第七章吸附与离子交换_图文
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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)
式中: q——表观吸附量; m——吸附剂的量; V——溶液体积; C0——溶质的原始浓度; C*——平衡后溶液中溶质浓度。
7.3分批与连续吸附
7.3.1分批吸附
(1)操作方法 (2)计算
分批吸附取决于吸附平衡和吸附的质量平衡。 ①相平衡关系式(吸附等温线)为:
②质量平衡为物料关系式如下:
(的式最中终C和浓C度0—和—进在料溶浓液度中,的H—最—终料浓液度,和W进—料—浓吸度附,剂q和的q数0—量—) 吸附剂上
子间定向作用力
7.1.3吸附的特点
(1)处理能力较小; (2)吸附过程对溶质的作用较小; (3)可直接从发酵液中分离所需的产物; (4)溶质和吸附剂之间的平衡关系通常是非线性关系
。
7.1.4吸附剂与离子交换剂
7.1.4.1吸附剂与离子交换剂通常应具备以下特征 – 对被分离的物质具有较强的吸附能力; – 有较高的吸附选择性; – 机械强度高; – 再生容易、性能稳定; – 价格低廉。
几何特性,两相接触的流动状况及温度、压力等操作条件 有关。
内(固相)扩散传质速率方程
式中 : ks——吸附剂固体相侧的传质系数, m/s; qi——吸附剂外表面上的吸附质含量,与Ci成平衡; q*——吸附剂上的吸附质的平衡含量。
其中ks与固体颗粒的微孔结构,吸附质的物性以及吸 附过程持续的时间等因素有关,其数值须由实验测定。
大孔网状吸附树脂的种类
• 非极性吸附树脂:苯乙烯交联而成,交联剂为二乙烯苯, 又称芳香族吸附剂。
• 中等极性吸附树脂:甲基丙烯酸酯交联而成,交联剂亦为 甲基丙烯酸酯,故又称脂肪族吸附剂
。 • 极性吸附剂:丙烯酰胺或亚砜经聚合而成,通常含有硫氧
、 酰胺、氮氧等基团。
大孔吸附树脂的吸附机理
非离子型共聚物,借助于范德华力从溶液中吸附各 种有机物,其吸附能力与树脂的化学结构、物理性能以 及与溶质、溶剂的性质有关。通常遵循以下规律: – 非极性吸附剂可从极性溶剂中吸附非极性溶质; – 极性吸附剂可从非极性溶剂中吸附极性物质; – 中等极性吸附剂兼有以上两种能力。
若外扩散很快,过程为内扩散控制,C接近Ci,则: Ks≈ks。
吸附特性: ⑴在液-固界面吸附过程中,有三种作用力:
a.界面层上固体与溶质之间的作用力; b.固体与溶剂之间的作用力; c.在溶液中溶质与溶剂之间的作用力。
实际上,固体在溶液中的吸附是溶质和溶剂分子争夺 表面的净结果,有正吸附和负吸附。 ⑵影响吸附的因素:温度、溶液的浓度和吸附剂的结构性能 、溶质和溶剂的性质等。 ⑶吸附量的测定:根据下式计算
式中:q*—单位质量吸附剂上吸附的吸附质量;C*—吸附质的平衡 浓度;k和n—经验参数,它们可从双对数座标图上曲线的截 距和斜率来求得。是一种经验公式。
③兰格缪尔(Langmuir) 等温线 A:表达式:
或
Kd—吸附平衡的解离常数;Kb—结合常数; Kd =1/ Kb 。
将q*-1对c-1作图,其截距是qmax-1,斜率是kb/qmax 。 B:讨论:
操作步骤:
①罐内先置纯溶剂和新鲜吸附剂W;
②料液以浓度Cf,以流量H流入搅拌罐中;残液以同样 的流量H从罐中流出, 其浓度C随时间而变化C(t) 。吸附剂上溶质的浓度为q也随时间而变化q(t)。由 于搅拌良好,可认为罐内浓度处处相等,并等于流出 液的浓度。
总传质速率方程
式中:
C*——与吸附质含量为q的吸附剂呈平衡的流体中吸附质浓度kg/m3; q*——与吸附质浓度为C的流体相呈平衡的吸附剂上吸附质含量; Kf——与ΔC=C-C*为推动力的总传质系数,m/s; Ks——与Δq=q*-q为推动力的总传质系数,kg/s·m。
