离子交换和吸附
第4章 离子交换和吸附分离
—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
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
离子交换吸附顺序
离子交换吸附顺序离子交换吸附是指通过离子交换作用，将溶液中的离子与固体表面上的离子进行交换，从而使溶液中的离子被吸附在固体表面上。
离子交换吸附顺序主要分为阳离子交换和阴离子交换两种。
一、阳离子交换吸附顺序：1. 钠离子交换：钠离子交换是最常见的阳离子交换吸附顺序之一。
它通常是通过将固体表面上的钠离子与溶液中的其他阳离子进行交换，从而实现离子的吸附。
钠离子交换广泛应用于水处理、污水处理、制药工业等领域。
2. 钙离子交换：钙离子交换是指将溶液中的钙离子与固体表面上的其他离子进行交换。
钙离子交换在水处理、海水淡化、染料工业等领域有着重要的应用。
3. 镁离子交换：镁离子交换是指将溶液中的镁离子与固体表面上的其他离子进行交换。
镁离子交换在水处理、制药工业、冶金工业等领域有着广泛的应用。
二、阴离子交换吸附顺序：1. 氯离子交换：氯离子交换是最常见的阴离子交换吸附顺序之一。
它通常是通过将固体表面上的氯离子与溶液中的其他阴离子进行交换，从而实现离子的吸附。
氯离子交换在水处理、环境保护等领域有着重要的应用。
2. 硝酸盐离子交换：硝酸盐离子交换是指将溶液中的硝酸盐离子与固体表面上的其他离子进行交换。
硝酸盐离子交换在水处理、冶金工业等领域有着广泛的应用。
3. 磷酸盐离子交换：磷酸盐离子交换是指将溶液中的磷酸盐离子与固体表面上的其他离子进行交换。
磷酸盐离子交换在水处理、农业、食品工业等领域有着重要的应用。
离子交换吸附顺序的选择通常取决于溶液中的离子组成以及需要去除或富集的离子。
不同的离子交换材料具有不同的选择性，可以实现对特定离子的高效吸附。
离子交换吸附技术在环境治理、水处理、化学工业等领域发挥着重要的作用，为我们提供了清洁的水源和优质的产品。
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
第三章离子交换和吸附1
扩散对电中性的极小偏差，除了能以电势差 表现出来外，用化学方法是无法测出的。 道南排斥存在如下基本规律：
（ 1 ）树脂内部与外部水溶液之间浓度差越大， Edon 越大， 排斥作用越强，电解质的非交换吸入量就越小。 （2）当树脂的交联度增大或交换容量增大时，其内部反 离子浓度亦将增大，如果此时外部溶液电解质浓度不 变，则Edon大，电解质的非交换吸入量将会减少。 （3）排斥作用与静电作用力有关，因此： A 同离子价数越高，越受排斥，如 NaCl 与 Na2SO4 相比较，后者更难以中性电解质形式进入阳树脂。 B 反离子价数越高，排斥作用越弱，如 NaCl 与 CaCl2比，后者更易以中性分子形式进入阳树脂内。
第三章 离子交换与吸附法
§3.1 概述 离子交换树脂吸附与吸附剂吸附都是从溶 液中将溶质组分转移至固相的方法，统称为吸 附法，在吸附平衡特性，动力学及使用技术与 设备方面均相同或相似，但它们的机理并不一 样，离子交换树脂的吸附作用主要是通过离子 间的静电引力发生的，是等当量的离子交换， 而一般的吸附剂不存在这种等当量交换作用， 吸附对象是分子，借助的是物理作用力或化学 键作用。
q表示A在树脂相中的平衡浓度，C表示A 在溶液中的平衡浓度；同时以Q表示A＋ B在树脂相中平衡浓度，C0表示A＋B在 溶液相中的平衡浓度
C ) q/Q(1 C) C [ ] q(C ~ [RA] B 0 0 K q) q) C (1 [ RB ][ ] (Q C A Q C 0
（2）Vermeulen准数判断法
D D 4 . 8Q p ( ) P V e e D Co 2
uR Pe 3 ( 1 )D
1 2
ε －床层空隙率，ε
