第5章 吸附与离子交换
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制药工程原理与设备习题集.
第1章1.稳态流动、非稳态流动、理想流体、表压强、真空度、直管阻力、局部阻力2．依据雷诺准数从高到低，管内流动流体的流动状态可划分为层流区、过渡区、湍流区。
3.大气压强为9.81×104Pa时，真空度1×104Pa对应的绝对压强是 8.81*10^4 Pa。
4. 一定流量的水在圆形直管内呈层流流动，若将管内径增加一倍，流速将为原来的（ A）倍。
A 0.25B 0.5C 2D 45.某液体在一等径直管中稳态流动，若体积流量不变，管内径减小为原来的一半，假定管内的相对粗糙度不变，则层流时，流动阻力变为原来的(C )。
A．4 倍 B．8 倍 C．16 倍 D．32 倍6.大气压强为9.81×104Pa时，表压1.2×103Pa对应的绝对压强是（A ）Pa.A 9.93×104 B9.69×104 C 9.81×104 D 9.69×1037. 水以2m·s-1的流速在Ø35mm×2.5mm钢管中流动，水的粘度为1×10-3Pa·s，密度为1000kg·m-3,其流动类型为（ B ）。
A. 层流B. 湍流C. 过渡流D.无法确定8. 装在某设备进口处的真空表读数为-50kPa,出口压力表的读数为100kPa, 此设备进出口之间的绝对压强差为( A )kPa。
A. 150B. 50C. 759. 如左图安装的压差计，当拷克缓慢打开时，压差计中的汞面将（ B ）。
A. 左低右高B. 等高C. 左高右低D. 无法确定10.现要输送45m3.h-1的水，若管内水的流速约取2.5m.s-1，则可选（B ）钢管。
A. φ76×3mmB. φ88.5×4mmC. φ108×4mm11.请用所学知识，解释空气能够托起沉重的飞机飞行的原因。
12.请用所学知识，解释“船吸现象”。
第5章 吸附与离子交换
即在单位时间内吸附数量等于解吸的数量，则吸附 质在溶液中的浓度C与在吸附剂表面上的浓度都 不再变时，即达到吸附平衡，此时吸附质在溶液 的浓度C叫平衡浓度。
常见的吸附类型及其主要特点
物理吸附： 吸附作用力为分子间引力、无选 择性、无需高活化能、吸附层可Байду номын сангаас是单层，也 可以是多层、吸附和解吸附速度通常较快。
化学吸附：吸附作用力为化学键合力，需要高 活化能、只能以单分子层吸附，选择性强、吸 附和解吸附速度较慢。
物理吸附
选择性吸附：固体表面的原子或基团与外来分子 间的引力 分子筛效应：尺寸小于微孔孔径的分子可以进入 微孔而被吸附，比孔径大的分子则被排斥在外 通过微孔的扩散：气体在多孔固体中的扩散 微孔中的凝聚：毛细管效应导致多孔固体周围的 可凝缩气体会在与器孔径对应的压力下在微孔中 凝聚
吸附特性： ① 非极性吸附剂，在极性介质中，对非极性物质
具有较强的吸附。 ② 高极性吸附剂，在非极性介质中，对极性物质
具有较强的吸附。 ③ 中等极性吸附剂，则对上述两种情况都具有吸
附能力。
常用的解吸方法
低级醇、酮或水溶液解吸 原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间 的相互作用力。
碱解吸附 原理：成盐，主要针对弱酸性溶质。
酸解吸附——原理同上 水解吸附
原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸 附量。
吸附剂的物理性质
1）比表面积：单位质量吸附剂所具有的表面积Sp
Xm
( Sp ) AmN
M
2）孔容：单位质量吸附剂中微孔的容积
Vp(VHg VH)e/mp
3）孔径分布： 大于10nm孔：汞孔率计
dp
41 cos
p
1.4891010
常见的吸附类型及其主要特点
物理吸附： 吸附作用力为分子间引力、无选 择性、无需高活化能、吸附层可Байду номын сангаас是单层，也 可以是多层、吸附和解吸附速度通常较快。
化学吸附：吸附作用力为化学键合力，需要高 活化能、只能以单分子层吸附，选择性强、吸 附和解吸附速度较慢。
