生物静态吸附与离子交换分离技术.ppt

第六章 静态吸附与离子交换分离技术,第一节 静态吸附分离技术,一、吸附的原理 （一）产生吸附原因 （二）吸附的类型 1.物理吸附 2.化学吸附 3.交换吸附,（三）影响吸附的因素,1.吸附剂的性质 2.吸附质的性质 （1）溶质分子的结构 （2）溶质在溶液中的溶解度 （3）解离情况 （4）形成氢键情况 （5）溶剂的影响,3.吸附条件 （1）温度 （2）pH值 （3）吸附质的浓度与吸附剂的量 （4）盐的浓度 总之，在生产中吸附条件的选择主要应靠实践来确定。,（四）溶剂与洗脱,溶剂和洗脱剂应符合以下条件： 1.纯度合格，因为杂质常会影响洗脱及吸附能力； 2.与样品或吸附剂不发生化学变化； 3.能溶解样品中的各成分； 4.溶剂被吸附剂吸附得愈少愈好； 5.粘度小，易流动，不致使洗脱太慢； 6.容易与目的物成分分开。,二、常见的吸附剂,（一）活性炭 1.活性炭的类型,（二）白陶土 （三）磷酸钙凝胶 （四）氢氧化铝凝胶 （五）氧化铝 （六）硅胶 （七）滑石粉,（八）硅藻土 （九）皂土 （十）沸石 （十一）聚酰胺粉 （十二）大网格聚合物吸附剂,三、静态吸附分离法的应用,第二节 静态离子交换分离技术,一、离子交换的原理 （一）离子交换过程和离子交换速率 离子交反应换过程可用下面方程式表示（以阳离子交换反应为例）： R-A+B+ R-B+A+ 式中R-表示阳离子交换剂的活性基团和载体。A+为平衡离子。B+为交换离子。离子交换反应同样符合质量作用定律。当正反应、逆反应速率相等时，溶液中各种离子的浓度不再变化而达平衡状态，即称为离子交换平衡。,离子交换过程：,A+从溶液中扩散到树脂表面； A+从树脂表面再扩散到树脂内部的交换中心；薄膜树脂B+A+离子交换机理示意图 A+与R-B+在交换中心发生交换反应； 解吸B+从树脂内部的交换中心扩散到树脂表面； B+再从树脂表面扩散到溶液中。,离子交换机理示意图,（二）影响离子交换的因素,1.影响选择性的因素 2.影响交换速率的因素 （1）颗粒大小 （2）交联度 （3）温度 （4）离子化合价 （5）离子的大小 （6）搅拌速率或流速 （7）离子浓度 （8）被分离组分料液的性质溶液黏度越大，交换速率越小。 （9）树脂被污染 3.影响交换效率的因素,二、离子交换树脂,离子交换树脂的单元结构由三部分构成： 惰性的不溶性的高分子固定骨架，又称载体； 与载体以共价键联结的不能移动的活性基团，又称功能基团； 与功能基团以离子键联结的可移动的平衡离子，亦称活性离子。,如聚苯乙烯磺酸型钠树脂，其骨架是聚苯乙烯高分子塑料，活性基团是磺酸基，平衡离子为钠离子。,离子交换树脂的活性基团是决定其交换特点的主要物质基础。它决定了树脂是酸性的阳离子交换剂还是碱性的阴离子交换剂，以及交换能力等诸多因素。同时也是离子交换树脂分类的主要依据。,（一）离子交换树脂的分类,1. 强酸性阳离子交换树脂 2.弱酸性阳离子交换树脂 3. 强碱性阴离子交换树脂 4.弱碱性阴离子交换树脂 5.两性树脂,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； 弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；,第二节 静态离子交换分离技术,一、静态离子交换操作方法,（一）离子交换树脂的预处理 1、物理处理 2、化学处理 3、转型,（二）离子交换过程 （三）洗脱过程 （四）树脂的再生 （五）树脂贮存及运输,树脂再生,是指让使用过的树脂重新获得使用性能的处理过程。其实是交换吸附的逆反应。 再生方法： 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,二、静态离子交换分离法的应用,静态离子交换的效率是很差，主要因为离子交换反应存在可逆的平衡，交换不容易完全，必须经过多次重复，所以该法并不经常应用。一般只是在试探性实验、测定交换平衡常数、某些交换动力学的研究、交换分配系数的测定、络合物离解常数的测定、滴定曲线的研究、某些催化反应的试探性研究、除去盐溶液中过剩的酸和碱、吸附溶液中所含的高分子量物质等方面可能用到。,实验八 活性炭吸附分离色素实验,实验原理,2,材料用具,3,操作方法,4,目的要求,2,1,5,5,注意事项,目的要求,了解吸附基本原理。,掌握活性炭和木炭简单的静态及动态吸 附的基本操作。,原理,活性炭具有较大的比表面，在水溶液中比一般 固态物质吸附能力强得多，故可以吸附许多物 质的分子及离子。本实验用活性炭、木炭静态 和动态吸附溶液中的色素及气体。