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第十一章 吸附与离子交换

第一节 概述

一、吸附定义：

吸附：是溶质从液相或气相转移到团相的现象。一种物质从一相移动到另外一相的现象称为吸附。

假设吸附仅仅发生在外表上，就称为外表吸附；假设被吸附的物质普及整个相中，则称为吸取。

吸附操作：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目标产物的过程

吸附操作所使用的固体一般为多孔微粒，具有很大的比外表积，称为吸附剂。被吸附的物质称为吸附质。

典型的吸附分别过程包含四个步骤：首先，将待分别的料液〔或气体〕通入吸附剂中；其次，吸附质被吸附到吸附剂外表，此时吸附是有选择性的；第三，料液流出；第四，吸附质解吸回收后，将吸附剂再生。

在人类生活中，固体的吸附很早就有所使用，从马王堆出土的二千多年前的西汉墓中残存有木炭的事实就足以说明这点。固体吸附在生产上可用于除臭、脱色、吸湿、防潮等诸多方面，并且很早进人工业规模，近廿年来进展尤为快速。

固体吸附与生物工程也有着亲热的关系，如在酶、蛋白质、核昔酸、抗生素、氨基酸等产物的分别、精制中，可应用选择性吸附的方法，发酵行业中空气的净化和除菌也离不开吸附过程。除此以外，在生化产品的生产中，还常用各类吸附剂进展脱色、去热原、去组胺等杂质。早期使用的吸附剂有高岭土、氧化铝、酸性白土等无机吸附剂，还有凝胶型离子交换树脂、活性炭、分子筛和纤维素等。但由于这些吸附剂或是吸附力量低，或是简洁引起失活，都不抱负。另外要成为一个经济的生产过程，吸附剂必需能上百次甚至上千次的反复使用。为了能经受得起屡次且猛烈的再生过程，吸附剂需要有良好的物理化学稳定性，再生过程还必需简便快速。近年来一些合成的有机大孔吸附剂，即所谓大网格聚合物吸附剂，可以满足上述要求，用于工业规模生产。

二、吸附的类型

依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。

〔一〕物理吸附

吸附剂和吸附物通过分子力〔范德华力〕产生的吸附称为物理吸附。

由于分子间引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。

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像性和溶剂的极性。一般物理吸附发生在吸附剂的整个自由外表，被吸附的溶质(吸附质)，可通过转变温度、pH和盐浓度等物理条件脱附。

〔二〕化学吸附

化学吸附是吸附剂外表活性点与溶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，吸附热一般在-40~-50kJ／mol以上，高于物理吸附，故一般可通过测定吸附热推断一个吸附过程是物理吸附还是化学吸附。

化学吸附般为单分子层吸附，吸附稳定，不易脱附，故洗脱化学吸附质一般需承受破坏化学结合的化学试剂为洗脱剂。

〔三〕离子交换吸附

简称离子交换，所用吸附剂为离子交换剂。

离子交换剂外表含有离子基团或可离子化基团，通过静电引力吸附带有相反电荷的离子，附过程中发生电荷转移。

离子交换的吸附质可通过调整PH或提高离子强度的方法洗脱。

必需指出，各种类型的吸附之间不行能有明确的界限，有时几种吸附同时发生很难区分。因此，溶液中的吸附现象较为简单。

分别工程中所谓的吸附操作主要基于物理吸附，化学吸附现象的应用很少，而将基于离子交换原理的吸附操作称为离子交换。

吸附和离子交换广泛应用于生物分别过程，在原料液脱色、除臭、目标产物的提取、浓缩和粗分别方面发挥着重要作用。各种基于吸附或离子交换原理的层析法是纯化生物产物的主要手段。

三、吸附剂

生物分别过程常用的吸附剂列于表

6．1。

活性炭是最普遍使用的吸附剂，常用于生物产物的脱色和除臭等过程。

硅胶在吸附操作特别是吸附层析中应用广泛。

有机高分子吸附剂中多孔性聚乙烯苯和多孔性聚酯等树脂具有大网格细孔构造，此类吸附剂机械强度高，使用寿命长，选择

性吸附性能好，吸附质简洁脱附，并且流体阻力小，常应用于抗生素(如头孢菌素等)和维生

素B12等的分别浓缩过程。

除表6．1所列的吸附剂外，多孔性纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、聚丙烯酰胺凝

胶和羟基磷灰石(HA)等广泛应用于生物大分子的层析纯化。

其次节 离子交换树脂、原理、分类、命名

离子交换〔吸附〕剂

一、 离子交换树脂

无机离子交换剂

有机离子交换剂〔离子交换树脂〕

离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的固态高分子材料。它的化学稳定性良好，且有肯定孔隙度。

不能移动的，多价的高分子基团， 构成骨架、溶解度、

分子组成： 化学稳定性

可移动的离子〔活性离子〕， 树脂的骨架中进进出出，

就发生离子交换现象。

分子构造〔三局部〕： 母体：常用苯乙烯、丙烯酸等

不溶性的三维空间网状骨架 交联剂：用二乙烯苯将母体交联起来

连接在骨架上的官能团

官能团所带的相反电荷的可交换