若内扩散很快,过程为外扩散控制,qi接近q,则: Kf≈kf;
表7-4 主要离子交换基团及其结构(2)
常用于蛋白质离子交换的离子交换剂:
表7-5 部分市售离子交换剂的离子交换容量和蛋白质的离子交换容量
离子交换树脂的命名
凝胶型
● ● ● ×● D ● ● ●
001×7:
交联度数值 顺序号 骨架代号
交联度为7% 顺序号为1 0-苯乙烯系
分类代号 顺序号
0-强酸性
大孔吸附树脂常用的解吸方法
• 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。
7.1.4.3常用离子交换剂
表7-4 主要离子交换基团及其结构(1)
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 ;
平衡时的平衡常数 最终得:
,其中
即钠离子交换树脂上的吸附相当于兰格缪尔等温线
⑵对于不等价离子交换
平衡时
,其中
最后得到一复杂的代数式,反映钙离子的吸附情况符合弗 罗因德利希等温线。将上式变化以下得
7.2.4吸附速率与吸附特性
吸附过程: 由外扩散、内扩散和吸附三步进行。
吸附的传质速率方程: 外扩散传质速率方程 内扩散传质速率方程 总传质速率方程
第七章吸附与离子交换_图文.ppt
生化分离过程的一般流程:
原料液
细胞分离(离心,过滤)
细胞-胞内产物
清液-胞外产物
细胞破碎
包含体
碎片分离
ห้องสมุดไป่ตู้
溶解(加盐酸胍、脲) 复性
粗分离(盐析、萃取、超过滤等) 纯化(层析、电泳)
脱盐(凝胶过滤、超过滤)
浓缩(超过滤) 精制(结晶、干燥)
7. 吸附与离子交换
7.1概述 7.2吸附过程的理论基础 7.3分批与连续吸附 7.4固定床吸附和膨胀床吸附 7.5离子交换吸附 7.6离子交换吸附的应用 7.7其他类型的吸附
外(液相)扩散传质速率方程
式中:
q ——吸附剂上吸附质的含量,即吸附质(kg)/吸附剂(kg); θ——时间; α p——吸附剂的比表面积, m2/g; C ——流体相中吸附质的平均浓度,kg/m3; Ci ——吸附剂外表面上流体相中吸附质的浓度,kg/m3; kf ——流体相侧的传质系数,m/s。与流体物性、吸附剂颗粒的
⑶等温线的类型(见图7-5) ①直线型的吸附等温线(Henry等温线)
表达式 q* = mC*,m为分配系数。此等温线不常见,一般 在低浓度范围内成立。但可在一定范围内近似其它等温线 ,使其计算简化。
②弗罗因德利希(Freundlich)等温线 经验公式: q* = kC*1/n 其对数形式是: lgq* = lgk + n-1lgC*
界面
图7-4 界面分子的内部分子所受的力
7.2.2吸附平衡与吸附等温线
吸附平衡: 溶质在液-固两相中的含量各达到一定值,即互呈平衡。
吸附等温线: ⑴定义:在恒定温度下,当溶质在液固两相间达到吸附平衡
时,吸附剂上吸附的吸附质量与液相中游离溶质浓 度C*关系曲线。是一种函数关系,是吸附平衡的表 达方法。 ⑵用处:①确定吸附量;②推断吸附剂结构;③吸附热的理 化性质。
吸附质解 吸附
Step4
7.1.2吸附的类型
(1)物理吸附: 由吸附质与吸附剂之间的分子间引力即范德华力所
引起。放热,可逆,单分子层或多分子层,选择性差。
(2)化学吸附: 由吸附质与吸附剂间的化学键所引起,是吸附剂表
面活性点与溶质之间发生化学结合、产生电子转移的现 象。放热量大,单分子层,选择性强。
(3)离子交换吸附: 利用离子交换树脂作为吸附剂,将溶液中的待分离
组分,依据其电荷差异,依靠库仑力吸附在树脂上,然 后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来,从而 达到分离的目的。吸附剂吸附后同时放出等当量的离子 到溶液中。
