《吸附与离子交换》PPT课件.ppt

吸附与离子交换分离,概述吸附过程的理论基础常用的吸附剂吸附的应用离子交换的基本原理常用离子交换剂离子交换工艺离子交换应用,一.吸附,1.概述1.1吸附定义：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的过程。（表面吸附与吸收）1.2吸附作用：脱色、除臭、吸湿、防潮、去热源及某些产品（如：酶、蛋白质、核苷酸、氨基酸、抗生素等）的分离精制。1.3吸附的特点：选择性高处理能力较低可直接分离发酵液中所需的产物操作简单，但实验设计复杂。,2 吸附过程的理论基础,2.1基本概念吸附：利用吸附剂对液体或气体中某些组分具有选择性 吸附能力，使其富集在吸附剂表面的过程。吸附物：被吸附的物质。吸附剂：吸附操作所使用的固体原料。一般为多孔微粒或 多孔膜，具有很大比表面积。原因：固体内部分子作用力0 固体分子外部作用力0，即从外界吸附分子、离子原子，并在吸附表面形成单分子或多分子层。,2.2 吸附类型,物理吸附（1）作用力：吸附剂与吸附质间的范德华力（定向力、诱导力、色散力）或氢键。如：硅胶薄层层析分离叶绿素（2）吸附力大小：吸附质能否被吸附及吸附量多少 a.溶质与吸附剂极性的相似性 b.溶剂极性与溶质极性的相似性（3）特点：a.吸附发生在吸附剂整个表面无选择性 b.吸附为可逆吸附，平衡易达到。（可通过改变T、pH、盐浓度等物理条件解吸。）,2.2.2 化学吸附（1）原理：吸附剂与吸附质间发生化学键合，产生电子转移而进行的吸附。（2）特点：a.Ea高，需高温下进行；反应时放出大量的热 b.选择性很强：只对某种或几种物质有特定吸附 c.单分子层吸附，吸附稳定；为不可逆吸附。（若需解吸，必须加破坏化学键的有机试剂。）,交换吸附,（1）原理：离子交换剂通过静电引力吸附溶液中带相反电荷的离子，吸附过程发生电荷转移。（2）特点：a.离子电荷越多，越易被吸附。b.电荷相同，离子水合半径越小，越易被吸附。c.一般通过调pH或增加离子强度进行洗脱。,3 影响吸附的因素（1）吸附剂的性质：影响吸附容量和吸附速率 a.吸附剂表面积大，空隙度大，吸附容量大 b.吸附剂孔径大，颗粒度小，吸附速率越大（孔径适中）c.极性：极性化合物选极性吸附剂；非极性化合物选非极性吸附剂。（2）吸附质性质a.溶质从较易溶解的溶剂中被吸附时，吸附量较少（相似相容）b.极性,c.同系物：分子量越大，极性越低，易被非极性吸附剂吸附 如：活性炭：W大W小；多肽氨基酸；多糖单 糖(3)其他因素：T、pH、吸附质浓度、吸附剂用量等 温度：吸附是放热过程，吸附质的稳定性 溶液pH值：影响吸附质的解离 盐浓度：影响复杂，要视具体情况而定,4 常用吸附剂,4.1活性炭（非极性吸附剂）（1）种类：,（2）选择 a.欲分离物是否易被活性炭吸附；若容易吸附，选择吸附力弱的活性炭；反之，亦然。b.一般先选颗粒状，看能否被吸附、洗脱。,（3）活性炭对物质的吸附一般规律a.吸附作用：在水中吸附力最强，在有机溶剂中吸附力最弱 b.洗脱作用：水的洗脱能力最弱，有机溶剂洗脱能力最强 c.被分离物类型：W大W小；芳香族脂肪族 d.pH 值的影响 碱性 中性吸附 酸性洗脱 酸性 中性吸附 碱性洗脱,（4）活性炭的预处理：分别用48%HF，12M HCl洗涤，除去杂质。定量分离时应做空白实验。（5）应用：精制有机物常用活性炭脱色；高纯金属微量杂质的分离分析。,4.2 硅胶极性吸附剂（1）影响吸附的因素 a.吸附物的性质：极性化合物非极性化合物 b.硅胶含水量（120）（2）硅胶活化：105110 活化 1h（3）硅胶的再生 a.510倍1NaOH回流30min；水洗至中性 b.36倍5乙酸回流30min；水洗至中性 c.甲醇洗，水洗 d.120 活化12h,4.3大孔性吸附树脂,（1）大孔性树脂的结构 大孔吸附树脂是一种不含交换基团的,具有大孔结构的高分子吸附剂。通常大孔性树脂是聚苯乙烯和二乙烯苯的共聚物，它们具有多孔性的巨大网状结构。,(2)大孔网状吸附树脂的种类,非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。极性吸附剂：丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基团。,（3）大孔吸附树脂的特性a.物理吸附、吸附容量大、选择性好b.吸附速度快、易于解吸、机械强度高、再生处理简便。特别适用于从水溶液中分离低极性或非极性化合物。c.贵，吸附效果受流速及溶质浓度等影响,（4）吸附原则a.吸附剂的极性 非极性吸附剂适应从极性溶剂中吸附非极性物 极性吸附剂适应从非极性溶剂中吸附极性物质b.