1、生化生物分離工程第7章吸附和離子交換，生化分離過程的一般過程：7。吸附和離子交換，7.1概述7.2吸附過程的理論基礎(chǔ)7.3間歇和連續(xù)吸附7.4固定床吸附和擴張床吸附7.5離子交換吸附7.6離子交換吸附的應(yīng)用7.7其他類型的吸附，7.1概述，7.1.1什么是吸附？吸附是液體或氣體中的某種成分被吸附劑選擇性吸附并富集在吸附劑表面的過程。吸附過程通常包括四個過程：將待分離的液體與吸附劑混合，將吸附質(zhì)吸附到吸附劑表面，流出液體，以及解吸和回收吸附質(zhì)。7.1.2吸附類型，(1)物理吸附：它是由吸附質(zhì)和吸附劑之間的分子間引力引起的，即范德華力。放熱、可逆、單分子層或多分子層，選擇性差。(2)化學(xué)吸附：由吸

2、附質(zhì)和吸附劑之間的化學(xué)鍵引起，是吸附劑和溶質(zhì)表面活性點之間的化學(xué)結(jié)合和電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。放熱大，單分子層，選擇性強。(3)離子交換吸附：以離子交換樹脂為吸附劑，將溶液中的待分離組分根據(jù)其電荷差異，通過庫倫力吸附在樹脂上，然后用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，從而達到分離的目的。被吸附劑吸附后，相同當量的離子同時釋放到溶液中。備注：a .大，化學(xué)鍵的形成和斷裂類似于化學(xué)反應(yīng)；b .各種吸附質(zhì)可以吸附在任何表面，整個表面的吸附情況都是一樣的；c .吸附劑表面的吸附點比一般吸附量多；迅速達到平衡；e .僅取決于吸附質(zhì)的物理和化學(xué)特性；f .取決于吸附質(zhì)和吸附劑的物理和化學(xué)特性。表7-1物理吸附和化

3、學(xué)吸附的比較，物理吸附力的性質(zhì)，A方向力極性分子的永久偶極靜電力B誘導(dǎo)力極性分子和非極性分子之間的吸引力C分散力非極性分子之間的吸引力(瞬時偶極)D氫鍵力庫侖引力和范德華引力之間的特殊分子間方向力，范德華力，(1)處理能力?。?2)吸附過程對溶質(zhì)影響不大；(3)所需產(chǎn)物可直接從發(fā)酵液中分離出來；(4)溶質(zhì)和吸附劑之間的平衡關(guān)系通常是非線性的。7.1.3吸附特性，7.1.4吸附劑和離子交換劑，以及7.1.4.1吸附劑和離子交換劑通常應(yīng)具有以下特性，并對分離的物質(zhì)有很強的吸附能力；具有較高的吸附選擇性；高機械強度；易于再生，性能穩(wěn)定；低價。表7-2生化分離常用的多孔吸附劑，7.1.4.2常用吸附劑

4、，(1)活性炭，表7-3三種活性炭相關(guān)項目的比較，尼龍活性炭，粉末活性炭，圖7-1粉末活性炭和尼龍活性炭的結(jié)構(gòu)，活性炭對物質(zhì)的吸附規(guī)律，活性炭是一種非極性吸附劑，所以它在水中的吸附能力大于在有機溶劑中的吸附能力。根據(jù)不同的物質(zhì)，活性炭的吸附遵循以下規(guī)律：(1)極性基團較多的化合物的吸附容量大于極性基團較少的化合物；芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物；相對分子質(zhì)量大的化合物的吸附能力大于相對分子質(zhì)量小的化合物；酸堿度的影響；堿性和中性吸附，酸性洗脫；酸性和中性吸附，堿性洗脫。在溫度不平衡之前，它隨著溫度的升高而增加。(2)大孔網(wǎng)絡(luò)吸附劑，優(yōu)點：脫色除臭效果理想；對有機物具有良好的選擇性；理化

