主要是阴离子型凝胶离均孔型离子交换树脂：主要是阴离子型凝胶离子交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机械强子交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机械强度好；度好；uu螯合树脂螯合树脂：树脂上含有具有螯合能力的集团，：树脂上含有具有螯合能力的集团，既可以形成离子键，又可以形成配位键；主要既可以形成离子键，又可以形成配位键；主要用于脱除金属离子；用于脱除金属离

16、子；uu*多糖基离子交换树脂多糖基离子交换树脂：固相载体为多糖类物：固相载体为多糖类物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子物致变性作用致变性作用主要的多糖基离子交换树脂uu离子交换纤维素离子交换纤维素 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

17、有：常用的离子交换纤维素有：甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙基甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙基纤维素纤维素 uu葡聚糖凝胶离子交换树脂葡聚糖凝胶离子交换树脂骨架为葡聚糖凝胶，如骨架为葡聚糖凝胶，如sepharosesepharose、sephadexsephadex，根据功能，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基团的不同，亦可分为阳离子交换和阴离子交换树脂uu命名方法：交换活性基团命名方法：交换活性基团+骨架骨架+原骨架编号原骨架编号uu特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功能，提高了分离的效率能，

18、提高了分离的效率uu常用的葡聚糖凝胶离子交换树脂：常用的葡聚糖凝胶离子交换树脂：CM-sephadex C-25CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25DEAE-sephadex A-25等等DEAE anion exchangerCMC Cation Exchanger离子交换树脂的命名方法 离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号代号代号分类名称分类名称骨架名称骨架名称0 0强酸性强酸性苯乙烯系苯乙烯系1 1弱酸性弱酸性丙烯酸系丙烯酸系2 2强碱性强碱性酚醛系酚醛系3 3弱碱性弱碱性环氧系环氧系4 4螯合性螯合性乙烯哌啶系乙

19、烯哌啶系5 5两性两性脲醛系脲醛系6 6氧化还原氧化还原氯乙烯系氯乙烯系离子交换树脂的制备uu加聚法和缩聚法（依聚合方法分类）加聚法和缩聚法（依聚合方法分类）加聚：指具有一个或一个以上双键的单体为原料，加聚：指具有一个或一个以上双键的单体为原料，在分散相中进行聚合在分散相中进行聚合 缩聚法是基于缩合反应的聚合过程；缩聚法是基于缩合反应的聚合过程；uu共聚法和均聚法（以单体分类）共聚法和均聚法（以单体分类）共聚是指两个或两个以上的单体进行聚合共聚是指两个或两个以上的单体进行聚合 均聚是指以一种单体进行聚合均聚是指以一种单体进行聚合几种主要的离子交换树脂制备方法uu苯乙烯型离子交换树脂苯乙烯型离子

20、交换树脂 单体：苯乙烯、二乙烯苯单体：苯乙烯、二乙烯苯 酸性树脂引入磺酸基，碱性树脂引入季酸性树脂引入磺酸基，碱性树脂引入季 铵，伯、铵，伯、叔胺叔胺uu酚醛树脂酚醛树脂 单体：水扬酸、苯酚、甲醛经缩聚而成单体：水扬酸、苯酚、甲醛经缩聚而成离子交换树脂的理化性能uu外观：球形、浅色为宜，粒度大小为外观：球形、浅色为宜，粒度大小为16601660目目90%90%；uu机械强度：机械强度：90%90%；uu含水量：含水量：0.30.7g/g 0.30.7g/g 树脂；树脂；uu交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换交换容量：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

21、件下）；容量或称表观交换容量（在某一条件下）；uu稳定性：化学稳定性、热稳定性；稳定性：化学稳定性、热稳定性；uu膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子膨胀度：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；的性质、介质的性质和浓度、骨架结构；uu湿真密度：单位体积湿树脂的重量；湿真密度：单位体积湿树脂的重量；uu孔度、孔径、比表面积孔度、孔径、比表面积离子交换过程uu离子交换过程是可逆多相化学反应离子交换过程是可逆多相化学反应 式中式中 A1 A1，A2A2液相中的离子液相中的离子 吸附的离子吸附的离子 Z1 Z1，Z2 A1Z2 A1，A2A2的价数的价数

22、 液相和树脂相中的溶剂液相和树脂相中的溶剂 ns ns 离子交换时，溶剂从树脂移入液相的毫摩尔数离子交换时，溶剂从树脂移入液相的毫摩尔数离子交换机理A A+自溶液中扩散到树脂表面自溶液中扩散到树脂表面A A+从树脂表面进入树脂内部的活性从树脂表面进入树脂内部的活性中心中心A A+与与RBRB在活性中心上发生复分解反在活性中心上发生复分解反应应解吸附离子解吸附离子B+B+自树脂内部扩散至树自树脂内部扩散至树脂表面脂表面B B+离子从树脂表面扩散到溶液中离子从树脂表面扩散到溶液中交换速度的控制步骤是扩散速度，交换速度的控制步骤是扩散速度，不同的分离体系可能由内部扩散或不同的分离体系可能由内部扩散或

