吸附与离子交换优秀课件
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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
《离子交换与吸附》PPT课件
表3－15 P507解吸稀土四分组结果
组别
工艺条件
成 分（％）
镱镥富集物
1.5%P507－煤油解吸
钇富集物 中稀土富集物 轻稀土富集物
20%P507－煤油解吸 20%TRPO·HNO3－煤油解
吸 3.75 mol/L HNO3
(Yb+Lu)2O3 34.54 Y2O3 43.89
Y2O3 77.78 轻中稀土 3.65
(Sm、Eu、Gd)2O3 26.32
Nd2O3 30.89 轻中稀土 90.17 钇及重稀土 9.83
§ 3.9.4 无机离子交换剂及其应用
无机离子交换剂大致可分为下列六类： （i）铝硅酸盐类：包括天然的蒙脱土，各种沸石及合成的各种
分子筛。 （ii）不溶性多价金属酸式盐，多价金属包括锆、钛、铈、锡等，
24hr。
• 饱和金的树脂在用硫脲解吸前需经过一系列净 化步骤：首先用水洗去夹带的矿泥与木屑，再 用4－5％的NaCN溶液洗去树脂上吸附的铜、铁、 氰络合离子，经水洗后再用20－30g/L H2SO4解 吸树脂上的锌、钴、氰络离子及氰根。
• 解吸剂组成为9％的硫脲[CS(NH2)2]＋3％的硫酸。
浓度为28g/L左右的富钨解析液用氯化铁沉淀并控制 最终PH为3.5～4.5，得到钨精矿.
2. 树脂矿浆法提金 为了从浸出液中提金并尽可能提高金的收率， 提出了树脂矿浆吸附工艺。所用树脂可以是强 碱阴树脂，也可以是弱碱阴树脂，或者混合碱 性（即有季胺基也有叔胺基）的阴树脂。
R O H [A(C u)2 N ] R A(C u)2 N OH
1.从西尔斯盐湖水中离子交换提取钨
美国加利福尼亚州西尔斯盐湖水中含有约70 mg/L WO3，总量估计约为7.7万吨WO3，相当美国钨埋藏量的 50～60％。用离子交换法从母液中回收钨。
第三章 离子交换与吸附.ppt
如苛性碱，硫化物，亚硫酸盐。它们都可作为 连多硫酸盐的解吸剂。
用氢氧化物解吸时，发生下列反应：
4S4O62 6OH 5S2O32 2S3O62 3H 2O
连三硫酸盐对树脂的亲合力较小，所以可从树脂 上洗下，进一步再用NaCl溶液洗脱，可将树脂上残 留的连三硫酸盐与硫代硫酸盐解吸下来。
τ= VR (hr) W
VR－床层中的树脂体积（m3） W－液相体积流量m3/h
空间速度（SV）:
SV W VR
指单位时间，单位床容积所处理的料量， 或者说单位时间处理的料液体积是床层容积的 若干倍，故也称为设备负荷。
EBCT 1 SV
SV W A u u VR AH H
减少有机物的吸附可采用如下措施:
（i）采用活性碳或多孔吸附树脂，预先吸附有机物 的预处理措施。
（ii）选择凝胶树脂进行交换作业。
（iii） 对于已经发生有机物中毒的树脂，可采用下 列措施再生:
1)用1 mol/L 苛性钠溶液洗脱。
2)用2 mol/L NaCl＋1.5 mol/L NaOH溶液进行再生，或 者对强碱I型树脂可采用60℃，30％ NaOH＋70％ NaCl 再生，对强碱Ⅱ型，温度可适当低一些，如40℃。
另一种解毒方法是用浓HNO3洗涤树脂，浓HNO3 可使连多硫酸盐分解。
S4O62 14 NO3 8H 4SO42 14 NO2 4H 2O
硝酸量不足时，则会折出硫
S4 O62 2N O3 2S O24 2NO2 2S
§ 3.6.1.4 有机物中毒
（i）尽量减少吸附液中的硅酸含量，包括从浸出液中 添加铝盐除硅。