5、性質(zhì)穩(wěn)定；良好的機械強度；吸附速度快；解吸和再生很容易。缺點：價格高，吸附效果易受流速、溶質(zhì)濃度等因素影響。圖7-2多孔網(wǎng)狀吸附劑的微觀結(jié)構(gòu)，m型中極性吸附樹脂：由甲基丙烯酸酯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑也是甲基丙烯酸酯，故又稱脂肪族吸附劑。極性吸附劑：丙烯酰胺或亞砜是聚合的，通常含有硫、酰胺、氮和氧基團。大孔吸附樹脂的吸附機理，非離子共聚物，利用范德華力從溶液中吸附各種有機物，其吸附能力與樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，以及溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)有關(guān)。一般來說，遵循以下規(guī)則：非極性吸附劑可以從極性溶劑中吸附非極性溶質(zhì)；極性吸附劑可以從非極性溶劑中吸附極性物質(zhì)；中等極性吸附劑具有上述兩種能力。低級醇、酮或水溶液的解吸

6、原理：溶脹大孔樹脂，減弱溶質(zhì)和吸附劑之間的相互作用。堿水解吸附原理：成鹽主要針對弱酸性溶質(zhì)，酸水解吸附原理與水解吸附原理相同：降低體系中的離子強度，減少溶質(zhì)的吸附量。表7-4主要離子交換基團及其結(jié)構(gòu)(1)、7.1.4.3常用離子交換劑、表7-4主要離子交換基團及其結(jié)構(gòu)(2)、蛋白質(zhì)離子交換常用離子交換劑、表7-5部分市售離子交換劑的離子交換能力和蛋白質(zhì)離子交換能力、離子交換樹脂的命名、離子交換樹脂命名碼表、離子交換樹脂性能的評價和測量：(1)粒度的機械篩分；(2)在105-110的含水量下干燥；(3)膨脹度k膨脹=前體積/后體積；(4)交換能力；總交換容量指單價離子毫摩爾/克干樹脂或毫摩爾/克

7、濕樹脂；工作容量是指泄漏點的交換容量。(5)滴定曲線(見圖7-3)靜態(tài)下的交換反應(yīng)，平衡后測量溶液的酸堿度，并繪制曲線。用滴定曲線估算交換容量；計算交換組的數(shù)量。7-3，7.2吸附過程的理論基礎(chǔ)，7.2.1吸附原理，固體的分類：多孔和無孔比表面的組成：多孔固體的比表面由“外表面”和“內(nèi)表面”組成。大表面積和高吸附潛力。表面力的產(chǎn)生與吸附力的關(guān)系：如圖7-4所示，界面分子的力場是不飽和的，可以從外部吸附分子、原子或離子，形成多分子層或單分子層。吸附過程中的一些術(shù)語：吸附吸附劑吸附質(zhì)(質(zhì)量)，圖7-4界面分子對內(nèi)部分子的作用力，吸附平衡：液固兩相中溶質(zhì)的含量達到一定值，即它們相互平衡。7.2.2吸

8、附平衡和吸附等溫線，吸附等溫線：定義：在恒溫下，當溶質(zhì)達到液固吸附平衡時，吸附劑吸附質(zhì)量與液相中游離溶質(zhì)濃度C*的關(guān)系曲線。這是一種函數(shù)關(guān)系和吸附平衡的顯式方法。用途：測定吸附容量；推斷吸附劑結(jié)構(gòu)；吸附熱的化學(xué)性質(zhì)。等溫線類型(見圖7-5)線性吸附等溫線(亨利等溫線)的表達式為q*=mC*，m為分配系數(shù)。這一等溫線是不尋常的，通常建立在低濃度范圍內(nèi)。然而，其他等溫線可以在一定范圍內(nèi)近似，以簡化計算。Freundlich等溫線的經(jīng)驗公式：q*=kC*1/n其對數(shù)形式為：lgq*=lgk n-1lgC*其中：q*吸附劑單位質(zhì)量的吸附質(zhì)量；C*吸附質(zhì)的平衡濃度；k和n的經(jīng)驗參數(shù)，可從對數(shù)-對數(shù)圖上曲

