12 吸附法与离子交换解析
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脱盐(凝胶过滤、超滤) 浓缩(超滤) 精制(结晶、干燥)
第一节 吸附法概述
吸附: 利用吸附剂对液体或气体中某一组分 具有选择吸附的能力,使其富集在吸附剂表 面,而从混合物中分离的过程。即溶质从液 相或气相转移到固相过程。
吸附剂: 吸附操作所使用的具有很大的比表 面积的固体多孔微粒。 吸附质: 被吸附的溶质。
膨胀床吸附操作
固定床优点:流体呈平推流, 返混小,柱效率高。 缺点:无法处理含颗粒的料液。 流化床缺点:存在严重的返混, 吸附剂的利用率低。 膨胀床 吸附颗粒相对稳定地处在床层 中的一定层次上实现稳定分级, 流体以平推流的形式流过床层, 吸附颗粒间有较大的空隙。
第三节、离子交换吸附
概念:利用离子交换树脂作为吸附剂,将溶液中的待分离 组分,依据其电荷差异,依靠库仑力吸附在树脂上,然 后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来,达到 分离的目的。 纯化方式:
流化床吸附操作
固定床: 在吸附颗粒确定以后,床层的流态化 与通过床层液体的表观流速 U 有关。 当 U 不大时,颗粒之间仍保持静止并 互相支撑,这为固定床。 流化床: 当 U 增大至一定程度,颗粒不再相互 支撑,开始悬浮在液体中;进一步提 高 U ,床层中颗粒的运动加剧,这时 的床层为流化床。 优点: A 压降小,可处理高黏度或固体颗粒的 粗料液; B 设备操作简单。
(1)考虑三种作用力: ①固体-溶质
②固体-溶剂 ③溶质-溶剂
(2)吸附剂性质: 吸附容量(a 比表面,b 空隙度) 吸附速度(a 粒度,b 孔径分布) 机械强度(使用寿命)
(3)吸附物性质: ①表面张力降低的物质 ②溶质在易溶解的溶剂中吸附量小 ③极性吸附剂易吸附极性物质 ④极性越小,越易被非极性吸附剂吸附 (4)溶液pH的影响 (解离度) (5)温度的影响 (吸附热,溶解度) (6)其它组分的影响(促进,干扰,互不影响)
吸附等温线表示平衡吸附量
Langmuir 吸附等温线
假定: 吸附物分子之间无相互作用力。 每一个活性只能吸附一个分子, 即形成单分子吸附层。 吸附速度与溶液浓度C和吸附 剂表面未被占据的活性中心数 目成正比; 解吸速度与吸附剂表面为该溶 质所占据活性中心数目成正比
三、影响吸附的因素
(Al2O3· nH2O)、硅藻土(硅酸盐)、分子筛(结
晶态的硅酸盐或硅铝酸盐 )等。
大孔吸附树脂特点?
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。 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。
二、吸附法的特点:
① 从稀溶液中分离溶质,处理能力较小;
①将目的产物离子化,被交换到介质上,杂质不被吸 附而从柱流出,称为正吸附。 ②将杂质离子化后被交换,而目的产物不被交换直接 流出,这种方式称为负吸附。
离子交换法概述
离子交换长期以来应用于水处理和金属的回收。 在生物工业中,由于离子交换法分辨率高、工作 容量大且易于操作,几乎所有的生物分子都是极 性的,都可使其带电,所以离子交换法已广泛用 于生物分子的分离纯化技术。 主要应用在抗生素、氨基酸、有机酸等小分子的 提取分离。近年来在蛋白质等生物大分子的分离 提取也有应用。
应用实例
吸附法脱除SO2
1.原理
①吸附原理
活性炭对烟气中的SO2的吸附,既有物理吸附,也
有化学吸附,特别是当烟气中存在着氧气和水蒸气 时,化学反应变现得尤为明显。
②活性炭再生:活性炭吸附的硫酸存在于活性炭
的微孔中,降低了其吸附能力。可通过水洗放出 SO2,活性炭得到再生。水洗再生是用水洗出 活性炭微孔中的硫酸。
物理吸附 吸附作用力 选择性 分子间引力 较差 化学吸附 化学键合力 较高
所需活化能 吸附层
达到平衡所 需时间
低 单层或多层
快
高 单层
慢
(3)交换吸附:吸附剂表面为极性分子或离子, 吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层, 即极性吸附,同时吸附剂要向溶液中放出相应 物质量的离子。
二、吸附等温线
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, m=f(c), 这个函数关系称为吸附等温线。
