静态吸附分离法的应用静态离子交换分离技术一
水污染控制技术-吸 附
2. 弗兰德利希(Freundlich)
等温线
弗兰德利希等温线中X/M和C的含义 与兰格缪尔等温线中的相同，而常数 k与n取决于一些环境因素。取上式两 边的对数，即可重写为直线形式。 根据lg(X/M)对应lgC做一条直线，这 条直线的截距为lgK，斜率为1/n。 1/n越小，吸附性能越好。一般认为 1/n=0.1～0.5时，吸附处理出水水质 较好；1/n>2时，出水水质较差。但 当1/n较大时，由于吸附质平衡浓度 较高，故吸附量较大，吸附能力发挥 得也越充分，这种情况最好采用连续 式吸附操作。当1/n较小时，多采用 间歇式吸附操作。
（2）沉淀池
该厂含汞废水量每天有10—20m3，沉淀池能容纳1—2天的废水总量。沉淀池的作用，一是调节水量 和水质；二是将泥砂、杂质以及一部分汞化物 (如氧化汞、硫化汞) 沉淀下来。
（3）吸附池
有两个，每个能容纳约40m3废水，废水流人池1#到40m3后停止进水，用3—4个大气压力的压缩空气 搅拌30min，然后静置二个小时，取水样测量含汞浓度，若小于0．03 mg/L，则直接排放；若大于0．05 mg/L，还要进入池2#进一步吸附净化，操作条件同池1#。一般经过2—3次吸附处理后就能达到排放标淮。 第一个池子吸附了95％以上的汞，第二、三次吸附的汞量较少，出水也较干净了。
（二）吸附剂的再生
吸附
1. 加热再生法
（1）低温法 适于吸附浓度较高的简单低分子量的碳氢化合物和芳香族有机物的活性炭的再生 （2）高温法 适用于水处理粒状炭的再生
2. 药剂再生法
（1）无机药剂再生法 （2）有机溶剂再生法 （3）氧化再生法 ①湿式氧化法。吸附饱和的粉状炭可采用湿式氧化法进行再生。饱和炭用高压泵经换热器和水 蒸气加热器送入氧化反应塔。在塔内被活性炭吸附的有机物与空气中的氧反应，进行氧化分解， 使活性炭得到再生。再生后的炭经热交换器冷却后，再送入再生贮槽。 ②电解氧化法。将炭作阳极，进行水的电解，在活性炭表面产生的氧气把吸附质氧化分解。 ③臭氧氧化法。利用强氧化剂臭氧，将被活性炭吸附的有机物加以氧化分解。 ④生物氧化法。利用微生物的作用，将吸附在活性炭上的有机物氧化分解。
离子交换吸附
离子交换吸附离子交换吸附法指的是两种以上离子性物质之间的相互交换，即溶液（矿浆）中的离子与固体离子交换剂(树脂)之间的可逆离子交换过程。
交换过程分两步，首先是溶液中的离子选择性地转入固相（即吸附剂），然后用适当的试剂淋洗固相，使其中被吸附的离子重新转入液相（即淋洗解吸）。
从而达到富集目的组分或净化浸出液的效果。
矿浆吸附离子交换法是化学选矿对浸出液的处理方法之一。
离子交换吸附技术，人类最早是利用天然沸石净水。
从1880年用活性炭从溶液中回收金，至今已有愈百年的历史。
从20世纪30-40年代离子交换技术随着离子交换树脂合成的成功和应用的不断发展，已广泛应用于生产。
20世纪60年代后期至今炭浆法提金才规模化用于生产。
紧接着用离子交换树脂从铀浸出液中提取铀，再用硝酸或硝酸铵溶液淋洗树脂，达到富集铀的目的。
如今用离子交换技术已能分离、工业用水软化、废水净化、制取高纯水及从稀溶液中提取金属成分。
离子交换树脂在水中时，树脂交换基因团上的可交换离子即电离，并与溶液中电性相同的离子进行离子交换。
交换树脂为多孔高分子化合物，可吸附某些组分。
活性炭具有很大的活性比表面积，可选择性吸附溶液中的某些目的组分，但也兼有某些离子交换作用。
两者的吸附工艺有许多相似之处。
离子交换吸附方法分为清液吸附和矿浆吸附。
离子交换装置和工作方式可分为静态和动态两大类。
静态交换是指液体料流与离子交换树脂相对静止，而并不排斥搅拌运动。
静态交换在工业上应用不多，但在试验室内，作为一种分批试验方法，应用于小规模的初步试验，却是比较方便的。
操作时需要首先了解料液的成分和酸度，根据料液中欲回收的离子状态，选用离子交换树脂。
离子交换吸附法分离、净化和回收金属组分具有选择性高、作业回收率高及作业成本低等特点。
但交换吸附剂容量小，吸附速率小，循化周期长，只适用于从稀溶液中提取、分离目的组分。
吸附与离子交换
吸附等温线
在一定T下,q随平衡浓度C变化的曲线 q=f C 叫吸附等温线，用数学公式描述则叫吸附等 温方程，
气相吸附平衡—吸附等温方程 三种
朗谬尔公式 Langmuir
费兰德利希公式 Freundlich
BET公式
25
1 Langmuir方程
