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    大孔吸附劑

 

大孔吸附劑的原理及應用

 

1. 概述。

 

大孔吸附劑是一類吸附性和分子篩性原理相結合,對有機物具有濃縮、分離作用的高分子聚合物。大孔吸附劑是由苯乙烯、二乙烯苯或甲基丙烯酸酯等單體,加交聯劑、致孔劑和分散劑,經懸浮聚合制備而成。聚合物形成后,致孔劑被除去,在樹脂中留下了大大小小、形狀各異、互相貫通的孔穴。因此大孔樹脂在干燥狀態下其內部具有較高的孔隙率,且孔徑較大,在100 ~ 1000nm之間,故又稱為大孔吸附樹脂。

大孔吸附劑是通過物理吸附從溶液中有選擇地吸附有機物質,從而達到分離提純的目的。其理化性質穩定,不溶于酸、堿及有機溶劑,對有機物選擇性好,不受無機鹽類及強離子、低分子化合物存在的影響,在水和有機溶劑中可吸附溶劑而膨脹。

2. 大孔吸附劑的分類。

大孔吸附劑按其極性大小和所選用的單體分子結構不同,可分為非極性、中極性和極性三類。

2.1 非極性大孔吸附樹脂:非極性大孔吸附樹脂是由偶極矩很小的單體聚合制得的不帶任何功能基,孔表的疏水性較強,可通過與小分子內的疏水部分的作用吸附溶液中的有機物,最適于極性溶劑中吸附非極性物質,也稱為芳香族吸附劑,例如苯乙烯、二乙烯苯聚合物。

2.2 中等極性大孔吸附樹脂:中等極性大孔吸附樹脂是含酯基的吸附樹脂,且多功能團的甲基丙烯酸酯作為交聯劑。其表面兼有疏水和親水兩部分。既可極性溶劑中吸附非極性物質,又可由非極性溶劑中吸附極性物質,也稱為脂肪族吸附劑,例如聚丙烯酸酯型聚合物。

2.3 極性大孔吸附樹脂:極性大孔吸附樹脂是指含酰胺基、氰基、酚羥基等含氮、氧、硫極性功能基的吸附樹脂,它們通過靜電相互作用吸附極性物質,如丙烯酰胺。

3. 大孔吸附劑的分離原理。

大孔吸附劑是由聚合單體聚合而成的高分子網狀聚合物,其性質介于天然吸附劑(活性炭、硅膠和硅藻土)和離子交換劑之間,吸附特性與天然吸附劑類似,比離子交換劑更容易再生。大孔吸附劑具有物理化學穩定性高、比表面積大、吸附容量大、選擇性好、吸附速度快、解吸條件溫和、再生處理方便、使用周期長、宜于構成閉路循環、節省費用等諸多優點,在生物醫藥、化學工業、分析化學、臨床鑒定、環境?;さ攘煊蚓哂泄惴旱撓τ們熬?。

大孔吸附劑的吸附實質為一種物體高度分散或表面分子受作用力不均等而產生的表面吸附現象,這種吸附性能是由于范德華引力或生成氫鍵的結果。同時由于大孔吸附樹脂的多孔結構使其對分子大小不同的物質具有篩選作用。通過上述這種吸附和篩選原理,有機化合物根據吸附力的不同及分子量的大小,在大孔吸附劑上經一定溶劑洗脫而達到分離、純化、除雜、濃縮等不同目的。

大孔吸附劑的吸附性能是由其化學和物理結構決定的,同一型號大孔吸附劑對有效部位吸附能力強弱的規律為(以藥材計):

生物堿 > 黃酮 > 酚性成分 > 無機物,

吸附劑不同的結構對不同物質吸附效果不同,一般大孔吸附劑吸附符合以下規律:非極性物質在極性介質(水)內被非極性吸附劑吸附,極性物質在非極性介質中被極性吸附劑吸附,帶強極性基團的吸附劑在非極性溶劑里能很好的吸附極性化合物。聚苯乙烯樹脂一般適用于非極性和弱極性物質的化合物,如皂苷類和黃酮類;聚丙烯酸類樹脂,一般帶有酯基或酰氨基,對中極性和極性化合物如黃酮醇和酚類的吸附較好。

4. 大孔吸附劑在物質分離和提純中的應用。

4.1 酶的分離提純。酶是生物體活細胞產生的具有專一催化能力的蛋白質。它的很多性能是合成催化劑所不能比擬的,它的應用正在日益發展,因此酶的分離提純也就顯得特別重要。

大孔吸附劑可用于阮酶、胰彈性酶、枯草桿菌蛋白酶、輔酶、尿激酶、植物酶、激肽釋放酶、葡糖淀粉酶、脂肪酶、溶菌酶等的分離和提純。

4.2 氨基酸、蛋白質、肽的分離。氨基酸是分子量為75 ~ 200的兩性化合物,肽是兩個或更多氨基酸結合在一起的物質,而蛋白質實際上屬于大分子的多肽。大孔吸附劑在氨基酸、蛋白質及肽的分離中的應用已經比較成熟。其優點在于吸附劑在提取酶、氨基酸、蛋白質、多肽等活性物質時,條件溫和、設備簡單、操作方便,可以避免加熱、化學處理過程造成活性降低。