9、線的截距和斜率獲得。是一個經(jīng)驗公式。Langmuir等溫線a:表達式：Kd吸附平衡的離解常數(shù)；Kb結(jié)合常數(shù)。Kd=1/Kb .q*-1相對于c-1繪制，截距為qmax-1，斜率為kb/qmax。討論：當A: C值高時，kbc*1飽和。當B: C值較低時，kbc*1，吸附質(zhì)的吸附量與吸附質(zhì)的平衡濃度成線性關(guān)系。朗繆爾等溫線是單層吸附。矩形吸附等溫線，7-5，7.2.3離子交換平衡和等溫線，(1)離子交換平衡的南方平衡：如果使用離子交換樹脂作為吸附劑，與溶液中溶質(zhì)建立的吸附平衡(靜電力)稱為南方平衡。例：RSO3-Na樹脂置于氯化鈉溶液中，形成兩相有機網(wǎng)狀骨架，固定離子不能穿透固液界面；鈉和氯可以

10、通過界面自由擴散。擴散進行到界面兩側(cè)電解質(zhì)的化學(xué)程度相等，從而達到道南平衡。唐南平衡導(dǎo)致樹脂中相同離子的部分排斥，從而產(chǎn)生樹脂的離子交換和選擇性，成為離子排斥法的理論基礎(chǔ)。(2)離子交換等溫線：由離子交換平衡表示的一價離子交換平衡等溫線的平衡常數(shù)，其最終結(jié)果是鈉離子在離子交換樹脂上的吸附相當于不等離子交換平衡的Langmuir等溫線，最終得到一個復(fù)代數(shù)公式，反映鈣離子的吸附符合freundlich等溫線。7.2.4吸附速率和吸附特性，吸附過程：三步：外擴散、內(nèi)擴散和吸附。吸附傳質(zhì)速率方程：外擴散傳質(zhì)速率方程，內(nèi)擴散傳質(zhì)速率方程，總傳質(zhì)速率方程，外(液相)擴散傳質(zhì)速率方程：吸附劑上的q吸附質(zhì)含量

11、，即吸附質(zhì)(kg)/吸附劑(kg)；時間；p吸附劑的比表面積，m2/g；c .液相中吸附質(zhì)的平均濃度，千克/立方米；吸附劑外表面液相中Ci吸附質(zhì)濃度，kg/m3；kf液相側(cè)的傳質(zhì)系數(shù)，m/s.它與流體的物理性質(zhì)、吸附顆粒的幾何特征、兩相接觸的流動條件以及溫度和壓力等操作條件有關(guān)。在內(nèi)部(固體)擴散傳質(zhì)速率方程中：ks吸附劑固體側(cè)的傳質(zhì)系數(shù)，m/s；qi吸附劑外表面的吸附質(zhì)含量與Ci平衡；吸附劑上吸附質(zhì)的平衡含量。其中，ks與固體顆粒的微孔結(jié)構(gòu)、吸附質(zhì)的物理性質(zhì)和吸附過程的持續(xù)時間有關(guān)，其值必須通過實驗來確定。在總傳質(zhì)速率方程中，C*與吸附質(zhì)含量為q的吸附劑平衡時，流體中吸附質(zhì)的濃度為kg/m3

12、；Q*與液相平衡的吸附劑上的吸附質(zhì)含量，吸附質(zhì)濃度為碳；m/s合計。由Kf和C=C-C*驅(qū)動的傳遞系數(shù)，m/s；總傳質(zhì)系數(shù)由Ks驅(qū)動，q=q*-q，kg/sm。如果內(nèi)擴散快，過程受外擴散控制，氣接近于氣，那么：Kfkf；如果外部擴散很快，這個過程由內(nèi)部擴散控制，并且C接近于Ci，那么：Ksks。吸附特性：在液固界面吸附過程中，有三種作用力：a .界面層上固體和溶質(zhì)之間的作用力；固體和溶劑之間的作用力；溶液中溶質(zhì)和溶劑之間的作用力。事實上，固體在溶液中的吸附是溶質(zhì)和溶劑分子爭奪表面的凈結(jié)果，有正吸附和負吸附。影響吸附的因素：溫度、溶液濃度、吸附劑的結(jié)構(gòu)和性能、溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)等。吸附容量的測量：

