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第六章吸附与离子交换一、学习目的与要求在了解吸附剂和离子交换剂、吸附和离子交换平衡的基础上掌握吸附、离子交换操作及其应用。二、学习指南（一）吸附与离子交换概念（重点）识记：吸附和离子交换概念理解：吸附与原理（二）吸附剂与离子交换剂（重点）识记：生物分离中常用的吸附剂和离子交换剂理解：吸附剂、离子交换剂种类和性能（三）吸附平衡（次重点）识记：吸附平衡概念理解：用兰格缪尔的单分子层吸附理论解释溶质吸附现象（四）离子交换平衡（重点）识记：离子交换平衡概念理解：离子交换分配系数的推导（五）常用的吸附单元操作方式(次重点)识记：穿透曲线、穿透点和穿透时间等概念理解：固定床吸附过程理论基础（六）基本的离子交换操作以及离子交换法分离蛋白质(重点)识记：离子交换操作理解：离子交换机理应用：离子交换法分离蛋白质第一节吸附和离子交换原理1.1吸附a、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。b、吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。1.2常见的吸附类型及其主要特点a、物理吸附：吸附作用力为分子间引力、无选择性、无需高活化能、吸附层可以是单层，也可以是多层、吸附和解吸附速度通常较快。b、化学吸附：吸附作用力为化学键合力，需要高活化能、只能以单分子层吸附，选择性强、吸附和解吸附速度较慢。c、物理吸附和化学吸附比较物理吸附化学吸附吸附作用力分子间引力化学键合力选择性较差较高所需活化能低高吸附层单层或多层单层达到平衡所需时间快慢1.3离子交换概念：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。第二节吸附剂和离子交换剂2.1常用吸附剂种类吸附剂通常应具备以下特征：对被分离的物质具有较强的吸附能力、有较高的吸附选择性、机械强度高、再生容易、性能稳定、价格低廉。2.2活性炭（Activecarbon）活性炭种类颗粒大小表面积吸附力吸附量洗脱粉末活性炭小大大大难颗粒活性炭较小较大较小较小难锦纶活性炭大小小小易活性炭对物质的吸附规律活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于有机溶剂中的吸附能力。针对不同的物质，活性炭的吸附规律遵循以下规律：（1）对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物（2）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物;（3）对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的化合物;（4）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;（5）温度未平衡前随温度升高而增加;2.3大孔网状吸附剂特点：脱色去臭效果理想；对有机物具有良好的选择性；物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再生容易。但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶质浓度等因素的影响。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。大孔吸附树脂的吸附机理非离子型共聚物，借助于范德华力从溶液中吸附各种有机物，其吸附能力与树脂的化学结构、物理性能以及与溶质、溶剂的性质有关。通常遵循以下规律：非极性吸附剂可从极性溶剂中吸附非极性溶质；极性吸附剂可从非极性溶剂中吸附极性物质；中等极性吸附剂兼有以上两种能力2.4离子交换树脂的构成具有三维空间立体结构的网络骨架联接在骨架上的活性基团活性基团所带的相反电荷的活性离子（可交换离子）树脂的网络骨架2.5离子交换的分类按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂(cationexchange)（含酸性基团）和阴离子交换树脂(anionexchange)（含碱性基团）。具体又可以分为：强阳、弱阳强阴、弱阴2.6常用的离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH,-OCH2COOH,C6H5OH等弱酸性基团；强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-ß-羟基乙基胺基；弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；2.7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；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）；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。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2.8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；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、对生物大分子物质变性作用主要的多糖基离子交换树脂离子交换纤维素树脂骨架为纤维素，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特点：骨架松散、亲水性强、表面积大、交换容量大、吸附力弱、交换和洗脱条件温和、分辨率高常用的离子交换纤维素有：甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙基纤维素葡聚糖凝胶离子交换树脂骨架为葡聚糖凝胶，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命名方法：交换活性基团+骨架+原骨架编号特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功能，提高了分离的效率常用的葡聚糖凝胶离子交换树脂：CM-sephadexC-25、DEAE-sephadexA-25等DEAEanionexchangerCMCCationExchanger离子交换树脂的命名方法离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号代号分类名称骨架名称0强酸性苯乙烯系1弱酸性丙烯酸系2强碱性酚醛系3弱碱性环氧系4螯合性乙烯哌啶系5两性脲醛系6氧化还原氯乙烯系离子交换树脂的制备加聚法和缩聚法（依聚合方法分类）加聚是指具有一个或一个以上双键的单体为原料，在分散相中进行聚合；缩聚法是基于缩合反应的聚合过程；共聚法和均聚法（以单体分类）共聚是指两个或两个以上的单体进行聚合均聚是指以一种单体进行聚合几种主要的离子交换树脂制备方法苯乙烯型离子交换树脂单体：苯乙烯、二乙烯苯酸性树脂引入磺酸基，碱性树脂引入季铵，伯、叔胺酚醛树脂单体：水扬酸、苯酚、甲醛经缩聚而成离子交换树脂的理化性能外观：球形、浅色为宜，粒度大小为16~60目90%；机械强度：90%；含水量：0.3~0.7g/g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