6吸附和離子交換

1、<p>　　第六講 吸附與離子交換4學(xué)時(shí)</p><p>　　一、通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)掌握的問題</p><p>　　1、什么是吸附過程？</p><p>　　2、吸附的類型有哪些？它們是如何劃分的？</p><p>　　3、常用的吸附劑種類有哪些？</p><p>　　4、什么是吸附等溫線？其意義何在？

2、</p><p>　　5、影響吸附過程的因素有哪些？</p><p>　　6、什么是親和吸附？其特點(diǎn)有哪些？</p><p>　　7、常用的吸附單元操作有哪些方式？</p><p>　　8、什么是離子交換？</p><p>　　9、離子交換樹脂的分類？其主要的理化性質(zhì)有哪些？</p><p>　

3、　10、離子交換的機(jī)理是什么？</p><p>　　11、什么是離子交換的選擇性？其選擇性受哪些因素影響？</p><p>　　12、基本的離子交換操作是怎樣的？</p><p>　　13、如何利用離子交換法分離蛋白質(zhì)？</p><p>　　二、什么是吸附？（Adsorption）</p><p>　　1、吸附是利用吸

4、附劑對(duì)液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面的過程。</p><p>　　2、吸附過程通常包括：待分離料液與吸附劑混合、吸附質(zhì)被吸附到吸附劑表面、料液流出、吸附質(zhì)解吸回收等四個(gè)過程。</p><p>　　三、常見的吸附類型及其主要特點(diǎn)</p><p>　　1、物理吸附： 吸附作用力為分子間引力、無選擇性、無需高活化能、吸附層可以是單層，也可以

5、是多層、吸附和解吸附速度通常較快。</p><p>　　2、化學(xué)吸附：吸附作用力為化學(xué)鍵合力，需要高活化能、只能以單分子層吸附，選擇性強(qiáng)、吸附和解吸附速度較慢。</p><p><b>　　四、常用吸附劑種類</b></p><p>　　吸附劑通常應(yīng)具備以下特征：對(duì)被分離的物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附能力、有較高的吸附選擇性、機(jī)械強(qiáng)度高、再生容易、性能穩(wěn)

6、定、價(jià)格低廉。</p><p>　　1、活性炭：是非極性吸附劑，因此在水中吸附能力大于有機(jī)溶劑中的吸附能力</p><p>　　針對(duì)不同的物質(zhì)，活性炭的吸附規(guī)律遵循以下規(guī)律：</p><p>　?。?）對(duì)極性基團(tuán)多的化合物的吸附力大于極性基團(tuán)少的化合物</p><p>　?。?）對(duì)芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物;</p>

7、<p>　?。?）對(duì)相對(duì)分子量大的化合物的吸附力大于相對(duì)分子量小的化合物;</p><p>　　（4）pH值的影響 堿性 中性吸附 酸性洗脫;</p><p>　　酸性 中性吸附 堿性洗脫;</p><p>　?。?）溫度 未平衡前 隨溫度升高而增加;</p><p><b>　　2、大孔網(wǎng)狀吸附劑</b>

8、</p><p>　　特點(diǎn)：脫色去臭效果理想；對(duì)有機(jī)物具有良好的選擇性；物化性質(zhì)穩(wěn)定；機(jī)械強(qiáng)度好；吸附速度快；解吸、再生容易。</p><p>　　但價(jià)格昂貴，吸附效果易受流速以及溶質(zhì)濃度等因素的影響。</p><p>　　大孔網(wǎng)狀吸附樹脂的種類：</p><p>　　（1）非極性吸附樹脂：苯乙烯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑為二乙烯苯，又稱芳香族吸附劑。

9、</p><p>　　（2）中等極性吸附樹脂：甲基丙烯酸酯交聯(lián)而成，交聯(lián)劑亦為甲基丙烯酸酯，故又稱脂肪族吸附劑。</p><p>　?。?）極性吸附劑：丙烯酰胺或亞砜經(jīng)聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基團(tuán)。</p><p><b>　　吸附機(jī)理：</b></p><p>　　非離子型共聚物，借助于范德華力從溶液中吸附

10、各種有機(jī)物，其吸附能力與樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理性能以及與溶質(zhì)、溶劑的性質(zhì)有關(guān)。通常遵循以下規(guī)律：</p><p>　　（1）非極性吸附劑可從極性溶劑中吸附非極性溶質(zhì)；</p><p>　　（2）極性吸附劑可從非極性溶劑中吸附極性物質(zhì)；</p><p>　　（3）中等極性吸附劑兼有以上兩種能力</p><p><b>　　四、吸附等溫線

11、</b></p><p>　　概念：當(dāng)溫度一定時(shí)，吸附量與濃度之間的函數(shù)關(guān)系稱為吸附等溫線。</p><p>　　Langmuir吸附等溫線</p><p>　　qo和K是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，c代表溶液中溶質(zhì)濃度</p><p>　　蛋白質(zhì)分離提純時(shí)適合此吸附方程</p><p>　　五、影響吸附的主要因素</

