吸附分离技术ppt课件PPT文件格式下载.ppt

1、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。,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；对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特别重要；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；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。,吸附法的特点：,优点：有机溶剂掺入少 操作简便，安全，设备简单 pH变化小，适于稳定性差的物质,缺点：选择性差收率低无机吸附剂性能不稳定不能连续操作，劳动强度大碳粉等吸附剂有粉尘污染,吸附机理,固体的表面

2、性质固体表面分子（或原子）所处的状态与固体内部分子（或原子）所处的状态不同,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。,吸附类型与特性,物理吸附化学吸附离子交换吸附,实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下,多孔型：活性炭、硅胶、硅藻土；大网格吸附剂：有机高分子材料，如聚苯乙烯，聚酯。凝胶型：纤维素凝胶，琼脂糖凝胶，匍聚糖凝胶等。,2 吸附分离介质,制造过程示意图,活化：把碳渣造成发达的多孔结构 主要有两种方法：（1）气体法；

3、（2）药剂法。,一般来说，吸附量主要受小孔支配，但对于分子量（或分子直径）较大的吸附质，小孔几乎不起作用。所以，在实际应用中，应根据吸附质的直径大小和活性炭的孔径分布来选择合适的活性炭。,1）组成结构：由木屑、果壳、兽骨、兽血或煤屑等原料高温（800）碳化而成的多孔网状结构,活性炭,粉末活性炭,锦纶活性炭,2）种类：粉末活性炭、颗粒活性炭、锦纶活性炭 吸附能力为粉末活性炭颗粒活性炭锦纶活性炭,活性炭纤维是用炭素纤维活化而制得的一种纤维状吸附剂，可做成毛毡状、纸片状、布料状、蜂巢状等。活性纤维的外表面积比颗粒活性炭大，吸附和解吸速度比颗粒状活性炭大，且阻力小，容易使气体或液体透过，近年来作为活性

4、炭新品种正在推广应用。球形炭化树脂是采用球形大孔吸附树脂为原料，经炭化、高温裂解及活化制成的吸附剂。与其他形状活性炭相比，球形炭化树脂不易掉屑而污染被处理物系，且可与被处理气体或液体均匀接触，气体和液体通过球形吸附剂床层时的阻力小。通过控制聚合条件，改变原料配比等手段可得到不同孔结构和不同性能的炭化树脂。炭分子筛（CMS）较活性炭具有更小的孔径（210）和更窄的孔径分布，可用于分离更小的气体分子，如从空气中分离N2。,活性炭对物质的吸附规律,非极性吸附剂，在极性介质中，对非极性物质具有较强的吸附，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，活性炭的吸附遵循以下规律：（1）对极性

5、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,吸附过程的影响因素,1.吸附剂的特性（组成结构、容量、稳定性）2.吸附物的性质（熔点、缔合、离解、氢键等）3.溶剂（单、混合）4.吸附操作条件1）温度2）pH值3）盐的浓度,吸附剂的性能表征,化学成分材料结构比表面积：单位质量物体所具有的表面积（m2/g）测量方法：BET法 一般采用B.E.T（Brunueer-Emmett-Telle

6、r）法：在液氮温度下（-196C），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 氮气分子的s=1.6210-15 cm2。,平均孔径、及其分布，孔隙率 测量方法：常用测定方法有压汞法和氮气解吸法 压汞法适用于测定大孔径（100）吸附剂的孔径分布；氮气解吸法适用于孔径为15250范围内的孔径分布；孔径15时，可用分子筛法测定压汞法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/

7、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。,离子交换,离子交换的分类：按活性基团分类，可分为 阳离子交换树脂（cation exchange）（含酸性基团）阴离子交换树脂（anion exchange）（含碱性基团）。具体又可以分为：强阳、弱阳 强阴、弱阴,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-羟基乙基胺基；弱碱性阴离子

8、交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；,性能评价A 交换容量（exchange capacity）指单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离子交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数（mmol），是表征交换剂离子交换能力的主要参数。B交换容量的测定对于阳离子交换剂：用HCl将其处理成氢型，称重并测定其含水量；称数克交换剂，加入到过量已知浓度的NaOH溶液，发生交换反应,待反应达到平衡后（强酸性的需要静置24h，弱酸性的需静置数日），测定剩余的NaOH摩尔数，就可求得阳离子交换剂的交换容量。对于阴离子交换剂：将阴离子交换剂转换成Cl型后，取一定量的Cl型交换剂，通入Na2SO4,用铬酸钾作指示剂，

