吸附过程基本知识

1.吸附现象       

固体将与其接触的气体或液体溶质吸引到自己表面上的过程称为吸附。吸附过程是在固体表面进行物质浓缩的过程。在表面上能发生吸附作用的固体物质称为吸附剂。被吸附的物质称为吸附质。

根据吸附剂内部结构可分为无孔型和有孔型。如孔型吸附剂的内部没有毛细孔，起吸附的表面积小，吸附量小；有孔吸附剂其内部具有无数的毛细孔，总表面积很大，吸附量大。常用的吸附剂都是多孔型，且孔道越多吸附能力越强。

2.吸附原理

根据吸附的作用力不同，可把吸附分为物理吸附与化学吸附。

（1）物理吸附：产生物理吸附的力是分子间引力，或称范德力。固体吸附剂与气体分子之间普遍存在着分子间引力，当固体和气体的分子引力大于气体分子之间的引力时，即使气体的压力低于与操作温度相对应的饱和蒸气压，气体分子也会冷凝在固体表面上，即发生了吸附，其吸附速度极快。

物理吸附不发生化学反应，是靠分子引力产生的，当吸附物质的分压升高时，可以产生多分子层吸附。

（2）化学吸附：化学吸附亦称活性吸附，它是由于固体表面与吸附质分子之间发生化学结合的结果。化学吸附的作用力大于物理吸附的范德华力。

物理吸附和化学吸附并不是孤立的，往往相伴发生。在生物分离过程中，大部分的吸附往往是几种吸附综合作用的结果。由于吸附质、吸附剂及其他因素的影响，可能某种吸附是起主导作用的。

3.常用的吸附剂

目前工业上常用的吸附剂主要有活性炭、活性炭纤维、活性氧化铝、硅胶、大孔树脂、羟基磷石灰、白土和分子筛等。

{dy}节      硅胶吸附剂

1.硅胶的型号

无机硅胶是一种高活性吸附材料，通常是用硅酸钠和硫酸反应，并经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得。硅胶属非晶态物质，其化学分子式为 。不溶于水和任何溶剂，xx无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。

硅胶颗粒内部具有毛细孔，毛细孔数量随制造方法不同而不同。硅胶根据其孔径的大小可分为：大孔硅胶、粗孔硅胶、B型硅胶、细孔硅胶。由于孔隙结构的不同，因此它们的吸附性能各有特点。粗孔硅胶在相对湿度高的情况下有较高的吸附量，细孔硅胶则在相对湿度较低的情况下吸咐量高于粗孔硅胶，而B型硅胶由于孔结构介于粗、细孔之间，其吸附量也介于粗、细孔之间。

不同型号的硅胶其用途不同。在生物分离中所使用的可分为薄层层析谱硅胶和柱层析硅胶两大类。

薄层层析硅胶颗粒非常均匀且微小，其直径以微米计量，一般为10～40 。薄层层析硅胶有四种类型，

硅胶H  不含粘结剂；

硅胶G：含粘结剂，

硅胶HF含荧光物质；

硅胶GF：含粘结剂和含荧光物质

粘结剂的种类有煅石膏、羧甲基纤维素等；煅石膏代号G，羧甲基纤维素代号CMC。

柱层析硅胶颗粒比较大，且均匀度不高，其直径按目数计算。工业级柱层硅胶规格有：20-40目、20-60目、60-80目、100-200 、200-300目、300-400目、500-800目等。其中最常用的是100～200目和200—300目等两种型号。柱层析硅胶一般都是H型。

2.硅胶的理化指标

柱层析硅胶可分为四种类型，其性能指标如下：

3.影响硅胶吸附活性的因素

硅胶属于极性吸附剂，对于极性化合物有很强的吸附能力，也能吸附弱极性化合物或非极性化合物。硅胶是一种亲水性吸附剂，能很快地吸附水分。当水分占据了毛细孔后硅胶的吸附能力迅速下降直至无吸附力。硅胶吸附活性随含水量的增加而降低。当含水量为1%时，活性{zg}。20%时，活性{zd1}，一般要求含水量不超过15%。{zh0}控制在10%以下。

