生化工艺——第五章 吸附与离子交换

一、吸附的基本原理 1、分类

物理吸附 吸附剂和吸附质之间的作用力是分子间引力（范德华力）。 化学吸附
利用吸附剂与吸附质之间的电子转移，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，吸附剂表面的反应原子保留了它或它们原 来的格子不变。


交换吸附
吸附表面如为极性分子或离子所组成，则它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。同时在吸附剂与溶液间发生离子交换， 即吸附剂吸附离子后，同时要向溶液中放出相应摩尔数的离子。
过程中pH变化很小，少用或不用有机溶剂，操作条 件温和，适用于热敏性物质分离，但处理能力较低， 吸附剂的吸附性能不太稳定，不能连续操作，劳动强 度大。
吸附法应用：一般常用于除臭、脱色、吸湿、防潮
、去热源以及从稀溶液中分离精制某些产品：如酶、 蛋白质、核苷酸、抗生素、氨基酸等。
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家用水处理机的原理及使用维护知识
第一节
吸附(adsorption )
吸附定义 利用吸附剂对液体或气体中某一(些)组分 具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表 面。实质是溶质从液相或气相转移到吸附剂表 面的过程。
吸附过程
料液与吸 附剂接触
Step1
吸附质 被吸附
Step2
料液 流出
Step3
吸附质解 吸附
Step4
吸附法的特点：操作简便、安全、设备简单，操作
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再一种是在粗滤和活性炭之后，用反渗透膜、纳滤膜进行的 高压分离膜分离，能有效去除有机物及无机盐，口感好，但水体 中矿物元素含量较低，出水量很小（一般情况下为8L/h）。上述 所有的水处理过程都是一个滤材消耗的过程，滤材的有效周期（ 寿命）不仅与本身的材质和使用时间有关，还与原水质量、日水 处理量等因素有关，它直接关系到使用成本和水质；另外由于去 除了余氯的净水很容易被细菌所污染，因此必须装有一套高效、 长寿、可靠的消毒系统，才能保证水处理效果。

膨胀床中吸附剂粒子的混合程度低， 吸附效率高

膨胀床中液体流动接近平推流，吸
附效率高
5、流化床吸附操作


吸附操作是料液从床底以较高的流速循环输入已装有吸 附剂的床层，使固相吸附剂产生流化，同时料液中的溶 质在固相上发生吸附作用，经吸附后的料液由吸附塔顶 部排出，返回循环槽，经泵循环返回流化床，以提高吸 附效率。当吸附剂饱和后，对吸附剂进行解吸、再生、 洗涤，然后转入下一批次操作。 连续操作中吸附粒子从床上方输入，从床底排出，进入 脱附单元顶部。在脱附单元，用加热吸附剂或其它方法 使吸附质解吸，然后进行再生（如果解吸后即获得再生 可省去再生操作），再生后的吸附剂返回到吸附单元顶 部继续进行吸附操作。料液由床底进入，经吸附后由吸 附塔顶部排出，料液在出口仅少量排出，大部分通过循 环泵循环返回流化床，以提高吸附效率。同时补加一定 量新的料液，以维持流化床的流化速度。
3）吸附性质：极性吸附剂；吸附活性与含水量有关 非极性介质中，对极性物质具有较强的吸附 磷酸钙凝胶 1）组成结构： Ca3（PO4）2 ，多孔网状结构凝胶 2）种类：磷酸钙— Ca3（PO4）2 ；磷酸氢钙 —CaHPO4 . 2H2O；；羟基磷酸钙—Ca5（PO4）3 .OH 3）吸附性质：Ca2+与蛋白质负电荷基团的静电吸附作用
吸附速度 吸附质从气相或液相主体吸附到吸附剂上 的速度取决于扩散与表面吸附速度。 外扩散速度主要取决于流体的湍动程度、 流体粘度及吸附质的浓度，湍动程度与吸附质 浓度越大，流体粘度越小，外扩散速度越大； 内扩散速度主要取决于微孔的大小、微孔的长 度及微孔的曲折程度，微孔越大，曲折程度越 小，微孔越短，内扩散速度越大；表面吸附速 度主要取决于吸附面积的大小、吸附力的大小 及反应速度的大小，吸附面积越大，吸附力越 大，反应速度越大，表面吸附速度越大。
4、膨胀床吸附操作

膨胀床吸附也称扩张床吸附，是将吸附 剂固定在一定容器中，含目标产物的液 体从容器底端进入，经容器下端速率分 布器分布，流经吸附剂层，从容器顶端 流出。整个吸附剂层吸附剂颗粒在通入 液体后彼此不在相互接触（但不流化） ，而按自身的物理性质相对地处在床层 中的一定层次上实现稳定分级，流体保 持以平推流的形式流过床层 。


