第八章-吸附与离子交换课件.ppt
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- 第八 吸附 离子交换 课件
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1、第八章 吸附与离子交换8.1 概述概述吸附吸附(Adsoption)是溶质从液相是溶质从液相或气相转移到固相的现象。或气相转移到固相的现象。如果吸附仅仅发生在表面上,如果吸附仅仅发生在表面上,就称为就称为表面吸附表面吸附;如果被吸附的物;如果被吸附的物质遍及整个相中,则称为质遍及整个相中,则称为吸收吸收。利用固体吸附的原理从液体或利用固体吸附的原理从液体或气体除去有害成分或提取回收有用气体除去有害成分或提取回收有用目标产物的过程称为目标产物的过程称为吸附操作吸附操作。在吸附操作中,被吸附的物质在吸附操作中,被吸附的物质称为称为吸附质吸附质。吸附操作所使用的固体一般为吸附操作所使用的固体一般为多
2、孔微粒,具有很大的比表面积,多孔微粒,具有很大的比表面积,称为称为吸附剂吸附剂。典型的吸附分离过程包含四个步骤:典型的吸附分离过程包含四个步骤:将待分离的料液(或气体)通入吸附剂中吸附质被吸附到吸附剂表面料液流出吸附质解吸回收,吸附剂再生吸附法的特点:吸附法的特点:常用于从稀溶液中将溶质分离出来,处常用于从稀溶液中将溶质分离出来,处理能力较小;理能力较小;对溶质的作用较小;对溶质的作用较小;可直接从发酵液中分离所需的产物,成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;为发酵与分离的耦合过程;吸附设计比较复杂,实验的工作量较大。吸附设计比较复杂,实验的工作量较大。作为将溶质从稀溶液
3、中分离出来作为将溶质从稀溶液中分离出来的方法,吸附较萃取具有更高的选择的方法,吸附较萃取具有更高的选择性,更温和的过程条件,因而在酶、性,更温和的过程条件,因而在酶、蛋白质的分离纯化中应用更广泛;蛋白质的分离纯化中应用更广泛;而萃取液常为有机溶剂,易造成而萃取液常为有机溶剂,易造成蛋白质变性,降低酶的活性。蛋白质变性,降低酶的活性。吸附在生产上可用于除臭、脱吸附在生产上可用于除臭、脱色、吸湿、防潮等诸多方面,并且色、吸湿、防潮等诸多方面,并且很早就用于工业规模的生产。很早就用于工业规模的生产。在生物工程领域,吸附法广泛在生物工程领域,吸附法广泛应用于酶、蛋白质、核苷酸、抗生应用于酶、蛋白质、核
4、苷酸、抗生素、氨基酸等产品的分离和精制以素、氨基酸等产品的分离和精制以及发酵行业中空气的净化和除菌。及发酵行业中空气的净化和除菌。8.2 吸附的类型吸附的类型 按照吸附剂对溶质的吸附作用按照吸附剂对溶质的吸附作用力的不同,吸附可分为三类:力的不同,吸附可分为三类:物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附交换吸附交换吸附物理吸附是基于吸附剂与溶质之间的分子间力,即范德华力。溶质在吸附剂上吸附与否或吸附量的多少主要取决于溶质与吸附剂极性的相似性和溶剂的极性。p 物理吸附一般物理吸附发生在吸附剂的整个自由表面,被吸附的溶质(吸附质)可通过改变温度、pH和盐浓度等物理条件脱附。化学吸附是吸附剂表面活性点与溶化
5、学吸附是吸附剂表面活性点与溶质之间发生化学结合、产生电子转移的质之间发生化学结合、产生电子转移的现象。化学吸附释放大量的热,一般在现象。化学吸附释放大量的热,一般在(4.18(4.1841.8)41.8)10104 4 J/molJ/mol的范围内。的范围内。p 化学吸附化学吸附化学吸附的选择性较强,即一种吸附剂化学吸附的选择性较强,即一种吸附剂只对某种或几种特定物质有吸附作用;只对某种或几种特定物质有吸附作用;化学吸附一般为单分子层吸附,吸附后化学吸附一般为单分子层吸附,吸附后较稳定,不易脱附。较稳定,不易脱附。吸附剂表面如为极性分子或离子时,吸附剂表面如为极性分子或离子时,则会吸引溶液中带