吸附物分子大小吸附剂孔径（孔径吸附物分子直径的6倍）,（5）解吸方法,水溶性有机溶剂水或低级醇、酮弱酸性物质碱解吸弱碱性物质酸解吸高浓度盐水洗易挥发热水或蒸馏,5.操作方式,5.1分批式吸附（1）方法：将浆状吸附剂添加到装有溶液的搅拌反应罐中，初始抽提物和蛋白质都有可能被吸附到吸附剂上，并逐个分离。（2）步骤 吸附剂与溶液混合（吸附）吸附剂与溶液分离淋洗（洗涤杂质）抽干解吸Ps：典型吸附剂有磷酸纤维素、亲和吸附剂、免疫吸附剂等。,5.2连续搅拌罐中的吸附,（1）过程：料液（恒定浓度）以一定流速连续进入搅拌罐中，罐内初始装有纯溶剂和新鲜吸附剂，吸附剂上吸附溶质，溶质的浓度随时间变化，溶液并不断流出反应罐。（2）特点 a.罐内浓度出口液浓度 b.溶质的浓度随时间变化（快、中、慢）：,5.3固定床吸附,（1）过程：a.吸附：吸附剂固定在一定容器中，含目的物的液体从容器一端进入，经容器上部液体分布器分布，从另一端流出。b.洗脱：用不同pH水或缓冲液、溶剂洗脱（2）特点a.流出液溶质浓度逐步升高（慢快），穿透时（浓度最大）停止操作。b.柱效高c.无法处理含颗粒的料液，易堵塞，需要预处理,5.4膨胀床吸附,（1）方法：吸附剂固定在一定容器中，通入液体后吸附剂膨胀，含目的物的液体从底端进入，经经容器下端液体分布器分布，流经吸附剂，顶端流出。（2）步骤 a.床层稳定膨胀和介质平衡平衡液 吸附剂膨胀，床层分级 b.进料吸附原料液,c.洗涤缓冲液（去固体颗粒及弱吸附杂质）d.洗脱洗脱剂 e.再生和清洗,a.效率高b.适合含固体颗粒物质的分离c.兼有吸附和固液分离的作用,（3）特点,二、离子交换分离法,1.离子交换概述1.1定义：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。,1.2离子交换树脂的结构 在水溶液中呈不溶解状态，能释放反离子，同时也可与溶液中其它带相反电荷物质结合。如：RSO3Na，DEAE纤维素（1）基质：具有三维空间立体结构的网络骨架（2）功能基团（或活性基团）：联接在骨架（3）反离子（活性离子）：活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离子）,1.3离子交换的分类,按活性基团分类，可分为（1）阳离子交换树脂（含酸性基团）强酸性阳离子交换树脂：a.活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）b.pH114使用，选择性差弱酸性阳离子交换树脂：a.活性基团有-COOH,-OCH2COOH,C6H5OH等弱酸性基团；b.pH大于7，选择性好,（2）阴离子交换树脂（含碱性基团）。强碱性阴离子交换树脂：a活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-羟基乙基胺基；b.pH114，选择性差，应用广泛弱碱性阴离子交换树脂：a.活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；b.pH小于7，选择性好，应用范围窄,以上为4种基本类型，可通过转型成其它类型,R-SO3-H+R-SO3-Na+R-COOH R-COO-Na+R-NR3+OH-R-NR3+Cl-R-NH3+OH-R-NH3+Cl-,几种离子交换树脂（1）,几种离子交换树脂（2）,新型离子交换树脂,大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换树脂,大孔离子交换树脂的优点,a.通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现象，从而强化了离子交换的功能；b.减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机污染”现象（大分子不易洗脱）；c.可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。d.常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶剂 长链醇（碳4-10）煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯,其它离子交换树脂类型,两性树脂：同时含有酸、碱两种基团的树脂；均孔型离子交换树脂：主要是阴离子型凝胶离子交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机械强度好；螯合树脂：树脂上含有具有螯合能力的集团，既可以形成离子键，又可以形成配位键；主要用于脱除金属离子.