（ii）不同树脂对硅的吸附能力不一样，因此应选择尽 可能吸附硅少的树脂。
用氢氧化物解吸时，发生下列反应：
4S4O62 6OH 5S2O32 2S3O62 3H 2O
连三硫酸盐对树脂的亲合力较小，所以可从树脂 上洗下，进一步再用NaCl溶液洗脱，可将树脂上残 留的连三硫酸盐与硫代硫酸盐解吸下来。
τ= VR (hr) W
VR－床层中的树脂体积（m3） W－液相体积流量m3/h
空间速度（SV）:
SV W VR
指单位时间，单位床容积所处理的料量， 或者说单位时间处理的料液体积是床层容积的 若干倍，故也称为设备负荷。
EBCT 1 SV
SV W A u u VR AH H
减少有机物的吸附可采用如下措施:
（i）采用活性碳或多孔吸附树脂，预先吸附有机物 的预处理措施。
（ii）选择凝胶树脂进行交换作业。
（iii） 对于已经发生有机物中毒的树脂，可采用下 列措施再生:
1)用1 mol/L 苛性钠溶液洗脱。
2)用2 mol/L NaCl＋1.5 mol/L NaOH溶液进行再生，或 者对强碱I型树脂可采用60℃，30％ NaOH＋70％ NaCl 再生，对强碱Ⅱ型，温度可适当低一些，如40℃。
另一种解毒方法是用浓HNO3洗涤树脂，浓HNO3 可使连多硫酸盐分解。
S4O62 14 NO3 8H 4SO42 14 NO2 4H 2O
硝酸量不足时，则会折出硫
S4 O62 2N O3 2S O24 2NO2 2S
§ 3.6.1.4 有机物中毒
（i）尽量减少吸附液中的硅酸含量，包括从浸出液中 添加铝盐除硅。
（ii）不同树脂对硅的吸附能力不一样，因此应选择尽 可能吸附硅少的树脂。
水处理原理与工艺课件-物理化学处理法2-离子交换、吸附_PPT幻灯片
物化处理法应用的场合很多， 多用在废水的深度处理中，在自来 水的常规处理工艺以及工业给水的 处理工艺中，也常见到物化的处理 技术。
3
2.1 离子交换剂
离子交换剂的种类
根据母体材质的不同，离子交换剂可以分为无 机离子交换剂和有机离子交换剂两大类。
无机离子交换剂：沸石、磺化煤等，用得不多； 有机离子交换剂：又称离子交换树脂，一种高分 子聚合物电解质，使用最广泛。
➢转型膨胀率（％）:树脂从一种型号转为另一种型号时体积 变化的百分数。在交换容器的设计时需预留空间。
一般地，苯乙烯系阳树脂从Na型转为H型，转型膨胀率 5～10％；苯乙烯系阴树脂从Cl型转为OH型，膨胀率10～20 ％；丙烯酸系阳树脂的转型膨胀率很高，由H型转为Na型膨 胀率约为60~70%。
27
(8) 其他性能指标
31
离子交换树脂的保存
树脂宜在0～40℃下存放，当环境温度低于0 ℃或发现树脂 脱水后，应向包装袋内加入饱和食盐水浸泡；对长时期停运而 闲置在交换器中的树脂应定期换水；
通常强性树脂以盐型保存，弱酸树脂以氢型保存，弱碱树脂 以游离胺型保存，性能最稳定。
32
离子交换树脂的预处理
树脂在使用前都要进行预处理，以除去杂质，最好分别用水、 5％HCl、2％～4％NaOH反复浸泡清洗两次，每次4～8h。
一般来说，阳树脂的密度大于阴树脂。
24
(5) 树脂的交联度
树脂的交联度对树脂的许多性能有广泛的影响： 随交联度的增加，树脂结构紧密，微孔小，树脂含水
量降低，溶胀度减小，离子交换速度下降，在催化反应中 活性降低；但在另一方面，树脂对离子的选择性会有所增 加，机械强度改善，耐化学药品和氧化性能提高。
➢水处理中常用的树脂的交联度为7％～10％，此时，树 脂网架中平均孔隙大小约为2～4nm。
生物工程下游技术 吸附与离子交换PPT课件
➢ 已交换离子由树脂表面向本体溶液扩散（膜扩散）。
.
