吸附现象 A rain-damp B冰箱除异味 C变色硅胶
吸附现象 A rain – damp; B 冰箱除异味 C 变色硅胶
吸附与离子交换 1概述 2吸附剂 3离子交换剂 4吸附操作技术 5 Applications
吸附与离子交换 1 概 述 2 吸附剂 3 离子交换剂 4 吸附操作技术 5 Applications
1概述 吸附( adsorption):溶质从液相或气相转移到固相的现象。 吸附机制:固体表面分子(或原子处于特殊的状态。固体内部分子所受 的力是对称的,故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和 种固体的表面力,它能从外界吸附分子、原子、或 离子,并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。 吸附作用:物质从气体或液体浓缩到固体表面从而实现分离的过程 吸附剂:在表面上能发生吸附作用的固体 吸附物:被吸附的物质 吸附法的特点: 界面上分子、内部分子的受力 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 ②对溶质的作用较小,这一点在蛋白质分离中特别重要 ③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; 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 故设计比较复杂,实验的工作量较大
1 概 述 吸附(adsorption)：溶质从液相或气相转移到固相的现象。 吸附机制：固体表面分子(或原子)处于特殊的状态。固体内部分子所受 的力是对称的，故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和 的，即存在一种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或 离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。 吸附作用:物质从气体或液体浓缩到固体表面从而实现分离的过程 吸附剂:在表面上能发生吸附作用的固体 吸附物:被吸附的物质 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； ② 对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特别重要； ③ 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； 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 ，故设计比较复杂，实验的工作量较大
2吸附剂 1)、吸附剂分类 A、非多孔类:非多孔性固体的比表面仅取决于颗粒的外表面,比较而 法可以 B、多孔类:多孔性颗粒的表面是由“外表面”和“内表面”所组成, 内表面积可比外表面积大几百倍。由于颗粒内微孔的存在,比表面很 大,可达每克几百平方米,有较高的吸附势。 生物分离中常用的吸附剂 2)、常用的吸附剂 吸附剂 平均孔径/nm比表面积/(m2/g) 活性炭 1.5~3.5 750~1500 硅胶 2~100 活性氧化铝 4~12 50~300 3)、吸附剂的表征士 A、化学成分 多孔性聚乙烯苯树脂 5~20 100~800 B、材料结构 多孔性聚酯树脂 8~50 60~450 C、比表面积 多孔性醋酸乙烯树脂 6 400 D、平均孔径、或平均粒度,及其分布
2 吸附剂 1）、吸附剂分类： A、非多孔类：非多孔性固体的比表面仅取决于颗粒的外表面，比较而 言比表面积小，用粉碎的方法可以增加其比表面积。 B、多孔类：多孔性颗粒的表面是由“外表面”和“内表面”所组成， 内表面积可比外表面积大几百倍。由于颗粒内微孔的存在，比表面很 大，可达每克几百平方米，有较高的吸附势。 2）、常用的吸附剂 3）、吸附剂的表征 A、化学成分 B、材料结构 C、比表面积 D、平均孔径、或平均粒度,及其分布
2吸附剂 4)、比表面积的测定 般采用BET( Brunueer-Emmett-Teller)法:在液氮温度下(196°C), 吸附剂吸附氮 吸附剂表面形成单分子吸附层,测定氮气的吸 体积vn(cm3/g),计算比表面积 a(cm /g) a=Nn/22400 N-阿弗加德罗常数,s-被吸附分子的横截面积,在-196°C氮气分子 的s=1.62×1015cm2。 5)、孔径及分布测定 吸附剂的孔径及分布可采用水银压入法,利用汞孔度计测定。当压力 升高时,水银可进入到细孔中,压力p与孔径d的关系为 40 cos/p 水银的表面张力(048N/m2)20水银与细孔壁的接触角(=140°)。通 过测定水银体积与压力之间的关系即可求出孔径的分布情况 吸附的机理与类型?