,材料用具,红心萝卜8kg、活性炭粉8kg、脱脂棉1包,石蕊试剂500ml；浓硝酸500 ml；铜屑400g； 高锰酸钾400g,组织捣碎机、大烧杯、小烧杯、U形管、漏斗、 直通管、导管、漏斗架、滤纸、玻璃棒锥形瓶、 胶塞、导管、玻璃管、橡皮圈、小试管等,活性炭静态吸附石蕊,将石蕊稀释液放在小烧杯中，加活性炭粉两匙然后搅拌片刻，放入过滤器中过滤，用另一烧杯或试管收集液体，观察滤液颜色。,活性炭动态吸附胡萝卜色素,1、选深红色，质地紧密，色素含量高的红心胡萝卜切碎打浆，过滤得含胡萝卜色素的溶液。 2、直通管中段全部用活性炭装满，两端堵上纱布棉团，上面单孔塞装上漏斗，下面单孔塞加一个短导管作为滤液出口，实验前将这套装置固定于铁架台上，把含有萝卜色素的溶液放入漏斗中，观察下面接受器中收集到的溶液颜色。,活性炭吸附高锰酸钾,U形管中放入约1/3容积的小块木炭，两管口同时加脱脂棉一团，实验时从左管口加入稀高锰酸钾溶液。不久右管上层液面渐渐升高，观察右管上层液面颜色。,活性炭吸附二氧化氮气体,1、制二氧化氮气体 取两只带塞锥形瓶、以细线拴牢一只小试管，小试管中有一两片铜屑，滴加浓硝酸后立即吊入锥形瓶中，待瓶中气体的棕红色明显时即将小试管转移到另一锥形瓶中，同时给第一只瓶加塞，第二瓶也同样浓度后，取出加塞，并立即把小试管连同内中废液一起浸入大水杯中，此废液若量少可弃去，但可以把洗净的铜屑晾干回收。,活性炭吸附二氧化氮气体,2、活性炭吸附气体 将两匙处理过的木炭粉或活性炭粉倒入瓶中并立即加塞塞紧摇动锥形瓶、摇瓶时力求瓶上部在转动的中轴处，只让炭粉在瓶底部转动，观察到瓶内二氧化氮的颜色变化。,注意事项,所用木炭或活性炭一定要处理过，增强 了它的吸附活性，实验前应将木炭或活性炭放在 坩埚里烘烤，充分进行解吸。,2.选用有色液体颜色不可太浓，否则吸附不净 可能会出现滤液带色，得不到无色清液。,注意事项,3.榨取的胡萝卜汁在活性炭脱色前，应进行过滤 前处理，避免汁液过粘影响活性炭吸附效果。,4.所用锥形瓶在实验前应当是完全干燥的。,实验九 甘露醇的制备及鉴定,实验原理,2,材料用具,3,操作方法,4,目的要求,2,1,5,5,注意事项,目的要求,了解甘露醇的理化性质。,掌握从海带中分离提纯甘露醇的原理和基本 操作技术。,原理,甘露醇（别名：己六醇）为白色针状或斜方柱状晶体 或结晶性粉末，无臭，略有甜味，不潮解。易溶于水， 溶于热乙醇，微溶于低级醇类和低级胺类，微溶于吡 啶，不溶于有机溶剂，具有多元醇的化学性质，可以 被酯化、醚化、氧化、脱水。在无菌溶液中较稳定， 不易被空气所氧化，熔点165168。甘露醇在海藻、 海带中含量较高。海藻洗涤液和海带洗涤液中甘露醇 的含量分别为2与1.5，是提取甘露醇的重要资源。,本实验以海带为原料，用自来水浸泡提取甘露醇；通过调 节酸度，沉淀除杂质；煮沸浓缩后用乙醇沉淀甘露醇；最 后通过回流、重结晶、活性炭脱色等工艺精制甘露醇。,材料用具,海藻或海带、粉末活性炭,30NaOH、硫酸-水混合液(1：1)、95乙醇、 1molL三氯化铁溶液、1molLNaOH溶液,电瓷炉、不锈钢锅、布式漏斗、抽滤瓶、回流装 置、pH试纸,浸泡提取,将海藻或海带加20倍量自来水，室温浸泡23h，用手搓洗将藻体或海带上的甘露醇洗入水中，收集的浸泡液用作第二批原料的提取溶液，一般浸泡4批后浸泡液中的甘露醇含量已较大。,碱化、酸化,1、将浸泡液倒入不锈钢锅中，边搅拌边用30NaOH调pH1011，静置0.5h； 2、凝集沉淀多糖类黏性物，待黏性物充分凝聚沉淀后，虹吸上清液，用1：1H2S04-H20中和至pH67，过滤进一步除去胶状物，得中性提取液。,浓缩,1、将中性提取液倒入不锈钢锅中，加热至沸腾蒸发，温度110150，大量氯化钠沉淀，不断将盐类与胶状物捞出，直至呈浓缩液，取小样倒于玻璃板上，稍冷却应凝固。 2、将浓缩液冷却至6070趁热加入2倍量95乙醇，不断搅拌，渐渐冷却至室温后，离心甩干除去胶质，得灰白色松散物。,回流提取,取松散物，加入8倍量的95乙醇加热回流30min，冷却过滤，离心（2500rmin）15 min，得白色松散甘露醇粗品，同上操作，乙醇重结晶1次。,精制,1、甘露醇粗品加适量蒸馏水，加热溶解，再按6质量加入粉末活性炭，不断搅拌，加热至沸腾，趁热（80）过滤(或压滤)，少许水洗活性炭2次，合并洗滤液(如有浑浊重新过滤)， 2、高温浓缩至浓缩液相对密度为1.2左右时，在搅拌下冷却至室温，低温结晶，抽滤至干，得到结晶甘露醇，烘干（105110）得甘露醇纯品。,鉴别,取所制得的甘露醇纯品饱和溶液1ml，加1molL三氯化铁溶液与1molLNaOH溶液各0.5ml，即生成棕黄色沉淀，振摇不消失，滴加过量的1molL NaOH溶液，即溶解成棕色溶液。符合此现象，可初步断定为甘露醇。,注意事项,1、精制时浓缩液相对密度对结晶效果有影响， 应掌握好，可测量。,2、浓缩时捞出胶状物容易，但捞出盐类稍难， 可采用多次倾倒或过滤等方法。,