第七章吸附与离子交换_图文
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7分子筛的离子交换与修饰
(2)
Si O Si O Al O Si O H O Si O O Si
Si O + Al(OH)3 O Si O Al- O
Al(OH)2
+
O Si O O + H2O
(3)
Si O Si O Si O Al- O
Al(OH)2
+
Si O Na+ O + Na2H2EDTA Si O Al- O O Si O Si O O + NaAlEDTA H2O + H2O Si
图7-21 SiCl4脱铝反应器
Na [AlO 2 ( SiO 2 ) X ](固) + SiCl 4 (气) 高温 →[(SiO 2 ) X +1 ](固) + AlCl 3 (气 ) ↑ + NaCl (或NaAlCl 4 )
分子筛骨架的同晶置换
• 液固相 • 气固相
分子筛的镓化
图7-15 八面沸石骨架结构中Na+的位置
图7-16 25、82.2、100、180℃ La3+-NaY体系离子交换等温线
低温交换
La(H2O)93+ + NaY →La(H2O)93+·Na(SI)Y + Na+ La(H2O)93+直径7.92Å, La(H2O)93+只能自由扩 散进入八面沸石超笼与SII、SIII位置上Na+发 生交换。然而却难通过β笼窗口与SI位置上 的Na+发生交换反应。
鳌合脱铝
Si O Na+ 2 O Si O + H4EDTA 2 Si O Si O Al- O Si O Si O O Al O Si O H O Si O O
化工分离工程第7章 吸附
FLGC
活性氧化铝和分子筛的脱水性能比较
活性氧化铝:在水蒸气分压高的范围内吸附容量较高 沸石分子筛：在低水蒸气分压下吸附容量较高 因此，若要求水蒸气的脱除程度高，应选用？ 若吸附容量更为重要，则应选用？ 也可混用，先用氧化铝脱除大部分水，之后用分子筛进 行深度干燥。
FLGC
其他吸附剂
反应性吸附剂：能与气相或液相混合物中多组分进行化学 反应而使之去除。适用于去除微量组分（反应不可逆，不 能现场再生；吸附负荷高时，吸附剂更换过于频繁，不经 济）。 生物吸着剂：利用微生物将吸附的有机物氧化分解成二氧 化碳和水等，如工业废水的生化处理
FLGC
分子筛
分子筛亦称沸石，是一种晶态的金属水合铝硅酸盐晶体。
化学通式：Mex/n[(AlO2)x(SiO2)y]mH2O，其中Me阳离子，n 为原子价数，m为结晶水分子数 每一种分子筛由高度规则的笼和孔组成，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。
FLGC
根据原料配比、组成和制造方法不同可以制成各种孔 径和形状的分子筛。见课本表7-3。 强极性吸附剂，对极性分子如H2O、CO2、H2S等有 很强的亲和力，对氨氮的吸附效果好，而对有机物的 亲和力较弱。 分子筛主要用于气态物的分离和有机溶剂痕量水的去 除。
工业吸附剂可以是球形、圆柱形、片状或粉末状 粒度范围从50μm至1.2cm，比表面积从300至1200m2/g, 颗粒的孔隙度30%—85%, 平均孔径1-20nm 孔径：按纯化学和应用化学国际协会的定义，微孔孔径 小于2nm，中孔为2~50nm，大孔大于50nm
FLGC
1.密度
1）填充密度B（又称体积密度）: 是指单位填充体积的吸 附剂质量。通常将烘干的吸附剂装入量筒中，摇实至体积 不变，此时吸附剂的质量与该吸附剂所占的体积比称为填 充密度。
胶体化学第7章-2 固液界面的吸附作用
对稀溶液，Gibbs等温式可写作
c n RT c S
S :固体的比表面
将（１）式代入求导
