第八章 吸附分离法

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C)、Langmuir type
A S Kb AS
S-为表面活性中心。基于上述平 衡，及假定单分子层吸附，得 Langmuir 型吸附平衡方程
q*
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当吸附剂对溶质的吸附作用非
常大时，这时存在 n > 10，或用
前 的
式 溶
表 质
示 浓
度Kb
剂结构、吸附热和其他理化特性。
由于吸附剂与吸附物之间的作用力不同，吸附剂表面 状态不同，则吸附等温线也相应不同。
从现象上来看，生物分离中至少有四种可能的 等温线，如图所示。
吸附等温线
当吸附剂与溶液中的溶质达到
平衡时，其吸附量q*同溶液中
溶质的平衡应与温度有关。当 温度一定时，吸附量只和浓度
有关，q* = f(c) --- 吸附等温
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。
性能不稳定，不能连续操作，劳动强度大。 应用：如需要的成分易吸附，可在吸附后除去不
吸附和不易吸附的杂质，再将样品洗脱；当需要 的成分较难吸附，则将杂质吸附除去，故吸附法 常用来除杂。
通常，一种物质从一相移动到另外一相的现象 称为吸附。如果吸附仅仅发生在表面上，就称 为表面吸附；如果被吸附的物质遍及整个相中， 则称为吸收。
第八章 吸附分离法
第一节 概 述
前言
利用适当的吸附剂，在一定的pH条件下，吸 附样品中的目标物质，然后再以适当的洗脱剂 将吸附的物质从吸附剂上解吸下来，达到浓缩 和提纯的目的。
广泛应用在各种生物行业，如酶、蛋白质、核 苷酸、抗生素、氨基酸等的分离纯化中。
吸附法的特点
1、可不用或少用有机溶剂 2、操作简便、安全、设备简单 3、生产过程pH变化小，适用于稳定性较差的物质。 缺点：选择性差，收率不高，特别是无机吸附剂
这种吸附与吸附剂表面化学性质以及吸附物的化学性质 有关。
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：
吸附作用力 选择性
所需活化能 吸附速度
吸附分子层
物理吸附 范德华力
较差 低 快 单层或多层
（一）、物理吸附
吸附剂和吸附物通过分子力(范德华力)产生的吸附称为物理 吸附。
这是一种最常见的吸附现象，其特点是吸附不仅限于一些活 性中心，而是整个自由界面。
分子被吸附后，一般动能降低，故吸附是放热过程。 物理吸附的吸附热较小，物理吸附时，吸附物分子的状态变 化不大，需要的活化能很小，多数在较低的温度下进行。 由于吸附时除吸附剂的表面状态外，其他性质都未改变，所 以两相在瞬间即可达到平衡。 有时吸附速度很慢，这是由于在吸附剂颗粒的孔隙中的扩散 速度是控制步骤的缘故。
色散力也与温度无关，且是普通存在的，因为任何系 统中都有电子存在。色散能与外层电子数有关，随着 电子数的增多而增加。
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上述各力的数值大小，对于各种物质是不一样的，取决 于吸附物的性质。例如固体吸附剂表面的极性如果不均 匀而吸附物分子具有永久偶极矩，那末在吸附过程中起 主要作用的是定向力，色散力的能量相对较小；如果吸 附物是非极性分子，那未定向力等于零，而在吸附过程 中起主要作用的是色散力。
Langmuir吸附等温线
= C KADS / (1 + C KADS)
3 离子交换等温线
单价离子交换吸附也可用 兰格缪尔等温吸附方程描 述
4 亲和吸附等温线
亲和吸附等温线，常类似于兰格缪尔吸附等温线，由
于是生物特异性结合，所以常为单分子层吸附。当然
对每一体系都需用实验证实。
第三节 几种常用的吸附剂
q* kc1/ n 其 中 ， k 和 n 为 常 数 ， n 一 般 在 110之间。 Freundlich等温线可以 描述大多数抗生素、类固醇、甾 类激素等在溶液中的吸附过程。
