第06章 吸附与离子交换

第六章 吸附与离子交换
学习要求
掌握
单击此处添加段落文字内容 吸附的基本原理，离子交换树脂的分类及 工作原理。
熟悉 了解
常用吸附剂，吸附剂的再生方法，离子交换树 单击此处添加段落文字内容 脂的特性。
吸附等温线方程式，固定床吸附过程，典 单击此处添加段落文字内容 型的离子交换设备
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第一节 吸 附
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一、基本原理
孔径与孔径分布: 孔隙率吸附剂颗粒内部孔径的大小可分 成三类：大孔，过渡孔和微孔。由于各种吸附剂的孔径变 化很大，因此常用平均孔径来表示。孔径分布又称孔容分
布，反映了吸附剂内部某一孔径范围内孔隙体积的分布情
况。 孔隙率: 吸附剂颗粒内部的孔隙体积占颗粒总体积的比率 称为孔隙率，孔隙率常用εp表示。
吸附质：流体中被吸附的物质。 吸附操作：采用适宜的多孔性固体选择吸附 流体中的某些组分，从而将这些组分从混合 物中分离出来的操作。
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一、基本原理
按吸附质与吸附剂之间相互作用力的不同，吸附可分 为物理吸附和化学吸附两大类，两者的比较见下表。 物理吸附与化学吸附的比较
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二、常用吸附剂
吸附剂的物理性质
二、常用吸附剂
活性炭
活性炭具有吸附力强、分离效果好、价格低、来源方便 等优点，有粉状、颗粒和锦纶-活性炭三种基本类型。 粉状活性炭：颗粒极细呈粉末状，其比表面积大，吸附力 和吸附量也特别大，是活性炭中吸附力最强的一类。 颗粒活性炭：由粉末状活性炭制成的颗粒，其比表面积相 应有所减小，吸附力和吸附量仅次于粉末状活性炭。 锦纶-活性炭：以锦纶为黏合剂，将粉末状活性炭制成颗粒，
其比表面积介于上述两种活性炭之间，但吸附力较两者都弱。
二、常用吸附剂
活性炭
活性炭是非极性吸附剂，因此在水溶液中吸附力最强，在 有机溶剂中吸附力较弱，对不同物质的吸附力也不同，一般遵 循下述规律： 对极性基团 (-COOH、-NH2、-OH等)多的化合物吸附力大于 极性基团少的化合物。
对芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物。
(6-3)
式中q——吸附剂的平衡吸附量，m3/kg；
p——吸附质的平衡分压，Pa。
三、吸附平衡与吸附等温线
吸附等温线
吸附等温线方程式—Henry方程式 Henry 方程式适用于吸附剂表面被吸附的面积小于 10%的气相或液相吸附过程。但对于液相吸附，式(6-3)应 改写为
q = kHC
(6-4)
式中C——吸附质的平衡浓度，kg/m3。
三、吸附平衡与吸附等温线
吸附平衡
吸附过程是吸附质在固体表面上不断吸附与解吸的过程。
当吸附速度与解吸速度相等时，吸附过程达到动态平衡，
此平衡称为吸附平衡。 恒温恒压下，当含有吸附质的流体与吸附剂之间达到吸 附平衡时，吸附质在流体主体中的浓度称为平衡浓度，单 位质量吸附剂所吸附的吸附质的量称为平衡吸附量，简称
吸附等温线
吸附等温线方式—BET方程式
下图是多分子层吸附示意图。1938年， Brunauer、 Emmett 和 Teller 根据可逆吸附和多分子层理论，导出了
BET方程式。
第 四 层 第 三 层 第 二 层 第 一 层 吸 附 剂 表 面
为吸附量。
三、吸附平衡与吸附等温线
吸附平衡
恒温恒压下，含吸附质的流体与吸附剂达到吸附平衡 时，吸附质在液相主体中的浓度称为平衡浓度，单位质量 的吸附剂所吸附的吸附质的量称为平衡吸附量或吸附量， 即 m1 q (6-1) m 式中q——吸附剂的平衡吸附量，kg/kg； m1——流体中被吸附物质的质量，kg； m——为吸附剂的质量，kg。
二、常用吸附剂
吸附剂的物理性质
比表面积: 单位质量的吸附剂所具有的表面积称为比
表面积。在恒温条件下，固体吸附剂与被吸附气体达到 吸附平衡时，可根据 BET 理论，利用吸附等温方程求出 比表面积。 密度 : 堆密度；表观密度；真实密度。
二、常用吸附剂
吸附剂的物理性质
容量 : 吸附剂的吸附容量分为静吸附量 ( 平衡吸附量 ) 和动 吸附量两类。
(1)静吸附量是指当吸附剂与含有吸附质的气体或液体相互
接触并达到充分平衡后，单位质量的吸附剂吸附气体的量。 测定静吸附量最直接的方法就是测量吸附前后被吸附气体 体积的变化或吸附剂重量的变化。 (2)动吸附量是指当含吸附质的混合气体流过吸附剂床层时，
经长时间接触并达到稳定后吸附剂的平均吸附量。动吸附
量通常小于静吸附量。
大，吸附过程越容易进行。
三、吸附平衡与吸附等温线
吸附等温线
吸附等温线方程式—Henry方程式 将式(6-5)两边取对数得 (6-6)