4.    硅胶吸附剂的使用

采用硅狡作吸附剂，使用环境应为非水环境，否则影响其吸附性能。

在生物制药中，硅胶常用于吸附分离萜类、固醇、生物碱、酸性化合物、磷脂类、脂肪类、氨基酸等xx活性成分。

 硅胶在使用过程中因吸附了介质中的水蒸汽或其他有机物质，吸附能力下降，可通过再生后重复使用。

1.》硅胶吸附水蒸汽后的再生

硅胶吸附水份后，可通过热脱附方式将水份除去，加热的方式有多种，如电热炉、烟道余热加热及热风干燥等。

脱附加热的温度控制在120--180℃为宜，对于蓝胶指示剂、变色硅胶、DL型蓝色硅胶则控制在100--120℃为宜。各种工业硅胶再生时的{zg}温度不应超过以下限度：

（1）粗孔硅胶不得高于600℃；

（2）细孔硅胶不得高于200℃；

（3）蓝胶指标剂（或变色硅胶）不得高于120℃；

（4）硅铝胶不得高于350℃。

再生后的硅胶，其水份一般控制在2%以下即可重新投入使用。

2.》硅胶吸附有机杂质后的再生

（1）焙烧法：对于粗孔硅胶，可放在焙烧炉内逐渐升温至500--600℃，约经6—8小时至胶粒呈白色或黄褐色即可。对细孔硅胶，焙烧温度不能超过200℃。

（2）漂洗法：将硅胶在饱和水蒸汽中吸附达到饱和后放热水中浸泡漂洗，并可结合使用洗涤剂以除去废油或其它有机杂质，再经净水洗涤后烘干脱水。

（3）溶剂冲洗法：根据硅胶吸附有机物种类，选用适当的溶剂将吸附在硅胶内的有机物溶出，然后将硅胶加热以脱除溶剂。如用5～10倍1%的氢氧化钠回流30min，然后蒸馏水洗3～5次，再用3～6倍量5%乙醇回流30min，用蒸馏水洗至中性，再用甲醇、水洗涤两次，{zh1}在120℃下烘干活化12小时即可。

3.》硅胶再生应注意的问题

（1）烘干再生时应注意掌握逐渐提高温度，以免剧烈干燥引起胶粒炸裂，降低回收率。

（2）对硅胶焙烧再生时，温度过高会引起硅胶孔结构的变化而明显降低其吸附效果，影响使用价值。对于蓝胶指示剂或变色硅胶，脱附再生的温度应不超过120℃，否则会因显色剂逐步氧化而失去显色作用。

（3）经再生后的硅胶一般应过筛除去微细颗粒，以使颗粒均匀。

第二节  大孔树脂吸附分离的基本知识

1.大孔树脂

      大孔树脂是由有机聚合单体和交联剂、致孔剂、分散剂等添加剂经聚合反应制备而成。常用的聚合单体为苯乙烯和丙酸酯，二乙烯苯为交联剂,甲苯、二甲苯为致孔剂。聚合物形成后，致孔剂被除去，在树脂中留下了大大小小、形状各异、互相贯通的孔穴，孔穴直径可以按需要调节，一般在100～1000nm之间，因其孔径较大，故称为大孔吸附树脂。

上述方法制成的大孔树脂由于其结构中无极性基团，因而是非极性大孔树脂，只用于非极性化合物的分离。为了使大孔树脂适用于各种极性的化合物，常在大孔树脂的结构上接枝极性基团，因而制成了中等极性的大孔树脂和弱极性的大孔树脂。极性不同的大孔树脂其使用范围也不相同。

（1）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。

（2）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。

（3）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。

大树脂一般为白色的球状颗粒,粒度为20～60 目，密度小，不溶于水，耐酸和有机溶剂，不受无机盐类及强极性低分子化合物的影响，对低浓度碱具有一定的稳定性。

2.大孔树脂工作原理

大孔树脂吸附作用由两个方面协同完成。

（1）筛分：大孔树脂的毛细孔孔径可控制，可以作成多中直径的大孔树脂。在使用时，直径小于树脂直径的就进入到树脂内部，大于树脂直径的分子从树脂颗粒之间的缝隙中随流动相快速流动，从而将不同大小的分子分离开；