Sc ( 0 m ) dn n s RT n dc
s 2
s 2
作不定积分
n RT ln n ln c ln a ( 0 m )S
s 2
s
set
n s RT 1 ( 0 m )S n
n ac
s 2
1
n
加而直线降低的关系导出的 关系式，只适用于中等覆盖度的化学吸附或物理 吸附。
1 =n / n ln Ac a s n2 k1 k2 ln c
s 2 s m
四、自电解质溶液中的吸附
1. 固体表面与介质在液体介质中带电
a.表面基团解离 b.吸附带电 c.非水介质中的带电... 为了保持荷电固体和介质的电中性，介质中的 与固体表面电荷符号相反的离子必将靠近表面 形成双电层（double layer）。
四、自电解质溶液中的吸附
2 双电层
Stern面
滑动面
－ － 溶剂分子 － 反离子 － －
表面电势
φ0
Stern电势
φδ
ζ
＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－ ＋ ＋－
－
紧密层（Stern层）
扩散层
例：AgNO3＋过量KCl →AgCl（晶体）＋K+＋Cl-＋NO3-
①Cl-可在AgCl晶体上吸附成牢固的化学结合
b 结构影响 ： 碳自水溶液中吸附量 在水中的溶解度
（2）溶剂影响
溶剂/溶质作用强烈，溶解度上升，吸附量降低 溶剂/吸附剂作用强烈，竞争吸附，吸附量降低
（3）吸附剂影响
土壤离子吸附和交换
第七章土壤离子吸附与交换第一节土壤胶体一、土壤胶体土壤胶体是土壤中高度分散的部分，是土壤中最活跃的物质，其重要性犹如生物中的细胞，土壤的许多理、化现象，例如土粒的分散与凝聚、离子吸附与交换、酸碱性、缓冲性、粘结性、可塑性等都与胶体的性质有关。
所以，只有深入研究土壤胶体的性质，才能了解土壤理、化现象发生的本质。
二、土壤胶体的种类和构造在胶体化学中，一般指分散相物质的粒径在1—100毫微米之间的为胶体物质，而土壤胶体微粒直径的上限一般取2000毫微米。
1.胶体的种类土壤胶体按其成分和特性，主要有三种：1）土壤矿质胶体：包括次生铝硅酸盐（伊利石、蒙脱石、高岭石等）、简单的铁、铝氧化物、二氧化硅等。
2）有机胶体：包括腐殖质、有机酸、蛋白质及其衍生物等大分子有机化合物。
3）有机-无机复合胶体：土壤有机胶体与矿质胶体通过各种键（桥）力相互结合成有机-无机复合胶体。
在土壤中有机胶体和无机胶体很少单独存在，只要存在这两类胶体，它们的存在状态总是有机-无机复合胶体。
2.土壤胶体的构造胶体的构造有两种形式。
若胶体内部组成的分子或离子排列组合有严格规律的为晶形胶粒；若排列无严格规律的则属非晶形胶粒。
土壤无机胶体多属晶形胶体，有机胶体多属非晶质胶体。
土壤胶体微粒构造，从内向外可分为几个圈层：胶核是胶粒的核心，土壤胶体胶核的成分由二氧化硅、氧化铁、氧化铝、次生铝硅酸盐腐殖质等的分子团所组成的微粒核。
微粒核表面的分子向溶液介质解离而带有电荷，形成一个内离子层；在内离子层外面，由于电性吸引，形成带有相反电荷的外离子层。
这两个电性相反组成的电层，称为双电层。
在双电层中，由于内离子层决定着胶体的电位，故又称决定电位离子层；双电层的外层，由于其电荷符号与内层相反，故又称反离子层，亦称补偿离子层。
补偿离子层的离子，因距离内层远近不同，所受的电性引力的大小也不同。
距离近者受吸引力大，不能自由活动，这一部分的离子层，称为非活性补偿离子层。
第七章 气体在固体表面上的吸附
吸附剂
常用的吸附剂： 1）硅胶：是无定型氧化硅水合物，典型的极性吸附剂。用
