单击此处编辑 母版标题样 式单击此处编辑 母版副标题样 式*1吸附及离子交换技术吸附及离子交换技术 第五章吸附及离子交换技术吸附及离子交换技术 第一节吸附 第二节离子交换基本原理 第三节离子交换树脂 第四节离子交换工艺 第五节离子交换技术的工业应用 第六节离子交换技术的发展 第一节第一节 吸附吸附 一、吸附的基本原理 1吸附的类型 根据吸附剂与吸附质之间存在的吸附力性质的不同，可将吸附分成物理吸附、化学吸附和交换吸附三种类型 （1）物理吸附 吸附剂和吸附质之间的作用力是分子间引力（范德华力）由于范德华力普遍存在于吸附剂与吸附质之间，所以整个自由界面都起吸附作用，故物理吸附无选择性因吸附剂与吸附质的种类不同，分子间引力大小各异，因此吸附量随物系不同而相差很多物理吸附所放出的热与气体的液化热相近，数值很小，物理吸附在低温下也可进行，不需要很高的活化能 第一节第一节 吸附吸附 （3）交换吸附吸附表面如为极性分子或离子所组成，则它会吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层，这种吸附称为极性吸附同时在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，同时要向溶液中放出相应摩尔数的离子离子的电荷是交换吸附的决定性因素，离子所带电荷越多，它在吸附表面的相反电荷点上的吸附能力就越强。
就吸附而言，各种类型的吸附之间不可能有明确的界限，有时几种吸附同时发生很难区别溶液中的吸附现象较为复杂第一节第一节 吸附吸附2物理吸附力的本质 物理吸附作用的最根本因素是吸附质和吸附剂之间的作用力，也就是范德华力它是一组分子引力的总称，具体包括三种力：定向力、诱导力和色散力范德华力和化学力（库仑力）的主要区别在于它的单纯性，即只表现为相互吸引 （1）定向力由于极性分子的永久偶极距产生的分子间静电引力称定向力它是极性分子之间产生的作用力一般分子的极性越大，定向力越大；温度越高，定向力减小另外，分子的对称性、取代基位置、分子支链的多少等因素也会影响定向力的大小第一节第一节 吸附吸附 （2）诱导力极性分子与非极性分子之间的吸引力属于诱导力极性分子产生的电场作用会诱导非极性分子极化，产生诱导偶极距，因此两者之间互相吸引，产生吸附作用诱导力与温度无关 （3）色散力非极性分子之间的引力属于色散力当分子由于外围电子运动及原子核在零点附近振动，正负电荷中心出现瞬时相对位移时，会产生快速变化的瞬时偶极距，这种瞬时偶极距能使外围非极性分子极化，反过来，被极化的分子又影响瞬时偶极距的变化，这样产生的引力称色散力。
色散力也与温度无关，且普遍存在，因为任何系统都有电子存在色散力与外层电子数有关，随着电子数的增多而增加 另外，在吸附过程中吸附剂与吸附质之间也可通过氢键发生相互作用第一节第一节 吸附吸附 3吸附等温线 当固体吸附剂从溶液中吸附溶质达到平衡时，其吸附量与溶液和温度有关，当温度一定时，吸附量与浓度之间的函数关系称为吸附等温线若吸附剂与吸附质之间的作用力不同，吸附表面状态不同，则吸附等温线也随之改变典型的吸附等温线如图5-1所示，横坐标表示溶液中溶质的浓度，常用单位为单位溶液体积中溶质的质量；纵坐标表示吸附剂表面的溶质的浓度，常用单位是单位质量吸附剂所吸附的溶质的质量 第一节第一节 吸附吸附 图5-1中曲线1为线性等温线，表达的吸附方程为 （5-1） 式中 q单位质量吸附剂所吸附的吸附质量，kg(溶质)/kg(吸附剂)； K吸附平衡常数，m3（溶液）/kg（吸附剂）； c溶液中吸附质浓度，kg（溶质）/ m3（溶液） 图5-1中曲线2为Langmuir（朗格缪尔）吸附等温线，生物制品酶等分离提取时适合此吸附方程，即 （5-2） 式中q0和K是经验常数，可由实验来确定，在这种情况中，最容易的方法是将q 1对c 1作图，截距是q0 1，斜率是K/ q0，q0和K的单位分别与q和c的单位一致。
