吸附与离子交换分离
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吸附法与离子交换
四、吸附技术的应用
⑴ 固定床吸附操作 ⑵ 流化床吸附操作 ⑶ 膨胀床吸附操作
1.固定床吸附
定义：将吸附剂固定在一定的容器中，含目标产物的
液体从容器的一端进入，流经吸附剂后，从管子的另 一端流出。
开始时，绝大部分 溶质被吸附；随着 吸附过程的继续， 流出的溶质的浓度 逐渐升高，在某 一时刻急剧增大， 此时称为“穿透”， 应立即停止操作。
高
吸附层 单层或多层
单层
达到平衡所
快
慢
需时间
（3）交换吸附：吸附剂表面为极性分子或离子， 吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层， 即极性吸附，同时吸附剂要向溶液中放出相应 物质量的离子。
二、吸附等温线
如果不考虑溶剂的吸附，当固体吸附剂与溶液中的溶 质达到平衡时，其吸附量m应与溶液中溶质的浓度和 温度有关。 当温度一定时，吸附量只和浓度有关， m=f（c）， 这个函数关系称为吸附等温线。 吸附等温线表示平衡吸附量
强的离子交换剂+强的反离子 稳定结合 弱的离子交换剂+强的反离子 中等稳定结合 弱的离子交换剂+弱的反离子 不稳定结合
强的反离子能替换离子交换剂上弱的活性离子 (易) 高浓度的弱的反离子替换强的活性离子 （难）
离子交换剂对各种反离子的亲和性
3）离子的浓度 离子浓度增大到一定的程度，离子交换过程
离子交换纤维素树脂
树脂骨架为纤维素， 特点：骨架松散、亲水性强、表面积大、交换容量大、
吸附力弱、交换和洗脱条件温和、分辨率高
葡聚糖凝胶离子交换树脂
骨架为葡聚糖凝胶，如sephadex， 特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功能，
提高了分离的效率
2.按化学功能团分 1.阳树脂，酸性基团 (弱酸性、强酸性)
第4章 离子交换和吸附分离
例：R—SO3H 国产强酸732树脂 R：代表树脂中的网状高分子聚合物的骨架部分；
—SO3H：磺酸基，代表树脂的活性基团(—SO3- )； R-SO3H又称为H+型阳离子交换树脂，可用符号RH 表示。如果活性基团上的H+被其它阳离子如Na+、 NH4+等取代，就称为Na+型、 NH4+型阳离子交换树脂， 或称盐型。可用符号RNa 、RNH4表示。
• 在流出曲线的左侧和C/C。
＝1的水平线内所包括的面
积即相当于全交换容量。
通过a点的垂直点线的左侧
所包括的面积S1，相当于 工作交换容量；
图4-2 离子交换流出曲线 (V-流出液体积;C-流出液中金属离子浓度;
C0-料液中金属离子浓度,a-穿透点)
全交换容量与工作交换窖量
• 全交换容量即树脂上吸附的离子达到饱和时的 吸附量。一般是3-5mgeq／g干树脂。
线状高分子化合物，它起连接树脂的 功能团的作用。 交联剂部分：骨架，决定树脂性能，通常为二乙烯 苯，它将高分子部分交联起来，使之 具有三度空间的网状结构。 功能团： 固定在树脂上的活性离子基团，决定树 脂 的性质和交换能力。
离子交换树脂可分为以下二大类型：
⑴阳离子交换树脂：树脂的功能团可电离出阳离子， 并可被溶液中的阳离子交换。
如果将骨架表示为R（带有固定离子），则阳离子 （氢离子）交换反应以下式表示：
2RH + Ca2+ R2Ca + 2H+
⑵阴离子交换树脂：树脂的功能团可电离出阴离子， 并可被溶液中的阴离子交换。
在阴离子为氯离子时的交换反应表示为：
_
2RCl + SO42 R2SO4 + 2Cl
—SO3H：磺酸基，代表树脂的活性基团(—SO3- )； R-SO3H又称为H+型阳离子交换树脂，可用符号RH 表示。如果活性基团上的H+被其它阳离子如Na+、 NH4+等取代，就称为Na+型、 NH4+型阳离子交换树脂， 或称盐型。可用符号RNa 、RNH4表示。
• 在流出曲线的左侧和C/C。
＝1的水平线内所包括的面
积即相当于全交换容量。
通过a点的垂直点线的左侧
所包括的面积S1，相当于 工作交换容量；
图4-2 离子交换流出曲线 (V-流出液体积;C-流出液中金属离子浓度;
C0-料液中金属离子浓度,a-穿透点)