物理吸附
选择性吸附：固体表面的原子或基团与外来分子 间的引力 分子筛效应：尺寸小于微孔孔径的分子可以进入 微孔而被吸附，比孔径大的分子则被排斥在外 通过微孔的扩散：气体在多孔固体中的扩散 微孔中的凝聚：毛细管效应导致多孔固体周围的 可凝缩气体会在与器孔径对应的压力下在微孔中 凝聚
吸附特性： ① 非极性吸附剂，在极性介质中，对非极性物质
具有较强的吸附。 ② 高极性吸附剂，在非极性介质中，对极性物质
具有较强的吸附。 ③ 中等极性吸附剂，则对上述两种情况都具有吸
附能力。
常用的解吸方法
低级醇、酮或水溶液解吸 原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间 的相互作用力。
碱解吸附 原理：成盐，主要针对弱酸性溶质。
酸解吸附——原理同上 水解吸附
原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸 附量。
吸附剂的物理性质
1）比表面积：单位质量吸附剂所具有的表面积Sp
Xm
( Sp ) AmN
M
2）孔容：单位质量吸附剂中微孔的容积
Vp(VHg VH)e/mp
3）孔径分布： 大于10nm孔：汞孔率计
dp
41 cos
p
1.4891010
吸附与离子交换
24
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
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
生物分离工程第5章-初级分离
缺点：所得沉淀物可能聚集有多种物质， 或含有大量的盐类，或包裹着溶剂，产品纯 度常比结晶法低，过滤也较困难。
eg. 从血浆中通过5步沉淀生产纯度高达99%的免 疫球蛋白和96%~99%的白蛋白。
重新溶解的沉淀
血浆
乙醇法沉淀
沉淀物Ⅰ＋Ⅱ＋
Ⅲ
上清液
乙醇法沉淀 沉淀物Ⅰ＋Ⅲ
乙醇法沉淀沉 淀物Ⅱ
废弃沉淀
层厚度（ζ 电位）降低蛋白质溶液的稳定性，实 现蛋白质的沉淀。
蛋白质可以看作是一个表面分布有正、负 电荷的球体，这种正、负电荷是由氨基和 羧基的离子化形成的，换句话说，该球体 是带有均衡电荷分布的胶体颗粒。因此， 蛋白质的沉淀，实际上与胶体颗粒的凝聚 和絮凝现象相似。
蛋白质粒子在水溶液中是带电的，带电的 原因主要是吸附溶液中的离子或自身基团 的电离。因溶液是电中性的，水中应有等 当量的反离子存在。蛋白质表面的电荷与 溶液中反离子的电荷构成双电层。
蛋白质沉淀方法
中性盐盐析法
等电点沉淀法
有机溶剂盐析法
非离子型聚合物沉淀法 聚电解质沉淀法 金属沉淀法
其他沉淀法
一、中性盐盐析法
当中性盐加入蛋白质分散体系时可能出现以下两 种情况：
（1）“盐溶”现象(salting-in) ——低盐浓度下，蛋白质溶解度增大。
（2）“盐析”现象(salting-out) ——高盐浓度下，蛋白质溶解度随之下降。
Ks—盐析常数，与蛋白质和无机盐的种类有 关，与温度、pH值无关。
常数Ks代表图中直线的斜率；β 代表截距， 即当离子强度为零，也就是纯水中的假想
溶解度的对数。从一些实验结果表明，Ks与温度 和pH无关，但和蛋白质与盐的种类有关。
但这种变化不是很大，例如以硫酸铵作为沉淀剂 时，Ks值对不同的蛋白质来说，其变化不会超过 1倍。组成相近的蛋白质，分子量越大，沉淀所需 盐的量越少；蛋白质分子不对称性越大，也越易 沉淀。
eg. 从血浆中通过5步沉淀生产纯度高达99%的免 疫球蛋白和96%~99%的白蛋白。
重新溶解的沉淀
血浆
乙醇法沉淀
沉淀物Ⅰ＋Ⅱ＋
Ⅲ
上清液
乙醇法沉淀 沉淀物Ⅰ＋Ⅲ
乙醇法沉淀沉 淀物Ⅱ
废弃沉淀
层厚度（ζ 电位）降低蛋白质溶液的稳定性，实 现蛋白质的沉淀。
蛋白质可以看作是一个表面分布有正、负 电荷的球体，这种正、负电荷是由氨基和 羧基的离子化形成的，换句话说，该球体 是带有均衡电荷分布的胶体颗粒。因此， 蛋白质的沉淀，实际上与胶体颗粒的凝聚 和絮凝现象相似。