－颗粒内孔隙率， D、D －两相中离子扩散系数，u －液体流速 R －树脂颗粒半径（m） 当Ve＜0.3 为PDC控制，Ve＞3.0为FDC控 制，0.3＜Ve＜3.0为PDC、FDC皆起作用的中间 状态。
1吸附与离子交换
1吸附与离子交换：a吸附主要是指化学物质在气固或液固两相介质中，在固相中浓度升高的过程，包括一切使使溶质从气象或液相转入固相的反应。
B离子交换，借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换,以达到提取或去除溶液中某些离子的目的,是一种属于传质分离过程的单元操作。
2固体废物及固体废物的处理与处置：a固体废物是指人类在生产建设，日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固体，半固体废弃物。
B固体废物的处理与处置，是将固体废物焚烧或用其他改变固体废物物理化学生物特性的方法，达到减少已产生的固体废物的数量，缩小固体废物的体积，减少消除其他危害成分的活动，或将固体废物最终置于环境保护规定要求的场所或设施不再回取的活动。
3温度层结与逆温：a温度层结是指在地球表面上方大气温度随高度变化的情况，即在垂直方向上的气温垂直分布。
B逆温，由于近地层大气的情况比较复杂，有时会出现气温随高度递增的情况，即逆温。
4环境噪声与连续等效A声级：a环境噪声，通常把干扰人们休息，学习和生活，即人们不需要听到或对人体健康有害的声音称为环境噪声。
B等效A声级，将一定时间内不连续的噪声能量用总工作时间进行平均的方法来评价噪声对人的影响，即等效连续A声级，它是一个相同时间T内与起伏噪声能量相等的连续稳态的A声级。
5生态系统与生态平衡：a生态系统就是在一定的空间中共同栖居的生物与其环境之间通过物质循环与能量流动过程而形成的统一整体。
B 生态平衡，生态平衡是生态系统的一种状态，在这种状态下系统的结构组成相对稳定，功能得到最大发挥，物质与能量的流入，流出协调一致，即系统保持高度有序的状态。
6土壤背景值与环境容量：a背景值，亦称自然本底值，是指在不受污染的情况下，组成环境的各要素中与环境污染有关的各元素的含量及其基本化学成分，它反映环境质量的原始状态。
B环境容量是指环境所能承受污染物的最大量。
7水质与水质指标：a水质即水的品质，是指水与其中所含杂质共同表现出的物理、化学和生物的综合特性。
离子交换和吸附
Yb表观选择性系数 。 给定X与后，Y的值随Co而变化。 3.2.1.5 分配比与分离系数
q C
用湿树脂体积表示时λ 为无因次的量，用 干树脂重量表示时，λ 的单位为m3/kg。
定义为交换平衡中的A、B的分离系 数，它等于A、B的分配比的比值
[ Na ] [Cl ]
[ Na ][Cl ] [Cl ]
[ Na ] [ R ] [Cl ]
2
[ Na ][C l ] ([R ] [Cl ])[Cl ]
[C l ] [Cl ] [ R ][Cl ]
2 2
2 ] ] [Cl [Cl 2
[C l ] [Cl ]
• 树脂中 [R ] 浓度很高时，同离子[Cl ]浓度 很小，阳离子交换树脂中的固定离子 [R ] 可高达5mol/L，故它的同离子进入树脂中 的量极微。
3.2.3.2 道南位与道南排斥
如果RA型树脂与AY型电解质水溶液接触， 因为树脂上的反离子与溶液中的可交换离 子为同一种离子A，所以从表面上看，没有 离子交换反应发生。但由于树脂中的微孔 的毛细管吸入作用，中性电解质AY仍可被 吸入交换剂内，只不过这时A和Y都不占据 交换剂中的交换位置，这种作用称为非交 换吸入。
§3.2
离子交换平衡
3.2.1 基本概念 阳离子交换树脂的可交换离子是阳离子（又称反 离子），或者说阳离子交换树脂阻止同离子（阴离子） 进入树脂相而允许反离子（阳离子）进入树脂相。阴 离子交换树脂亦然，只不过阴树脂的同离子是阳离子， 反离子是阴离子。 离子交换过程: （1）吸附—漂洗—解吸 （2）吸附—漂洗—解吸—漂洗 （3）吸附—漂洗—淋洗—解吸—漂洗