假定：1 均匀表面， 2 单分子层吸附， 3 吸附分子间无作用力， 4 吸附机理相同，
聚合化学反应 共聚型树脂
缩聚型树脂
骨架的物理结构 凝胶型树脂
大网格树脂
均孔树脂
活性基团
阳离子交换树脂 阴离子交换树脂
螯合树脂
氧化还原树脂
两性树脂
45
a. 强酸性阳离子交换树脂
✓ 功能基团：—SO3H；—CH2SO3H ✓ 交换容量与介质的pH值无关 ✓ 转为H+型困难 ✓ 转为Na+型,水洗可至pH中性
有机物
多糖类
亲水性骨架
有机聚合物
树脂类 苯乙烯类、酚醛类等
多糖类 葡聚糖、琼脂糖、纤维素等
有机聚合物 聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等
43
2 骨架结构
微孔型 普通型、凝胶型 大孔型 均孔型
3 功能基团
酸性基团 —阳离子 强、弱 碱性基团—阴离子 强、弱 两性
44
2.离子交换树脂
树脂骨架
聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂
程的动力学和热力学关系, ④溶质和吸附剂之间的相互关系有时非常复杂， 2
吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、 吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附 质解吸回收等四个过程，
料液与吸 附剂混合
Step1
吸附质 被吸附
Step2
料液 流出
静态吸附仪的原理和应用
静态吸附仪的原理和应用静态吸附仪是一种常用的表征材料或气体的实验设备，它基于物质静电吸附的原理进行测量和分析。
静态吸附仪主要用于测定气体在固体表面上的吸附量、吸附等温线、吸附热等参数，从而研究气体分子与固体表面之间的相互作用、吸附机制等。
静态吸附仪的原理基于物质吸附在固体表面的特性，即气体分子在接触固体表面时，会在表面上形成一个气体分子与固体表面之间的物理或化学吸附层。
吸附过程可以分为物理吸附和化学吸附两种类型。
物理吸附是气体分子与固体表面通过范德华力或静电作用力相互作用而形成的吸附层。
化学吸附是气体分子与固体表面发生化学键结而吸附在表面上。
根据吸附剂的特性和试验需求，可以选择不同的吸附剂和实验条件来实现对吸附过程的控制。
静态吸附仪的主要部件包括样品舱、吸附剂、高真空系统、控制系统等。
在实验开始前，需要将样品舱和高真空系统抽空，以确保实验环境为高真空状态。
然后，通过控制系统将试样与吸附剂置于样品舱内，根据实验需求将气体以一定的压力加入进样系统，使其与试样发生接触，并进行一定时间的静置，使吸附过程得以进行。
随后，通过恢复初始状态的操作，将样品舱抽空，使试样与吸附剂分离。
最后，使用适当的分析方法来测量和分析吸附剂上的吸附量、吸附等温线等参数。
静态吸附仪的应用范围广泛，常用于材料科学、化学工程、环境科学等领域的研究和实验中。
例如，通过测量不同温度下气体在固体表面的吸附等温线，可以确定气体分子与固体相互作用的特性，进而优化吸附材料的设计和应用。
静态吸附仪还可以用于研究催化剂的活性、表面酸碱性等方面的性能，对催化反应机理进行探究。
此外，静态吸附仪也可以用于环境污染物的监测和处理，例如检测水中的有机污染物、工业废气中的有害气体等。
总之，静态吸附仪通过测量和分析气体在固体表面的吸附量、吸附等温线等参数，可以研究气体分子与固体表面之间的相互作用和吸附机制。
它在材料科学、化学工程、环境科学等领域具有重要的应用价值，为相关领域的研究和实验提供了重要的技术支持。
样品处理分离技术—离子交换分离法(分析制样技术课件)
单位质量树脂所含的非游离水分的多少，一股用百分数表示。 树脂产品固有的性质之一。
分析制样技术
因素
类别
结构
酸碱性
交联度
交换容量
离子形态
01 物理性质
分析制样技术
链的断裂、孔结构的变化、交换容量的下降等
含水量
树脂含水量的变化反映出树脂内在质量的变化
01 物理性质
分析制样技术
(3)溶胀性
结 构
（2)
与网络骨架以共价键相连的活性基团，不能自由移动 （通常用M表示）
（3)
与活性基团以离子键联结的可移动的活性离子 (即可交换离子，如H+、OH-等)
离子交换树脂的结构
与酸、碱、某 些有机溶剂和 单体 一般弱氧化物 都不起作用， 对热也较稳定。
网状结构的高分子聚合物
聚苯乙烯型树脂
交联剂
骨架
H
H
H
H
H
H
离子交换过程
03 步骤3：加入料液进行离子交换