蛋白质粒子在水溶液中是带电的，带电的 原因主要是吸附溶液中的离子或自身基团 的电离。因溶液是电中性的，水中应有等 当量的反离子存在。蛋白质表面的电荷与 溶液中反离子的电荷构成双电层。
蛋白质沉淀方法
中性盐盐析法
等电点沉淀法
有机溶剂盐析法
非离子型聚合物沉淀法 聚电解质沉淀法 金属沉淀法
其他沉淀法
一、中性盐盐析法
当中性盐加入蛋白质分散体系时可能出现以下两 种情况：
（1）“盐溶”现象(salting-in) ——低盐浓度下，蛋白质溶解度增大。
（2）“盐析”现象(salting-out) ——高盐浓度下，蛋白质溶解度随之下降。
Ks—盐析常数，与蛋白质和无机盐的种类有 关，与温度、pH值无关。
常数Ks代表图中直线的斜率；β 代表截距， 即当离子强度为零，也就是纯水中的假想
溶解度的对数。从一些实验结果表明，Ks与温度 和pH无关，但和蛋白质与盐的种类有关。
但这种变化不是很大，例如以硫酸铵作为沉淀剂 时，Ks值对不同的蛋白质来说，其变化不会超过 1倍。组成相近的蛋白质，分子量越大，沉淀所需 盐的量越少；蛋白质分子不对称性越大，也越易 沉淀。
化工基础 第五章 传质过程及塔设备(吸收)
① 气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板；
② 气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。 说明：开始发生液泛时的气速称之为液泛气速 。
② 降液管液泛
当塔内气、液两相流量较大，导致降液管内阻力及塔板阻力增
大时，均会引起降液管液层升高，当降液管内液层高度难以维 持塔板上液相畅通时，降液管内液层迅速上升，以致达到上一 层塔板，逐渐充满塔板空间，即发生液泛。并称之为降液管内 液泛。
Ⅰ
促进两相传质。
Ⅱ
α= 50
Ⅲ Ⅰ三面切口舌片; Ⅱ拱形舌片; Ⅲ50×50mm定向舌片的尺寸和倾角
d．筛孔塔板 结构简单、造 价低廉、气体
压降小、生产
能力较大；缺 舌形塔板
点是操作弹性
范围较窄，小 孔筛板易堵塞。 e．导向筛板 如图
（导向筛板）
应用：用于减压塔的低阻力、高效率塔板。 斜台：抵消液面落差的影响。 导向孔：使气、液流向一致，减小液面落差。
沸点低的组分气化，达到分离的目的。 增湿是将干燥的空气与液相接触，水分蒸发进入气相。
②液相一液相 在均相液体混合物中加入具有选择性
的溶剂，系统形成两个液相。
（2）流一固相间的传质过程
①气相一固相 含有水分或其它溶剂的固体，与比较干燥的热 气体相接触，被加热的湿分气化而离开固体进入气 相，从而将湿分除去，这就是固体的干燥。 气体吸附的相间传递方向恰与固体干燥相反，它 是气相某个或某些组分从气相向固相的传递过程。
填料分类
球形 丝网波纹
波纹型
规整填料 孔板波纹
隔栅型 格利希隔栅
拉西环
勒辛环
鲍尔环
阶梯环
弧鞍环
金属环矩鞍
规整填料
混堆填料
第5章--吸附与离子交换
理化指标 吸附作用力
选择性 所需活化能
吸附层 可逆性 发生吸附温度
达到平衡所需时间
物理吸附 分子间引力
较差 低
单层或多层 可逆
低于吸附质 临界温度 快
化学吸附 化学键合力
较高 高
单层 不可逆 远高于吸附质
沸点 慢
吸附分离过程分类：
➢变温吸附分离 ➢变压吸附分离 ➢变浓度吸附分离 ➢色谱吸附分离 ➢循环吸附分离技术
表面上的路易斯中心极性很强； 沸石中的笼或通道的尺寸很小，其中引 力很强。 Na2Al2O4·xSiO2H2O = 2 Na+ + Al2O42-.xSiO2H2O
2.5 吸附树脂
组成结构：有机高分子聚合物的多孔网状结构 特点：选择性好；解吸容易；机械强度好；流体阻
力较小；价格高。 类型：
非极性吸附剂——芳香族（苯乙烯等） 中等极性吸附剂——脂肪族（甲基丙烯酸酯等） 极性吸附剂——含硫氧、酰氨、氮氧等基团
化学吸附：吸附作用力为化学键合力，需要高 活化能、只能以单分子层吸附，选择性强、吸 附和解吸附速度较慢。
物理吸附
选择性吸附：固体表面的原子或基团与外来分子 间的引力 分子筛效应：尺寸小于微孔孔径的分子可以进入 微孔而被吸附，比孔径大的分子则被排斥在外 通过微孔的扩散：气体在多孔固体中的扩散 微孔中的凝聚：毛细管效应导致多孔固体周围的 可凝缩气体会在与器孔径对应的压力下在微孔中 凝聚
