第七章 吸附与离子交换

物理吸附 ㈡ 吸 附 类 型
推动力： 推动力： 表面能的降低： 表面能的降低：凡能降低树脂表面能的吸附过 程都能自动进行。 程都能自动进行。 吉布斯吸附方程： 吉布斯吸附方程：
c dγ A=− RT dc
dγ/dc<0，即c增加，γ降低，A为正，吸附 ， 增加 降低 增加， 降低， 为正 为正， dγ/dc>0，即c增加，γ增加，A为负，解析 ， 增加 增加 增加， 增加， 为负 为负， 吸附的原理是表面能的降低， 吸附的原理是表面能的降低，必是放热过程
㈡ 吸 附 类 型
化学吸附
化学吸附是吸附剂表面活性点与溶质之间 发生化学结合、产生电子转移的现象； 发生化学结合、产生电子转移的现象； 作用力： 作用力：库仑力 特点：吸附热较大；由于发生化学反应， 特点：吸附热较大；由于发生化学反应， 需一定的活化能；选择性较强； 需一定的活化能；选择性较强；单分子层 吸附；解析较困难， 吸附；解析较困难，脱附时需采用破坏化 学结合的化学试剂为洗脱剂。 学结合的化学试剂为洗脱剂。
离子交换剂
用于蛋白质分离纯化的离子交换剂基质主 要有葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶、 要有葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶、纤维素和 聚苯乙烯等； 聚苯乙烯等； 常用的离子交换基团亦分为强酸、弱酸、 常用的离子交换基团亦分为强酸、弱酸、 强碱和弱碱四种； 强碱和弱碱四种； 常用于蛋白质离子交换的有DEAE、 常用于蛋白质离子交换的有DEAE、QAE ( DEAE 阴离子交换基)以及CM SP和P(阳离子交 CM、 阴离子交换基)以及CM、SP和P(阳离子交 换基) 其中以DEAE最为常用。 DEAE最为常用 换基)，其中以DEAE最为常用。
离子交换吸附通过静电引力吸附带有相反 电荷的离子，吸附过程中发生电荷转移； 电荷的离子，吸附过程中发生电荷转移； 离子电荷是交换吸附的决定因素。 离子电荷是交换吸附的决定因素。离子所 带电荷越多，它在吸附剂表面相反电荷点 带电荷越多， 上的吸附力越强；电荷相同的离子，水化 上的吸附力越强；电荷相同的离子， 半径越小，越易被吸附。 半径越小，越易被吸附。 离子交换的吸附质可通过调节pH或提高离 离子交换的吸附质可通过调节pH或提高离 pH 子强度的方法洗脱 。
离 子 化 率
离子交换剂
离子交换树脂的命名：1977年部颁标准 离子交换树脂的命名：1977年部颁标准 代号 分类名称 0 强酸性 1 弱酸性 2 强碱性 酚醛系 3 弱碱性 环氧系
骨架代号 苯乙烯系 丙烯酸系
●●●× ●●●×●
D ●●●
交联度数值 顺序号 顺序号 骨架代号 骨架代号 分类代号 分类代号 大孔型代号 凝胶型离子交换树脂的命名 大孔型离子交换树脂的命名
7.1 概 述
特点： 特点：
㈠ 吸 附
优点：可不用或少用有机溶剂； 优点：可不用或少用有机溶剂；操作简便 安全、设备简单；生产过程中pH pH变化小 、安全、设备简单；生产过程中pH变化小 适于稳定性较差的蛋白质。 ，适于稳定性较差的蛋白质。 缺点：选择性差；收率不太高； 缺点：选择性差；收率不太高；有些吸附 剂性能不稳定；易引起环境污染。 剂性能不稳定；易引起环境污染。
骨架代号 苯乙烯系 丙烯酸系
D ●●●
顺序号 骨架代号 分类代号 大孔型代号 大孔型离子交换树脂的命名
D315：大孔型丙烯 ： 酸系弱碱性阴离子 交换树脂
离子交换剂
以蛋白质类生物大分子为分离对象时， 以蛋白质类生物大分子为分离对象时，离子 交换剂基质必须具有： 交换剂基质必须具有： 很高的亲水性； 很高的亲水性； 较大孔径 ； 较低的电荷密度高； 较低的电荷密度高； 对蛋白质的非特异性吸附较少。 对蛋白质的非特异性吸附较少。
离子交换剂： 离子交换剂：离子交换纤维素
分类： 分类：
