吸附分离技术

料液与吸附剂 混合 Step1
吸附质被吸 附 Step2
料液流 出 Step3
吸附质解吸 附 Step4
2、吸附法的特点：
① 常用于从稀溶液中将溶质分 离出来，由于受固体吸附剂 的限制，处理能力较小； 对溶质的作用较小，这一点 在蛋白质分离中特别重要； 可直接从发酵液中分离所需 的产物，成为发酵与分离的 耦合过程，从而可消除某些 产物对微生物的抑制作用； 溶质和吸附剂之间的相互作 用及吸附平衡关系通常是非 线性关系，故设计比较复杂 ，实验的工作量较大。
偶极分子之间其诱导力为：
U诱导
2 2 μ 2 μ α 1 α = γ
1 + 2 6
极性分子和非极性分子之间的作用力
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。
范德华力-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震动，正负电荷中心出现
从上式可以看出： 分子极性越大，μ增大，作用力也越大；分子的支 链会导致r增大，不利于吸附。 偶极矩与分子对称性、取代基位置等结构因素有关。 吸附作用力还与热力学温度成反比。
范德华力-诱导力
设极性分子的永久偶极矩为μ1，非极性分子的极化度为α2。则它们 间诱导力的能量为：
U诱导
=
2 μ 1 α
6 γ 2
· · · · · N C·
• 当分子间距离减小时，
范德华力增大，但当分 子间距离非常接近时， 就明显地表现出斥力。 • 当距离大于OB时，吸引 力未表示出来。 • 当吸附表面和分子间的 距离减小时，其吸引力 的能量逐渐增加， • 当距离减至分子半径OA 时，达到最大值。 • 当距离再减小时，推斥 力急剧增加。
• 吸附速率可用单位质量的吸附剂在单位时间内所
吸附的吸附质的量来表示。
• 在吸wenku.baidu.com过程中，若内扩散的传质速度很快，则传
质阻力主要集中于外扩散，吸附过程为外扩散控 制。 • 反之，若外扩散的传质速度很快，则传质阻力主 要集中于内扩散，吸附过程为内扩散控制。
3、吸附力的本质
吸附质和吸附剂之间的作用力－范德华力 • A 定向力 极性分子的永久偶极静电力 • B 诱导力 极性分子与非极性分子之间的 吸引力 • C 色散力 非极性分子之间的引力（瞬间 偶极）
由于吸附质与吸附剂的分子之间形成化学键而 引起的吸附称为化学吸附。发生化学吸附时，被吸 附的分子与吸附剂的表面分子之间发生了电子转移、 原子重排或化学键的破坏与生成。与物理吸附不同 的是，化学吸附具有选择性，只有当吸附剂与吸附 质的分子之间形成化学键时，才会发生化学吸附。
物理、化学吸附的比较
吸附性能
物理吸附
分子引力（范德华力）
没有选择性
化学吸附
化学键
有选择性
作用力
选择性
吸附层
吸附热 吸附速度 温度 可逆性
单分子或多分子吸附层
较小，⋖41.9kj/mol 快，几乎不要活化能 放热过程，低温有利于吸附 可逆，较易解析
只能形成单分子吸附层
较大，相当于化学反应热，83.7418.7kj/mol 较慢，需要活化能 温度升高，吸附速度增加 化学键大时，吸附不可逆
2、吸附机理
固体内部分子所受分子间的 作用力是对称的，而固体表 面分子所受力是不对称的。 向内的一面受内部分子的作 用力较大，而表面向外一面 所受的作用力较小，因而当 气体分子或溶液中溶质分子 在运动过程中碰到固体表面 时就会被吸引而停留在固体 表面上。
界面
吸附质在吸附剂多孔表面上被吸附的过程分 为下列三步：
1/ n
式中 n--大于1的常数
Freundlich等温线 单分子层
Langmuir 等温线 单分子层
Henry等温线 稀浓度
等温线 多分子层
Lgqe = 0.148Lgce + 1.3369
由图可求得k=6.76 , n=21.72
影响吸附过程的因素
• （1）吸附剂的特性（比表面积、粒度、极性大小、活化条 件） • （2）吸附物的性质（极性大小、分子量） • （3）吸附的条件 pH（对蛋白等两性物质在PI附近吸附量最大） 温度（对蛋白分子，一般认为T↑吸附量↑，考虑到稳定 性,通常在0℃or室温操作） 盐浓度（影响复杂，阻止or促进吸附） • （4）吸附物浓度与吸附剂用量（吸附物浓度↑，吸附量↑， 吸附法纯化蛋白时，要求浓度<1%,以增强选择性,吸附剂用 量↑，吸附物总量↑，但过量吸附剂导致成本↑，选择性↓）