12、p><p>　　1、吸附劑的性質(zhì)：比表面積、粒度大小、極性…</p><p>　　2、吸附質(zhì)的性質(zhì)：對(duì)表面張力的影響，溶解度，極性，相對(duì)分子量…</p><p>　　3、溫度：吸附是放熱過程，吸附質(zhì)的穩(wěn)定性</p><p>　　4、溶液pH值：影響吸附質(zhì)的解離</p><p>　　5、鹽濃度：影響復(fù)雜，要視具體情況而定&l

13、t;/p><p><b>　　六、親和吸附</b></p><p>　　1、親和吸附分離是利用溶質(zhì)和吸附劑之間特殊的化學(xué)作用，從而實(shí)現(xiàn)分離。</p><p>　　吸附劑由載體和配位體組成</p><p><b>　　2、親和吸附的特點(diǎn)</b></p><p>　　（a）效率高：利

14、用親和吸附可以從粗提液中一次性分離得到高純度的活性物質(zhì)。</p><p>　?。╞）分離精度高：可用于分離含量極低，結(jié)構(gòu)相近的化合物</p><p>　?。╟）但通用性較差，洗脫條件苛刻</p><p>　　3、影響親和吸附的因素</p><p>　　（1）配基濃度 配基濃度高有利；</p><p>　?。?）空間位

15、阻 加入“手臂鏈”以降低空間位阻的影響；</p><p>　?。?）配基與載體的結(jié)合位點(diǎn) 就蛋白質(zhì)等大分子作為配基時(shí)，與載體連接的鍵越少越好；</p><p>　　（4）載體孔徑：孔道大小；</p><p>　　（5）微環(huán)境：載體或“手臂鏈”的極性、電性；</p><p>　　七、離子交換(ion exchange) </p>

16、<p>　　1、概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，達(dá)到分離的目的。</p><p>　　2、離子交換樹脂的構(gòu)成</p><p>　　（1）具有三維空間離體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架</p><p>　?。?）聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)</p><

17、p>　?。?）活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子（可交換離子）</p><p><b>　　3、離子交換的分類</b></p><p>　　按活性基團(tuán)分類，可分為陽離子交換樹脂(cation exchange)（含酸性基團(tuán)）和陰離子交換樹脂(anion exchange)（含堿性基團(tuán)）。</p><p>　　具體又可以分為：強(qiáng)陽、弱陽和強(qiáng)陰

18、、弱陰</p><p>　　4、常用的離子交換樹脂</p><p>　　（1）強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；</p><p>　?。?）弱酸性陽離子交換樹脂：活性基團(tuán)有-COOH，-OCH2COOH，C6H5OH等弱酸性基團(tuán)；</p><p>　　（3）強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為

19、季銨基團(tuán)，如三甲胺基或二甲基-ß-羥基乙基胺基；</p><p>　　（4）弱堿性陰離子交換樹脂：活性基團(tuán)為伯胺或仲胺，堿性較弱；</p><p>　　5、新型離子交換樹脂</p><p>　　（1）大孔離子交換樹脂</p><p>　　大孔離子交換樹脂具有和大孔吸附劑相同的骨架結(jié)構(gòu)，在大孔吸附劑合成后（加入致孔劑），再引入化學(xué)功能

20、基團(tuán)，便可得到大孔離子交換樹脂。</p><p>　?。?）多糖基離子交換樹脂</p><p>　　固相載體為多糖類物質(zhì)，親水性強(qiáng)、交換空間大、對(duì)生物大分子物致變性作用</p><p>　　主要的多糖基離子交換樹脂</p><p>　　（a）離子交換纖維素</p><p>　　樹脂骨架為纖維素，根據(jù)活性基團(tuán)的性質(zhì)可分為

21、陽離子交換纖維素和陰離子交換纖維素兩類。</p><p>　　特點(diǎn)：骨架松散、親水性強(qiáng)、表面積大、交換容量大、吸附力弱、交換和洗脫條件溫和、分辨率高</p><p>　　常用的離子交換纖維素有：</p><p>　　甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素（CMC）、二乙基氨基乙基纖維素（DEAE）</p><p>　?。╞）葡聚糖凝膠離子交換樹脂<

22、;/p><p>　　骨架為葡聚糖凝膠，如sepharose、sephadex，根據(jù)功能基團(tuán)的不同，亦可分為陽離子交換和陰離子交換樹脂</p><p>　　命名方法：交換活性基團(tuán)+骨架+原骨架編號(hào)</p><p>　　特點(diǎn)：除了具有離子交換功能以外，兼有分子篩的功能，提高了分離的效率</p><p>　　常用的葡聚糖凝膠離子交換樹脂：</p&

23、gt;<p>　　CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等</p><p>　　6、離子交換樹脂的理化性能</p><p>　?。?）外觀：球形、淺色為宜，粒度大小為16~60目>90%；</p><p>　?。?）機(jī)械強(qiáng)度：>90%；</p><p>　?。?）含水量：0.3~0.7