39
离子交换速度
.
40
.
41
6.2.3 影响吸附的因素
考虑三种作用力： （1）固体-溶质 （2）固体-溶剂 （3）溶质-溶剂
吸附剂性质： 吸附容量（a 比表面，b 空隙度） 吸附速度（a 粒度，b 孔径分布） 机械强度（使用寿命）
.
42
吸附质性质: (1) 能使表面张力降低的物质，易为表面所吸附
一般在低浓度范围内成立；
2) b -Langmuir 等温线 (单分子层)-朗格缪尔吸附
q* qmc 或q*qmKbc
Kd c
1Kbc
qm为饱和吸附容量，Kd为吸附平衡的解离常数，Kb为 结合常数
常数测定： 为一直线：截距1/qm; 斜率Kd/qm 此吸附方程适合酶等蛋白质的分离提取。
.
30
Langmuir 吸附等温式
（2） 化学吸附: 放热量大，单分子，选择 性强
（3） 交换吸附:利用离子交换树脂分离生物物质的方 法。吸附剂吸附后同时放出等当量的离子到溶液中
.
4
.
5
物理吸附 分子间力(范德华力)引起 没有选择性 放热较小，约42kJ／mol或更少 多分子层吸附 吸附剂的比表面积和细孔分布影响大
.
6
.
7
交换吸附
分类：
阳离子交换剂：即对阳离子具有交换能力，活性基 团为酸性，又分为强酸性和弱酸性。
阴离子交换剂：即对阴离子具有交换能力，活性基 团为碱性，又分为强碱性和弱碱性。
离子交换树脂命名
强酸性 （1-100） 弱酸性（101-200） 强碱性 （201-300) 弱碱性 （301-400） X 后面交联度
第二部分 第三章 离子交换、吸附设备(共51张PPT)
型树脂是透明的球珠，大孔树脂呈不透明的 一般说来，交联度越大，树脂越巩固，在水中不易溶胀。
它是现今应用得最多的离子交换设备。
雾状球珠。随合成原料、工艺条件不同，树 视镜孔和孔灯可以在罐顶也可以在罐壁上。
固体吸附与生物工程关系密切，在原料液处理、除臭、目标产物的别离、精制等方面发挥着重要的作用。 膨胀是可逆地进行的，其程度随树脂的交联度、相反离子的种类和浓度、外部溶液的浓度而变化，一般的商品树脂，每克干树脂可吸附
❖离子交换树脂是能在水溶液中交换离子的固 体，其分子可以分成三个局部：
❖－局部是交联的具有三维空间立体结构的网 络骨架，通常不溶于酸、碱和有机溶媒，化 学稳定性良好；
❖一局部是联结在骨架上的功能基〔活性基〕 ；
❖一局部是活性基所带的相反电荷的离子，称 为可交换离子。
LOGO
离子交换的一般流程如下：
LOGO
3．交联度
❖树脂的性质随着作为交联剂的DVB〔二乙烯 苯 〕的含量不同而有所差异。合成树脂时， 单体中DVB 的含量百分数称为交联度，在商 品树脂中，通常是8%~12%。但合成时，通 过改变它和苯乙烯的混合比，可制出不同含 量的产品。一般说来，交联度越大，树脂越 巩固，在水中不易溶胀。而交联度减少，树 脂变得柔软，容易溶胀。
LOGO
2．固定床离子交换设备
再生剂 升液器
流量计 计量槽
料液
蒸气 NaOH
处理液 碱计量槽
空气
处理液 HCL
(A) 单床
酸计量槽 (B)混合床
图10-4 固定式离子交换装置的流程
LOGO
❖ 这种操作方式使用最广，设备结构较为简单，操作也 很方便。离子交换树脂的下部要用多孔陶土板、粗粒 无烟煤、石英砂等作为支撑体。被处理的溶液从树脂 上方参加，经过分布管使液体均匀分布于整个树脂的 横截面。加料可以是重力加料，也可以是压力加料， 后者要求设备密封。料液与再生剂可以从树脂上方通 过各自的管道和分布器分别进入交换器，树脂支撑下 方的分布管那么便于水的逆洗。柱式离子交换器可用 不锈钢、硬塑料制作，常常用有衬里的碳钢制造，管 道、阀门一般均用塑料制成。固定床离子交换器的再 生方式分成顺流与逆流两种。逆流再生有较好的效果 ，再生剂用量可减少；但要发生树脂层的上浮。
它是现今应用得最多的离子交换设备。
雾状球珠。随合成原料、工艺条件不同，树 视镜孔和孔灯可以在罐顶也可以在罐壁上。
固体吸附与生物工程关系密切，在原料液处理、除臭、目标产物的别离、精制等方面发挥着重要的作用。 膨胀是可逆地进行的，其程度随树脂的交联度、相反离子的种类和浓度、外部溶液的浓度而变化，一般的商品树脂，每克干树脂可吸附
❖离子交换树脂是能在水溶液中交换离子的固 体，其分子可以分成三个局部：
❖－局部是交联的具有三维空间立体结构的网 络骨架，通常不溶于酸、碱和有机溶媒，化 学稳定性良好；
❖一局部是联结在骨架上的功能基〔活性基〕 ；
❖一局部是活性基所带的相反电荷的离子，称 为可交换离子。
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离子交换的一般流程如下：