环境工程学节 离子交换和吸附
树脂 类型
有效 pH范
围
强酸性离 子交换树
脂
1~14
弱酸性离 子交换树
脂
强碱性离子 交换树脂
弱碱性离 子交换树
脂
5~14
1~12
0~7
7
7
（二）离子交换树脂的性质
2. 交换容量
定量表示树脂交换能力的大小，单位为mol/kg(干 树脂)或mol/L(湿树脂)；
交
全交换
换
容量
容 量
工作交 换容量
一定量的树脂所具有的活性 基团或可交换离子的总数量
树脂在给定工作条件下实际 的交换能力
8
（二）离子交换树脂的性质
3. 交联度 交联度较高的树脂，孔隙较低，密度较大，离子
扩散速度较低，对半径较大的离子和水合离子的交换 量较小，浸泡在水中时，水化度较低，形变较小，也 就比较稳定，不易破碎。
4. 交换势
水中交换离子的交换势大，交换离子越容易取代 树脂上的可交换离子，也就表明交换离子与树脂之间 的亲和力越大。
A、 小孔（微孔）：孔径在2nm以下，其表面积占总表面 积的95%以上，吸附量主要由小孔支配。
B、中孔（过渡孔）：孔径为2-100nm ,表面积占比表面积 的5%以下。它为吸附质提供扩散通道，影响大分子物质的吸 附。
C、大孔：孔径为100-10000nm，表面积只有0.5-2m2/g， 占比表面积不足1%，主要为吸附质提供扩散通道。
31
（一）吸附剂
1. 活性炭
※实际应用中，应根据吸附质分子的大小和活性炭
的细孔分布来选择合适的活性炭。
32
（一）吸附剂
1. 活性炭 （3）活性碳的表面化学性质
活性炭是非极性的，但在制造过程中， 处于微晶体边缘的碳原子由于共价键不饱 和，易与氢、氧结合形成各种含氧官能团 ，具有微弱的极性。
离子交换与吸附
中南大学 稀有金属冶金研究所
第（1）与（7）步骤为对流扩散，其速率在10－2m/S数量级， 而（ 4 ）为化学反应，其速率通常大于 10－ 2m/S, 因此都不可 能成为速度的控制步骤。（ 2 ）与（ 6 ）步骤称为膜扩散， （3）与（5）步骤为粒扩散，其速率都在10－5m/S数量级， 因此往往成为速度的控制步骤。
离子交换原理
中南大学 稀有金属冶金研究所
– 离子交换过程是被分离组分在水溶液与固体离子交 换剂之间发生的一种化学计量分配过程。
mRn B nAm nRm A mBn
– 吸附主要是通过离子交换剂上的固定基团与反离子 间的静电引力,同时也可能存在其它化学键合。
– 与萃取类比：
• 酸性络合萃取（阳离子交换） • 离子缔合萃取（阴离子交换）
中南大学 稀有金属冶金研究所
电解质溶液浓度与非交换吸入量关系
电解质溶液浓度 （元电荷物质浓度, mol/L）
0.01 0.1 0.32 1.0 3.2
非交换吸入量（Y／Q）％
0.01 ～1 ～8 ～50 ～250
离子交换动力学
• 从动力学角度上说，离子交换过程的实质是 – 水相与树脂相之间的传质过程
对离子交换设备的基本要求是：
（1）树脂与溶液应接触良好; （2）树脂在柱内停留时间要长，溶液在柱内停留时间在保证吸附率前提 下应尽量短; （3）树脂相与溶液相容易分离; （4）尽量减少或避免树脂的磨损与破碎。
中南大学 稀有金属冶金研究所
• 固定床
– 固定床是工程上使用最为普遍的一类离子交换设备 – 优点
道南势EDon:
当RA型阳树脂与强电解质AY的稀溶液接触时，树脂相中阳离子A ＋的浓度远远大于稀溶液中A＋的浓度，故少量A＋从树脂相进入溶 液相，而溶液中的极少量Y－进入树脂相，致使树脂相带负电荷， 溶液相带正电荷，从而在两相间形式一个电势差，称之为道南势 EDon。 显然道南势一建立，静电作用将阻止A＋继续进一步离开树脂相， 排斥Y－进入树脂相，直到浓度差所产生的作用与道南势的作用相 抵消即达到平衡为止。离子交换树脂对电解质的这种排斥作用， 通常称为道南排斥。所以一般情况下，稀溶液中可忽略中性分子 进入树脂相。
吸附和离子交换
