第5章 吸附与离子交换
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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。
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
吸附质解 吸附
Step4
1.吸附分离原理及其分离
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。
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
dp
p
1.5～2.5nm孔：氮气解吸法
pp0
p0exp4(vLcos)
RTpd
小于1.5nm孔：分子筛筛分法
dp1.7 9/lnp(0/pp0)
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
Vp
1
b
1
p
6）强度：抗压、耐磨
表6-2常用吸附剂的物理性质
3.吸附平衡
当吸附质的吸附速率=解吸速率 V吸附=V解吸
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：
wk.baidu.com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
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
第5章 吸附与离子交换 Absorption and ion exchange
5.1 吸附 5.2 离子交换
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
粉末活性炭 小
大
大
大
难
颗粒活性炭 较小
较大 较小 较小 难
锦纶活性炭 大
小
小
小
易
粉末活性炭
锦纶活性炭
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
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。
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。
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。
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
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。
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；
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
⑤
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
表1 木糖废水水质分析结果
CODcr/（mg·l-1） BOD5/（mg·l-1） pH 颜色 SS NH3-N
4628
1750
5.17 褐红色 267 21
活性炭的投入量对吸附效果的影响
温度对活性炭吸附效果的影响
接触时间对活性炭吸附效果的影响
pH值对活性炭吸附效果的影响
2.2 硅胶
组成结构：SiO2. nH2O ，多孔网状结构
O
O
│
│
Si—O—Si—OH
│
│
O
O
│
│
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
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）
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。
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
吸附质解 吸附
Step4
1.吸附分离原理及其分离
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。
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
dp
p
1.5～2.5nm孔：氮气解吸法
pp0
p0exp4(vLcos)
RTpd
小于1.5nm孔：分子筛筛分法
dp1.7 9/lnp(0/pp0)
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
Vp
1
b
1
p
6）强度：抗压、耐磨
表6-2常用吸附剂的物理性质
3.吸附平衡
当吸附质的吸附速率=解吸速率 V吸附=V解吸
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：
wk.baidu.com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
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
第5章 吸附与离子交换 Absorption and ion exchange
5.1 吸附 5.2 离子交换
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
粉末活性炭 小
大
大
大
难
颗粒活性炭 较小
较大 较小 较小 难
锦纶活性炭 大
小
小
小
易
粉末活性炭
锦纶活性炭
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
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。
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。
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。
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
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。
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；
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
⑤
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
表1 木糖废水水质分析结果
CODcr/（mg·l-1） BOD5/（mg·l-1） pH 颜色 SS NH3-N
4628
1750
5.17 褐红色 267 21
活性炭的投入量对吸附效果的影响
温度对活性炭吸附效果的影响
接触时间对活性炭吸附效果的影响
pH值对活性炭吸附效果的影响
2.2 硅胶
组成结构：SiO2. nH2O ，多孔网状结构
O
O
│
│
Si—O—Si—OH
│
│
O
O
│
│
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
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）
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。