做干燥剂，催化剂载体，主要吸附非极性溶剂中的极性 物质。生产工艺简单，成本低廉，再生产温度低，机械 强度好 2）活性炭：是多孔型性含碳物质，主要由各种有机物质 （木、煤、果核、果壳等）经炭化和活化制成。具有高 度发达的孔隙结构，良好的化学稳定性和机械强度。主 要吸附非极性物质及长链极性物质（孔吸附，适合非极 性），由于存在表面含氧基团，也可吸附某些极性物质。 应用于化学工业、环境保护、食品工业。例：有毒气体 的吸附、各类水溶液的脱色、除臭、水质净化、食品及 药物精制等的各种废水处理
吸附热
吸附等温线 吸附等压线 吸附等量线 Langmuir吸附等温式 Freundlich吸附等温式 BET吸附等温式
吸附剂和吸附质 (adsorbent,adsorbate)
当气体或蒸汽在固体表面被吸附时，固体称为 吸附剂，被吸附的气体称为吸附质。
常用的吸附剂有：硅胶、分子筛、活性炭等。 为了测定固体的比表面，常用的吸附质有：氮 气、水蒸气、苯或环己烷的蒸汽等。 吸附的分类：物理吸附与化学吸附。
固气吸附的一些现象毛细凝结现象一定温度t时中等孔径尺寸的多孔固体孔壁上发生了气体吸附若液体能完全润湿孔壁所得的吸附等温线如图所示ab线段是低压下的吸附当压力达到折点处发生毛细凝聚蒸汽变成液体在毛细管中凝聚吸附量迅速增加这是因为液体能润湿固体在孔中液面呈弯月形如图所示可以应用kelvin公式毛细凝结现象根据kelvin公式凹面上的蒸汽压比平面上小所以在小于饱和蒸汽压时凹面上已达饱和而发生凝聚这就是毛细凝聚现象
随着H原子向Ni表 面靠近，位能不断下降， 达到b点，这是化学吸 附的稳定状态。
化学吸附
Ni和H之间的距离等 于两者的原子半径之和。
环境工程学节 离子交换和吸附
固相物质：吸附剂，一般为多孔性物质，比 表面积大；
水中被吸附物质：吸附质
22
22
补充：吸附的原理 1）吸附剂表面存在剩余力场（即具有表面能）； 2）根据热力学第二定律，表面能有自动变小的趋势
。 3）当吸附质达到吸附剂表面时，致使界面上的分子
受力变得均衡一些，从而降低了这种表面能。这就是 吸附过程自动发生的一种推动力。
再生：3－5％NaCl
16
16
离子交换法在水处理中的应用
2．水的脱盐
RH+M+ _M+ RM+H+
再 生
ROH+N- _N- RN+OH-
再 生
H ++O H 17- H 2 O
17
离子交换法在水处理中的应用
3. 电镀含铬废水的处理
生产实践表明，在电镀车间铬镀槽的洗涤水闭路 循环系统中采用离子交换法分离、回收铬酸是有效的。
③再生方式：固定床的再生主要有顺流和逆流两种方式。 逆流再生时，再生剂耗量少(比顺流法少40％左右)，再生效率高， 而且能保证出水质量，但设备较复杂，操作控制较严格。
15
离子交换法在水处理中的应用
1 水的软化 硬度：Ca2+、Mg2+
2 R N a + C a 2 + 软 再 化 生R 2 C a + 2 N a +
（2）弱酸性阳离子（－COOH，碱性条件下才有较高的交 换能力 ）
（3）强碱性阴离子（－NOH季胺碱基或-NCl季胺盐基，交 换能力与pH值无关）
（4）弱碱性阴离子（－NH3OH、-NH2OH、 - NHOH ，酸
性条件下才有较高的交换能力）
6
水中被吸附物质：吸附质
22
22
补充：吸附的原理 1）吸附剂表面存在剩余力场（即具有表面能）； 2）根据热力学第二定律，表面能有自动变小的趋势
。 3）当吸附质达到吸附剂表面时，致使界面上的分子
受力变得均衡一些，从而降低了这种表面能。这就是 吸附过程自动发生的一种推动力。
再生：3－5％NaCl
16
16
离子交换法在水处理中的应用
2．水的脱盐
RH+M+ _M+ RM+H+
再 生
ROH+N- _N- RN+OH-
再 生
H ++O H 17- H 2 O
17
离子交换法在水处理中的应用
3. 电镀含铬废水的处理
生产实践表明，在电镀车间铬镀槽的洗涤水闭路 循环系统中采用离子交换法分离、回收铬酸是有效的。