第一节第一节 吸附吸附 图5-1中曲线3为 Freundlich（弗罗因德利希）吸附等温线，抗生素、类固醇、激素等产品的吸附分离均符合此吸附方程，即 （5-3） 式中K为吸附平衡常数，n为指数，均为实验测定常数可通过吸附实验，测定不同浓度c和吸附量q的关系，在双对数坐标中，直线log q=nlogc+logK的斜率为n，截距为logK当求出的n1，则吸附效果不理想 上述的吸附等温线同样适用于离子交换吸附第一节第一节 吸附吸附 4影响吸附的因素固体在溶液中的吸附比较复杂，影响因素也较多，主要有吸附剂、吸附质、溶剂的性质以及吸附过程的具体操作条件等1）吸附剂的性质吸附剂本身的性质将影响吸附量及吸附速度吸附剂的表面积越大，孔隙度越大，则吸附容量越大；吸附剂的孔径越大、颗粒度越小，则吸附速度越大另外，吸附剂的极性也影响物质的吸附一般吸附相对分子质量大的物质应选择孔径大的吸附剂，要吸附相对分子质量小的物质，则需要选择比表面积大及孔径较小的吸附剂，而极性化合物，需选择极性吸附剂，非极性化合物，应选择非极性吸附剂第一节第一节 吸附吸附 （2）吸附质的性质吸附质的性质也是影响吸附的因素之一一般能使表面张力降低的物质，易为表面所吸附。
溶质从较易溶解的溶剂中被吸附时，吸附量较少 极性吸附剂易吸附极性物质，非极性吸附剂易吸附非极性物质，因而极性吸附剂适宜从非极性溶剂中吸附极性物质，而非极性吸附剂适宜从极性溶剂中吸附非极性物质如活性炭是非极性的，在水溶液中是一些有机化合物的良好吸附剂，硅胶是极性的，其在有机溶剂中吸附极性物质较为适宜第一节第一节 吸附吸附 对于同系列物质，吸附量的变化是有规律的，排序愈后的物质，极性愈差，愈易为非极性吸附剂所吸附如活性炭在水溶液中对同系列有机化合物的吸附量，随吸附物相对分子质量增大而增大；吸附脂肪酸时吸附量随碳链增长而加大；对多肽的吸附能力大于氨基酸的吸附能力；对多糖的吸附能力大于单糖等当用硅胶在非极性溶剂中吸附脂肪酸时，吸附量则随着碳链的增长而降低实际生产中脱色和除热原一般用活性炭，去过敏物质常用白陶土3）温度吸附一般是放热的，所以只要达到了吸附平衡，升高温度会使吸附量降低但在低温时，有些吸附过程往往在短时间内达不到平衡，而升高温度会使吸附速度增加，并出现吸附量增加的情况第一节第一节 吸附吸附对蛋白质或酶类的分子进行吸附时，被吸附的高分子是处于伸展状态的，因此，这类吸附是一个吸热过程在这种情况下，温度升高会增加吸附量。
生化物质吸附温度的选择还要考虑它的热稳定性如果是热不稳定的，一般在0左右进行吸附；如果比较稳定，则可在室温操作4）溶液的pH溶液的pH往往会影响吸附剂或吸附质解离情况，进而影响吸附量，对蛋白质或酶类等两性物质，一般在等电点附近吸附量最大各种溶质吸附的最佳pH需通过实验确定如有机酸类溶于碱，胺类物质溶于酸，所以有机酸在酸性下，胺类在碱性下较易为非极性吸附剂所吸附第一节第一节 吸附吸附 （5）盐的浓度盐类对吸附作用的影响比较复杂，有些情况下盐能阻止吸附，在低浓度盐溶液中吸附的蛋白质或酶，常用高浓度盐溶液进行洗脱但在另一些情况下盐能促进吸附，甚至有些情况下吸附剂一定要在盐的作用下才能对某些吸附物质进行吸附例如硅胶对某种蛋白质吸附时，硫酸铁的存在，可使吸附量增加许多培6）吸附物质浓度与吸附剂量由吸附等温线方程可知，在稀溶液中吸附量和浓度一次方成正比；而在中等浓度的溶液中吸附量与浓度的1/n次方成正比在吸附达到平衡时，吸附质的浓度称为平衡浓度普遍规律是：吸附质的平衡浓度越大，吸附量也越大用活性炭脱色和去除热原时，为了避免对有效成分的吸附，往往将料液适当稀释后进行在用吸附法对蛋白质或酶进行分离时，常要求其浓度在1%以下，以增强吸附剂对吸附质的选择性。