强酸型：如甲基磺酸纤维素（SM） 强酸型：如甲基磺酸纤维素（SM） 弱酸型：如羧甲基纤维素（CM） 弱酸型：如羧甲基纤维素（CM） 强碱型:二乙基氨基乙基纤维素（DEAE） 强碱型:二乙基氨基乙基纤维素（DEAE） 弱碱型：对氨基苄基纤维素（PAB） 弱碱型：对氨基苄基纤维素（PAB）
离子交换剂
阳离子交换剂(cation 阳离子交换剂(cation exchanger) 对阳离子具有交换能力， 对阳离子具有交换能力，活性基团为酸性 阴离子交换剂(anion 阴离子交换剂(anion exchanger) 对阴离子具有交换能力， 对阴离子具有交换能力，活性基团为碱性
离子交换剂
强酸性阳离子交换剂： 强酸性阳离子交换剂： 活性剂团：磺酸基（ ）；次甲磺酸基 次甲磺酸基（ 活性剂团：磺酸基（-SO3H）；次甲磺酸基（ －CH2SO3H） pH范围：电离程度大，不受pH影响。 1～ pH范围：电离程度大，不受pH影响。pH 1～14 范围 pH影响 交换反应：中和，转型， 交换反应：中和，转型，复分解 树脂类型： 树脂类型：氢型和钠型
7.2 吸附剂与离子交换剂
吸附剂 离子交换剂
吸附剂
特点： 特点： 对被分离的物质有很强的吸附能力， 对被分离的物质有很强的吸附能力，即平衡吸 附量大；（孔径小，比表面积大；多孔， ；（孔径小 附量大；（孔径小，比表面积大；多孔，内表 面积是外表面积的几百倍； 面积是外表面积的几百倍；适当的孔径利于溶 质扩散） 质扩散） 有较高的选择性； 有较高的选择性； 有一定的机械强度 性能稳定，廉价易得 性能稳定，
离子交换剂
弱碱性阴离子交换剂 ： 活性剂团：伯胺（ ），仲胺 仲胺（ NHR），叔胺（ ），叔胺 活性剂团：伯胺（-NH2），仲胺（-NHR），叔胺（-N（ ），吡啶 吡啶（ R）2），吡啶（C6H5N） pH范围：电离程度受pH影响，pH升高，交换能力减弱， pH影响 升高， pH范围：电离程度受pH影响，pH升高 交换能力减弱， 范围 <7。 pH <7。 交换反应：中和，中性盐分解，复分解 交换反应：中和，中性盐分解， 树脂类型： 树脂类型：氢型和钠型
第七章
吸附与 离子交换
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 概述 吸附剂与离子交换剂 吸附平衡与离子交换平衡 分批式吸附与连续吸附 各种吸附过程介绍
7.1 概 述
㈠ 吸 附
吸附(Adsorption)是溶质从液相或气相 吸附(Adsorption)是溶质从液相或气相 (Adsorption) 转移到固相的现象 ; 利用固体吸附的原理从液体或气体除去有 害成分或提取回收有用目标产物的过程称 为吸附操作; 为吸附操作; 吸附操作所使用的固体一般为多孔微粒， 吸附操作所使用的固体一般为多孔微粒， 具有很大的比表面积， 具有很大的比表面积，称为吸附剂 (adsorbent) 。
离子交换剂： 离子交换剂：离子交换纤维素
特点： 特点：
为开放的长链骨架， 为开放的长链骨架，大分子物质能自由地在其 中扩散和交换，亲水性强，表面积的， 中扩散和交换，亲水性强，表面积的，易吸附 大分子物质。交换基团稀疏， 大分子物质。交换基团稀疏，对大分子实际交 换容量大。 换容量大。 吸附力弱，交换和吸附条件缓和， 吸附力弱，交换和吸附条件缓和，不易引起变 性。 分辨力强，能分离复杂的生物大分子混合物。 分辨力强，能分离复杂的生物大分子混合物。
物理吸附 ㈡ 吸 附 类 型
推动力： 推动力：
熵增加：树脂对有机物的结合力较大， 熵增加：树脂对有机物的结合力较大，有 机物冲破水分子的包围， 机物冲破水分子的包围，体系的混乱度增 加，即熵增加。有机物的分子量加大，在 即熵增加。有机物的分子量加大， 水中的溶解度减小，熵增加就越大， 水中的溶解度减小，熵增加就越大，越易 被吸附。 被吸附。 表面能的降低
离子交换剂：离子交换纤维素 离子交换剂：
交换作用： 交换作用：
离子交换纤维素较轻、 离子交换纤维素较轻、细，操作必须仔细 交换基团密度低，吸附力弱，总交换容量低， 交换基团密度低，吸附力弱，总交换容量低， 交换体系中缓冲盐的浓度不宜高（ 交换体系中缓冲盐的浓度不宜高（一般控制在 0.001~0.02M之间，过高会减少蛋白质的吸附 之间， 之间 量。