③再生方式：固定床的再生主要有顺流和逆流两种方式。 逆流再生时，再生剂耗量少(比顺流法少40％左右)，再生效率高， 而且能保证出水质量，但设备较复杂，操作控制较严格。
15
离子交换法在水处理中的应用
1 水的软化 硬度：Ca2+、Mg2+
2 R N a + C a 2 + 软 再 化 生R 2 C a + 2 N a +
（2）弱酸性阳离子（－COOH，碱性条件下才有较高的交 换能力 ）
（3）强碱性阴离子（－NOH季胺碱基或-NCl季胺盐基，交 换能力与pH值无关）
（4）弱碱性阴离子（－NH3OH、-NH2OH、 - NHOH ，酸
性条件下才有较高的交换能力）
6
物理吸附和化学吸附 PPT
代号
分类名称
0
强酸
1
弱酸
2
强碱
3
弱碱
4
螯合
5
两性
6
氧化还原
功能基
-SO3H
-COOH,-PO3H3
-N+(CH3)3 ,
-N+
(CH3)2
CH2CH2OH
-NH2,-NHR,-NR2
CH2COOH
H2C
N
CH2COOH
(-N+(CH3)3 , -COOH)
(-CH2SH)
HO
OH
说明 磺酸基 膦酸基 季铵基
哈尔滨商业大学食品工程学院
4.2离子交换原理
主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中电荷的微小差异而进行分离。 选择适当条件可使一些溶质分子变成离子态，通过静电作用结合到离子交换 剂上，而另一些物质不能被交换，这两种物质就可被分离。 带同种电荷的不同离子虽都可以结合到同一介质上，但由于带电量不同，与 介质的结合牢度不同，改变洗脱条件可依次被洗脱而达到分离的目的。
哈尔滨商业大学食品工程学院
4.4离子交换树脂的分类
（1）阳离子交换树脂
Na+
Cl_
Cl_
H+ H
+
H
Na+ Cl_
H+ +HC+Hl_+NNa+a+
Na+ Cl_
H+ H+ H+
Cl_ Na+ Na+
H
+
H
+
H+ Cl_ Cl_ Na+
交换前
交换达到平衡后
7第七章 土壤阳离子交换性能的分析
三、交换性盐基总量及组成测定
几个概念
交换性盐基：指土壤胶体吸附的碱金属（ K+、Na+ ） 和碱土金属（ Ca2+、Mg2+ ） 交换性盐基总量：各交换性盐基离子的总和 土壤盐基饱和度：土壤交换性盐基总量与CEC之比。 B.S.=交换性盐基总量/ CEC*100%
1.盐基总量的测定 A）总和法： K+、Na+、Ca2+、Mg2+ 相加 K+、Na+，火焰光度计法 Ca2+、Mg2+ ，离子色谱法（ICP）或原子吸收法（AAS）
浸出液
CH3COONH4 →NH3↑+CH3COOH →2CO2+2H2O 2CH3COOK 2CH3COONa Ca(CH3COO)2 Mg(CH3COO)2 K2CO3 +O2→ Na2CO3 +CO2↑+ 6H2O CaCO3 MgCO3
溶解: K2CO3 …+ 2HCl(过量) → 2KCl+CO2↑+H2O 滴定： HCl（过量）+ NaOH → NaCl + H2O 操作步骤：P160
操作步骤：P157-158
测交换性盐基
倒出上清液，收 集于250ml量瓶中 离心管中土样
称2mm风干土 2.0-5.0g于 100ml离心管中
加少量乙酸铵液，橡皮头玻 棒搅拌成均匀的泥浆状，再 加乙酸铵液至60ml，充分搅 拌均匀，玻棒用乙酸铵洗净
离心
检查，无Ca 2+
如此反复处 理3-5次 检查，无NH4+ 弃去乙醇液 加液体石蜡 2ml,氧化镁 1g，蒸馏 加少量无水乙醇，橡 皮头玻棒搅拌成均匀 的泥浆状，再加乙醇 至60ml，充分搅拌均 匀，洗去土粒表面多 余的乙酸铵
水质工程学 第七章 离子交换、其它相转移方法