分析制样技术
C0 C0 C0 C0 C0
○ 未交换
A BCDE
C
C0
c
f
e
d
+ 未交换
0
abc
h
V
交换柱中离子浓度分布规律和流出液中离子浓度变化曲线
04
步骤4：洗涤
研磨、过筛 使粒度符合要求。
树脂粒度不足时
浸泡 使树脂充分溶胀。
减少杂质。 净化
01 步骤1：树脂预处理
分析制样技术
新树脂
去离子水浸泡24小时
倾去水后洗至澄清
去离子水洗涤至中性
3~5mol/L的盐酸溶液浸泡24~48小时
静态吸附仪的原理和应用
静态吸附仪的原理和应用一、静态吸附仪简介静态吸附仪是一种用于测试材料吸附性能的仪器。
它通过将待测试材料暴露在特定气体环境中，测量其吸附能力来评估材料的吸附性能，包括吸附速度、吸附量和吸附选择性等指标。
这些指标对于许多应用领域，如气体分离、储气和催化剂等都具有重要意义。
二、静态吸附仪的工作原理静态吸附仪的工作原理基于材料与气体之间的吸附作用。
当待测试材料接触到气体时，气体会被吸附在材料表面上。
在静态吸附仪中，通常会选择纯净的气体作为测试气体，并控制所施加的压力和温度。
静态吸附仪的测试流程如下： 1. 将待测试材料置于吸附仪中，并将测试气体通入吸附仪中。
2. 控制测试气体的压力和温度，并保持稳定。
3. 在一定时间内（通常为几分钟到几小时），允许测试气体与材料表面接触，实现吸附过程。
4. 通过测量测试气体中的浓度变化，计算出材料的吸附能力。
三、静态吸附仪的应用静态吸附仪广泛应用于许多领域，以下列举了一些主要的应用：1. 气体分离静态吸附仪可以用于评估吸附材料在气体分离中的性能。
例如，吸附材料可用于去除空气中的污染物、分离甲烷和二氧化碳等。
通过测试其在特定气体组分中的吸附选择性，可以评估材料在不同气体分离应用中的适用性。
2. 储气静态吸附仪也可用于评估吸附材料在储气中的应用性能。
吸附材料可以吸附、储存和释放气体，在能源储存和气体输送等领域具有潜在应用。
静态吸附仪可以测试吸附材料的吸附容量和释放速度等指标，评估其在储气领域的潜力。
3. 催化剂静态吸附仪还可用于评估催化剂的性能。
催化剂常常需要具备高表面积和可调控的吸附能力。
静态吸附仪可以通过测试催化剂对特定气体的吸附能力来评估其活性。
这对于开发更高效的催化剂和优化催化过程具有重要意义。
4. 材料研究静态吸附仪在材料研究中也有广泛应用。
通过测试吸附材料的吸附能力，可以评估材料的孔隙结构、表面性质和吸附特性等。
这对于研究材料吸附性能与结构之间的关系以及开发新型吸附材料具有重要意义。
聚合物静态吸附
聚合物静态吸附聚合物静态吸附是一种广泛应用于化学、生物、材料等领域的分离和纯化技术。
它利用聚合物材料对溶液中目标分子的亲和性，通过静态吸附的方式将目标分子从复杂的混合物中分离出来。
在本文中，我们将介绍聚合物静态吸附的原理、应用和发展前景。
一、原理聚合物静态吸附的原理基于材料与目标分子之间的亲和作用。
聚合物材料通常具有一些特定的化学基团，如羟基、氨基、酰胺基等，这些基团可以与目标分子中的相应基团发生氢键、离子键、范德华力等相互作用，从而使目标分子与聚合物材料发生吸附。
聚合物静态吸附的过程通常分为三个步骤：吸附、洗脱和再生。
在吸附阶段，目标分子在溶液中与聚合物材料发生亲和作用，被吸附在材料表面上。
在洗脱阶段，可以通过改变溶液的条件，如pH值、离子强度等，使目标分子从聚合物材料表面解吸出来。
在再生阶段，聚合物材料可以通过一些特定的方法，如酸碱处理、高温处理等，使其再次变得可用。
二、应用聚合物静态吸附在化学、生物、材料等领域中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 生物制药聚合物静态吸附可以用于生物制药中对蛋白质、抗体等生物大分子的分离和纯化。
通过选择合适的聚合物材料和溶液条件，可以实现对目标分子的高效分离和纯化。
2. 水处理聚合物静态吸附可以用于水处理中对重金属、有机物等污染物的去除。
聚合物材料可以选择具有亲和性的基团，如羟基、氨基等，吸附污染物，从而达到净化水质的目的。
3. 化学分析聚合物静态吸附可以用于化学分析中对目标分子的富集和分离。
例如，可以利用聚合物材料对环境中的微量有机物进行富集，然后通过一些分析方法，如质谱、红外光谱等，对目标物质进行鉴定和定量。
三、发展前景随着科学技术的不断发展，聚合物静态吸附在各个领域中的应用也在不断扩展。
未来，聚合物静态吸附有望在以下几个方面得到进一步发展：1. 材料开发未来，聚合物材料的开发将更加注重其选择性和效率。