全交换容量与工作交换窖量
• 全交换容量即树脂上吸附的离子达到饱和时的 吸附量。一般是3-5mgeq／g干树脂。
线状高分子化合物，它起连接树脂的 功能团的作用。 交联剂部分：骨架，决定树脂性能，通常为二乙烯 苯，它将高分子部分交联起来，使之 具有三度空间的网状结构。 功能团： 固定在树脂上的活性离子基团，决定树 脂 的性质和交换能力。
离子交换树脂可分为以下二大类型：
⑴阳离子交换树脂：树脂的功能团可电离出阳离子， 并可被溶液中的阳离子交换。
如果将骨架表示为R（带有固定离子），则阳离子 （氢离子）交换反应以下式表示：
2RH + Ca2+ R2Ca + 2H+
⑵阴离子交换树脂：树脂的功能团可电离出阴离子， 并可被溶液中的阴离子交换。
在阴离子为氯离子时的交换反应表示为：
_
2RCl + SO42 R2SO4 + 2Cl
第十三章吸附与离子交换
吸附过程是吸附质在固体表面上不断吸附与解 吸的过程。在吸附初期，由于吸附的吸附质分子数 大大超过解吸的吸附质分子数，故在宏观上表现为 吸附。随着吸附过程的进行，吸附剂表面逐渐被吸 附质分子所覆盖，从而使吸附速度不断下降，解吸 速度不断加快。当吸附速度与解吸速度相等时，吸 附过程达到动态平衡，称为吸附平衡。
o
(13-9)
Hale Waihona Puke 式中q ——平衡吸附量，m3•kg-1；
kB——BET常数； p——吸附质的分压，Pa； po——吸附质的饱和蒸气压，Pa； qM ——第一层单分子层的饱和吸附量，m3•kg-1。
BET方程式可很好地描述图13-5所示的三种类 型的吸附等温线。
q /m3· kg-1 q /m3· kg-1 q /m3· kg-1
活性炭是一种多孔含碳物质的颗粒或粉末，不 仅具有良好的化学稳定性和机械强度，而且具有高 度发达的孔隙结构，因而具有很强的吸附能力；活 性炭还具有解吸容易、热稳定性好等优点。
活性炭具有非极性的表面，可以吸附非极性物 质。活性炭既可用于气相吸附，又可用于液相吸附。 目前，活性炭已广泛地用于制药化工过程，如各类 有机蒸汽的吸附，溶液的脱色、除臭，药物的精制 等。
• （3）比表面积(a=A/m) • 单位质量吸附剂所具有的表面积，用m2/g 表示。一般数百至1000 m2/g ，高的可达 3000 m2/g • （4）颗粒尺寸和分布 • ①颗粒尺寸应尽可能小，既可以增大外扩 散传质表面，又可以缩短颗粒内扩散路程 • ②颗粒尺寸应均匀一致，以使粒内扩散时 间相同
q /m3· kg-1
p / Pa
图13-1 线性吸附等温线
Henry方程式适用于压力很低的气相或液相吸 附过程，一般吸附剂表面被吸附的面积不超过10%。 当用于液相吸附过程时，式(13-3)应改写为
第七章吸附与离子交换_图文
活性炭对物质的吸附规律
活性炭是非极性吸附剂，因此在水中吸附能力大于有 机溶剂中的吸附能力。 针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律： ①对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合
物； 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； ④pH 值的影响 ；
7-3
7.2吸附过程的理论基础
7.2.1吸附原理
固体的分类：多孔和非多孔性 比表面的组成：多孔性固体的比表面是由“外表
面”和“内表面”所组成。表面积大并 且有较高的吸附势。 表面力的产生和吸附力的关系：见图7-4 界面分子的力场是不饱和的，能从外界吸附分 子、原子、或离子，形成多分子层或单分子层。 吸附过程中的几个名词： ⑴吸附作用 ⑵吸附剂 ⑶吸附物（质）
7.1概述
7.1.1什么叫吸附
吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸 附的能力，使其富集在吸附剂表面的过程。
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
Step3
001×7－交联度为7%的苯乙烯 系凝胶型强酸性阳离子交换树脂
骨架代号 Ｄ315：大孔型丙烯酸弱碱
分类代号