2.常用吸附剂
吸附剂的要求
• 交换容量——结构（多孔、立体网状） • 选择性——组成 • 稳定性——结构、组成
吸附剂的种类
1）无机：硅胶、氧化铝、磷酸钙凝胶、沸石等 2）有机：活性炭、（大孔）吸附树脂、纤维素等
2.1活性炭（Active carbon）
湿法冶金第五章
五、主要溶剂萃取体系及萃取机理 萃取体系至少包括三个组分，即水、有机溶剂和一种
溶质，关于萃取体系的分类很不统一，根剧萃取剂的特 性和萃取机理，可把萃取体系分成：中性络合萃取体系； 酸性络合萃取体系；碱性萃取剂的萃取体系；协同萃取 体系。
1、中性络合萃取体系 特点：萃取剂是中性有机化合物（如：TBP、P350、
KD
Ci (or ) Ci ( aq )
KD－分配系数，Ci(or)是溶质i 在有机相中浓度；Ci（aq）是
溶质i在水相中浓度。KD >1，萃取能进行；KD <1萃
取不利于进行。
浓度较大时，分配系数应以溶质i在两相中的活度比Ka表示：
Ka
ai(or ) ai ( aq )
C i(or ) i(or ) KD
在萃取中，要求有机相具有最小的水溶性，工业萃取剂使 用的有机酸，含碳在C7－C16范围内。
四、萃取剂、稀释剂 1．萃取剂的选择 溶剂萃取中，萃取剂的选择十分重要。选择萃取剂
的要求主要有： ① 至少有一个萃取官能团，通过官能团可与金属离子 形成萃合物，常见的萃取官能团有含O、S、C、P的基 团，如：－OH、－SO3H、－SH、 、＝NOH等； ② 油溶性大、水溶性小、须具备相当长的碳氢链或苯 环，但碳原子数过多或分子量大于500也不宜； ③ 具有较高的选择性，分离系数大；
(3)螯合萃取剂 有两种官能团，即酸性官能团和配位官能团。和金属离子形成
螯合物进入有机相，金属离子与酸性官能团作用，置换出 氢离子，形成一个离子键，配位官能团又与金属离子形成 一个配位键。常用的螯合萃取剂有：LiX63、LiX64、LiX64N ① 螯合剂必须含有二个或二个以上的官能团 ② 被萃金属置换－OH或－SH上的氢并与碱性官能团配位 而形成稳定的五原子环或六原子环状化合物。参加反应的 二个官能团之间要间隔2-3个碳原子，否则不能生成五环或 六环络合物。 ③ 入支链，使空间位阻增大，可以增加选择性，但引入支 链过多或位置不当也不行。 ④ －OH或－SH基的酸性越强，则形成螯合物的趋势越大， 即能在很低的PH下萃取。
化工基础_第五章_5.1 -5.2
b、液体分布器
作用：使液体能够均匀地分布在填料层上。 类型：多孔型、溢流型。
(a)莲蓬头式
(b)多孔环管式
(c)溢流管式
化学与材料工程学院
（d）排管式
化学与材料工程学院
C、液体收集及再分布装置 作用：将上段填料层流下的液体收集充分混合后，重新分 布在下段填料层上。 形式：
(a)截锥型
(b) “罗赛脱”型
b．漏液
气体通过筛孔的速度较小时，气体通过筛孔的动
压不足以阻止板上液体的流下，液体会直接从孔口落下，这种 现象称为漏液。正常操作时，一般控制漏液量不大于液体流量 的10％。相应的孔流气速为漏液点气速 。
稀溶液，气液两相的平衡关系遵循亨利(Henry)定律； 理想溶液的气液相间符合拉乌尔(Raoult)定律。
相间传质过程的方向和极限的判断：
①若物质在一相中(A相)实际浓度大于其在另一相 (B相)实际浓度所要求的平衡浓度，则物质将由A相向 B相传递；
P A ＞ P A*
②物质在A相实际浓度小于其在B相实际浓度所要求
②板式塔上流体力学状况 塔板形式多样，下面介绍塔板上气液接触状态、漏液、 雾沫夹带、液泛等流体力学规律。
a.气液接触状态 孔速较低时,气体以鼓泡形式通过液层， 板上气液两相呈鼓泡接触，图(a). 随孔速的增大气泡的 数量而增加,气泡表面连成一片发生合并与破裂,板上液体 以泡沫形式存在于气泡之中,但液体为连续相,气体为分散 相,图5(b).孔速继续增大,气体从孔口喷出,液体由连续相 变为分散相,气体则由分散相变为连续相,图©.