例如，可以通过改变聚合物材料的结构和化学基团，来实现对目标分子的更为精准的识别和吸附。
常见的吸附剂
活性炭种类 颗粒大小 表面积 吸附力 粉末活性炭 小 大 大 吸附 量 大 洗脱 难
颗粒活性炭
锦纶活性炭
较小
大
较大
小
较小
小
较小
小
难
易
（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
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。
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（二）离子交换过程 （三）洗脱过程 1、物理处理 （四）树脂的再生 2、化学处理 （五）树脂贮存及运输 3、转型
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
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。
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。
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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（二）离子交换过程 （三）洗脱过程 1、物理处理 （四）树脂的再生 2、化学处理 （五）树脂贮存及运输 3、转型
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
实验八 活性炭吸附分离色素实验
1 2 2 3
目的要求
实验原理 材料用具 操作方法 注意事项
5
4 5
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。
（一）活性炭 1.活性炭的类型
活性炭种类 颗粒大小 表面积 吸附力 粉末活性炭 小 大 大 吸附 量 大 洗脱 难
颗粒活性炭
锦纶活性炭
较小
大
较大
小
较小
小
较小
小
难
易
（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
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-ß-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；
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。
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换树脂的单元结构由三部分构成： ①惰性的不溶性的高分子固定骨架，又称载 体； ②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； ③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。
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。
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。
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。
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。
离子交换过程：
①A+从溶液中扩散到树脂表面； ②A+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 ③A+与R-B+在交换中心发生交换反应； ④解吸B+从树脂内部的交换中心扩散到树脂表面； ⑤B+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
• 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
（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