吸附和离子交换吸附（Adsorption）：是指溶质从液相或气相转移到固相的现象。
固相—吸附剂（Adsorbent）：一般为多孔颗粒。
按吸附作用力的不同将吸附分为三个类型：物理吸附：依靠吸附剂表面与溶质间的范德华力化学吸附：吸附剂表面活性点与溶质间发生化学结合、产生电子转移现象离子交换：吸附剂表面含有离子或可离子化的基团通过静电力吸附带有相反电荷的离子吸附剂：主要指以物理吸附为主的固体吸附材料。
吸附原理：主要依靠吸附剂与待分离物质间的分子间引力，即范德华力。
特点：（1）选择性差（2）吸附和解吸速度快吸附本质：U范德华=U定向+U诱导+U色散定向力：由于极性分子的永久偶极矩产生的分子间的静电引力；诱导力：极性分子与非极性分子之间的吸引力，极性分子产生的电场会诱导非极性分子极化，产生诱导偶极矩。
色散力：指非极性分子间的引力◎离子交换剂原理：吸附剂表面由极性分子或离子组成，能够吸附溶液中带相反电荷的离子形成双电层，同时在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，同时要放出相应摩尔数的离子于溶液中。
溶质的电荷是交换吸附的决定因素，所带电荷越多，在吸附剂表面相反电荷点上的吸附力越强。
离子交换法是利用带电的被分离物质与离子交换填料上的离子交换能力的不同而进行分离的方法。
离子交换剂离子交换层析材料离子交换树脂离子交换剂的组成：三部分●惰性的不溶性的高分子固定骨架，也称载体；●与载体以共价键连接的不能移动的活性基团，也称功能基团；●与功能基团以离子键连接的可移动的活性离子，也称平衡离子。
◎离子交换剂的载体及其特点1、离子交换树脂载体：苯乙烯-二乙烯苯型最常用丙烯酸-二乙烯基苯酚醛树脂多乙烯多胺-环氧氯丙烷树脂特点：（1）强度好，流速较高（2）较高的离子交换当量（3）耐强酸、强碱（4）抗污染能力强适用范围：（1）中小生物物质的纯化：氨基酸、抗生素、部分中药有效成分等；（2）除盐、除重金属离子（如去离子水）、去色素等。
吸附与离子交换
吸附平衡：当吸附速度和解吸速度相等时，即单位时间内吸附的数量等于解 吸数量时，则吸附质在液相中和吸附剂表面上的浓度都不再改变，此时称为达到 吸附平衡。
吸附容量(adsorptivecapacity)：单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的质量， 一般用 q 表示，单位 mg/g 或 g/g。
过程：待分离的料液进入吸附剂；②吸附质被吸附在吸附剂表面；料液流出； 吸附质吸附剂再生
②的过程：吸附质从流体主题通过分子对流扩散穿过薄膜或边界层传递到吸 附剂的外表面，称之为外扩过程；吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微 孔结构的内表面，称之为内扩散过程；吸附质沿孔的表面进行扩散，被吸附在孔 的表面上。
6) 吸附牢固，解吸困难 1.2.2.3 离子交换吸附的特点
1) 指吸附质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上，并置 换出原先固定在这些带电点上的其他离子。
2) 吸附力为静电引力 3) 有一定的选择性 4) 吸附热与物理吸附相近
1.2.3 吸附法的优缺点
优点： 1) 有机溶剂掺入少 2) 操作简便，安全，设备简单 3) pH 变化小，适于稳定性差的物质
1.3.2 吸附的工艺和设备
1.3.2.1 间歇吸附 1) 将料液和吸附剂放在容器内搅拌，平衡后排出吸余液 2) 槽式吸附操作适用于外扩散控制的吸附传质过程。 3) 使用搅拌使溶液呈湍流状态，颗粒外表面的膜阻力较少。
1.3.2.2 连续式 固定床 吸附剂固定填放在吸附柱(或塔)中 形式：是最普通和最重要的形式，用于大型生产过程。 设备、操作：固定床就是一根简单的、充满吸附剂颗粒的竖立管子，含目标
吸附与离子交换
吸附是放热过程，低温有利于吸附，升温 有利于脱附.