如：国产#401型是属于氨羧基N（CH2COOH）2*多糖基离子交换树脂：固相载体为多糖类物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子物致变性作用小,主要的多糖基离子交换树脂,（1）离子交换纤维素 a.树脂骨架为纤维素，根据活性基团的性质可分为阳离子交换纤维素和阴离子交换纤维素两类 b.特点：骨架松散、亲水性强，易吸收大分子；表面积大、交换容量大；吸附力弱、交换和洗脱条件温和；分辨率高 c.常用的离子交换纤维素：甲基磺酸纤维素（SMC）、羧甲基纤维素（CMC）、二乙基氨基乙基纤维素（DEAEC）、TEAEC,（2）葡聚糖凝胶离子交换树脂a.骨架为葡聚糖凝胶，如sepharose、sephadex，根据功能基团的不同，亦可分为阳离子交换和阴离子交换树脂b.命名方法：交换活性基团+骨架+原骨架编号c.特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功能，提高了分离的效率c.常用的葡聚糖凝胶离子交换树脂：CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等,PS：（1）离子交换树脂：适用于无机离子交换和有机酸、aa、抗生素等小分子的提取、分离（2）蛋白质类生物大分子多糖基离子交换剂a.亲水性强提供微环境b.孔径较大提高实际交换容量c.粒度较小增加扩散，减小阻力d.电荷密度较低静电作用小，避免失活；易洗脱,1.4离子交换树脂的命名方法,（1）由3位数字组成a.第一位代表产品的分类 b.第二代表骨架 c.第三位顺序号d.大孔树脂，前加D e.凝胶树脂要标明交联度,离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号,D101、D201、2018,1.5离子交换树脂的理化性能,外观：球形、浅色为宜，粒度大小为1660目90%；机械强度：90%；含水量：树脂；交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量或称表观交换容量（在某一条件下）；稳定性：化学稳定性、热稳定性；膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子的性质、介质的性质和浓度、骨架结构；湿真密度：单位体积湿树脂的重量；孔度、孔径、比表面积,2.离子交换分离的理论基础,（1）A+自溶液中扩散到树脂表面（2）A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心（3）A+与RB在活性中心上发生复分解反应（4）解吸附离子B+自树脂内部扩散至树脂表面（5）B+离子从树脂表面扩散到溶液中交换速度的控制步骤是扩散速度，不同的分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制,2.1离子交换过程,2.2离子交换 离子交换树脂与含离子的溶液接触时，树脂上的反离子A+进入溶液，而溶液中的B+被树脂“吸附”，即“化学吸附”。,（1）反应可逆，平衡可迅速达到，且平衡移动遵守质量作用定律。如：B+浓度增加，平衡右移,（2）离子交换树脂的选择性对溶液中不同离子具有不同结合力,选择性系数：,2.3离子交换的选择性,（1）离子交换常数：交换势或交换系数,R-A、R-B表示结合在树脂上的A离子和B离子浓度AS、BS表示溶液中A离子和B离子,越大B越易被交换,（2）影响离子交换选择性的因素,a.水合离子半径：半径越小，亲和力越大；b.离子化合价：高价离子易于被吸附；c.溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；d.离子强度：越低越好；e.有机溶剂：不利于吸附；f.交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少；g.树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；,对于强酸型阳离子交换树脂，当与金属离子M+接触时:,选择性系数值的大小表示树脂对金属离子M+的亲和力的大小，它与树脂的类型、离子的性质与浓度以及溶液的组成有关。,为什么金属离子(Na+、K+等)可以吸附在H-型强酸型阳离子交换柱上，而后又可以用HCl来再生强酸型阳离子交换柱?,实验表明，在常温下，当离子浓度不大时，强酸型阳离子交换树脂树脂亲和力大小有如下一些规律。(1)金属离子的价数增大，亲和力增大。如 Na+Ca2+Al3+Th4+(2)离子价数相同时，亲和力大小随着水合离子半径的减少而增大。