24、g/g 樹脂；</p><p>　?。?）交換容量：重量交換容量、體積交換容量、工作交換容量或稱表觀交換容量（在某一條件下）；</p><p>　　（5）穩(wěn)定性：化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性；</p><p>　?。?）膨脹度：交聯(lián)度、活性基團(tuán)的性質(zhì)與數(shù)量、活性離子的性質(zhì)、介質(zhì)的性質(zhì)和濃度、骨架結(jié)構(gòu)；</p><p>　?。?）濕真密度：?jiǎn)挝惑w積濕樹

25、脂的重量；</p><p>　?。?）孔度、孔徑、比表面積</p><p><b>　　7、離子交換機(jī)理</b></p><p>　　8、影響交換速度的因素</p><p>　?。?）顆粒大小：愈小越快</p><p>　?。?）交聯(lián)度：交聯(lián)度小，交換速度快</p><p>

26、;　?。?）溫度：越高越快</p><p>　?。?）離子化合價(jià)：化合價(jià)與高，交換越快</p><p>　?。?）離子大?。涸叫≡娇?lt;/p><p>　?。?）攪拌速度：在一定程度上，越大越快</p><p>　?。?）溶液濃度：當(dāng)交換速度為外擴(kuò)散控制時(shí)，</p><p>　　濃度越大，交換速度越快</p>

27、<p>　　9、離子交換的選擇性</p><p>　　離子交換常數(shù)：交換勢(shì)或交換系數(shù)</p><p>　　10、影響離子交換選擇性的因素</p><p>　?。?）水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；</p><p>　?。?）離子化合價(jià)：高價(jià)離子易于被吸附；</p><p>　?。?）溶液pH：影響交換

28、基團(tuán)和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；</p><p>　　（4）離子強(qiáng)度：越低越好；</p><p>　　（5）有機(jī)溶劑：不利于吸附；</p><p>　?。?）交聯(lián)度、膨脹度、分子篩：交聯(lián)度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯(lián)度小，膨脹度大，吸附量減少； </p><p>　?。?）樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力

29、等輔助力；</p><p>　　11、離子交換操作方法</p><p><b>　　樹脂預(yù)處理</b></p><p>　　物理處理：水洗、過篩，去雜，以獲得粒度均勻的樹脂顆粒；</p><p>　　化學(xué)處理：轉(zhuǎn)型（氫型或鈉型）</p><p>　　陽離子樹脂 酸—堿—酸</p>&

30、lt;p>　　陰離子樹脂 堿—酸—堿</p><p>　　最后以去離子水或緩沖液平衡</p><p><b>　　離子交換吸附</b></p><p>　　靜態(tài)：操作簡(jiǎn)單、但是分批操作，交換不完全</p><p>　　動(dòng)態(tài)：離子交換柱，操作連續(xù)、交換完全，適宜多組份分離</p><p>&l

31、t;b>　　柱式固定床</b></p><p><b>　　洗脫</b></p><p>　　離子交換完成后，將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液的方法</p><p><b>　　洗脫方法</b></p><p>　?。╝）改變?nèi)芤簆H值</p><p>　?。╞

32、）改變?nèi)芤弘x子強(qiáng)度</p><p><b>　?。?）再生</b></p><p>　　是指是離子交換樹脂重新具有交換能力的過程</p><p>　　酸性陽離子樹脂 酸-堿-酸-緩沖溶液淋洗</p><p>　　堿性陰離子樹脂 堿-酸-堿-緩沖溶液淋洗</p><p>　　方式有：順流再生和逆流

33、再生</p><p>　　八、離子交換應(yīng)用實(shí)例（離子交換法提取蛋白質(zhì)）</p><p><b>　　蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)</b></p><p><b>　　多肽鏈</b></p><p><b>　　電荷分布不均勻</b></p><p><b>

34、;　　疏水性</b></p><p>　　不同的蛋白質(zhì)具有不同的表面電荷分布</p><p>　　pH值對(duì)蛋白質(zhì)荷電情況的影響</p><p><b>　　蛋白質(zhì)的滴定曲線</b></p><p>　　不同的蛋白質(zhì)由于其氨基酸組成的差異，具有不同的等電點(diǎn)（pI），當(dāng)溶液（環(huán)境）pH值低于其pI時(shí)，蛋白質(zhì)帶正電

35、荷，而當(dāng)環(huán)境pH值高于其等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷，且偏離等電點(diǎn)越多，其所帶電荷越多；</p><p><b>　　緩沖液pH的選擇</b></p><p>　　離子交換是依據(jù)不同蛋白質(zhì)荷電性質(zhì)以及大小差異進(jìn)行分離的，因此緩沖液的選擇將直接影響蛋白質(zhì)的荷電情況，對(duì)于分離的選擇性具有重要影響。</p><p>　　離子交換分離蛋白質(zhì)的基本步驟<

36、;/p><p>　　蛋白質(zhì)的離子交換分離同樣要經(jīng)過：平衡、吸附、洗脫和再生四個(gè)階段，具體過程如下圖所示：</p><p><b>　　九、本章作業(yè)</b></p><p>　　1、P223 第一題，第二題</p><p>　　2、影響吸附的主要因素？</p><p>　　3、親和吸附的原理和特點(diǎn)是什么