6、相反电荷的离子形成则会吸引溶液中带相反电荷的离子形成双电层,在吸附剂与溶液间发生离子交双电层,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。出等当量的离子于溶液中。p 交换吸附交换吸附离子的电荷是交换吸附的决定因素,离离子的电荷是交换吸附的决定因素,离子所带电荷越多,它在吸附剂表面的相反电子所带电荷越多,它在吸附剂表面的相反电荷点上的吸附力就越强;荷点上的吸附力就越强;电荷相同的离子,其水化半径越小,越电荷相同的离子,其水化半径越小,越易被吸附。易被吸附。8.3 常用吸附剂常用吸附剂 对被分离的物质具有很强的吸附能力,即平
7、衡吸附量大;有较高的吸附选择性;有一定的机械强度,再生容易;性能稳定,价廉易得。吸附剂的选择原则:吸附剂的选择原则:一活性炭一活性炭 活性炭具有吸附能力强,分活性炭具有吸附能力强,分离效果好,价廉易得等优点;离效果好,价廉易得等优点;缺点是色黑质轻,易造成环缺点是色黑质轻,易造成环境污染。境污染。1活性炭的分类活性炭的分类 v 粉末状活性炭粉末状活性炭v 颗粒活性炭颗粒活性炭v 锦纶活性炭锦纶活性炭粉末活性炭颗粒极细,呈粉末状,其粉末活性炭颗粒极细,呈粉末状,其总表面积、吸附力和吸附量大,是活性炭总表面积、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,影中吸附力最强的一类,但其颗
8、粒太细,影响过滤速度,需要加压或减压操作。响过滤速度,需要加压或减压操作。颗粒活性炭的颗粒比粉末活性炭大,颗粒活性炭的颗粒比粉末活性炭大,其总表面积相应减小,吸附力及吸附量不其总表面积相应减小,吸附力及吸附量不及粉末状活性炭;其过滤速度易于控制。及粉末状活性炭;其过滤速度易于控制。锦纶活性炭是以锦纶为黏合剂将粉末活锦纶活性炭是以锦纶为黏合剂将粉末活性炭制成颗粒,其总面积介于颗粒活性炭和性炭制成颗粒,其总面积介于颗粒活性炭和粉末活性炭之间,其吸附力较两者弱。粉末活性炭之间,其吸附力较两者弱。因为锦纶不仅起粘合作用,同时也是活因为锦纶不仅起粘合作用,同时也是活性炭的脱活性剂,因此可用于前两种活性炭
9、性炭的脱活性剂,因此可用于前两种活性炭吸附太强而不易洗脱的化合物,如用锦纶活吸附太强而不易洗脱的化合物,如用锦纶活性炭分离酸性氨基酸及碱性氨基酸,流速易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。控制,操作简便,效果良好。2活性炭的选择和应用活性炭的选择和应用 三种活性炭的吸附力以粉末活三种活性炭的吸附力以粉末活性炭为最强,颗粒活性炭次之,锦性炭为最强,颗粒活性炭次之,锦纶活性炭最弱。纶活性炭最弱。在提取分离过程中,根据所分在提取分离过程中,根据所分离物质的特性,选择合适的活性炭离物质的特性,选择合适的活性炭是很关键的。是很关键的。被分离的物质不易被活性炭吸附 吸附力强的活
10、性炭 吸附力弱的活性炭 被分离的物质容易被活性炭吸附 在首次分离料液时,一般先选用在首次分离料液时,一般先选用颗粒活性炭;颗粒活性炭;如待分离的物质吸附后不能洗脱如待分离的物质吸附后不能洗脱或很难洗脱,则改用锦纶活性炭。或很难洗脱,则改用锦纶活性炭。在应用过程中,尽量避免应用在应用过程中,尽量避免应用粉末状活性炭,为什么?粉末状活性炭,为什么?3活性炭对物质的吸附规律活性炭对物质的吸附规律活性炭是非极性吸附剂,因此活性炭是非极性吸附剂,因此在水溶液中吸附力最强,在有机在水溶液中吸附力最强,在有机溶剂中吸附力较弱。溶剂中吸附力较弱。在一定条件下,活性炭对不同在一定条件下,活性炭对不同物质的吸附力