第一节第一节 吸附吸附从分离提纯角度考虑，还应考虑吸附剂的用量若吸附剂用量过少，产品纯度达不到要求，但吸附剂用量过多，会导致成本增高、吸附选择性差及有效成分损失等因此，吸附剂的用量应综合考虑二、常用吸附剂1活性炭活性炭吸附力强，分离效果好，价廉易得，工业上较为常用1）粉未活性炭颗粒极细，呈粉未状，其总表面积、吸附力和吸附量大，是活性炭中吸附力最强的一类，但其颗粒太细，影响过滤速度，需要加压或减压操作第一节第一节 吸附吸附 （2）颗粒活性炭颗粒比粉未活性炭大，其总表面积相应减小，吸附力和吸附量不及粉未状活性炭；其过滤速度易于控制，不需要加压或减压操作，克服了粉未状活性炭的缺点3）绵纶活性炭是以绵纶为粘合剂，将粉未状活性炭制成颗粒，其总表面积较颗粒活性炭大，较粉未状活性炭小，其吸附力较两者弱因为绵纶不仅单纯起一种粘合作用，也是一种活性炭的脱活性剂因此，可用于分离前两种活性炭吸附太强而不易洗脱的化合物如用绵纶活性炭分离酸性氨基酸及碱性氨基酸，流速易控制，操作简便，效果良好第一节第一节 吸附吸附生产上一般选择吸附力强的活性炭吸附不易被吸附的物质，如果物质很容易被吸附，则要选择吸附力弱的活性炭；在首次分离料液时，一般先选择颗粒状活性炭，如果待分离的物质不能被吸附，则改用粉未活性炭；如果待分离的物质吸附后不能洗脱或很难洗脱，造成洗脱溶剂体积过大，洗脱高峰不集中时，则改用绵纶活性炭。
在应用中，尽量避免应用粉未活性炭，因其颗粒极细，吸附力太强，许多物质吸附后很难洗脱第一节第一节 吸附吸附应用活性炭对物质进行吸附一般遵守下列规律：活性炭是非极性吸附剂，因此在水溶液中吸附力最强，在有机溶剂中吸附力较弱；对极性基团（COOH，NH2，OH等）多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物，如活性炭对酸性氨基酸和碱性氨基酸的吸附力大于中性氨基酸；对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物；对相对分子质量大的化合物的吸附力大于相对分子质量小的化合物，如对多糖的吸附力大于单糖；第一节第一节 吸附吸附 活性炭吸附溶质的量在未达到平衡前一般随温度提高而增加；发酵液的pH与活性炭的吸附率有关，一般碱性抗生素在中性情况下吸附，酸性条件下解析；酸性抗生素在中性条件下吸附，碱性条件下解析 2活性炭纤维 活性炭纤维与颗粒状活性炭相比，有如下特点：孔细，而且细孔径分布范围比较窄；外表面积大；吸附与解吸速度快；工作吸附容量较大；重量轻对流体通过的阻力小； 成型性能好，可加工成各种形态，如毛毡状、纸片状、布料状和蜂巢状等第一节第一节 吸附吸附 3球形炭化树脂它是以球形大孔吸附树脂为原料，经炭化，高温裂解及活化而制得。
研究表明，炭化树脂对气体物质有良好的吸附作用和选择性4大孔网状聚合物吸附剂大孔网状聚合物吸附剂是一种非离子型共聚物，它能够借助范德华力从溶液中吸附各种有机物质它的脱色去臭效力与活性炭相当，对有机物质具有良好的选择性，物理化学性质稳定，机械强度好，经久耐用，吸附树脂吸附速度快，易解析，易再生，不污染环境，但价格昂贵，吸附效果易受流速和溶质浓度等因素影响第一节第一节 吸附吸附大孔网聚合物没有离子交换功能，只有大孔骨架，其性质和活性炭、硅胶等吸附剂相似按骨架极性的强弱可分为非极性、中等极性和极性吸附剂非极性吸附剂以苯乙烯为单体，二乙烯苯为交联剂聚合而成，故称芳香族吸附剂；中等极性吸附剂是以甲基丙烯酸酯作为单体和交联剂聚合而成，也称脂肪族吸附剂；而含有硫氧、酰胺、氮氧等基团的为极性吸附剂 大孔网状聚合物吸附剂的吸附能力，不但与树脂的化学结构和物理性能有关，而且与溶质及溶液的性质有关根据“类似物易吸附类似物”的原则，一般非极性吸附剂适宜从极性溶剂中吸附非极性物质第一节第一节 吸附吸附相反，高极性的吸附剂适宜从非极性溶剂中吸附极性物质而中等极性的吸附剂则对上述两种情况都具有吸附能力和离子交换不同，无机盐类对这类吸附剂不仅没有影响，反而会使吸附量增加。
另外，吸附剂的孔径对物质的吸附也有很大影响，一般吸附有机大分子时，孔径必须足够大，但孔径大，吸附表面积就小，因此应综合考虑吸附剂吸附溶质后一般采用下列几种方式进行解析：以低级醇、酮或其水溶液解析所选择的溶剂应符合两种要求：一种要求是溶剂应能使大孔网状聚合物吸附剂溶。