1、第六章 吸附與離子交換 一、一、 學(xué)習(xí)目的與要求學(xué)習(xí)目的與要求在了解吸附劑和離子交換劑、吸附和離子交換平衡的基礎(chǔ)上掌握吸附、離子交換操作及其應(yīng)用 。二、二、 學(xué)習(xí)指南學(xué)習(xí)指南 （一） 吸附與離子交換概念（重點(diǎn)）識記：吸附和離子交換概念理解：吸附與原理 （二） 吸附劑與離子交換劑（重點(diǎn)）識記：生物分離中常用的吸附劑和離子交換劑理解：吸附劑、離子交換劑種類和性能（三） 吸附平衡（次重點(diǎn)）識記：吸附平衡概念理解：用蘭格繆爾的單分子層吸附理論解釋溶質(zhì)吸附現(xiàn)象 （四） 離子交換平衡（重點(diǎn)）識記：離子交換平衡概念理解：離子交換分配系數(shù)的推導(dǎo)（五）常用的吸附單元操作方式(次重點(diǎn))識記：穿透曲線、穿透點(diǎn)和穿透

2、時間等概念理解：固定床吸附過程理論基礎(chǔ)（六）基本的離子交換操作以及離子交換法分離蛋白質(zhì)(重點(diǎn))識記：離子交換操作理解：離子交換機(jī)理應(yīng)用：離子交換法分離蛋白質(zhì)第一節(jié) 吸附和離子交換原理 1.1 吸附 a、吸附是利用吸附劑對液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面的過程。 b、吸附過程通常包括：待分離料液與吸附劑混合、吸附質(zhì)被吸附到吸附劑表面、料液流出、吸附質(zhì)解吸回收等四個過程。1.2 常見的吸附類型及其主要特點(diǎn) a、物理吸附： 吸附作用力為分子間引力、無選擇性、無需高活化能、吸附層可以是單層，也可以是多層、吸附和解吸附速度通常較快。 b、化學(xué)吸附：吸附作用力為化學(xué)鍵合力，需

3、要高活化能、只能以單分子層吸附，選擇性強(qiáng)、吸附和解吸附速度較慢。 c 、物理吸附和化學(xué)吸附比較物理吸附物理吸附化學(xué)吸附化學(xué)吸附吸附作用力吸附作用力 分子間引力分子間引力化學(xué)鍵合力化學(xué)鍵合力選擇性選擇性較差較差較高較高所需活化能所需活化能低低高高吸附層吸附層單層或多層單層或多層單層單層達(dá)到平衡所需時間達(dá)到平衡所需時間快快慢慢 1.3 離子交換 概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，達(dá)到分離的目的。第二節(jié) 吸附劑和離子交換劑2.1 常用吸附劑種類 吸附劑通常應(yīng)具備以下特征：對被分離的物質(zhì)具有較強(qiáng)

4、的吸附能力、有較高的吸附選擇性、機(jī)械強(qiáng)度高、再生容易、性能穩(wěn)定、價格低廉。2.2 活性炭（Active carbon）活性炭種類活性炭種類顆粒大小顆粒大小表面積表面積吸附力吸附力吸附量吸附量洗脫洗脫粉末活性炭粉末活性炭小小大大大大大大難難顆粒活性炭顆?；钚蕴枯^小較小較大較大較小較小較小較小難難錦綸活性炭錦綸活性炭大大小小小小小小易易活性炭對物質(zhì)的吸附規(guī)律活性炭是非極性吸附劑，因此在水中吸附能力大于有機(jī)溶劑中的吸附能力。針對不同的物質(zhì)，活性炭的吸附規(guī)律遵循以下規(guī)律：（1）對極性基團(tuán)多的化合物的吸附力大于極性基團(tuán)少的化合物（2）對芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物;（3）對相對分子量大的化合物

5、的吸附力大于相對分子量小的化合物;（4）pH 值的影響 堿性 中性吸附 酸性洗脫; 酸性 中性吸附 堿性洗脫;（5）溫度 未平衡前 隨溫度升高而增加;2.3 大孔網(wǎng)狀吸附劑特點(diǎn)：脫色去臭效果理想；對有機(jī)物具有良好的選擇性；物化性質(zhì)穩(wěn)定；機(jī)械強(qiáng)度好；吸附速度快；解吸、再生容易。但價格昂貴，吸附效果易受流速以及溶質(zhì)濃度等因素的影響。大孔網(wǎng)狀吸附樹脂的種類非極性吸附樹脂：苯乙烯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑為二乙烯苯，又稱芳香族吸附劑。中等極性吸附樹脂：甲基丙烯酸酯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑亦為甲基丙烯酸酯，故又稱脂肪族吸附劑。極性吸附劑：丙烯酰胺或亞砜經(jīng)聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基團(tuán)。大孔吸附樹脂的吸附機(jī)理非離