2 吸附剂 4）、比表面积的测定 一般采用B.E.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮温度下(-196°C)， 用吸附剂吸附氮气，在吸附剂表面形成单分子吸附层，测定氮气的吸 附体积vm(cm3 /g)，计算比表面积a(cm2 /g): N-阿弗加德罗常数，s-被吸附分子的横截面积，在-196°C 氮气分子 的s = 1.6210-15 cm2。 5）、孔径及分布测定 吸附剂的孔径及分布可采用水银压入法，利用汞孔度计测定。当压力 升高时，水银可进入到细孔中，压力p与孔径d的关系为 -水银的表面张力(0.48N/m2 )，-水银与细孔壁的接触角(=140°)。通 过测定水银体积与压力之间的关系即可求出孔径的分布情况。 吸附的机理与类型？
2吸附剂 6)、吸附力 B、化学吸附 A范德华力 化学吸取附是由于吸附剂在吸附物之 B静电作用力 间的电子转移,发生化学反应而产生 C酶与基质结合时的配位键的,属于库仑力范围,它与通常的化 D疏水相互作用 学反应不同的地方在于吸附剂表面的 E空间位阻等 反应原子保留了它或它们原来的格子 F氢键 不变。 7)、吸附类型 C物理吸附与化学吸附的比较 物理吸及附与化学吸附的比较 A物理吸附 理化特性 物理吸附 化学吸附 吸附剂和吸附物通过分子吸的n=0 间力(范德华力)产生的吸 「受打散控制受表面化学反应控制 温度效应 几乎没有 有影呵 附称为物理吸附。这是一专一性 低 高 种最常见的吸附现象,其相互作用 可逆 不可逆 特点是吸附不仅限于一些表面盖 完全 不完全 活性中心,而是整个自由活化能小 大 界面。 吸附质吸附瘫量大 小
2 吸附剂 6）、吸附力 A 范德华力 B 静电作用力 C 酶与基质结合时的配位键 D 疏水相互作用 E 空间位阻等 F 氢键 7）、吸附类型 A 物理吸附 吸附剂和吸附物通过分子 间力(范德华力)产生的吸 附称为物理吸附。这是一 种最常见的吸附现象，其 特点是吸附不仅限于一些 活性中心，而是整个自由 界面。 B、化学吸附 化学吸取附是由于吸附剂在吸附物之 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 学反应不同的地方在于吸附剂表面的 反应原子保留了它或它们原来的格子 不变。 C 物理吸附与化学吸附的比较
2吸附剂 D交换吸附 交换吸附类型: lst极性吸附:吸附剂表面如为极性分子所组成,则会吸引溶液中逞相反 极性的物质或离子而形成双电层,这种吸附称为极性吸附。 2n离子交换:在吸附剂与溶液间发生离子交换,即吸附剂吸附离子后, 它同时要放出等当量的离子于溶液中。 交换吸附的决定因素 1st离子所带电荷越多,它在吸附剂表面的相反电荷点上的吸附力就越 强 各种高子交换剂的离子选择顺序 离子交换剂名称 离子的选择性 强酸性阳离子树脂 Ba2+>s2+>Ca2+>Mg2+,B2+Ag+xT>Cs+>Rb+>NH>K+>Na+>H+>L计 强碱性阴离子交换树脂|cNs>r->NO>Bt->CNt>HsO>HsO>NOz>C->HCO> CH3COO-,OH
2 吸附剂 D 交换吸附 交换吸附类型: 1 st 极性吸附: 吸附剂表面如为极性分子所组成，则会吸引溶液中逞相反 极性的物质或离子而形成双电层，这种吸附称为极性吸附。 2 nd离子交换: 在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后， 它同时要放出等当量的离子于溶液中。 交换吸附的决定因素: 1 st 离子所带电荷越多，它在吸附剂表面的相反电荷点上的吸附力就越 强 2 nd 电荷相同的离子，其水化半径越小，越易被吸附
2吸附剂 7)、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 溶液中溶质的平衡应与温度有关 度一定时,吸附量只和浓度 有关 吸附等温线 线物知盆中至少有四种等温吸 A)、 Henry type 在一定温度下,平衡时吸附剂吸 附溶质浓度￠与液相溶质浓度c 间的关系为线性函数: g=mc m为分配系数 几种常见的吸附等温线 1- Henry型;2- Freundlich型; 适应条件:在低浓度范围之内成 3- - langmuir型;4矩形 立。当浓度较高时,上式无效