性阴离子交换树脂
大孔型代号
大孔型
代号 0 1 2 3 4 5 6
离子交换树脂命名法代号表
分类名称
骨架名称
强酸性
苯乙烯系
弱酸性
丙烯酸系
强碱性
酚醛系
弱碱性
环氧系
螯合性
乙烯吡啶系
简述各种色谱分离(吸附、电泳、离子交换、凝胶、亲和)的机理。
简述各种色谱分离(吸附、电泳、离子交换、凝胶、亲和)的机理。
以下是对各种色谱分离技术（吸附、电泳、离子交换、凝胶和亲和）的简要描述：1. 吸附色谱：- 原理：基于样品成分与固定相之间的吸附作用进行分离。
- 机制：固定相通常是多孔性材料，可以选择性地吸附目标化合物，而其他成分则通过溶剂流动被洗脱。
- 应用：常用于有机物混合物的分离，特别是在制药、环境和食品分析中。
2. 电泳色谱：- 原理：分子在电场中的迁移速率不同，根据其电荷和大小进行分离。
- 机制：样品分子在电场中迁移，根据电荷的差异，带有相同电荷的分子会以不同的速率迁移，从而实现分离。
- 应用：广泛应用于核酸、蛋白质和低分子有机物的分离与分析。
3. 离子交换色谱：- 原理：根据样品中阳离子或阴离子与固定相上的离子交换发生吸附和解吸作用进行分离。
- 机制：固定相通常是具有离子交换基团的树脂，可以选择性地吸附或释放样品中的离子。
- 应用：主要用于离子的分离，如无机离子、有机酸和氨基酸等。
4. 凝胶色谱：- 原理：根据样品成分在凝胶基质中的分配系数差异进行分离。
- 机制：样品分子在凝胶基质中扩散，较大的分子由于在凝胶中的阻塞效应而迁移速度较慢，从而实现分离。
- 应用：常用于聚合物、蛋白质和核酸的分离与精细分析。
5. 亲和色谱：- 原理：通过样品成分与固定相上特异性结合的亲和作用进行分离。
- 机制：固定相通常是含有配体的材料，可与目标分子发生特异性的结合，而其他成分则通过洗脱。
- 应用：广泛应用于蛋白质、抗体、酶和药物的纯化和分析。
这些色谱分离技术在不同的应用领域具有广泛的应用，并可以根据样品特性和目标分离要求进行选择。
离子交换的五个过程
离子交换的五个过程离子交换是一种广泛应用于水处理、化学制品生产和生物科学领域的分离和纯化技术。
离子交换过程可以分为五个步骤：吸附、洗脱、再生、去除和回收。
第一步，吸附。
吸附是离子交换的第一步，即将混合物中的离子吸附到离子交换树脂的表面上。
离子交换树脂是一种高分子化合物，具有一定的亲和力，可以吸附离子。
吸附过程中，树脂会与离子之间发生化学反应，形成化学键，因此吸附是可逆的。
第二步，洗脱。
洗脱是指将吸附在离子交换树脂上的离子从树脂表面洗脱出来。
洗脱过程中，需要使用一定的溶剂或者其他化学物质，使离子交换树脂表面的离子与溶剂中的离子发生竞争作用，从而将离子从树脂表面洗脱出来。
第三步，再生。
再生是指将用过的离子交换树脂进行再生，使其恢复吸附能力。
离子交换树脂在吸附离子的过程中，随着时间的推移，会逐渐失去吸附能力。
因此需要对离子交换树脂进行再生，将其表面的离子去除，恢复其吸附能力。
第四步，去除。
去除是指将离子交换树脂中吸附的杂质离子去除，使其保持高纯度。
在离子交换过程中，离子交换树脂不仅吸附目标离子，也会吸附一些杂质离子。
因此需要对离子交换树脂进行去除，将其表面的杂质离子去除，使其保持高纯度。
第五步，回收。
回收是指将离子交换树脂中吸附的目标离子回收利用。
在一些应用中，离子交换树脂中吸附的目标离子具有一定的价值，因此需要将其回收利用。
回收过程中，需要对离子交换树脂进行洗脱，将吸附的离子从树脂表面洗脱出来，并进行后续的处理和利用。
离子交换是一种重要的分离和纯化技术，可以应用于许多领域。
离子交换过程中需要进行吸附、洗脱、再生、去除和回收等五个步骤，每个步骤都具有其独特的作用和意义。
通过离子交换，可以实现混合物中的离子的分离和纯化，促进各个领域的发展。
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）
第13吸附与离子交换
2.2 吸附类型
2.2.1物理吸附
（1）作用力：吸附剂与吸附质间的范德华力（定向力、诱 导力、色散力）或氢键。如：硅胶薄层层析分离叶绿素
（2）吸附力大小：吸附质能否被吸附及吸附量多少 a. 溶质与吸附剂极性的相似性 b. 溶剂极性与溶质极性的相似性