9、用硝酸银滴定流出液的Cl-，根据Cl-量计算交换容量。,蛋白质的交换容量：比小分子化合物要小的多。1st 树脂孔道的空间排阻作用大；2nd 交换后排阻其他蛋白质的扩散和交换；3rd 蛋白质的多电荷与多个交换中心结合C滴定曲线全面评价表征交换剂的重要参数方法：1g氢型（或羟型）交换剂+x-ml 0.1M NaOH/or HCl+水至50 ml（其中1支+50 ml 0.1 M NaCl）+静置24h（对强交换剂）/or 7d（对弱交换剂）+测pH+作图意义：1st 强离子交换剂的交换；2nd 弱离子交换剂的交换；3rd 滴定曲线的转折点 交换容量；4th 转折点数 交换基团的种类数；5th 交换

10、容量随pH的变化。,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,主要的多糖基离子交

11、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-sephadex C-25、DEAE-sephadex A

12、-25等,离子交换树脂的理化性能,外观：球形、浅色为宜，粒度大小为1660目90%；机械强度：90%；含水量：0.30.7g/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,离子交换过程,离子交换过程是可逆多相化学反应 式中 A1，A2液相中的离子 吸附的离子 Z1，Z2 A1，A2的价数 液相和树脂相中的溶剂 ns 离子交换时，溶剂从树脂移入液相的毫摩尔数,离子交换机理,A+自溶液中

13、扩散到树脂表面A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心A+与RB在活性中心上发生复分解反应解吸附离子B+自树脂内部扩散至树脂表面B+离子从树脂表面扩散到溶液中交换速度的控制步骤是扩散速度，不同的分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制,树脂预处理离子交换吸附洗脱,离子交换操作方法,静态：操作简单、但是分批操作，交换不完全动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，适宜多组份分离 柱式固定床（FixedBed）模拟移动床（SMB）,离子交换操作方式,树脂预处理,物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒；化学处理：转型（氢型或钠型）阳离子树脂 酸碱酸 阴离子树脂 碱酸碱 最后以去离子水或缓冲液平衡,

14、洗脱方式,离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法洗脱方法（1）改变溶液pH值（2）改变溶液离子强度,树脂再生,是指使离子交换树脂重新具有交换能力的过程酸性阳离子树脂 酸-碱-酸-缓冲溶液淋洗碱性阴离子树脂 碱-酸-碱-缓冲溶液淋洗方式有：顺流再生和逆流再生,3 吸附平衡理论,一定条件下，流体（气体或液体）与吸附剂接触，流体中的吸附质被吸附剂吸附，经足够长时间后，吸附质在两相中的含量不再改变，即吸附质在流体和吸附剂上的分配达到一种动态平衡，称为吸附平衡。,相同条件下，流体中吸附质的浓度高于平衡浓度时，吸附质将被吸附；反之，流体中吸附质浓度低于平衡浓度时，吸附剂上已吸附的吸附质将解吸进

15、入流体相，直到达到新的吸附平衡。可见，吸附平衡关系决定着吸附过程的方向和极限，是吸附过程的基本依据。,吸附平衡的常用表示方法有两种：（1）吸附质在流体中的浓度（液体）或分压（气体）；（2）吸附剂上吸附的吸附质的量，克（或摩尔）吸附质克（或表面积）吸附剂。,1.兰缪尔（Langnuir）公式1）二个假设：吸附活性中心间各自独立每一个吸附活性中心只吸附一个分子2）推导：吸附速度=K1（m m）C,解吸速度=K2 m 当达到平衡时，K1（m m）C=K2m m b C K1 m=其中b=1+b C K2,m b C m=1+b C当溶液浓度很稀时，1+bC1，m=m bC当溶液浓度很高时，1+bC bC，m=m 当溶液浓度适中时，m=K C 1/n 其中n 1 此为弗罗德利希（Freundlich）公式,目前尚没有成熟的理论来估计流体固体之间的吸附平衡关系。因此，需要对特定的物系实验测定一定温度下的吸附平衡数据，并绘制成吸附剂上吸附质的吸附量与流体中吸附质浓度或分压的关系曲线，这种曲线称为吸附等温线。另外，在等压情况下，表示吸附量和温度的关系曲线称为吸附等压线；在等吸附容量情况下，表示温度和压力的关系曲线称为吸附等容线。这里只介绍应用最广的吸附等温线。,Langmuir 吸附等温线（I型）,假设 表面处处均一（所有吸附位点在