3. 塔设备简介
传质过程有共同的规律，也有通用的传质设备。 气体吸收和液体精馏两种气液传质过程通常在塔设 备内进行。提供气、液两相充分接触的机会。 根据塔内气液接触部件的结构型式，分为填料塔与
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在分析上，活性炭可用来吸附、气体有机物， 也可以在多元素富集中作为痕量载体应用。 活性炭的吸附速度一般较快，通常只要把活 性炭与试液共振荡3-5分钟，接着用滤纸过滤， 即可定量吸附待测成分。
9
高温炭化
活化,800~900℃
木材、煤、果壳
炭渣
活性炭
隔绝空气，600℃
活化剂：ZnCl2
活性炭种类 颗粒大小 表面积 吸附力 吸附量 洗脱
2.3 活性氧化铝
组成结构： Al2O3. nH2O ，多孔网状结构 种类：碱性氧化铝、中性氧化铝、酸性氧化铝
低温氧化铝、高温氧化铝 吸附性质：极性吸附剂；
吸附活性与含水量有关； 在非极性介质中，对极性物质具有 较强的吸附。
17
2.4 沸石
组成结构：Na2Al2O4·xSiO2H2O，多孔网状结构 种类：人工、天然沸石 吸附特性：阳离子交换吸附剂；
BCq0
C)1 (B 1)C
/ CS
式中：q0—单分子吸附层的饱和吸附量,g/g Cs—吸附质的饱和浓度,g/L B—常数；C—平衡浓度，g/L
28
吸附等温线
n2s S型
L型
H型
C型
液相吸附平衡
溶剂有强烈竞争吸附， 且溶质为垂直定向吸附 c 溶剂吸附少，且溶质为线 形分子，躺式吸附
溶质与固体吸附力强， 化学吸附
第5章 吸附与离子交换 Absorption and ion exchange
5.1 吸附 5.2 离子交换
1
5.1 吸附
吸附：指流体与固体多孔物质接触时，流体中的 一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内 表面并附着在这些表面的过程。
特点： ①常用于稀溶液的分离， ②操作条件温和，适合于热敏性物质的分离， ③可直接从其他分离过程或反应过程耦合，改善过
5
理化指标 吸附作用力
选择性 所需活化能
吸附层 可逆性 发生吸附温度
达到平衡所需时间
物理吸附 分子间引力
较差 低
单层或多层 可逆
低于吸附质 临界温度 快
化学吸附 化学键合力
较高 高
单层 不可逆 远高于吸附质
沸点 慢
6
吸附分离过程分类：
➢变温吸附分离 ➢变压吸附分离 ➢变浓度吸附分离 ➢色谱吸附分离 ➢循环吸附分离技术
按水流方向又可分：升流式与降流式。
（3）移动床：接近饱和的吸附剂从塔底间歇排 出，每次卸出总填充量的（5~20）%，同时从 塔顶投加等量再生炭或新炭。
（4）流化床：吸附剂在塔内处于膨胀状态。
33
固定床吸附操作特点
吸附塔内填充吸附剂
吸附操作采用一个床，在吸附剂再生操作 中需停止吸附操作，
同时使用多个吸附床，进行多床串 连操作，使其中一床得到再生。
中和反应：
离子交换反应：
2R-SO3Na + Ca2+ == (R-SO3)2Ca + NaOH R2Ca + HCl == 2RH + CaCl2 RH + NaOH == RNa + H2O
离子转换或提取某种离子 脱盐 不同离子的分离
42
离子交换剂的分类
1) 骨架组成
无机物——沸石、磷酸钙凝胶 疏水性骨架——树脂类
RSO3H + NaOH == RSO3Na + H2O RSO3H + NaCl == RSO3Na + HCl RSO3Na + KCl == RSO3K + NaCl
46
强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂
特点：
❖ 淡黄色球状颗粒； ❖ 化学稳定性好，耐磨性好； ❖ 在酸性、碱性和中性介质中都可使用； ❖ 交换反应速度快； ❖ 无机、有机阴离子均可交换。
• 单元结构：多孔网状立体结构的骨架 不可移动部分
功能基团 可移动部分
37
38
39
40
1.离子交换的基本原理
• 离子交换： R—A+ + B+ = R—B+ + A+
• 洗脱：
R—B+ + C+ = R—C+ + B+
• 再生：
R—C+ + A+ = R—A+ + C+
41
分解盐的反应： RC,SH + NaCl == RC,Sna + HCl RA,SOH + NaCl == RA,SCl + NaOH
常见的吸附类型及其主要特点
物理吸附： 吸附作用力为分子间引力、无选 择性、无需高活化能、吸附层可以是单层，也 可以是多层、吸附和解吸附速度通常较快。
化学吸附：吸附作用力为化学键合力，需要高 活化能、只能以单分子层吸附，选择性强、吸 附和解吸附速度较慢。