qB / q0 K • cB / c0 1 qB / q0 1 cB / c0
(8—5)
式中qB/q0称为树脂的失效度;cB/c0为溶液中离子残留率。若以 qB/q0为纵坐标，以cB/c0为横坐标，作图可得某一K值下的等价 离子交换理论等温平衡线。
离子交换速度
离子交换过程： ①离子从溶液主体向颗粒表面扩散，穿过颗粒表面液膜。 ②穿过液膜的离子继续在颗粒内交联网孔中扩散，直至达到
⑷ 全名称举例。微孔形态为凝胶型；骨架材料为“苯乙 烯－二乙烯苯”共聚体；活性基团为“强酸”性磺酸基团 （SO3H）的阳离子交换树脂，全名称为“凝胶型苯乙烯 系强酸阳离子交换树脂”。
二、型号
⑴ 有机合成离子交换树脂产品型号的命名原则。有机合成离子交换树脂
产品型号，以三位阿拉伯数字表示，凝胶型树脂的交联度值，用联接 符号所联系的第四位阿拉伯数字表示。 凡属大孔型树脂，在型号前 加“大”字的汉语拼音首位字母“D”。 凡属凝胶型树脂，在型号前 不加任何字母。
ZA
RA RB
(8—1)
离子交换反应公式
K
q0 qc
ZB ZA
1
cB c0
ZB
cB / c0 ZA
•
qB / q0 ZA 1 qB / q0 ZB
(8—2)
式（8-4）适用于各种离子之间的交换。当ZA=ZB=1时,上式简 化为：
2） 第二位数字骨架代号见下表。 第二位数字骨架代号代号0123456 活性基团:苯乙烯系 丙烯酸系 酚醛系 环氧系 乙烯吡啶系 脲醛系 氯乙烯系
3）产品型号举例：001×7 凝胶型苯乙烯系强酸阳离子交换树脂， 交 联度为7%，产品旧型号“732”；D311 大孔型丙烯酸系弱碱阴离子交 换树脂，产品旧型号为“703”。
第七章 吸附
a-与最大吸附量有关的常数；
b-与吸附能有关的常数。
2.B.E.T. 等温式
B.E.T.模型假定在原先被吸附的分子上面仍可吸附另外的
分子，同发生多分子层吸附；而且不一定等第一层吸满后再
吸附第二层；对每一单层却可用Langmuir式描述，第一层
吸附是靠吸附剂与吸附质间的分子引力，而第二层以后是靠
吸附质分子间的引力，这两类引力不同，因此它们的吸附热
由图可见，在PH7.5～9.5的范围内，吸附去除率较高。 在吸附操作中，应保证吸附剂与吸附质有足够的接触时间。 另外，吸附剂的脱附再生，溶液的组成和浓度及其他因素也 影响吸附效果。
四、吸附动力学 1．水膜内的物质迁移速度
由Fick定律，水膜内的传质速度NA由下式结出：
(7-12)
式中 D——溶质在水膜中的扩散系数，m2/L； δ——水膜厚度，m； kf——水膜传质系数，m/L； c——水中溶质的浓度，kg/m3； ci——颗粒表面的溶质浓度，kg/m3。
二、吸附平衡与吸附等温式
吸附过程中，固、液两相经过充分的接触后，最终将达 到吸附与脱附的动态平衡。达到平衡时，单位吸附剂所 吸附的物质的数量称为平衡吸附量，常用qe(mg/g)表示。
将平衡吸附量qe与相应的平衡浓度ce作图得吸附等温线。
I型的特征是吸附量有一极限值。可以理解为吸附剂的 所有表两都发生单分子层吸附，达到饱和时，吸附量趋 于定值。Ⅱ型是非常普通的物理吸附、相当于多分子层 吸附，吸附质的极限值对应于物质的溶解度。Ⅲ型相当 少见，其特征是吸附热等于或小于纯吸附质的溶解热。 Ⅳ型及Ⅴ型反映了毛细管冷凝现象和孔容的限制，由于 在达到饱和浓度之前吸附就达到平衡，因而显出滞后效 应。
树脂吸附剂的结构容易人为控制，因而它具有适应性大、 应用范围广、吸附选择性特殊、稳定性高等优点，并且再生 简单，多数为溶剂再生。树脂吸附剂最适宜于吸附处理废水 中微溶于水．极易溶于甲醇、丙酮等有机溶剂，分子量略大 和是极性的有机物。如脱酚、除油、脱色等。
第七章 吸附与离子交换
离子交换剂