（2）吸附：进入树脂毛细孔的分子，根据其分子结构和极性，在孔道内受到大小不同的范德华引力。由于不同分子所受的吸附力不同，因而其运动速度有快慢之分，从而达到分离的目的。

二、大孔树脂的性能及适用范围

国内外使用的树脂种类众多,型号各异,性能差异较大。国内主要的树脂有D 系列、H 系列、AB - 8 (弱极性) 和SIP 系列等。

1.同种大孔树脂的吸附能力

大孔吸附树脂是一类新型的非离子型高分子吸附剂，其吸附性能的优劣是由其化学和物理结构决定，同一型号大孔吸附树脂对有效部位吸附能力强弱的规律为：

生物碱> 黄酮> 酚性成分> 无机物

2.不同大孔吸附树脂的吸附规律

不同树脂结构对不同物质吸附效果不同,通过研究发现，发现DM - 130 吸附树脂是一种对黄酮类化合物具有优良吸附性能的吸附剂，D - 及DA - 型树脂对多糖的吸附作用较单糖和双糖大。AB - 8 树脂对皂苷的吸附容量较蛋白质、糖大。

（1）非极性物质在极性介质(水) 内被非极性吸附剂吸附；

（2）极性物质在非极性介质中被极性吸附剂吸附,带强极性基团的吸附剂在非极性溶剂里能很好的吸附极性化合物；

（3）聚苯乙烯树脂一般适用于非极性和弱极性物质的化合物,如皂苷类和黄酮类;

（4）聚丙烯酸类树脂,一般带有酯基或酰氨基,对中极性和极性化合物如黄酮醇和酚类的吸附较好。

三  大孔吸附树脂的使用

1.预处理

大孔吸附树脂是一类有机单体加交联剂、致孔剂、分散剂等添加剂聚合而成,因而购来的树脂要除去可能存在的毒性有机残留物。具体方法为,首先使用饱和食盐水（工业用）,用量约等于被处理树脂的2 倍,将树脂置于食盐中浸泡18～20 h ,然后放尽食盐水,用清水漂洗净,使排出的水不显黄色,再用2 %～4 %氢氧化钠(或5 %盐酸) 溶液(其量与上同) 浸泡2～4h(或小流量清洗) ,放尽碱或酸液后冲洗树脂直至水接近中性待用。实验室用常用>95%的乙醇。

2.使用条件

吸附条件和解吸附条件的选择直接影响着大孔吸附树脂吸附工艺的好坏,因而在整个工艺过程中应综合考虑各种因素,确定{zj0}吸附解吸条件。影响树脂吸附的因素很多,主要有被分离成分的性质(极性和分子大小等) 、上样溶剂的性质(溶剂对成分的溶解性、盐浓度和PH 值) 、上样液浓度及吸附水流速等。通常,极性较大分子适用中极性树脂上分离,极性小的分子适用非极性树脂上分离;体积较大化合物选择较大孔径树脂;上样液中加入适量无机盐可以增大树脂吸附量;酸性化合物在酸性液中易于吸附,碱性化合物在碱性液中易于吸附,中性化合物在中性液中吸附;一般上样液浓度越低越利于吸附;对于滴速的选择,则应保证树脂可以与上样液充分接触吸附为佳。影响解吸条件的因素有洗脱剂的种类、浓度、pH值、流速等。洗脱剂可用甲醇、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等,应根据不同物制裁在树脂上吸附力的强弱,选择不同的洗脱剂和不同的洗脱剂浓度进行洗脱;通过改变洗脱剂的pH 值可使吸附物改变分子形态,易于洗脱下来; 洗脱流速一般通过试验确定。

3.大孔树脂的再生

树脂柱经反复使用后,树脂表面及内部残留许多非吸附性成分或杂质使柱颜色变深,柱效降低,因而需要再生,一般用95 %乙醇洗至无色后用大量水洗去醇化即可。如树脂颜色变深可用稀酸或稀碱洗脱后水洗。如柱上方有悬浮物可用水、醇从柱下进行反洗可将悬浮物洗出,经多次使用有时柱床挤压过紧或树脂颗粒破碎影响流速,可从柱中取出树脂,盛于一较大容器中用水漂洗除去小颗粒或悬浮物再重新装柱使用。