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3．交联度
❖树脂的性质随着作为交联剂的DVB〔二乙烯 苯 〕的含量不同而有所差异。合成树脂时， 单体中DVB 的含量百分数称为交联度，在商 品树脂中，通常是8%~12%。但合成时，通 过改变它和苯乙烯的混合比，可制出不同含 量的产品。一般说来，交联度越大，树脂越 巩固，在水中不易溶胀。而交联度减少，树 脂变得柔软，容易溶胀。
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2．固定床离子交换设备
再生剂 升液器
流量计 计量槽
料液
蒸气 NaOH
处理液 碱计量槽
空气
处理液 HCL
(A) 单床
酸计量槽 (B)混合床
图10-4 固定式离子交换装置的流程
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❖ 这种操作方式使用最广，设备结构较为简单，操作也 很方便。离子交换树脂的下部要用多孔陶土板、粗粒 无烟煤、石英砂等作为支撑体。被处理的溶液从树脂 上方参加，经过分布管使液体均匀分布于整个树脂的 横截面。加料可以是重力加料，也可以是压力加料， 后者要求设备密封。料液与再生剂可以从树脂上方通 过各自的管道和分布器分别进入交换器，树脂支撑下 方的分布管那么便于水的逆洗。柱式离子交换器可用 不锈钢、硬塑料制作，常常用有衬里的碳钢制造，管 道、阀门一般均用塑料制成。固定床离子交换器的再 生方式分成顺流与逆流两种。逆流再生有较好的效果 ，再生剂用量可减少；但要发生树脂层的上浮。
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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ຫໍສະໝຸດ 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
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。
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 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
表1 木糖废水水质分析结果
CODcr/（mg·l-1） 4628
BOD5/（mg·l-1） 1750
pH 颜色 SS NH3-N 5.17 褐红色 267 21
活性炭的投入量对吸附效果的影响
吸附与离子交换
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
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。
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
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
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
dp
p
1.5～2.5nm孔：氮气解吸法
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
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
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；
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
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
2.3 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
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
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。
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
吸附特性： ① 非极性吸附剂，在极性介质中，对非极性物质
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。