4
物理吸附
选择性吸附：固体表面的原子或基团与外来分子 间的引力 分子筛效应：尺寸小于微孔孔径的分子可以进入 微孔而被吸附，比孔径大的分子则被排斥在外 通过微孔的扩散：气体在多孔固体中的扩散 微孔中的凝聚：毛细管效应导致多孔固体周围的 可凝缩气体会在与器孔径对应的压力下在微孔中 凝聚
19
吸附特性： ① 非极性吸附剂，在极性介质中，对非极性物质
具有较强的吸附。 ② 高极性吸附剂，在非极性介质中，对极性物质
具有较强的吸附。 ③ 中等极性吸附剂，则对上述两种情况都具有吸
附能力。
20
常用的解吸方法
低级醇、酮或水溶液解吸
原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间
的相互作用力。
碱解吸附
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
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
7
2.常用吸附剂
吸附剂的要求
• 交换容量——结构（多孔、立体网状） • 选择性——组成 • 稳定性——结构、组成
吸附剂的种类
1）无机：硅胶、氧化铝、磷酸钙凝胶、沸石等 2）有机：活性炭、（大孔）吸附树脂、纤维素等
8
2.1活性炭（Active carbon）
活性炭是常用的吸附剂，表面积约100 1000 m2 /g ，粒度< 90 m 应占97%以上。 活性炭是一种非极性吸附剂，较易吸附极性 较小的分子。
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。
单组分吸附：
q
qm
1
bp bp
K L p(1 K L p) q / qm
原理：成盐，主要针对弱酸性溶质。
酸解吸附——原理同上
水解吸附
原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸
附量。
21
吸附剂的物理性质
1）比表面积：单位质量吸附剂所具有的表面积Sp
Xm
( Sp )M Am N
2）孔容：单位质量吸附剂中微孔的容积
V p (VHg VHe ) / m p
3）孔径分布： 大于10nm孔：汞孔率计
dp
4 1
cos
p
dp
1.489 1010 p
1.5～2.5nm孔：氮气解吸法
pp0
p0
exp(
4vL cos
RTdp
)
小于1.5nm孔：分子筛筛分法
d p 17.9 / ln( p0 / pp0 )
22
4）颗粒尺寸和分布：固定床、流化床、槽式
颗粒尺寸均一
5）密度
VpΒιβλιοθήκη 1b1p
6）强度：抗压、耐磨
31
4.吸附分离设备与操作方式
吸附操作方式 静态吸附
使废水与吸附剂搅拌混合，而废水没有 自上而下流过吸附剂的流动，这种吸附 操作叫静态吸附。 动态吸附 废水通过吸附剂自上向下流动而进行吸 附。
32
吸附设备
（1）吸附搅拌槽： （2）固定床：吸附剂在床中是固定的，废水自
上而下流过吸附剂。
单床式、多床串联式、多床并联式。
多组分吸附：
qi
qmibi pi 1 bj pj
j 1
26
2）Freundlick方程
q KC 1/ n 适于中等浓度吸附 式中：K、n——常数；
C——吸附质平衡浓度（g/L） q——吸附量 偏离理想吸附。实际吸附原因：表面不均 匀、吸附分子间的相互作用。
27
3）BET公式（多层吸附）
q
(Cs
② 对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物
③ 对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小 的化合物
④ pH 值的影响 碱性物质——中性吸附 酸性洗脱
酸性物质——中性吸附 碱性洗脱
⑤ 温度未平衡前随温度升高而增加
11
9
高温炭化
活化,800~900℃
木材、煤、果壳
炭渣
活性炭
隔绝空气，600℃
活化剂：ZnCl2
活性炭种类 颗粒大小 表面积 吸附力 吸附量 洗脱
2.3 活性氧化铝
组成结构： Al2O3. nH2O ，多孔网状结构 种类：碱性氧化铝、中性氧化铝、酸性氧化铝
低温氧化铝、高温氧化铝 吸附性质：极性吸附剂；
吸附活性与含水量有关； 在非极性介质中，对极性物质具有 较强的吸附。
17
2.4 沸石
组成结构：Na2Al2O4·xSiO2H2O，多孔网状结构 种类：人工、天然沸石 吸附特性：阳离子交换吸附剂；
BCq0
C)1 (B 1)C
/ CS