阳离子交换剂(cation 阳离子交换剂(cation exchanger) 对阳离子具有交换能力， 对阳离子具有交换能力，活性基团为酸性 阴离子交换剂(anion 阴离子交换剂(anion exchanger) 对阴离子具有交换能力， 对阴离子具有交换能力，活性基团为碱性
离子交换剂
强酸性阳离子交换剂： 强酸性阳离子交换剂： 活性剂团：磺酸基（ ）；次甲磺酸基 次甲磺酸基（ 活性剂团：磺酸基（-SO3H）；次甲磺酸基（ －CH2SO3H） pH范围：电离程度大，不受pH影响。 1～ pH范围：电离程度大，不受pH影响。pH 1～14 范围 pH影响 交换反应：中和，转型， 交换反应：中和，转型，复分解 树脂类型： 树脂类型：氢型和钠型
离子交换剂： 离子交换剂：离子交换纤维素
特点： 特点：
为开放的长链骨架， 为开放的长链骨架，大分子物质能自由地在其 中扩散和交换，亲水性强，表面积的， 中扩散和交换，亲水性强，表面积的，易吸附 大分子物质。交换基团稀疏， 大分子物质。交换基团稀疏，对大分子实际交 换容量大。 换容量大。 吸附力弱，交换和吸附条件缓和， 吸附力弱，交换和吸附条件缓和，不易引起变 性。 分辨力强，能分离复杂的生物大分子混合物。 分辨力强，能分离复杂的生物大分子混合物。
㈡ 吸 附 类 型
化学吸附
化学吸附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； 发生化学结合、产生电子转移的现象； 作用力： 作用力：库仑力 特点：吸附热较大；由于发生化学反应， 特点：吸附热较大；由于发生化学反应， 需一定的活化能；选择性较强； 需一定的活化能；选择性较强；单分子层 吸附；解析较困难， 吸附；解析较困难，脱附时需采用破坏化 学结合的化学试剂为洗脱剂。 学结合的化学试剂为洗脱剂。
第七章吸附型高分子材料
47
第四节 高吸水性高分子材料
所谓高吸水性高分子材料是指具有与水接触后能迅速吸收 高于自身质量若干倍的高分子材料。
最早的高吸水性高分子材料是在1974年由美国农业部的研 究人员首先研制的。
目前已经有淀粉衍生物系列、纤维素衍生物系列、聚丙烯 酸和聚乙烯醇系列。 由于其重要的应用价值，在科研和生产方面都取得了快速 发展。 主要应用于农业、建筑材料、医疗卫生、林业、食品工业。
因汞在过量氯离子存在下能生成稳定的络阴离子 [HgCl4]-2, 所以可采用离子交换法，选用强碱性阴离子树脂来吸附 它。
29
(2)含铬废水的处理 铬也是毒性较大的重金属，因而规定废水中铬含量在5×10-8 以下才能排放。含铬酸的废水主要来自电镀行业。
将废水通过Cl-式强碱性阴离子交换树脂，铬酸被树脂交换 吸附，而后用再生剂NaOH溶液脱附，生成Na2CrO4再生废 液。它的铬酸浓度比原废水中铬酸含量高了几百倍。将再 生废液通过一H+式强酸性阳离子交换树脂柱，变成纯度很 高的铬酸返回应用。
30
3. 离子交换树脂提取铀和贵金属
离子交换是冶金工业的重要单元操作之一。在铀、钍等超铀 元素、稀土金属、重金属、轻金属、贵金属和过渡金属的分 离、提纯和回收方面，离子交换树脂均起着十分重要的作用。
离子交换树脂在原子能工业上的应用包括核燃料的分离、 提纯、精制、回收等。用离子交换树脂制备高纯水，是核 动力用循环、冷却、补给水供应的唯一手段。离子交换树 脂还是原子能工业废水去除放射性污染处理的主要方法。
3．吸附树脂的宏观结构
4
三、影响吸附树脂性能的外界因素 1．温度因素 2．树脂周围介质的影响 3．其他影响因素
5
二、吸附性高分子材料的制备方法 1．微孔（凝胶）型吸附树脂
第四节 高吸水性高分子材料
所谓高吸水性高分子材料是指具有与水接触后能迅速吸收 高于自身质量若干倍的高分子材料。