第十七章 吸附与离子交换 Absorption and ion exchange
生物分离过程的一般流程 原料液
细胞分离(离心,过滤) 细胞-胞内产物 路线一B 包含体 溶解(加盐酸胍、脲) 细胞破碎 碎片分离 路线一 路线二 清液-胞外产物
路线一A
粗分离(沉淀/过滤/萃取)
复性
纯化(离子交换/层析/吸附
② 对溶质的作用较小;
③ 可直接从发酵液中分离所需的产物;
④ 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。
第二节 吸附过程的理论基础
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。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。
图 界面上分子和内部分子所受的力
一、吸附的类型
按吸附力的不同可分为: (1)物理吸附: 吸附作用力为分子间引力(范德华 力)、无选择性、无需高活化能、吸附层可以是单 层,也可以是多层、吸附和解吸附速度通常较快。
(2)化学吸附:吸附作用力为化学键合力,需要高 活化能、只能以单分子层吸附,选择性强、吸附和 解吸附速度较慢。
物理吸附与化学吸附的特点
四、吸附技术的应用
⑴ 固定床吸附操作 ⑵ 流化床吸附操作 ⑶ 膨胀床吸附操作
1.固定床吸附 定义: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,流经吸附剂后,从管子的另 一端流出。
开始时,绝大部分 溶质被吸附;随着 吸附过程的继续, 流出的溶质的浓度 逐渐升高,在某 一时刻急剧增大, 此时称为“穿透”, 应立即停止操作。
一、常用吸附剂
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、常用吸附剂
按化学结构分:有机吸附剂,无机吸附剂
有机吸附剂:活性炭、纤维素、大网格聚合物(聚
苯乙烯树脂、聚丙烯பைடு நூலகம்酯树脂等)等;
无机吸附剂:硅胶(SiO2· nH2O)、活性氧化铝
第一节 吸附法概述
吸附: 利用吸附剂对液体或气体中某一组分 具有选择吸附的能力,使其富集在吸附剂表 面,而从混合物中分离的过程。即溶质从液 相或气相转移到固相过程。
吸附剂: 吸附操作所使用的具有很大的比表 面积的固体多孔微粒。 吸附质: 被吸附的溶质。
膨胀床吸附操作
固定床优点:流体呈平推流, 返混小,柱效率高。 缺点:无法处理含颗粒的料液。 流化床缺点:存在严重的返混, 吸附剂的利用率低。 膨胀床 吸附颗粒相对稳定地处在床层 中的一定层次上实现稳定分级, 流体以平推流的形式流过床层, 吸附颗粒间有较大的空隙。
第三节、离子交换吸附
概念:利用离子交换树脂作为吸附剂,将溶液中的待分离 组分,依据其电荷差异,依靠库仑力吸附在树脂上,然 后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来,达到 分离的目的。 纯化方式:
流化床吸附操作
固定床: 在吸附颗粒确定以后,床层的流态化 与通过床层液体的表观流速 U 有关。 当 U 不大时,颗粒之间仍保持静止并 互相支撑,这为固定床。 流化床: 当 U 增大至一定程度,颗粒不再相互 支撑,开始悬浮在液体中;进一步提 高 U ,床层中颗粒的运动加剧,这时 的床层为流化床。 优点: A 压降小,可处理高黏度或固体颗粒的 粗料液; B 设备操作简单。
(1)考虑三种作用力: ①固体-溶质
②固体-溶剂 ③溶质-溶剂
(2)吸附剂性质: 吸附容量(a 比表面,b 空隙度) 吸附速度(a 粒度,b 孔径分布) 机械强度(使用寿命)
(3)吸附物性质: ①表面张力降低的物质 ②溶质在易溶解的溶剂中吸附量小 ③极性吸附剂易吸附极性物质 ④极性越小,越易被非极性吸附剂吸附 (4)溶液pH的影响 (解离度) (5)温度的影响 (吸附热,溶解度) (6)其它组分的影响(促进,干扰,互不影响)
吸附等温线表示平衡吸附量
Langmuir 吸附等温线
假定: 吸附物分子之间无相互作用力。 每一个活性只能吸附一个分子, 即形成单分子吸附层。 吸附速度与溶液浓度C和吸附 剂表面未被占据的活性中心数 目成正比; 解吸速度与吸附剂表面为该溶 质所占据活性中心数目成正比
三、影响吸附的因素
(Al2O3· nH2O)、硅藻土(硅酸盐)、分子筛(结
晶态的硅酸盐或硅铝酸盐 )等。
大孔吸附树脂特点?