吸附工艺和设备
间歇式
操 作 方 式
连续式
将料液和吸附剂放在容器内搅拌，平衡后排 出吸余液
固定床 移动床
吸附剂固定填放在吸附柱(或 塔)中
在操作过程中定期地将接近饱 和的一部分吸附剂从吸附柱中 排出，并同时将等量的新鲜吸 附剂加入柱中
流化床
吸附与离子交换
概述
吸附（定义）
一种物质从一相转移到另外一相的现象称为吸附 物质从流体相浓缩到固体表面
固—液界面上的吸附： 吸附剂：具有吸附能力的固体物质。 吸附质：被吸附的物质。
典型பைடு நூலகம்吸附过程包括四个步骤：
待分离的料液 通入吸附剂
吸附质被吸附 在吸附剂表面
吸附质解吸 吸附剂再生
料液流出
吸附: 典型的表面现象
吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态， 悬浮于由下而上的水流中
吸附工艺
一、间歇吸附
吸附过程计算
Y0
W
W (Y0 Y1) L(X1 X0)
X0 Y1
A
Y0
－L / W
Y1
B
Y
X1
X0 X1
X 图 13－ 3 单 级 吸 附 操 作 流 程
W—溶液中溶剂的质量，kg L—吸附剂的质量，kg;
吸附工艺
大孔吸附树脂
极性大孔吸附树脂 (硫氧基、酰胺、N-O基、磺酸基)
酰胺基团 硫氧基团 N-O基团
大孔吸附树脂
吸附性原理
树脂本身具有吸附性 吸附力是范德华力或氢键作用的结果
筛选性原理
树脂为多孔性结构，具有分子筛的作用
有机化合物根据吸附力的不同及分子量的 大小，在树脂的吸附机理和筛分原理作用 下实现分离。
第九章吸附与离子交换
Langmuir假设：吸附剂表面均一，各处的吸附能相同；吸附 是单分子层的，当吸附剂表面为吸附质饱和时，其吸附量达到 最大值；在吸附剂表面上的各个吸附点间没有吸附质转移运动 ；达动态平衡状态时，吸附和脱附速度相等。
q qmk1c kc 1k1ce 1k1
1 1 1 q qmk1c qm
式中 q-平衡吸附量 c-液相平衡浓度 qm-与最大吸附量有关的常数； k1-与吸附能有关的常数。
一般工业吸附剂难于同时满足这八个方面 的要求，应根据不同的场合选用.
36
（1）活性炭
• 活性炭是一种非极性吸附剂。 外观为暗黑色，由含炭为主的物质为原料，经高温炭 化和活化制得的疏水性吸附剂。
• 粒状(granular activated carboan, GAC) • 粉状(powder activated carboan, PAC)两种。 • 活性炭主要成分除碳外，还含有少量的氧、氢、硫等元
而减小，而活性炭的吸附容量却随着有机物在水 中溶解度的减少而增加，也即吸附量随有机物分 子量的增大而增加。 • 如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸＜乙酸＜丙酸 ＜丁酸的次序而增加。 ②使液体表面自由能降低得越多的吸附质则越容 易被吸附。
（3）操作条件
①温度： 吸附是放热过程，低温有利于吸附。
②pH: pH值影响到溶质的存在状态(分子、离子、络合物)，
qecsce1 km q kce 1ce/cs
式中 cs—吸附质的饱和浓度； k—常数，与吸附剂和吸附质的相互作用能有关。
三、 吸附工艺和设备
间歇 式 操 作 方 式
将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌 30min左右，然后静置沉淀，排除澄清液
固定床 (fixed bed)
连续式 移动床 moving bed
吸附和离子交换
吸附和离子交换吸附（Adsorption ）：是指溶质从液相或气相转移到固相的现象。
固相 — 吸附剂（Adsorbent ）：一般为多孔颗粒。
按吸附作用力的不同将吸附分为三个类型：物理吸附：依靠吸附剂表面与溶质间的范德华力化学吸附：吸附剂表面活性点与溶质间发生化学结合、产生电子转移现象离子交换：吸附剂表面含有离子或可离子化的基团通过静电力吸附带有相反电荷的离子 吸附剂：主要指以物理吸附为主的固体吸附材料。
吸附原理：主要依靠吸附剂与待分离物质间的分子间引力，即范德华力。