（3）特点：
a.吸附发生在吸附剂整个表面－无选择性
b.减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机 污染”现象（大分子不易洗脱）；
c.可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的 比表面积，以适应不同的分离要求。
d.常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的） 甲苯、四氯化碳；不良溶剂 长链醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯
1.3.3其它离子交换树脂类型
1.3.2新型离子交换树脂
大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相 同的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加 入致孔剂），再引入化学功能基团，便可 得到大孔离子交换树脂
大孔离子交换树脂的优点
a.通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通 凝胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现 象，从而强化了离子交换的功能；
强酸性阳离子交换树脂：
a.活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基） b.pH1－14使用，选择性差
弱酸性阳离子交换树脂：
a.活性基团有-COOH, -OCH2COOH, C6H5OH等弱酸性基团； b. pH大于7，选择性好
（2）阴离子交换树脂（含碱性基团）。 强碱性阴离子交换树脂： a活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-ß-羟基
（若需解吸，必须加破坏化学键的有机试剂。）
2.2.3交换吸附
（1）原理：离子交换剂通过静电引力吸附溶液中 带相反电荷的离子，吸附过程发生电荷转移。
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迎头法 顶替法 洗脱法
样品液 大量、连续 适量
极少量
“流动相” 样品液
顶替剂
流动相
分离结果 纯溶剂 一个纯组分 n个纯组分
吸附与离子交换分离
常见吸附分离（吸附剂）
● 活性炭和分子筛 ● 巯基棉纤维和泡沫塑料 ● 大孔性吸附树脂 ● 硅胶、氧化铝等吸附剂 ● 纳米材料 ● 壳聚糖 ● 磁微球等
吸附与离子交换分离
吸附与离子交换分离
聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料对Au、Tl的吸附
聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料由于含有聚醚氧结构，适 宜于接受1，2价络阴离子，它的吸附类似于阴离子交 换树脂的行为，有较好的选择性。等以离子形式存在 时，几乎不被泡塑吸附，只有以（MeX4）-型络离子 时，泡塑吸附才有可能。
环境样物质的吸附和脱 附作用的差异。
离子交换分离法是利用溶液中离子与离 子交换剂发生交换反应进行分离的方法。
在分析测试中，离子交换分离技术是最有 实用价值的前处理方法。
吸附与离子交换分离
6.1 分离操作方式
1) 分批操作法
2) 吸附剂片过滤吸附法
3) 柱式法
吸附与离子交换分离
样品液
过分离柱，开始各组分被留在
柱上，待饱和后就流出分离柱。
开始出现的是亲和力最小的，
分离柱
各得到一部分纯物质。然后各
组分依亲和力逐步增加的顺序
出现，最终各组分的浓度与样
品中相同。
迎头法可用于吸附那与离些子交分换分离离场合？
穿透曲线与穿透量（break-through capacity）
C = C0
交界层
C=0
L
0
1.0
C/C0
吸附与离子交换分离
影响柱分析容量的因素：
➢ 填料的特性：交换容量、比表面大小 ➢ 装填情况： ➢ 操作条件：流速
l 迎头分析：测定吸附剂的吸附特性等 物化研究。