23、外部扩散控制外部扩散控制交换速度方程外部扩散控制外部扩散控制内部扩散控制内部扩散控制K1外扩散速度常数F时间为t时，树脂的饱和度r0为树脂颗粒半径D1为液相中的扩散系数为吸附常数影响交换速度的因素uu颗粒大小：愈小越快颗粒大小：愈小越快uu交联度：交联度小，交换速度快交联度：交联度小，交换速度快uu温度：越高越快温度：越高越快uu离子化合价：化合价与高，交换越快离子化合价：化合价与高，交换越快uu离子大小：越小越快离子大小：越小越快uu搅拌速度：在一定程度上，越大越快搅拌速度：在一定程度上，越大越快uu溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，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

24、快浓度越大，交换速度越快离子交换的选择性uu离子交换常数：交换势或交换系数离子交换常数：交换势或交换系数R-A、R-B表示结合在树脂上的A离子和B离子浓度AS、BS表示溶液中A离子和B离子越大B越易被交换影响离子交换选择性的因素uu水合离子半径：半径越小，亲和力越大；水合离子半径：半径越小，亲和力越大；uu离子化合价：高价离子易于被吸附；离子化合价：高价离子易于被吸附；uu溶液溶液pHpH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；影响交换容量；uu离子强度：越低越好；离子强度：越低越好；uu有机溶剂：不利于吸附；有机溶剂：不利于吸附；uu交联

25、度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛交联度、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；分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少；uu树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和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；范德华力等辅助力；离子交换操作方法uu树脂预处理树脂预处理uu离子交换吸附离子交换吸附uu洗脱洗脱树脂预处理uu物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒；匀的树脂颗粒；uu化学处理：转型（氢型或钠型）化学处理：转型（氢型或钠型）阳离子树脂阳离子树脂 酸酸碱碱

26、酸酸 阴离子树脂阴离子树脂 碱碱酸酸碱碱 最后以去离子水或缓冲液平衡最后以去离子水或缓冲液平衡离交操作方式uu静态：操作简单、但是分批操作，交换不完全静态：操作简单、但是分批操作，交换不完全uu动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，适动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，适宜多组份分离宜多组份分离 柱式固定床（柱式固定床（FixedFixedBedBed）模拟移动床（模拟移动床（SMBSMB）模拟移动床（SMB）洗脱方式uu离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法溶液的方法uu洗脱方法洗脱方法（1 1）改变溶液）改变溶液pHpH值值（2 2）改

27、变溶液离子强度）改变溶液离子强度树脂再生uu是指使离子交换树脂重新具有交换能力的过程是指使离子交换树脂重新具有交换能力的过程uu酸性阳离子树脂酸性阳离子树脂 酸酸-碱碱-酸酸-缓冲溶液淋洗缓冲溶液淋洗uu碱性阴离子树脂碱性阴离子树脂 碱碱-酸酸-碱碱-缓冲溶液淋洗缓冲溶液淋洗uu方式有：顺流再生和逆流再生方式有：顺流再生和逆流再生硬水软化离子交换应用实例uu离子交换法提取蛋白质离子交换法提取蛋白质uu较无机离子的离子交换平衡复杂，其吸附行为较无机离子的离子交换平衡复杂，其吸附行为与离子间的静电引力、氢键、疏水作用以及范与离子间的静电引力、氢键、疏水作用以及范德华力有关德华力有关uu蛋白质是生物

28、大分子物质，因此，其扩散行为蛋白质是生物大分子物质，因此，其扩散行为也较无机离子复杂也较无机离子复杂 Some of the charged regions which will influence ion exchange Different proteins have different charges and different patterns of surface chargeBasis for selectivityNH3RCOOH+NH3RCOO+-RNH2COO-Low pHPositive chargeHigh pHNegative chargeHydrogen gained

29、Hydrogen lostEffect of pH on charge-+OverallchargeonproteinNH3RCOOH+NH3RCOO+-RNH2COO-acid isoelectric point alkalineexcess positive charge balanced positive and negative charge excess negative chargepH310Titration curves蛋白质离子交换分离的基本步骤uu平衡平衡uu上样吸附上样吸附uu洗脱洗脱uu再生再生+-anion exchange beadEquilibrationSamp

30、le applicationand wash-+-Elution-+-Regeneration-+Sampleapplicationand washElutionEquilibrationRegeneration-+-常用于蛋白质提取分离的离子交换剂uu要求：良好的亲水性、具有较大的均匀网格结要求：良好的亲水性、具有较大的均匀网格结构、粒度越小分辨率越高构、粒度越小分辨率越高uu种类：多糖类种类：多糖类 离子交换纤维素离子交换纤维素 交联葡聚糖交联葡聚糖 交联琼脂糖交联琼脂糖 聚乙烯醇类聚乙烯醇类 Mono Mono系列系列 Amersham Pharmacia Amersham Pharmacia结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！76