4.3 生物堿、植物激素的分離。大孔吸附劑可用于生物堿、植物激素、大麻提取物、嘌呤及嘧啶等物質的吸附分離。

4.4 中草藥成分和天然產物的分離。中藥提取分離是中成藥生產過程中最關鍵的環節,也是目前制約提高中藥質量的關鍵問題,它直接影響到產品的質量和臨床療效。中藥提取和精制工藝藥粗(雜質多)、大(服用量大)、黑(顏色深),是制約中藥產業化發展和拓展國際市場的主要因素之一。采用大孔吸附劑吸附技術對提取的藥液進行除雜精制有縮小劑量,提高中藥內在質量和制劑水平;減少產品的吸潮性,增強產品的穩定性;生產設備簡單,生產周期縮短等優點,為中藥進入國際市場創造了條件。

4.5 抗生素的提純。用大孔吸附劑可分離、提取、濃縮、純化青霉素、頭孢霉素、赤霉素、四環素、紅迪霉素、慶大霉素以及幾乎包括目前已知的各種類型的抗生素,其優點是再生容易,產品的灰分少。

4.6 維生素的提取和精制。包括維生素B12、維生素B2、維生素C及擬維生素P的提取和精制。

4.7 食品的精制。大孔吸附劑可用于糖類、酒類、奶制品、味精的精制,咖啡因和食用香料的分離提取,豆油、花生油、玉米油、菜籽油等食用油中重金屬、有機酸及苦味的去除處理。

4.8 對色素的分離與純化。大孔吸附劑對色素的分離于純化也表現出獨特的優越性。大孔吸附劑主要吸附大分子色素,溶液中的鹽類對吸附沒有影響,脫色效率可達75% ~ 90%以上。

4.9 在環境?;ぶ械撓τ?/strong>。大孔吸附劑可用于含酚廢水、農藥廢水、含有機酸和芳香胺廢水、染料中間體廢水等有機工業廢水的處理,具有適用范圍寬,實用性好;吸附效率高,解吸再生容易;性能穩定,使用壽命長;操作簡便,能耗低等特點。

5. 影響吸附作用的各種因素。

大孔吸附劑的吸附作用不僅同吸附劑的物理與化學結構有關,而且同吸附物質的性質、介質的性質及操作等因素有關,在不同的情況下,影響吸附的因素也會隨之改變。

5.1 樹脂本身的物理化學結構的影響。大孔吸附劑的吸附性能主要取決于吸附劑的表面性質,即樹脂的極性(功能基)和空間結構(孔徑、比表面積、孔容)等。而大孔吸附劑是由單體、交聯劑在致孔劑存在下,經共聚而成或再經功能基反應制得的。由于大孔吸附劑合成的單體、交聯劑、致孔劑的不同及制備工藝的不同,因此使吸附劑的孔徑、孔容、比表面積及極性等都有很大的差異。

5.2 被分離成分的性質的影響。一般來說,被分離成分的分子量大小和極性的強弱直接影響到吸附效果。在同一種吸附劑中,吸附劑對分子量大的化合物吸附作用較大?;銜锏募栽黽郵?,吸附劑對其吸附力也隨之增加。若吸附劑和化合物之間產生氫鍵作用,吸附作用也將增強。

5.3 洗脫劑的影響。根據極性“相似相溶”原理,對非極性大孔吸附劑來說,洗脫劑極性越小,其洗脫能力越強;而對中極性大孔樹脂和極性較大化合物,則用極性較大的溶劑較為合適。一般先用蒸餾水洗脫,再用逐漸增高濃度的乙醇、甲醇洗脫。多糖、蛋白質、鞣質等水溶性雜質會隨著水流下,極性小的物質后下。對于有些具有酸堿性的物質還可以用不同濃度的酸、堿液結合有機溶劑進行洗脫。

5.4 pH值的影響。中藥中的許多成分有一定的酸堿性,在pH值不同的溶液中溶解性不同,在應用大孔吸附劑處理這一類成分 時,pH值的影響顯得至關重要。對于堿性物質一般在堿液中吸附酸液中解吸,酸性物質一般在酸液中吸附堿液中解吸。

5.5 原液濃度的影響。一般樹脂吸附量與上樣溶液濃度成反比,通常以較低濃度進行吸附較為有利,如果上樣溶液濃度偏高,則吸附量會顯著減小。研究表明,若原液濃度過低,則提純時間增加,效率降低;若原液濃度過高,則泄漏早,處理量小,樹脂的再生周期短

5.6 溫度的影響。大孔樹脂的吸附作用主要是由于它具有巨大的表面積,是一種物理吸附,低溫不利于大孔吸附劑的吸附,但吸附過程中會放出一定熱量,所以操作溫度對其吸附有一定的影響。

5.7 吸附平衡時間的影響。吸附是一個以物理吸附為主、伴隨化學吸附的過程,進行較緩慢,吸附平衡時間對其吸附也有一定的影響。

5.8 其它因素的影響。被處理液在上交換柱之前一般要經過預處理,預處理不好則會使大孔吸附劑吸附的雜質過多,從而降低其對有效成分的吸附。洗脫液的流速、吸附劑的粒徑、吸附柱的高度也會產生一些影響,通常較高的洗脫液流速、較小的樹脂粒徑和較低的樹脂高度有利于增大吸附速度,但同時也使單柱的吸附量有所降低。玻璃柱的粗細也會影響分離效果,當柱子太細,洗脫時,大孔吸附劑易結塊,壁上易產生氣泡,流速會逐漸降為零。

 

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