式中：q0—单分子吸附层的饱和吸附量,g/g Cs—吸附质的饱和浓度,g/L B—常数；C—平衡浓度，g/L
28
吸附等温线
n2s S型
L型
H型
C型
液相吸附平衡
溶剂有强烈竞争吸附， 且溶质为垂直定向吸附 c 溶剂吸附少，且溶质为线 形分子，躺式吸附
溶质与固体吸附力强， 化学吸附
第5章 吸附与离子交换 Absorption and ion exchange
5.1 吸附 5.2 离子交换
1
5.1 吸附
吸附：指流体与固体多孔物质接触时，流体中的 一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内 表面并附着在这些表面的过程。
特点： ①常用于稀溶液的分离， ②操作条件温和，适合于热敏性物质的分离， ③可直接从其他分离过程或反应过程耦合，改善过
5
理化指标 吸附作用力
选择性 所需活化能
吸附层 可逆性 发生吸附温度
达到平衡所需时间
物理吸附 分子间引力
较差 低
单层或多层 可逆
低于吸附质 临界温度 快
化学吸附 化学键合力
较高 高
单层 不可逆 远高于吸附质
沸点 慢
6
吸附分离过程分类：
➢变温吸附分离 ➢变压吸附分离 ➢变浓度吸附分离 ➢色谱吸附分离 ➢循环吸附分离技术
按水流方向又可分：升流式与降流式。
（3）移动床：接近饱和的吸附剂从塔底间歇排 出，每次卸出总填充量的（5~20）%，同时从 塔顶投加等量再生炭或新炭。
（4）流化床：吸附剂在塔内处于膨胀状态。
33
固定床吸附操作特点
吸附塔内填充吸附剂
吸附操作采用一个床，在吸附剂再生操作 中需停止吸附操作，
同时使用多个吸附床，进行多床串 连操作，使其中一床得到再生。
中和反应：
离子交换反应：
2R-SO3Na + Ca2+ == (R-SO3)2Ca + NaOH R2Ca + HCl == 2RH + CaCl2 RH + NaOH == RNa + H2O
离子转换或提取某种离子 脱盐 不同离子的分离
42
离子交换剂的分类
1) 骨架组成
无机物——沸石、磷酸钙凝胶 疏水性骨架——树脂类
RSO3H + NaOH == RSO3Na + H2O RSO3H + NaCl == RSO3Na + HCl RSO3Na + KCl == RSO3K + NaCl
46
强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂
特点：
❖ 淡黄色球状颗粒； ❖ 化学稳定性好，耐磨性好； ❖ 在酸性、碱性和中性介质中都可使用； ❖ 交换反应速度快； ❖ 无机、有机阴离子均可交换。
• 单元结构：多孔网状立体结构的骨架 不可移动部分
功能基团 可移动部分
37
38
39
40
1.离子交换的基本原理
• 离子交换： R—A+ + B+ = R—B+ + A+
• 洗脱：
R—B+ + C+ = R—C+ + B+
• 再生：
R—C+ + A+ = R—A+ + C+
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分解盐的反应： RC,SH + NaCl == RC,Sna + HCl RA,SOH + NaCl == RA,SCl + NaOH
常见的吸附类型及其主要特点
物理吸附： 吸附作用力为分子间引力、无选 择性、无需高活化能、吸附层可以是单层，也 可以是多层、吸附和解吸附速度通常较快。
化学吸附：吸附作用力为化学键合力，需要高 活化能、只能以单分子层吸附，选择性强、吸 附和解吸附速度较慢。
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物理吸附
选择性吸附：固体表面的原子或基团与外来分子 间的引力 分子筛效应：尺寸小于微孔孔径的分子可以进入 微孔而被吸附，比孔径大的分子则被排斥在外 通过微孔的扩散：气体在多孔固体中的扩散 微孔中的凝聚：毛细管效应导致多孔固体周围的 可凝缩气体会在与器孔径对应的压力下在微孔中 凝聚
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吸附特性： ① 非极性吸附剂，在极性介质中，对非极性物质
具有较强的吸附。 ② 高极性吸附剂，在非极性介质中，对极性物质
具有较强的吸附。 ③ 中等极性吸附剂，则对上述两种情况都具有吸
附能力。
20
常用的解吸方法
低级醇、酮或水溶液解吸
原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间
的相互作用力。
碱解吸附