表7-1 物理吸附与化学吸附的比较
备注:a. 大,对化学键的形成与破裂同化学反应相似;
重排后则得:
上式又称操作线方程,是一线性方程式。斜率为负值,
截距为( 7-6所示。
)用图解法或解析法求解之,如图
q0
平衡吸附点
c 7-6
7.3.2连续吸附
适用于中等规模的分离,吸附装置与过程如图7-7所 示,在操作过程中液-固一般不会达到真正的吸附平衡 。
7-7
吸附过程的动力学行为分析: ① 不发生吸附时,离开罐时的溶质的浓度也随时间而改 变; ② 吸附速率无限快,出口中C将迅速达到一个很低的 值,然后缓慢增加,当吸附剂为溶质饱和时,出口中 的C又以不发生吸附时那样的规律上升; ③ 在大多数情况下,吸附过程介于两者之间,吸附速率 为一有限值。
氯乙烯系
离子交换剂性能的评价和测定: (1)颗粒度 机械筛分 (2)含水量 105~110℃下干燥 (3)膨胀度 K膨胀=前体积/后体积 (4)交换容量
全交换容量是指一价离子mmol/g干树脂或mmol/V湿树脂; 工作容量是指漏出点时的交换容量。 (5)滴定曲线(见图7-3)
静态下交换反应,平衡后测定溶液pH值,绘制成 的曲线。用滴定曲线估算交换容量;推算交换基团的 数目。
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
两性
脲醛系
氧化还原性
b. 任何表面上均能吸附各种吸附质,整个表面吸附情况相同; c. 在吸附剂表面,存在有比一般吸附量更多的吸附点; d. 很快达到平衡; e. 只依赖于吸附质的物理化学特性; f. 依赖于吸附质和吸附剂的物理化学特性。
物理吸附力的本质
范德华力
• A 定向力 极性分子的永久偶极静电力 • B 诱导力 极性分子与非极性分子之间的吸引力 • C 色散力 非极性分子之间的引力(瞬间偶极) • D 氢键力 介于库仑引力与范德华引力之间的特殊分
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
a:[c]值高时,kbc*>>1,则饱和。 b:[c]值低时,kbc*<<1,被吸附的吸附质的量与吸附质
的平衡浓度呈线性关系。 C:Langmuir等温线是单分子层吸附。
④矩形吸附等温线
7-5
7.2.3离子交换平衡及等温线
(1)离子交换平衡 道南平衡:若以离子交换树脂为吸附剂,与溶液中溶质 建立的吸附平衡(静电力)称道南平衡。 例:RSO3-Na+树脂放在NaCl溶液中形成两相
①有机网状骨架上固定离子不能透 过固—液界面外;
②Na+和Cl-可透过界面自由扩散; ③扩散进行到界面两边电解质的化
学位相等时达到道南平衡。
④道南平衡导致树脂内对同离子的 部分排斥,这个现象产生了离子 交换和树脂的选择性,同时成为 离子排斥法的理论基础。
(2)离子交换等温线:
由离子交换平衡表现出来的等温线 ⑴对于单价离子交换
碱性、中性吸附,酸性洗脱; 酸性、中性吸附,碱性洗脱。 ⑤温度 未平衡前,随温度升高而增加。
(2)大孔网状吸附剂 • 优点:脱色去臭效果理想;对有机物具有良好的选择 性;物化性质稳定;机械强度好;吸附速度快;解吸 、再生容易。 • 缺点:价格昂贵,吸附效果易受流速以及溶质浓度等 因素的影响。
图7-2 打孔网状吸附剂的微观结构
7.1.4.2常用吸附剂
表7-2 生化分离中常用的多孔吸附剂
(1)活 性 炭(Active carbon)
表7-3 三种活性炭相关项目的比较 活性炭种类 颗粒大小 表面积 吸附力 吸附量 洗脱
粉末活性炭 颗粒活性炭
小 较小
大
大
大
难
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
图7-1 粉末活性炭和锦纶活性炭的构造