6、子型共聚物，借助于范德華力從溶液中吸附各種有機(jī)物，其吸附能力與樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理性能以及與溶質(zhì)、溶劑的性質(zhì)有關(guān)。通常遵循以下規(guī)律：非極性吸附劑可從極性溶劑中吸附非極性溶質(zhì)；極性吸附劑可從非極性溶劑中吸附極性物質(zhì)；中等極性吸附劑兼有以上兩種能力2.4 離子交換樹脂的構(gòu)成具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子（可交換離子）樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架樹脂的網(wǎng)絡(luò)骨架2.5 離子交換的分類按活性基團(tuán)分類，可分為陽離子交換樹脂(cation exchange)（含酸性基團(tuán)）和陰離子交換樹脂(anion exchange)（含堿性基團(tuán)）。具體又可以分為：強(qiáng)陽、弱陽 強(qiáng)陰、

7、弱陰2.6 常用的離子交換樹脂強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)有-COOH, -OCH2COOH, C6H5OH等弱酸性基團(tuán)；強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為季銨基團(tuán)，如三甲胺基或二甲基-羥基乙基胺基；弱堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為伯胺或仲胺，堿性較弱；2.7 新型離子交換樹脂大孔離子交換樹脂 大孔離子交換樹脂具有和大孔吸附劑相同相同的骨架結(jié)構(gòu)的骨架結(jié)構(gòu)，在大孔吸附劑合成后（加入致孔劑），再引入化學(xué)功能基團(tuán)化學(xué)功能基團(tuán)，便可得到大孔離子交換樹脂大孔離子交換樹脂的優(yōu)點(diǎn)通過在合成時加入惰性致孔劑，克服了普通凝膠

8、樹脂由于溶脹現(xiàn)象，產(chǎn)生的“暫時孔”現(xiàn)象，從而強(qiáng)化了離子交換的功能；減少了凝膠樹脂在離子交換過程中的“有機(jī)污染”現(xiàn)象（大分子不易洗脫）；可以通過致孔劑選擇調(diào)整孔徑大小、樹脂的比表面積，以適應(yīng)不同的分離要求。常用的致孔劑有：良溶劑（能與單體互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶劑 長鏈醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯2.8 其它離子交換樹脂類型兩性樹脂兩性樹脂：同時含有酸、堿兩種基團(tuán)的樹脂；均孔型離子交換樹脂均孔型離子交換樹脂：主要是陰離子型凝膠離子交換樹脂，孔徑均勻，交換容量高、機(jī)械強(qiáng)度好；螯合樹脂螯合樹脂：樹脂上含有具有螯合能力的集團(tuán)，既可以形成離子鍵，又可以形成配位鍵；主要

9、用于脫除金屬離子；多糖基離子交換樹脂多糖基離子交換樹脂：固相載體為多糖類物質(zhì)，親水性強(qiáng)、交換空間大、對生物大分子物質(zhì)變性作用主要的多糖基離子交換樹脂離子交換纖維素離子交換纖維素 樹脂骨架為纖維素，根據(jù)活性基團(tuán)的性質(zhì)可分為陽離子交換纖維素和陰離子交換纖維素兩類特點(diǎn)：骨架松散、親水性強(qiáng)、表面積大、交換容量大、吸附力弱、交換和洗脫條件溫和、分辨率高常用的離子交換纖維素有： 甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素、二乙基氨基乙基纖維素葡聚糖凝膠離子交換樹脂葡聚糖凝膠離子交換樹脂骨架為葡聚糖凝膠，如sepharose、sephadex，根據(jù)功能基團(tuán)的不同，亦可分為陽離子交換和陰離子交換樹脂命名方法：交換活性基團(tuán)+

10、骨架+原骨架編號特點(diǎn)：除了具有離子交換功能以外，兼有分子篩的功能，提高了分離的效率常用的葡聚糖凝膠離子交換樹脂：CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等DEAE anion exchangerCMC Cation Exchanger離子交換樹脂的命名方法離子交換樹脂的命名方法離子交換樹脂命名法中分類代號和骨架代號代號分類名稱骨架名稱0強(qiáng)酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2強(qiáng)堿性酚醛系3弱堿性環(huán)氧系4螯合性乙烯哌啶系5兩性脲醛系6氧化還原氯乙烯系離子交換樹脂的制備離子交換樹脂的制備加聚法和縮聚法加聚法和縮聚法（依聚合方法分類） 加聚是指具有一個或一個以上雙鍵的單體為原料，在分散相中進(jìn)行聚合；縮聚法是基于縮合反應(yīng)的聚合過程；共聚法和均聚法共聚法和均聚法（以單體分類） 共聚是指兩個或兩個以上的單體進(jìn)行聚合 均聚是指以一種單體進(jìn)行聚合幾種主要的離子交換樹脂制備方法苯乙烯型離子交換樹脂 單體：苯乙烯、二乙烯苯 酸性樹脂引入磺酸基，堿性樹脂引入季 銨，伯、叔胺酚醛樹脂 單體：水揚(yáng)酸、苯酚、甲醛經(jīng)縮聚而成離子交換樹脂的理化性能離子交換樹脂的理化性能外觀：球形、淺