以 对 lg p 作图可得一条直线，直线的斜率为
为 ，由斜率和截距即可求出n和 的值。
，截距
三、吸附平衡与吸附等温线
吸附等温线
吸附等温线方程式—Freundlish方程式 Freundlish方程式仅适用于中等压力范围内的气相吸 附过程，当用于高压或低压范围时则会产生较大的偏差。 此外，Freundlish方程式还可用来描述某些液相吸附过程 的吸附等温线，此时式(6-6)应改写为 (6-7)
英法联军士兵顷刻间中毒死亡上万人，战场上的大量野生动物
也相继中毒丧命。可奇怪的是，这一地区的野猪竟意外的生存 下来。这件事引起了科学家的极大兴趣。经过实地考察仔细研
究后，终于发现是野猪喜欢用嘴拱地的习性使它们免于一死。
泥土被野猪拱动后其颗粒变得较为松软，对毒气起到了过滤和 吸附的作用。根据这一发现，科学家们很快就设计制造出了第 一批防毒面具。这种防毒面具使用吸附能力很强的活性炭，猪 嘴的形状能装入较多的活性炭。
为吸附等压线。
类似地，恒温下测得的吸附量与平衡浓度之间的关系 曲线称为吸附等温线，若用函数关系式来描述，则称为吸
附等温线方程式。
三、吸附平衡与吸附等温线
吸附等温线
吸附等温线方程式—Henry方程式 在气相吸附过程中，若吸附质的分压很低，则吸附剂 的吸附量与吸附质的分压成正比，即
q = kH/p
——亨利系数，m3/(kg ·Pa)；
与硅胶一样，氧化铝也是一种极性吸附剂，其吸附活性随
含水量的增加而下降。按含水量的不同，氧化铝的活性可分为 Ⅰ～V级。含水0%为Ⅰ级，3%为Ⅱ级，6%为Ⅲ级，10%为Ⅳ
级，15%为Ⅴ级。吸水达到饱和后，可经275℃～315℃加热去
水复活。
二、常用吸附剂
分子筛
分子筛是世界上最小的“筛子”，它能对物质的分子进
二、常用吸附剂
活性白土
活性白土又称为漂白土，其主要成分为硅藻土。在
80℃ ~100℃的温度下，用含量为 20%~40% 的硫酸处
理天然白土即得活性白土。常见的活性白土通常 50%~70%的 SiO2、10%~16%Al2O3以及氧化铁、氧化 镁等物质所组成。市售活性白土有粉末状和颗粒状两 种规格，在制药生产中常用作脱色剂。
二、常用吸附剂
大孔吸附树脂
大孔吸附树脂按骨架材料的极性强弱，主要有以下几
类： 非极性吸附剂系苯乙烯为单体、二苯乙烯为交联剂聚合
而成，故称为芳香族吸附剂。
中等极性吸附剂是以甲基丙烯酸酯作为单体和交联剂聚 合而成，也称为脂肪族吸附剂。 极性吸附剂含有硫氮、酰胺、氮氧等基团。
二、常用吸附剂
大孔吸附树脂
24h。 硅胶是一种多孔极性吸附剂，其表面有很多硅羟基， 含水量约为3%~7%，吸湿量可达40%左右。
二、常用吸附剂
氧化铝
氧化铝又称为活性矾土，是一种多孔性、吸附能力较强的 吸附剂。制备时，先制取氢氧化铝，再将氢氧化铝直接加热至 400 ℃脱水可得碱性氧化铝。用两倍量 5%的 HCl 处理碱性氧化 铝，煮沸，用水洗至中性，加热活化可得中性氧化铝。中性氧 化铝用醋酸处理后，加热活化可得酸性氧化铝。
行筛分，故称为分子筛。分子筛具有微孔结构，其微孔尺寸
与被吸附分子的直径差不多，如泡沸石、多孔玻璃等即属于 此类吸附剂。泡沸石是铝硅酸盐的多水化合物，具有蜂窝状 结构，孔穴占总体积达50%以上。 与其他吸附剂相比，分子筛的突出优点是选择性好。分 子筛允许小于筛孔的分子通过筛孔而吸附于空穴内部，但大 于筛孔的分子则被排斥在筛孔之外，从而可将分子大小不同 的混合物分离开来，即起到筛分各种分子的作用。
三、吸附平衡与吸附等温线
吸附平衡
对于气相吸附，吸附质的量常用体积表示，此时，式 (6-1)可改写为
V q m
(6-2)
式中V——气体中被吸附物质的体积，m3/kg
三、吸附平衡与吸附等温线
吸附平衡
吸附量的大小与吸附剂及吸附质本身的性能有关，此 外还与温度和压力等外部条件有关。 恒压下，吸附量与平衡浓度之间存在一定的关系，该 关系一般可通过实验来测定，并用曲线表示，这种曲线称
三、吸附平衡与吸附等温线
吸附等温线
吸附等温线方程式—Freundlish方程式 Freundlish方程式仅适用于中等压力范围内的气相吸 附过程，当用于高压或低压范围时则会产生较大的偏差。 此外，Freundlish方程式还可用来描述某些液相吸附过程 的吸附等温线，此时式(6-6)应改写为 (6-7)
活性炭对分子量大的化合物吸附力大于分子量小的化合物。 活性炭的吸附效率与发酵液的pH值有关，一般碱性物质在中
性下吸附，酸性下解吸；酸性物质在中性下吸附，碱性解吸。
二、常用吸附剂
活性炭之猪嘴防毒面具的由来
1915年，第一次世界大战期间，德军为了打破欧洲战场长 期僵持的局面，对英法联军第一次使用了化学毒剂氯气，致使
二、常用吸附剂
硅胶
硅胶是一种透明或乳白色固体 ，其分子式可表示为
xSiO2· yH2O。将适量的水玻璃(Na2SiO3)溶液与硫酸溶液混
合，经喷嘴喷出成小球状，凝固成型后进行老化 ( 使网状 结构坚固)，并洗去所含的盐，升温加热至300℃再经4h干