特点： （1）选择性差 （2）吸附和解吸速度快吸附本质： U 范德华=U 定向+U 诱导+U 色散定向力：由于极性分子的永久偶极矩产生的分子间的静电引力；诱导力：极性分子与非极性分子之间的吸引力，极性分子产生的电场会诱导非极性分子极化，产生诱导偶极矩。
色散力：指非极性分子间的引力◎离子交换剂原理：吸附剂表面由极性分子或离子组成，能够吸附溶液中带相反电荷的离子形成双电层，同时在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，同时要放出相应摩尔数的离子于溶液中。
溶质的电荷是交换吸附的决定因素，所带电荷越多，在吸附剂表面相反电荷点上的吸附力越强。
离子交换法是利用带电的被分离物质与离子交换填料上的离子交换能力的不同而进行分离的方法。
离子交换剂 离子交换层析材料 离子交换树脂离子交换剂的组成：三部分●惰性的不溶性的高分子固定骨架，也称载体；●与载体以共价键连接的不能移动的活性基团，也称功能基团；●与功能基团以离子键连接的可移动的活性离子，也称平衡离子。
◎离子交换剂的载体及其特点1、离子交换树脂载体：苯乙烯-二乙烯苯型 最常用 丙烯酸-二乙烯基苯酚醛树脂 多乙烯多胺-环氧氯丙烷树脂特点：（1）强度好，流速较高 （2）较高的离子交换当量（3）耐强酸、强碱 （4）抗污染能力强适用范围：（1）中小生物物质的纯化：氨基酸、抗生素、部分中药有效成分等；（2）除盐、除重金属离子（如去离子水）、去色素等。
离子交换与吸附
离子交换与吸附
离子交换是指利用离子交换膜、离子交换树脂等介质，以一定的压力或电势使溶液中的离子交换，以实现分离、纯化、浓缩等操作的技术。
离子交换主要有催化离子交换、离子交换吸附、离子交换沉淀法等，是应用范围最广的分离纯化技术。
吸附是指溶液中的某种微粒以极薄介质覆盖表面，形成微膜，使溶液中的某些离子或分子吸附到表面上的一种物理现象。
一般来说，吸附必须要有一个吸附介质，它是把吸附的物质物理地粘附在它的表面上。
吸附可以用于分离、纯化某些物质，也可以用于修饰试管、滤纸等，大大增加试管、滤纸的选择性。
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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K~
3－2 等价交换时的平衡图
在
K~＞1时，(a面) 积K~S＞Ⅱ＞1 S1；K~
(b) K~＜1
＜1时，面积SⅡ＜S1，
K＝
S y(1 X ) S (1Y )X
图3－3 离子交换q－C平衡图
在工程上， 曲线1 为线性平衡 f″(c)＝0 曲线2 为有利平衡 f″(c)＜0 曲线3 为不利平衡 f″(c)＞0 曲线4 为带拐点的平衡 曲线5 为不可逆平衡
§3.2 离子交换平衡
3.2.1 基本概念
阳离子交换树脂的可交换离子是阳离子（又称反 离子），或者说阳离子交换树脂阻止同离子（阴离子） 进入树脂相而允许反离子（阳离子）进入树脂相。阴 离子交换树脂亦然，只不过阴树脂的同离子是阳离子， 反离子是阴离子。
离子交换过程:
（1）吸附—漂洗—解吸 （2）吸附—漂洗—解吸—漂洗 （3）吸附—漂洗—淋洗—解吸—漂洗
（2）当树脂的交联度增大或交换容量增大时，其内部反 离子浓度亦将增大，如果此时外部溶液电解质浓度不 变，则Edon大，电解质的非交换吸入量将会减少。
3.2.1.3 选择性系数
号 离。 子平K。~衡＜K系~ 1＞数表1也明则称该表为树明选脂该择对树性B脂离系对子数A的离，选子并择的标性选以大择K~于性符A大 于B离子。
B A A K% [RA][
K A B B
[RB][
] ]
[RA] /[RB] [ A ] /[B ]
[RA] /[ [RB] /[
3.2.1.1 平衡常数 离子交换的基本反应如下：
RB＋A＋＝RA＋B＋
K aRA aB [RA][B] rRA rB aRB aA [RB][A] rRB rA
K [RA][B] rRA [RB][ A] rRB
3.2.1.2 平衡系数
K~
[RA][B] [ RB][ A]
K
rRB rRA
用相抵消即达到平衡为止。离子交换树脂对电解
质的这种排斥作用，通常称为道南排斥。所以一 般情况下，稀溶液中可忽略中性分子进入树脂相。