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。 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。
二、吸附法的特点:
① 从稀溶液中分离溶质,处理能力较小;
①将目的产物离子化,被交换到介质上,杂质不被吸 附而从柱流出,称为正吸附。 ②将杂质离子化后被交换,而目的产物不被交换直接 流出,这种方式称为负吸附。
离子交换法概述
离子交换长期以来应用于水处理和金属的回收。 在生物工业中,由于离子交换法分辨率高、工作 容量大且易于操作,几乎所有的生物分子都是极 性的,都可使其带电,所以离子交换法已广泛用 于生物分子的分离纯化技术。 主要应用在抗生素、氨基酸、有机酸等小分子的 提取分离。近年来在蛋白质等生物大分子的分离 提取也有应用。
应用实例
吸附法脱除SO2
1.原理
①吸附原理
活性炭对烟气中的SO2的吸附,既有物理吸附,也
有化学吸附,特别是当烟气中存在着氧气和水蒸气 时,化学反应变现得尤为明显。
②活性炭再生:活性炭吸附的硫酸存在于活性炭
的微孔中,降低了其吸附能力。可通过水洗放出 SO2,活性炭得到再生。水洗再生是用水洗出 活性炭微孔中的硫酸。
物理吸附 吸附作用力 选择性 分子间引力 较差 化学吸附 化学键合力 较高
所需活化能 吸附层
达到平衡所 需时间
低 单层或多层
快
高 单层
慢
(3)交换吸附:吸附剂表面为极性分子或离子, 吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层, 即极性吸附,同时吸附剂要向溶液中放出相应 物质量的离子。
二、吸附等温线
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, m=f(c), 这个函数关系称为吸附等温线。
第十七章 吸附与离子交换 Absorption and ion exchange
生物分离过程的一般流程 原料液
细胞分离(离心,过滤) 细胞-胞内产物 路线一B 包含体 溶解(加盐酸胍、脲) 细胞破碎 碎片分离 路线一 路线二 清液-胞外产物
路线一A
粗分离(沉淀/过滤/萃取)
复性
纯化(离子交换/层析/吸附
② 对溶质的作用较小;
③ 可直接从发酵液中分离所需的产物;
④ 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。
第二节 吸附过程的理论基础
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。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。
图 界面上分子和内部分子所受的力
一、吸附的类型
按吸附力的不同可分为: (1)物理吸附: 吸附作用力为分子间引力(范德华 力)、无选择性、无需高活化能、吸附层可以是单 层,也可以是多层、吸附和解吸附速度通常较快。
(2)化学吸附:吸附作用力为化学键合力,需要高 活化能、只能以单分子层吸附,选择性强、吸附和 解吸附速度较慢。
物理吸附与化学吸附的特点
四、吸附技术的应用
⑴ 固定床吸附操作 ⑵ 流化床吸附操作 ⑶ 膨胀床吸附操作
1.固定床吸附 定义: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,流经吸附剂后,从管子的另 一端流出。
开始时,绝大部分 溶质被吸附;随着 吸附过程的继续, 流出的溶质的浓度 逐渐升高,在某 一时刻急剧增大, 此时称为“穿透”, 应立即停止操作。
一、常用吸附剂
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、常用吸附剂
按化学结构分:有机吸附剂,无机吸附剂
有机吸附剂:活性炭、纤维素、大网格聚合物(聚
苯乙烯树脂、聚丙烯பைடு நூலகம்酯树脂等)等;
无机吸附剂:硅胶(SiO2· nH2O)、活性氧化铝