2、连续搅拌釜吸附操作
适于大规模分离

恒定浓度的料液 罐内有纯溶剂及一定量的新鲜吸附剂 吸附剂吸附相应溶质，溶质的浓度随时间而变化 溶液不断地流出反应罐，其浓度也随时间而变化，由于罐 内搅拌均匀，因此整个过程处于稳态条件。 当吸附速度等于零时，离开罐时溶质浓度随时间而变化； 如果吸附速度无限的快，出口液中溶质的浓度将迅速达到 一个很低的值，然后缓慢增加，当吸附剂都为溶质饱和时，出口 中的溶质的浓度又与不发生吸附时相同的规律上升； 在大多数情况下，吸附过程介于两者之间，吸附速度为一有 限值
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。
大孔网状聚合物的应用
氨基糖甙样品脱盐： 将碱性水溶液的氨基糖甙，通过大
孔吸附树脂，氨基糖甙能形成集中的吸附带，而盐溶液则快 速通过树脂柱，去盐后可用(10 - 20) %的含水醇或丙酮洗脱 吸附物。
冬虫夏草有效成分的吸附分离 ：H-103吸附树脂吸附
核苷类化合物和芳香性氨基酸而与糖类和非芳香性氨基酸分 离
5、无机类吸附剂
硅胶
1）组成结构：SiO2. nH2O ，多孔网状结构 O O │ │ Si—O—Si—OH │ │ O O │ │ 2）吸附性质：极性吸附剂 吸附活性与含水量有关 在非极性介质中，对极性物质具有较强的吸附
氧化铝 1）组成结构： Al2O3. nH2O ，多孔网状结构 2）种类：碱性、中性、酸性氧化铝
二、常用的吸附剂


吸附剂应具备的特征 吸附剂分类： 评价吸附性能的参数
比表面积、孔径
常用的吸附剂
1、活性炭
活性炭种类 粉末活性炭 颗粒活性炭 锦纶活性炭 颗粒大小 小 较小 大 表面积 大 较大 小 吸附力 吸附量 大 较小 小 大 较小 小 洗脱 难 难 易
粉末活性炭
锦纶活性炭
活性炭对物质的吸附规律
活性炭对物质进行吸附一般遵守下列规律 ： 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； 对极性基团（—COOH，—NH2，—OH等）多的化合 物的吸附力大于极性基团少的化合物，如活性炭对酸 性氨基酸和碱性氨基酸的吸附力大于中性氨基酸； 对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物； 对相对分子质量大的化合物的吸附力大于相对分子质 量小的化合物，如对多糖的吸附力大于单糖； 活性炭吸附溶质的量在未达到平衡前一般随温度提高 而增加，但要考虑被吸附物的热稳定性； 发酵液的pH与活性炭的吸附率有关，一般碱性抗生素 在中性情况下吸附，酸性条件下解析；酸性抗生素在 中性条件下吸附，碱性条件下解析。
膨胀床吸附操作过程

膨胀床吸附首先要使床层稳定地张开，然后经过进料、洗涤、洗 脱、再生与清洗，最终转入下一个循环。
图5-2 膨胀床吸附的操作过程
膨胀床吸附操作优缺点
流化床综合固定床和流化床优点， 使吸附颗粒按自身的物理性质相对 稳定地处在床层中的一定层次上实 现稳定分级，而流体保持以平推流 的形式流过床层，同时吸附颗粒间 有较大的空隙，使料液中的固体颗 粒能顺利通过床层。
4、大孔网状聚合物吸附剂
大孔网状聚合物吸附剂是一种不含交换基团的, 具有大
孔结构的高分子吸附剂。 吸附机理：非离子型共聚物，范德华力，通常遵循以下 规律：

非极性吸附树脂


中等极性吸附树脂
极性吸附剂
大孔网状吸附剂
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、再生容易。
吸附平衡
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与溶液中溶质浓度c和温度有 关。 当温度一定时，吸附量q只和 浓度有关， q = Kc 的吸附质量，kg(溶质)/kg(吸 附剂)； K—吸附平衡常数，m3（溶 液）/kg（吸附剂）； c—平衡时气体或液体中吸 附质浓度，kg（溶质）/ m3（气 体或液体）。
吸附剂吸附了吸附质后，其吸附能力下降，当吸 附达到饱和后，吸附剂就失去了吸附能力。为了使吸 附剂恢复吸附能力，同时也为了更好地回收吸附质， 需进行解吸操作。解析方式如下： （1）变温解吸分离 吸附剂在常温或低温下吸附物 质后，可通过提高温度使被吸附的物质从吸附剂上解 吸下来，吸附剂本身被再生，然后降温（用低温气体 吹扫吸附剂层）进行新一轮的吸附操作。 （2）变压解吸分离 在较高的压力下完成吸附操 作，在较低压力下进行解吸。 （3）洗脱分离 对于热敏性吸附质，常采用混合溶 剂对吸附剂进行洗涤，使吸附质从吸附剂上解吸下来 ，称为洗脱。
家用水处理机又称净水器，可直接装在家用出水口，是一种 高效方便的饮用水深度净化装置。 一种为单一的过滤型，主要采用活性炭、PP（聚丙烯）过滤 棉、矿物质滤材中的一种或两种组合进行水处理，仅能除去部分 悬浮物、余氯和有机物，但效果不彻底，容量有限，可能产生二 次污染，只能用作饮用水的初级处理。 另一种为多种水处理方式的有机结合，主要是在上一种的基 础上，进行了多重处理，而且增加了超滤膜、紫外灯、臭氧等除 菌装置，在对悬浮物、余氯、有机物、重金属、细菌、病毒等都 有很好的去除功能，对于处理水体的适应性强，是目前家用水处 理机最常见的水处理方式。
连续搅拌釜吸附操作
1)单釜吸附 2)多级吸附 3)多级逆流吸附
3、固定床吸附操作
固定床吸附：是将吸附剂固定在一定的容器中，含 目标产物的液体从容器的一端进入，经容器上部液体分 布器分布，流经吸附剂后，从管子的另一端流出。 操作开始时，绝大部分溶质被吸附，故流出液中溶 质的浓度较低，随着吸附过程的继续进行，流出液中溶 质的浓度逐渐升高，开始缓慢，后来加速，在某一时刻 浓度突然急剧增大，此时称为吸附过程的“穿透”，应 立即停止操作。吸附质需先用不同pH的水或不同的溶 剂洗涤床层，然后洗脱下来。