11、遵循一些规律。物质的吸附力遵循一些规律。1 1)对极性基团多的化合物的吸附力大于)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。极性基团少的化合物。2 2)对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族)对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物化合物。3 3)活性炭对相对分子量大的化合物的吸)活性炭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。附力大于相对分子量小的化合物。4 4)发酵液的)发酵液的pHpH与活性炭的吸附效率有关与活性炭的吸附效率有关。5 5)活性炭吸附溶质的量在未达到平衡前)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,但提高温度一般随温度提高而增加,但提高温度时应考
12、虑溶质对热的稳定性。时应考虑溶质对热的稳定性。二大孔网状聚合物吸附剂二大孔网状聚合物吸附剂 脱色去臭能力与活性炭相当;对有机物质具有良好的选择性;理化性质稳定,机械强度好,经久耐用;品种多,可根据不同需要选择不同品种;吸附速度快,易解吸,易再生;一般直径在0.20.8mm之间,不污染环境,使用方便。大孔网状聚合物吸附剂价格昂贵,吸附效果易受流速和溶质浓度等因素的影响。大孔网状聚合物在合成过程中没有引入离子交换功能团,只有多孔的骨架,其性质和活性炭、硅胶等吸附剂相似,所以简称大网格吸附剂(俗称大孔树脂吸附剂或吸附树脂)。1大孔网状聚合物吸附剂的类型 大孔网状聚合物吸附剂按骨架极大孔网状聚合物吸附
13、剂按骨架极性强弱,可分为性强弱,可分为非极性非极性、中等极性中等极性和和极性极性吸附剂三类。吸附剂三类。非极性吸附树脂以苯乙烯为单非极性吸附树脂以苯乙烯为单体、二乙烯苯为交联剂聚合而成,体、二乙烯苯为交联剂聚合而成,故称故称芳香族吸附剂芳香族吸附剂;中等极性吸附树脂是以甲基丙中等极性吸附树脂是以甲基丙烯酸酯作为单体和交联剂聚合而成,烯酸酯作为单体和交联剂聚合而成,也称也称脂肪族吸附剂脂肪族吸附剂;而含有硫氧、酰氨、氮氧等基而含有硫氧、酰氨、氮氧等基团的为极性吸附剂。团的为极性吸附剂。2大孔网状聚合物吸附剂吸附机理大孔网状聚合物吸附剂吸附机理 大孔网状聚合物吸附剂是一种非离子大孔网状聚合物吸附剂
14、是一种非离子型共聚物,它能够借助范德华力从溶液中型共聚物,它能够借助范德华力从溶液中吸附各种有机物质,其吸附能力不但与树吸附各种有机物质,其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。质及溶液的性质有关。根据相似相溶原则,一般非极性吸附剂适宜于从极性溶剂中吸附非极性物质,高极性吸附剂适宜于从非极性溶液中吸附极性物质,而中等极性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,反而会使吸类吸附剂不仅没有影响,反而会使吸附量增大。附量增大。因此用大网格吸附剂提取有机物因
15、此用大网格吸附剂提取有机物时,不必考虑盐类的存在,这也是大时,不必考虑盐类的存在,这也是大网格吸附剂的优点之一。网格吸附剂的优点之一。8.4 吸附过程的理论基础吸附过程的理论基础一物理吸附力的本质一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,即范德华力。范德华力是一组分子引力的总称,具体包括三种力:定向力定向力、诱诱导力导力和色散力色散力。由于极性分子的永久偶极矩产由于极性分子的永久偶极矩产生的分子间的静电引力称生的分子间的静电引力称定向力定向力。它是极性分子之间产生的作用它是极性分子之间产生的作用力,分子的极性越大,定向力也就力,分子的极性越大,定向力也就越大。越大
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