l 净化分离：如气体净化、去离子水制 备等；在分析上可用来吸附基体成分或 痕量待测组分。吸附与离子交换分离
2）顶替法（displacement development）
吸附与离子交换分离
活性炭的预处理
分别用48 % HF，12M HCl洗涤，除去杂 质。定量分离时应做空白实验。
应用举例 I 精制有机物常用活性炭脱色
用量？ 操作？ II 高纯金属微量杂质的分离分析
吸附与离子交换分离
分子筛分离
分子筛是一种晶态的金属硅铝酸盐矿物。它 具有高度选择性吸附性能，是由于其结构形成 许多与外部相通的均一微孔。凡是比分子筛孔 径小的分子可通入孔道中，而较大者则留在孔 外，借此筛分各种分子大小不同的混合物。
吸附与离子交换分离
巯基纤维素的制备
巯基棉纤维是将巯基(HS-)连接在棉花的大 分子链上而制成。它的吸附性能取决于棉花 纤维比表面上巯基的数量。
制备方法：20ml硫代乙醇加上14ml乙酸， 混匀，低加2滴浓硫酸，混匀并冷至室温，在 加上4脱脂棉浸湿，并于室温( 25℃)下放置 24小时，分别用自来水、蒸馏水洗至中性， 挤干水，放入37-38 ℃烘箱中晾干，密闭、 避光和低温下保存。
巯基棉对碱金属、碱土金属无亲和性；而对亲硫 元素吸附性能好。各种亲硫的金属成分可与较高浓 度 的 K ＋ 、 Na ＋ 、 Mg2 ＋ 、 Ca2 ＋ 、 Sr2 ＋ 、 Fe3 ＋ 、 Mn2＋、Cr3＋分离。
吸附与离子交换分离
应用
➢ 水、粮食和土壤中W的测定
微分脉冲极谱催化波法，Mo有干扰。控制pH27试液流过巯基棉，W被定量吸附，用6 N HNO3 洗脱后测定。
聚氨酯类泡沫可用于富集痕量有机污染物，如空气 中PAHs，或水中的PAHs、有机杀虫剂和苯酚等。
➢ 化学发光测定水、血液和矿石中Co
Hg（Ⅱ）、Bi（Ⅲ）、 Pb（Ⅱ）、 Cu（Ⅱ） 干扰Co的化学发光测定。在pH4条件下，让试液 流过巯基棉，干扰离子被吸附，流出液可直接测定。
吸附与离子交换分离
聚氨酯泡沫塑料
泡沫塑料广泛用于各种介质中痕量无机及 有机化合物的富集分离，即它们可在稀溶液 中选择吸附多种有机和无机化合物，如油、 苯、三氯甲烷、苯酚以及I2、Hg（Ⅱ）、Au （Ⅲ）、Fe（Ⅲ）、Sb（Ⅴ）、Tl（Ⅲ）、 Re（Ⅲ）、Mo（Ⅵ）、U（Ⅵ）等。
分子筛主要用于气态物的分离和有机溶剂痕 量水的除去。实验室一般采用4-5A的分子筛。
吸附与离子交换分离
球基棉纤维分离
巯基棉可以定量吸附水溶液中多种微量重 金属离子和某些非金属离子，具有富集倍数 大、吸附效率高、吸附速度快、选择性强、 解脱性能好、制备简单、操作简便和易于推 广等优点。
nR M S n H e [R ] S M ne H n
静态操作法 动态操作法
静态操作法
试液中待测低含量组分在适 当的容器里不断被外加的固定 相所吸附(或交换)。为了能尽 快地达到吸附平衡，可将溶液 进行机械搅拌、振荡或超声波 处理。然后用倾斜法或过滤法 将固定相与溶液分离。
吸附与离子交换分离
1）迎头法（frontal method）
让待分离的混合物连续地通
活性炭分离
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。
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。
混合样
加样
顶替剂
分离结果
将混合物样品加到分离柱后，然后用亲和力大的顶替剂流
过分离柱，试样中的各组分按亲和力由小到大顺序依次被顶
替出分离柱。
吸附与离子交换分离
色谱带 与
色谱图
洗脱法
顶替法 迎头法 吸附与离子交换分离
3）洗脱法（elution method）
最常见的色谱方法（后续课程详细介绍) 洗脱法与迎头法和顶替法的差异？
吸附与离子交换分离
巯基纤维素的吸附性能
巯基棉纤维对各种金属元素的结合能力有着明显 的差异，其强弱顺序基本上符合软硬酸碱原则：
Pt （ Ⅱ ） -Pd （ Ⅱ ） >Au （ Ⅲ ） -Se （ Ⅳ ） >Te （Ⅳ）>As（Ⅲ）>Hg（Ⅱ）-Ag（Ⅰ）>Sb（Ⅲ） >Bi （ Ⅲ ） >Sn （ Ⅱ ） >CH3Hg ＋ >In（ Ⅲ） -Pb （Ⅱ）>Cd（Ⅱ）>Zn（Ⅱ）