13、根據(jù)以下公式：q表觀吸附容量；m吸附劑的量；溶液體積；C0溶質(zhì)的原始濃度；C*平衡后溶液中的溶質(zhì)濃度。7.3分批和連續(xù)吸附，7.3.1分批吸附(1)操作方法(2)計算分批吸附取決于吸附平衡和吸附質(zhì)量平衡。相平衡方程(吸附等溫線)為：質(zhì)量平衡是物質(zhì)關(guān)系，具體如下：(其中溶液中C和C0的最終濃度和進料濃度，Q和q0吸附劑的最終濃度和進料濃度，H料液和W吸附劑的量)。重排后，上述方程，也稱為操作線方程，是一個線性方程。斜率為負，截距為()，可以用圖解法或解析法求解，如圖7-6所示。平衡吸附點，7.3.2連續(xù)吸附，適用于中等規(guī)模的分離。吸附裝置和過程如圖所示，7-7，吸附過程的動力學(xué)行為分析：當不發(fā)生

14、吸附時，溶質(zhì)離開罐時的濃度隨時間變化；吸附速率是無限快的，出口處的碳會很快達到一個很低的值，然后緩慢增加。當吸附劑被溶質(zhì)飽和時，出口中的碳將以與不發(fā)生吸附時相同的方式上升；在大多數(shù)情況下，吸附過程是在它們之間，吸附速率是一個有限的值。操作步驟：先將純?nèi)軇┖托迈r吸附劑w放入罐中；進料液體以濃度Cf和流速h流入攪拌罐；剩余液體以相同的流速h流出儲罐，其濃度C隨時間C(t)而變化。吸附劑上的溶質(zhì)濃度為q，也隨時間變化。由于良好的攪拌，可以認為罐中的濃度處處相等，并且等于流出物的濃度。連續(xù)吸附的計算：連續(xù)吸附的平衡方程：q*=kCn或溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量平衡方程：溶質(zhì)在吸附劑上的質(zhì)量平衡方程：吸附速率方程

15、：吸附速率與傳質(zhì)系數(shù)k有關(guān)，它是槽內(nèi)攪拌速率的函數(shù)，但與溫度關(guān)系不大。在公式中，v為攪拌槽容積，空隙率，c和C0分別表示出料和進料中的溶質(zhì)濃度，h為進料液體的流速，q為吸附劑中吸附的溶質(zhì)濃度。單位反應(yīng)罐體積的吸附速率由吸附動力學(xué)機制決定，吸附動力學(xué)機制包括外部擴散控制、內(nèi)部擴散控制和吸附反應(yīng)控制。在大多數(shù)情況下，外部擴散控制傳質(zhì)系數(shù)、單位反應(yīng)罐體積吸附劑表面積和罐中吸附劑的平衡液相濃度。根據(jù)以上公式，最終可以得到以下結(jié)果：描述Ct之間的關(guān)系，描述qt之間的關(guān)系，等式右側(cè)的正號I代表1，負號I代表2。T=0，C=0，q=0，只是進料；當t=，C=C0，q=KC0時，吸附劑飽和。7.4固定床吸附和膨脹床吸附，7.4.1固定床吸附，形式：它是最常見和最重要的形式，用于大規(guī)模生產(chǎn)過程。設(shè)備和操作：固定床是一個簡單的垂直管道，充滿吸附顆粒。含有目標產(chǎn)物的液體從管道的一端進入，被吸附劑吸附后從管道的另一端流出。這個過程是復(fù)雜的：它是不穩(wěn)定和非線性的；如果床上的顆粒不均勻，水果可能會不同。7-8，計算：溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量平衡公式：其中：床層孔隙度；塔內(nèi)液體的空塔速度(表觀流速)；軸向分散系數(shù)；z床位置。*軸向擴散主要由湍流引起，可以忽略不計。溶質(zhì)在吸附劑上的物料平衡公式：其中：單位床體積吸附速率由溶質(zhì)吸附速率方程吸收：=Ka(C