槽式吸附操作适用于外扩散控制的吸附传质过 程。 使用搅拌使溶液呈湍流状态，颗粒外表面的膜 阻力较少。
用于液体的精制，如脱水、脱色和脱臭等。 吸附剂用量S确定: 物料平衡 吸附相平衡
L(c0 c) Sq
四、吸附分离操作
1、槽式搅拌吸附 2、固定床吸附
根据待分离物系中各组分的性质和过程的分离 要求(如纯度、回收率、能耗等)，在选择适当的 吸附剂和解吸剂基础上，采用相应的工艺过程和 设备。
常用的吸附分离设备有： 吸附搅拌釜 固定床吸附器 移动床 流化床
工业吸附过程通常包括两个步骤: ①、将流体与吸附剂接触,吸附质被吸 附剂吸附后与其他流体分开,此过程为吸附 操作; ②、吸附质从吸附剂上解吸出来,使吸 附剂得到再生。若吸附剂不需再生,则此步 骤改为吸附剂的更新。
优点：

② ③
有机溶剂掺入少 操作简便，安全，设备简单 pH变化小，适于稳定性差的物 从稀溶液分离溶质 吸附剂对溶质的作用小（蛋白质）
缺点：选择性差
收率低 无机吸附剂性能不稳定 不能连续操作，劳动强度大 碳粉等吸附剂有粉尘污染
④
3、常用的吸附剂
• 吸附剂通常应具备以下特征： – 表面积大、颗粒均匀、 – 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。
3I 6 4
2
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。分子极性越大，定向力越大。
在通常距离上(十分之几个纳米)，上述分子间相互作 用力的能量约为几千J mol—1。要比化学价力的能量小得多。
• 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。主要取决于分子的两个性质，即它的极性和 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 • 范德华力中的色散力是普遍的一种力
复使用和流体阻力较小等优点)
二、吸附法的分类及原理
1、吸附法的分类 2、吸附机理 3、吸附力的本质
1、吸附法的分类
根据吸附剂与吸附质之间相互作用力的不同， 吸附可分为物理吸附和化学吸附两种类型。 当由于吸附质与吸附剂的分子之间存在分子间 力即范德华力而发生的吸附称为物理吸附，又称为 范德华吸附。 因为分子间引力普遍存在于吸附剂与吸附质之 间，故一种吸附剂可以吸附多种吸附质，不具有选 择性。但吸附剂与吸附质的种类不同，分子间引力 大小各异，因此吸附量可能相差悬殊。
吸附分离技术
何佳 2015.4
主 要 内 容： 吸附法概述 吸附法的分类及原理 吸附等温线 吸附分离操作
一、吸附法的概述
1、吸附法定义 2、吸附法的特点 3、常用的吸附剂 4、吸附法的发展
1、吸附法定义
定义：吸附是利用吸附剂对液
体或气体中某一组分具有选 择性吸附的能力，使其富集 在吸附剂表面，再用适当的 洗脱剂将其解吸达到分离纯 化的过程。
分类
• 1 Langmuir 等温线 (单分子层) • 2 Freundlich等温线(抗生素/类固醇/甾类激素) • 3 离子交换等温线 单价：在缓冲液中， Langmuir 模拟 多价：Freundlich 模拟 • 4 亲和吸附等温线：类似于Langmuir 表达
吸附平衡常用Langmuir方程(单分子层吸附 等温线方程式)来描述：
瞬时相对位移时，就产生快速变化的瞬时偶极矩。这种瞬时偶极矩还能使外围 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。
U色散 =
3 4
α hv
2
6 γ
0
式中 h为普朗克常数；v0为电子的震动频率
因为hv0约等于原子的电离能I(焦耳)，所以上式可写成：
α U色散 = γ
吸附 剂 吸附 质
应用：广泛应用于原料脱色、
脱臭，目标产物提取、浓缩 和粗分离
脱附：吸附的逆过程