扩散对电中性的极小偏差，除了能以电势差 表现出来外，用化学方法是无法测出的。
道南排斥存在如下基本规律：
（1排）斥树作脂用内越部强与，外电部解水质溶的液非之交间换浓吸度入差量越就大越小，。Edon越大，
q＝f(C)函数有下列几种类型：
（1） 亨利型（线性关系型） q＝λC
（2）朗格谬尔型（双曲线型）
q mc
L nc
当水相浓度较低时，上式可简化为q＝λC
( m )
L
（3）弗南德里希型
q mc1/ n
lg q m lg c n
3.2.3 道南平衡膜理论 3.2.3.1 道南平衡
将树脂表面设想成为一种半透膜，达到平衡
Y b (1 X a (1 Y a • X b
(C0 Q
ab
Yb (1 Y )a
K~( Q Co
)a
b
Xb (1 X
)a
K~
Q C0
a b 称为平衡参数或表观选择性系数
。
给定X与后，Y的值随Co而变化。
3.2.1.5 分配比与分离系数
q
C
用湿树脂体积表示时λ为无因次的量，用 干树脂重量表示时，λ的单位为m3/kg。
K~
[RA][B] [RB][A ]
q(C0 C) (Q q)• C
q/Q(1 C C0 )
(1
q Q )•
C C0
令Y＝q/Q X＝C／C0
K~ Y (1 X ) (1 Y ) X
Y K~ X 1Y 1 X
等价离子交换的情况，固定X，则Y固定。
3.2.1.4 平衡参数 aRbB＋bAa＋＝bRaA＋aBb＋
定义为交换平衡中的A、B的分离系 数，它等于A、B的分配比的比值
A/ B
A
[RA][B]
K
A B
[ RB][ A]
B
A/ B＞1 表示A的选择性大于B。而对于 不等价交换情况，此时 A/ B不等于选择性 系数。这就是说与在概念上是有区别的
3.2.2 平衡等温线与平衡图
y
1
K~X X
K~X
图3－1 离子交换平衡图
很小，阳离子交换树脂中的固定离子 [R] 可高达5mol/L，故它的同离子进入树脂中
的量极微。
3.2.3.2 道南位与道南排斥
如果RA型树脂与AY型电解质水溶液接触， 因为树脂上的反离子与溶液中的可交换离 子为同一种离子A，所以从表面上看，没有 离子交换反应发生。但由于树脂中的微孔 的毛细管吸入作用，中性电解质AY仍可被 吸入交换剂内，只不过这时A和Y都不占据 交换剂中的交换位置，这种作用称为非交 换吸入。
[Na ] [Cl ]
[Na ][Cl ] [Cl ]2
[Na ] [R ] [Cl ]
[Na ][C l] ([R ] [Cl ])[Cl ]
[C
l
]2
[Cl
]2
[R
][Cl
]
[Cl ]2 [Cl ]2
[C l] [Cl ]
•
树脂中
[R ]
浓度很高时，同离子[Cl ]浓度
时，膜两侧电解质的化学位应相等 Nacl Nacl
电解质的化学位可表示RT
ln
a Na
Cl
RT
ln
aCl
Na
RT
ln
a Na
Cl
RT ln a Cl
a Na
•
a Cl
a Na
•a Cl
稀溶液中可用浓度代替活度
[Na ][Cl ] [Na ][Cl ]
当RA型阳树脂与强电解质AY的稀溶液接触时， 树脂相中阳离子A＋的浓度远远大于稀溶液中A＋的 浓度，故少量A＋从树脂相进入溶液相，而溶液中 的极少量Y－进入树脂相，致使树脂相带负电荷， 溶液相带正电荷，从而在两相间形式一个电势差， 称之为道南势EDon。显然道南势一建立，静电作 用将阻止A＋继续进一步离开树脂相，排斥Y－进入 树脂相，直到浓度差所产生的作用与道南势的作
) K
A B
K~ Ra A b Bb a [Rb B]a [ Aa ]b
qb (C0 C a (Q q)a • C b
用
Qa
C0a
Qb
C
b 0
分别除以分子、分母，
) ) ) K~
(q / Q)b (1 C C0 )a (1 q Q)a • (C C0 )b
Qb • C0a Qa • C0b
] ]
选择性系数是树脂相中A与B的浓度比率 与平衡水相中A与B的浓度比率之比；或者说 选择性系数是A的分配比与B的分配比的比值。 在稀溶液中选择性系数近似可看作常数。
q表示A在树脂相中的平衡浓度，C表示A 在溶液中的平衡浓度；同时以Q表示A＋ B在树脂相中平衡浓度，C0表示A＋B在 溶液相中的平衡浓度