7.1 概 述
㈡ 吸 附 类 型
物理吸附 化学吸附 离子交换吸附
物理吸附 ㈡ 吸 附 类 型
作用力： 作用力：范德华力 特点：吸附发生在吸附剂的整个自由表面； 特点：吸附发生在吸附剂的整个自由表面；放 热过程，吸附热较小；吸附速度较快； 热过程，吸附热较小；吸附速度较快；吸附是 可逆的；无严格的选择性； 可逆的；无严格的选择性；单分子层或多分子 层。 脱附（解析）：在吸附的同时， ）：在吸附的同时 脱附（解析）：在吸附的同时，被吸附的分子 由于热运动会离开固体表面， 由于热运动会离开固体表面，分子脱离固体表 面的现象称为解析。通过改变温度、pH和盐浓 面的现象称为解析。通过改变温度、pH和盐浓 度等物理条件脱附。 度等物理条件脱附。
离子交换剂
弱酸性阳离子交换剂 ： 活性剂团： COOH），酚羟基（ ），酚羟基 OH） 活性剂团：羧基 （-COOH），酚羟基（C6H5OH） pH范围：电离程度受pH影响，pH降低， pH范围：电离程度受pH影响，pH降低，交换能力 范围 pH影响 降低 减弱， >7。 减弱，pH >7。 交换反应：中和，中性盐分解， 交换反应：中和，中性盐分解，复分解 树脂类型： 树脂类型：氢型和钠型
吸附剂
吸附剂
活性炭： 活性炭： 特点：吸附力强，分离效果好，价廉易得；由 特点：吸附力强，分离效果好，价廉易得； 于水产原料和方法不同，吸附力不同； 于水产原料和方法不同，吸附力不同；活性炭 色黑质轻，易造成环境污染。 色黑质轻，易造成环境污染。 分类：粉末， 分类：粉末，颗粒和锦纶 选择与应用：首次选颗粒，如不易吸附选粉末 选择与应用：首次选颗粒， 吸附力较强，不易脱附，选锦纶。 ；吸附力较强，不易脱附，选锦纶。 对物质的吸附规律： 对物质的吸附规律：
物理吸附与化学吸附的特点
㈡ 吸 附 类 型
项目 吸附力 吸附热 选择性 分子层 吸附速度 吸附温度 表面覆盖
物理吸附 范德华力 较小 无 单或多分子层 快，需活化能较小 温度低， 温度低，利于吸附 完全
化学吸附 化学健力 较大 有 单分子层 慢，需一定的 活化能 适当温度 不完全
离子交换吸附 ㈡ 吸 附 类 型
离子交换剂
强碱性阴离子交换剂： 强碱性阴离子交换剂： 活性剂团：季铵基( 活性剂团：季铵基(-N+(CH3)3) pH范围：电离程度大，不受pH影响。 1～ pH范围：电离程度大，不受pH影响。pH 1～14 范围 pH影响 交换反应：中和，中性盐分解， 交换反应：中和，中性盐分解，复分解 树脂类型：OH型和Cl型 树脂类型：OH型和Cl型 型和Cl
离子交换剂： 离子交换剂：离子交换纤维素
pH选择： pH选择： 选择
DEAE：pH 5.5～9.0 ： ～ CM：pH 3.5～4.5 ： ～
DEAE：pH 8.5～9.0 ： ～ CM：pH 3.5～7.5 ： ～
离子交换剂：离子交换纤维素 离子交换剂：
解析： 解析：
C－OCH2COO-H3N+-P
离子交换剂
代号 分类名称 0 强酸性 1 弱酸性 2 强碱性 酚醛系 3 弱碱性 环氧系
骨架代号 苯乙烯系 丙烯酸系
●●●× ●●●×●
交联度数值 顺序号 骨架代号 分类代号 凝胶型离子交换树脂的命名
Leabharlann Baidu
001×7：交联度为 ％ × ：交联度为7％ 的苯乙烯系凝胶型强 酸性阳离子交换树脂
离子交换剂
代号 分类名称 0 强酸性 1 弱酸性 2 强碱性 酚醛系 3 弱碱性 环氧系
离子交换剂
离子交换剂 性能评价
离子交换剂
分类： 分类： 按树脂骨架主要成份分：聚苯乙烯型； 按树脂骨架主要成份分：聚苯乙烯型；聚丙烯 酸型；环氧氯丙烷型；酚醛树脂。 酸型；环氧氯丙烷型；酚醛树脂。 按骨架的物理结构分：凝胶型（微孔树脂）； 按骨架的物理结构分：凝胶型（微孔树脂）； 大孔树脂； 大孔树脂；均孔树脂 按活性基团分：阳离子交换剂(cation 按活性基团分：阳离子交换剂(cation 阴离子交换剂(anion exchanger) ；阴离子交换剂(anion exchanger) 。