q数ma。x为当饱n个和分吸子附在量一，个Kb活为性结中合心常 发生吸附时，即存在
A nS Kb ASn
此时有：
q*
化合物。 （4）一般碱性物质在中性下吸附，在酸性下解吸；酸性物质
在中性下吸附，在碱性解吸。 （5）吸附溶质的量在未达到平衡前随温度提高而增加。
活性炭的活化
活性炭是一种强吸附剂，对气体吸附能力很大， 气体分子占据了活性炭的吸附表面，产造成活 性炭“中毒”，使其活力降低。
故使用前可加热烘干，以除去大部分气体，一 般的活性炭可在160℃加热干燥4～5h；锦纶 受热易变形，可在100℃干燥4～5h。
颗粒大小 小
较小 大
表面积 大
较大 小
吸附力 大
较小
吸附量 大
较小
小
小
洗脱 难 难 易
活性炭的选择
根据所分离物质的特性，选择吸附力适当的活 性炭是成功的关键。
当欲分离物质不易被吸附时，选择吸附力强的 活性炭；反之，则选择吸附力弱的活性炭。
首次分离样品时，一般先选用颗粒状活性炭， 如待分离的物质不能被吸附，则改用粉末状活 性炭。如待分离物质吸附后不能洗脱或难洗脱， 则改用锦纶活性炭。
（2）颗粒活性炭：其表面积有所减少，吸附力和吸附量 次于粉末状活性炭，流速较快，可控制。
（3）锦纶－活性炭：以锦纶为黏合剂将粉末活性炭制成 颗粒，总表面介于上述两者之间，但吸附力较两者弱， 可用于分离两者吸附力太强不易洗脱的化合物。
活 性 炭（Active carbon）
活性炭种类 粉末活性炭 颗粒活性炭 锦纶活性炭
第二节 吸附过程的理论基础
一、基本概念
固体可分多孔和非多孔两类。 非多孔固体只具有很小的比表面（只有外表面），
可通过粉碎增加其比表面。 多孔性固体由于颗粒内微孔的存在，比表面很大，
可达每克几百平方米。 多孔性固体比表面积由外表面和内表面组成，内
表面积是外表面积的几百倍，并具较大吸附力， 故多用多孔性固体作为吸附剂。
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吸附物。
二、吸附的类型
吸附作用是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 化学吸附 交换吸附
二、硅胶
应用最广泛的极性吸附剂。
可用SiO2·nH2O表示，具有多孔性硅氧烷交链
结构。表面具很多硅醇（－Si－OH）基团， 能吸附很多水分，加热即能除去，但高温下 （500℃ ）硅胶的硅醇结构被破坏，失去活性。 优点：化学惰性，具较大吸附量，易制备不同 类型、孔径、表面积的多孔性硅胶。
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。
一、活性炭
吸附力强、分离效果好，价格低，来源方便。 但不同来源、制法、批号的吸附力不同，故难使其标准 化，结果难以重复。且色黑质轻，易污染环境。
（1）粉末状活性炭：颗粒极细，总表面积大，吸附能力 强，吸附量大，但颗粒太细而影响过滤速度，需加压或 减压，操作麻烦。
化学吸附 库伦力
较高 高 慢 单层
（三）、交换吸附
吸附剂表面如为极性分子或离子所组成，则会吸引溶液 中带相反电荷的离子而形成双电层，这种吸附称为极性 吸附。
在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后， 它同时要放出等当量的离子于溶液中，也称交换吸附。
离子的电荷是交换吸附的决定因素，离子所带电荷越多， 它在吸附剂表面的相反电荷点上的吸附力就越强，电荷 相同的离子，其水化半径越小，越易被吸附。
（二）、化学吸附
化学吸附是由于吸附剂在吸附物之间的电子转移，发生 化学反应而产生的，属于库仑力范围，它与通常的化学 反应不同的地方在于吸附剂表面的反应原子保留了它或 它们原来的格子不变。
反应时放出大量的热，由于是化学反应，故需要一定的 活化能，需在较高的温度下进行。
