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生物分离工程 6 吸附分离技术和理论基础 吸附是溶质从液相或气相转移到固相的现象。利用固体吸附的原理从液体或气体中除去有害成分或分离回收有用目标产物的过程称为吸附操作。吸附操作所使用的固体材料一般为多孔微粒或多孔膜，具有很大的比表面积，称为吸附剂或吸附介质。吸附剂对溶质的吸附作用按吸附作用力区分主要有三类，即物理吸附、化学吸附和离子交换。 物理吸附基于吸附剂与溶质之间的分子间力，即范德华力 6.1　吸附分离介质 ６.１.１吸附剂 吸附剂种类繁多，不同的吸附剂适用于不同溶质的吸附分离。按吸附剂的孔道结构区分，固体吸附剂主要分多孔型介质和凝胶型介质两大类。 ６.１.２　离子交换剂 ６.１.２.１　离子交换剂概述 离子交换剂是最常用的吸附剂之一。离子交换剂分阳离子交换剂和阴离子交换剂。前者对阳离子具有交换能力，活性基团为酸性；后者对阴离子具有交换能力，活性基团为碱性。阳、阴离子交换剂又根据其具有离子交换能力的ｐＨ值范围的大小，分别为强酸性阳离子交换剂和弱酸性阳离子交换剂、强碱性阴离子交换剂和弱碱性阴离子交换剂 ６.１.２.２　离子交换剂性能的评价 孔径、孔径分布、比表面积和孔隙率也是评价离子交换剂性能的重要参数。 （１）离子交换容量　离子交换容量是单位重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物质的量（ｍｍｏｌ），是表征离子交换能力的主要参数之一。 （２）滴定曲线　滴定曲线是检验和测定离子交换剂性能的重要数据。 6.2　吸附平衡 ６.２.１　吸附等温线 吸附是一种平衡分离方法，即根据不同溶质在液固两相间分配平衡的差别实现分离。因此，溶质的吸附平衡行为既是评价吸附剂性能的重要指标，也是吸附过程分析和设计的理论基础。 ６.２.２　离子交换的计量置换模型 ①系统为理想体系，各组分的活度系数为１。 ②吸附剂表面均一，孔道形状和尺寸均匀，且孔道直径足够大，对溶质无尺寸排阻效应。 ③对于蛋白质类生物大分子，与溶质分子结合的伴离子分成两类：当溶质在离子交换剂表面吸附时，第一类伴离子从溶质上释放出来，而第二类伴离子始终与溶质分子相结合。 ④用特征电荷ｚ描述具有多点结合特性的蛋白质与离子交换剂结合位点的数量。 ６.２.２.１　线性吸附平衡的分配系数 在没有待分离的溶质存在时，离子交换剂表面的离子基团或可离子化的基团Ｒ（Ｒ＋或Ｒ－）一直被其反离子（ｃｏｕｎｔｅｒｉｏｎ）覆盖，液相中的反离子浓度为常数。溶质与反离子带有相同的电荷，溶质的吸附是基于其与离子交换基间相反电荷的静电引力。 ６.２.２.２　非线性吸附平衡方程 以阴离子交换为例推导非线性ＳＤＭ模型。根据上述假设，离子交换平衡方程如下 吸附平衡常数定义为 ６.２.３　空间质量作用模型 空间质量作用模型是针对蛋白质的相对分子质量大、带电荷数多等特性提出的非线性离子交换平衡模型。 6.3　吸附过程传质动力学 ６.３.１　液相扩散 与世间万物一样，分子也处于不停的运动之中。分子的运动是漫无目标的。在相对静止系统中，分子或粒子的运动行为称为扩散。分子的扩散速率用扩散系数表达。扩散系数Ｄ用Ｆｉｃｋ定律定义 Ｆｉｃｋ定律表示溶质的扩散通量与浓度梯度成正比，但方向与浓度梯度相反，即溶质运动的总体趋势是从高浓度区向低浓度区扩散。 ６.３.２　固相扩散 ６.３.２.１　固相扩散系数 固体介质的孔隙率用ε表示，是固相中孔隙的体积分数。 固相介质内部的孔道并非笔直和完全相通的，孔道的这种性质通常用曲折因子表示。多孔介质的曲折因子τ一般为３～６，可用下式近似计算 在孔道的阻滞作用下发生的固相扩散称为阻滞扩散，其扩散系数又称阻滞扩散系数。 ６.３.２.２　固相扩散模型 利用第５章中图５.１２所示的微分元法，根据Ｆｉｃｋ定律［式（６.３６）］和质量守恒原理可建立固相介质中溶质扩散的连续性方程 ①假设系统为理想体系，各组分的活度系数为１。 ②对于球形吸附剂，假设吸附剂粒径均一，配基均匀分布在吸附剂孔表面。 ③吸附剂的孔隙率均一，在吸附过程中保持不变。 ④在吸附剂内任意位置处，游离溶质和吸附溶质均处于平衡状态，孔内游离溶质浓度梯度为扩散传质的推动力。 6.4　固定床吸附 一般将吸附柱中液相（或固相）溶质浓度从ｃ０（或ｑ０）到０的分布区域称为浓度波或吸附带（离子交换吸附操作中称交换带）。由于吸附带内溶质浓度不断变化，液固之间尚未达到吸附平衡，存在传质现象，所以吸附带所覆盖的区域又称传质区。 6.5　固定床吸附过程理论 ①在与流体流动方向垂直的每一截面上，具有均匀的径向浓度。 ②在每一截面及流体流动的方向上，流速和轴向扩散系数均为恒定值。 ③溶质浓度为轴向距离的连续函数。 ①吸附剂外表面液膜（即固液界面的流体滞留底层）内扩散传质。 ②吸附剂孔内扩散。 ③吸附溶质的表面扩散。 ④溶质的表面吸附。