如1价离子：Li+H+Na+NH4+K+Rb+Cs+Tl+Ag+；2价离子：Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba2+。,2.4影响交换速度的因素,颗粒大小：愈小越快交联度：交联度小，交换速度快温度：越高越快离子化合价：化合价高，交换越快离子大小：越小越快搅拌速度：在一定程度上，越大越快溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，浓度越大，交换速度越快,2.5分离机理,（1）选择性吸附（目的物结合力大，杂质结合力小）a.使目的物带上与反离子同类型的电荷且数量大b.使杂质带上与反离子相反的电荷或不带电。如SO3Na（2）分步洗脱a.改变洗脱液的pH，使两性物质的带电情况发生改变b.用高浓度的盐溶液洗脱,-,+,Overall charge on protein,acid isoelectric point alkalineexcess positive charge balanced positive and negative charge excess negative charge,pH,3,10,Titration curves,两性物质的分离,（1）pH pI（+）被阳离子交换树脂吸附；pH pI（-）被阴离子交换树脂吸附（2）若在相同pH条件下，且pH pI，pI越高的物质带正电荷越多，越易被阳离子交换树脂吸附；若在相同pH条件下，且pH pI，pI越低的物质带负电荷越多，越易被阴离子交换树脂吸附；（3）阳离子交换树脂：用增加pH的缓冲溶液洗脱，洗脱顺序：pI 低先流出 阴离子交换树脂：用增加pH的缓冲溶液洗脱，洗脱顺序：pI 高先流出,3.离子交换操作方法,树脂的选择树脂预处理离子交换吸附洗脱,3.1树脂的选择,（1）树脂基本要求：交换容量大、选择性好、物理化学性质稳定、机械强度好等（2）树脂类型的选择阴、阳离子交换树脂的选择被分离物所带的电荷情况及稳定性a.（+）阳b.（-）阴如：细胞色素c（pI10.2、酸性条件下稳定）,目的物酸碱性、树脂离解状态及选择性、洗脱,a.目的物具有较强的酸（或碱）性 选弱碱（酸）性阴（或阳）离子交换树脂b.目的物具有较弱的酸（或碱）性选强碱（酸）性阴（或阳）离子交换树脂c.生物样品习惯采用弱性树脂d.强树脂，选择性小，应用广泛；弱树脂，选择性好，应用窄如：赤霉素 pk3.8 一元弱酸,离子交换树脂反离子的选择取决于结合力、实际需求,阳离子Na+、H+、NH4+；阴离子Cl-、OH-、一般来说：a.强阳离子交换树脂 Na+、H+弱阳离子交换树脂 Na+b.强阴离子交换树脂 Cl-、OH-弱阴离子交换树脂 Cl-如：去水中Ca2+链霉素（为一强碱性生物活性药物，pH4-5稳定）弱阳离子交换树脂 Na+、中性溶液中吸附、酸溶液洗脱,3.2树脂预处理及转型,物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒；化学处理：转型（氢型或钠型）酸碱酸碱酸碱最后以去离子水或缓冲液平衡,3.3离子交换操作方式,静态：操作简单、但是分批操作，交换不完全动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，适宜多组份分离(见离子交换柱层析）柱式固定床（FixedBed）模拟移动床（SMB）,3.4洗涤和洗脱,洗涤除杂洗脱离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法洗脱方法（1）改变溶液pH值（2）改变溶液离子强度洗脱方式：阶段洗脱与梯度洗脱；动态与静态洗脱,洗脱一般采取分步淋洗或梯度淋洗，其中分步洗脱，是指先采用洗脱能力较弱的溶液，使易洗脱组分流出，然后依次使用洗脱能力更强的溶液，洗脱较难洗脱的组分。,3.5树脂再生,（1）定义：是指使离子交换树脂重新具有交换能力的过程（2）方法：酸-碱-酸-缓冲溶液淋洗碱-酸-碱-缓冲溶液淋洗（3）方式有：顺流再生和逆流再生,3.6离子交换应用实例,离子交换法提取蛋白质水处理（软水、去离子水的制备）抗生素的提取肝素的提取,(1)水的净化脱盐,(2)含铬废水的处理,(3)氨基酸的分离,采用交换树脂为Dowo50,柱长100cm，柱径0.9cm，Na+型树脂淋洗剂采用pH值逐步提高的柠檬酸钠缓冲液。（其中Asp天冬氨酸，Thr苏氨酸，Ser丝氨酸，Glu谷氨酸，Pro脯氨酸，Gly甘氨酸，Ala丙氨酸，Cys-Cys胱氨酸，Val缬氨酸，Met蛋氨酸，Ile异亮氨酸，Leu亮氨酸，Tyr酪氨酸，Phe苯丙氨酸，His组氨酸，Lys赖氨酸，Arg精氨酸。）,氨基酸分离的淋洗曲线,