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）
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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
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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
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
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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
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2.常用吸附剂
吸附剂的要求
• 交换容量——结构（多孔、立体网状） • 选择性——组成 • 稳定性——结构、组成
吸附剂的种类
1）无机：硅胶、氧化铝、磷酸钙凝胶、沸石等 2）有机：活性炭、（大孔）吸附树脂、纤维素等
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2.1活性炭（Active carbon）
活性炭是常用的吸附剂，表面积约100 1000 m2 /g ，粒度< 90 m 应占97%以上。 活性炭是一种非极性吸附剂，较易吸附极性 较小的分子。
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
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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。
单组分吸附：
q
qm
1
bp bp
K L p(1 K L p) q / qm
原理：成盐，主要针对弱酸性溶质。
酸解吸附——原理同上
水解吸附
原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸
附量。
21
吸附剂的物理性质
1）比表面积：单位质量吸附剂所具有的表面积Sp
Xm
( Sp )M Am N
2）孔容：单位质量吸附剂中微孔的容积
V p (VHg VHe ) / m p
3）孔径分布： 大于10nm孔：汞孔率计
dp
4 1
cos
p
dp
1.489 1010 p
1.5～2.5nm孔：氮气解吸法
pp0
p0
exp(
4vL cos
RTdp
)
小于1.5nm孔：分子筛筛分法
d p 17.9 / ln( p0 / pp0 )
22
4）颗粒尺寸和分布：固定床、流化床、槽式
颗粒尺寸均一
5）密度
VpΒιβλιοθήκη 1b1p
6）强度：抗压、耐磨
31
4.吸附分离设备与操作方式
吸附操作方式 静态吸附
使废水与吸附剂搅拌混合，而废水没有 自上而下流过吸附剂的流动，这种吸附 操作叫静态吸附。 动态吸附 废水通过吸附剂自上向下流动而进行吸 附。
32
吸附设备
（1）吸附搅拌槽： （2）固定床：吸附剂在床中是固定的，废水自
上而下流过吸附剂。
单床式、多床串联式、多床并联式。
多组分吸附：
qi
qmibi pi 1 bj pj
j 1
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2）Freundlick方程
q KC 1/ n 适于中等浓度吸附 式中：K、n——常数；
C——吸附质平衡浓度（g/L） q——吸附量 偏离理想吸附。实际吸附原因：表面不均 匀、吸附分子间的相互作用。
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3）BET公式（多层吸附）
q
(Cs
② 对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物
③ 对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小 的化合物
④ pH 值的影响 碱性物质——中性吸附 酸性洗脱
酸性物质——中性吸附 碱性洗脱
⑤ 温度未平衡前随温度升高而增加
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