• 吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混和、 吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附 质解吸回收等四个过程。 • 吸附剂——能够吸附其他物质的多孔性固体。 • 吸附质——在吸附过程中，被吸附的物质。
在一定温度下, 分离物质在液相和固相中的 浓度关系可用下列吸附方程式来表示:
A B A B k
b
Ka
A表示吸附剂；B表示游离在液相中的溶质 A- B表示吸 附剂与溶质的结合方式Ka、Kb分别为吸附与洗脱常数
吸附质分压
p
ka kb
若以CB表示溶质在流动相中的浓度(即B的浓 度), C（A-B)表示溶质在固相中的浓度( 即A B的浓度), 则上述过程的平衡关系可表达为 函数C(A-B)=f(cB)
1、槽式搅拌吸附
吸附过程一般在带有搅拌器的吸附槽中进行。 1. 首先将原料液加入吸附槽，然后在搅拌状态下加 入吸附剂。 2. 在搅拌器的作用下，槽内液体呈强烈湍动状态， 而吸附质则悬浮于溶液中。 3. 当吸附过程接近吸附平衡时，通过过滤装置将吸 附剂从溶液中分离出来。 4. 接触过滤式吸附过程属间歇操作过程，常用于溶 质的吸附能力很强，且溶液的浓度很低的吸附过 程，以回收其中少量的溶解物质或除去某些杂质 等。
吸引力
吸 引 力
合力
0
距离
B
A
推斥 力
推斥力
吸引力和推斥力
三、吸附等温线
吸附平衡
定义：一定条件下，流体（气体或液体）与吸附剂接触， 流体中的吸附质被吸附剂吸附，经足够长时间后，吸附质 在两相中的含量不再改变，即吸附质在流体和吸附剂上的 分配达到一种动态平衡，称为吸附平衡。
• 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应与溶液中溶质 的浓度和温度有关 • 当温度一定时，吸附量只和浓度有关，Q=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
分子引力/范德华力的总能量:
U范德华 = U定向 + U诱导 + U色散
范德华力-定向力
U定向 = 3 kT γ
2 μμ 6
2 1 2 2
式中：μ1为吸附剂功能基偶极矩；μ2为吸附质分子偶极矩； r为两偶 极子中心之间的距离；κ为波尔兹曼常数；Τ为热力学温度。
极性分子之间产生的作用力
偶极距：分子的电荷重心与正负电荷中心距离的乘积
Q kp Q 1 kp
Q ——吸附量(mol/kg吸附剂) Q∞——溶质的最大吸附量(mol/kg吸附剂) k ——吸附平衡常数 p ——吸附质分压
二个假设： • 吸附活性中心间各 自独立 • 每一个吸附活性中 心只吸附一个分子
实际应用中, 用的最多的是Freundlich方程 式:
Q kp
1)吸附质从流体主体通过分子与对流扩散穿过薄膜或 边界层传递到吸附剂的外表面，称之为外扩散过程。 2)吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结 构的内表面，称为内扩散过程。 3)吸附质沿孔的表面进行扩散，被吸附在孔表面上。
• 整个吸附传质过程的速率由上述三个串联过程的 速率共同决定。 • 一般情况下，表面吸附速度很快，该过程几乎可 在瞬间完成，因此整个吸附传质过程的速率主要 由外扩散或内扩散来控制。
• 常用的吸附剂有极性的和非极性的两种。 羟基磷灰石、硅胶、氧化铝等属前者，活性炭属后者。 人工合成的如大网格吸附剂、分子筛等两种都有。但大 多属非极性的。
4、吸附法的发展
吸附法在各种层析技术中应用最早
• 如一战期间发展起来的活性炭吸附 • 后来使用的凝胶型离子交换树脂、吸附柱层析、 分子筛等 • 大网格树脂吸附(选择性好，解吸容易、机械强度好、可反
氢键力
一种特殊的分子间作用力，介于库仑引力与范德华引力 之间的特殊定向力，比诱导力、色散力都有大 两种原子电负性越大，半径 越小，H键就越能形成，作用 也就越大，越有利于吸附。
氢键
不同元素原子所形成的氢键力大小次序如下：
F-H· · · · · · F > O-H· · · · · · N > N-H· · · · · · O > N-H· · · · · · N>N