2 吸附剂 7）、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*同 溶液中溶质的平衡应与温度有关。 当温度一定时，吸附量只和浓度 有关，q* = f(c) --- 吸附等温线。 生物分离中至少有四种等温吸附 线(见图)。 A)、Henry type 在一定温度下，平衡时吸附剂吸 附溶质浓度q *与液相溶质浓度c之 间的关系为线性函数： m为分配系数。 适应条件：在低浓度范围之内成 立。当浓度较高时，上式无效。 q = mc *
2吸附剂 B)、 Freundlich type qm为饱和吸附量,K为结合常 其经验公式为 n 性中 发生吸附时,即存在 kc A+nS →AS 其中,k和n为常数,n一般在 间。 Freundl c等漂线可以 此时有: q1 K 描述大多数抗生素、类固醇 1+Kc 甾类激素等在溶液中的吸附过 程 附剂对溶质的吸附作用韭 这时存在n 或用 C)、 Langmuir type 前式表示K非常大,这时游离 的溶质浓度对吸附浓度影响极 A+St>AS 小,接近不可逆吸附。 S-为表面活性中心。基于上述 衡,及假定单分子层吸附,D)、 Rectangle type 得 Langmuir型吸附平衡方 如在固定化单克隆抗体的免疫 亲和吸附中,一般存在n>10。 K 1+K
2 吸附剂 B)、Freundlich type 其经验公式为 其中，k和n为常数，n一般在1- 10之间。 Freundlich等温线可以 描述大多数抗生素、类固醇、 甾类激素等在溶液中的吸附过 程。 C)、Langmuir type S-为表面活性中心。基于上述 平衡，及假定单分子层吸附， 得Langmuir 型吸附平衡方程 qmax为饱和吸附量，Kb为结合常 数。当n个分子在一个活性中心 发生吸附时，即存在 此时有： 当吸附剂对溶质的吸附作用非 常大时，这时存在 n > 10，或用 前式表示Kb非常大，这时游离 的溶质浓度对吸附浓度影响极 小，接近不可逆吸附。 D)、Rectangle type 如在固定化单克隆抗体的免疫 亲和吸附中，一般存在n > 10。 A S AS + ⎯Kb→ n K A nS AS + ⎯b→ n b n b K c q K c q + = 1 * max n b n b K c q K c q + = 1 * max n q kc * 1/ =
3离子交换剂 1)、离子交换剂 主宴高子交换基团及其结构 离子交换基 A cation exhanger Nat*: EeEH 磺酸基( sulphonate) 03 包含强酸性和弱酸性阳 磺丙基(SP, sulphopropyl) (CH2)3SO3 膦酸基(P, phosphate) -PO5 离子交换剂 弱酸性基; 羧甲基(CM, carboxylmethyl) -CH, cO0 羧基( carboxylate) 强碱性基: B anion exchanger F 三甲胺基( trimethyl amine) N+(CH3)3 二甲基P-羟基乙胺 N+(CH3)2 包含强碱性和弱碱性阴 (dimethyl-B-hydroxyl ethylamine) C,HOH ChS OH 离子交换剂。 季铵乙基 (CHE)2-N+ CH2 CHCH3 (QAE, quaternary aminoethyl) C交换剂的种类 ChS 二乙胺乙基 -(CH2)xN+H 小分子类交换剂:苯乙烯 DEAE, diethyl aminoethyl) 乙烯苯型、丙烯酸 三乙胺乙基(TEAE, triethyl aminoethyl)-(CH2)2N+(C2H)3 烯苯型、酚醛型 弱碱性基: 氨基( AInIno) NHs 二乙胺基( diethylen NH+(ChS)
3 离子交换剂 1）、离子交换剂 A cation exhanger- Na+ : 包含强酸性和弱酸性阳 离子交换剂 B anion exchanger+ F - : 包含强碱性和弱碱性阴 离子交换剂。 C 交换剂的种类 小分子类交换剂：苯乙烯- 二乙烯苯型、丙烯酸-二乙 烯苯型、酚醛型