化学吸附的选择性较强，即一种吸附剂只对某种或几种 特定物质有吸附作用，因此化学吸附一般为单分子层吸 附，吸附后较稳定，不易解吸，平衡慢。
吸附机理
固体表面分子（或原子）与固体内部分子所处的 状态不同，固体内部分子受邻近四周分子的作用 力是对称的，作用力总和为零。
但界面上的分子同时受 到不相等的两相分子的作 用力，作用力总和不等于 零，合力方向指向固体内 部，故能从外界吸附分子、 原子或离子，并在表面形 成多分子层或单分子层。
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。
物理吸附
物理吸附是可逆的，即在吸附的同时，被吸附 的分子由于热运动会离开固体表面，分子脱离 固体表面的现象称为解吸。
物理吸附可分成单分子层吸附或多分子层吸附。 由于分子力的普遍存在，一种吸附剂可吸附多
种物质，没有严格的选择性，但由于吸附物性 质不同，吸附的量有所差别。 物理吸附与吸附剂的表面积、孔径分布和温度 等因素密切相关。
2 兰格缪尔(Langmuir)等温线
单分子层吸附等温线方程式是由兰格缪尔建立的。兰 格缪尔方程式以下列假定为基础：吸附是在吸附剂的 活性中心上进行的；这些活性中心具有均匀的能量， 且相隔较远，因此吸附物分子间无相互作用力；每一 个活性中心只能吸附一个分子，即形成单分子吸附层。
[A]为未被吸附的吸附质分子的浓度； A为未被吸附 的吸附质分子。
活性炭对物质的吸附规律
活性炭是非极性吸附剂，因此在水溶液中吸附力最强，在有 机溶剂中吸附力较弱。故水的洗脱能力弱，有机溶剂较强。 水＞乙醇＞甲醇＞乙酸乙酯＞丙酮＞氯仿
活性炭对不同物质的吸附能力有所不同，遵循以下规律： （1）对具有极性基团的化合物吸附力较弱； （2）对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物； （3）对相对分子量大的化合物吸附力大于对相对分子量小的
线。生物分离中至少有四种等 温吸附线(见图)。
A)、Henry type
在一定温度下，平衡时吸附剂 吸附溶质浓度q*与液相溶质浓度 c之间的关系为线性函数：
q* mc
m为分配系数。
适应条件：在低浓度范围之内 成立。当浓度较高时，上式无 效。
吸附等温线
B)、Freundlich type 其经验公式为
非 对
常 吸
大 附
， 浓
这 度
时游 影响
离 极
小，接近不可逆吸附。
D)、Rectangle type 如在固定化单克隆抗体的免疫 亲和吸附中，一般存在 n > 10。
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。
吸附等温线
固体在溶液中的吸附，是溶质和溶剂分子争夺表 面的净结果，即在固液界面上，总是被溶质和溶剂两 种分子占满，如果不考虑溶剂的吸附，当固体吸附剂 与溶液中的溶质达到平衡时，其吸附量m应与溶浓中 溶质的浓度和温度有关。
当温度一定时，吸附量只和浓度有关，m=f(c) ，
这个函数关系称为吸附等温线。 吸附等温线表示平衡吸附量，并可用来推断吸附
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。
C 色散力 非极性分子之间的引力属于色散力。当分子 由于外围电子运动及原子核在零点附近振动，正负电 荷中心出现瞬时相对位移时，会产生快速变化的瞬时 偶极矩，这种瞬时偶极矩能使外围非极性分子极化， 反过来，被极化的分子又影响瞬时偶极矩的变化，这 样产生的引力叫色散力。
换句话说，在分子间相互作用的总能量中，各种力所占 的相对比例是不同的，主要取决于两个性质，即吸附物 的极性和极化度，极性越大，定向力作用越大；极化度 越大，色散力的作用越大。诱导力是次级效应，计算结 果表明，其能量约为分子间力的总能量的5％。
D 氢键力 另一种特殊的分子间作用力是氢键力。它是一种 介于库仑引力与范德华引力之间的特殊定向力，比诱导 力、色散力都大。