最早的高吸水性高分子材料是在1974年由美国农业部的研 究人员首先研制的。
目前已经有淀粉衍生物系列、纤维素衍生物系列、聚丙烯 酸和聚乙烯醇系列。 由于其重要的应用价值，在科研和生产方面都取得了快速 发展。 主要应用于农业、建筑材料、医疗卫生、林业、食品工业。
因汞在过量氯离子存在下能生成稳定的络阴离子 [HgCl4]-2, 所以可采用离子交换法，选用强碱性阴离子树脂来吸附 它。
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(2)含铬废水的处理 铬也是毒性较大的重金属，因而规定废水中铬含量在5×10-8 以下才能排放。含铬酸的废水主要来自电镀行业。
将废水通过Cl-式强碱性阴离子交换树脂，铬酸被树脂交换 吸附，而后用再生剂NaOH溶液脱附，生成Na2CrO4再生废 液。它的铬酸浓度比原废水中铬酸含量高了几百倍。将再 生废液通过一H+式强酸性阳离子交换树脂柱，变成纯度很 高的铬酸返回应用。
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3. 离子交换树脂提取铀和贵金属
离子交换是冶金工业的重要单元操作之一。在铀、钍等超铀 元素、稀土金属、重金属、轻金属、贵金属和过渡金属的分 离、提纯和回收方面，离子交换树脂均起着十分重要的作用。
离子交换树脂在原子能工业上的应用包括核燃料的分离、 提纯、精制、回收等。用离子交换树脂制备高纯水，是核 动力用循环、冷却、补给水供应的唯一手段。离子交换树 脂还是原子能工业废水去除放射性污染处理的主要方法。
3．吸附树脂的宏观结构
4
三、影响吸附树脂性能的外界因素 1．温度因素 2．树脂周围介质的影响 3．其他影响因素
5
二、吸附性高分子材料的制备方法 1．微孔（凝胶）型吸附树脂
分子筛的离子交换与修饰
65.3
0.0265
1.54 1.48
73.3
0.0385
1.23 1.22
90.0
气固相法
含硼－β型沸石的水 解或醇解脱硼补钛
孔道的修饰：增加产物的择形性
C. V. D.
SiO2
图7-28 Si(OCH3)4在沸石上的气相沉积过程示意图
C8异构体在不同SiO2沉积的丝光沸石上的裂解反应 (○) 正辛烷; (▲) 3-甲基庚烷; (◇) 2,2,4-三甲基戊烷 (a) PtHM; (b) SiPtHM(3.2%); (c) SiPtHM(3.4%); (d) SiPtHM(3.7%)
正丁醇
25
仲丁醇
25
异丁醇
25
2.0
12.6 27
39
3.0
1.4
21
21
1.5
0.3
25
24
吸附的选择性
• 非常重要
PART 01
3A分子筛
KA型分子筛，商业上称3A型分子筛， 0.75K2O·0.25Na2O·Al2O3·2SiO2· 4.5H2O，有效孔径为0.30~0.33nm， 比表面大，热稳定性优良，它是藉K+ 盐交换NaA型分子筛中的Na+ 。
La(H2O)93+只能自由扩散进 入八面沸石超笼与SII、SIII位 置上Na+发生交换。然而却难 通过β笼窗口与SI位置上的Na+ 发生交换反应。
高温交换
La(H2O)93+ + La(H2O)93+·Na(SI)Y →La(H2O)93+·LaY + Na+
提高温度后La3+-H2O键振动频率增高，有利克服 La(H2O)93+脱水势垒，使部分La(H2O)93+脱水成裸La3+ （2.3Å）而进入β笼与SI位置上的Na+发生交换反应。
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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
两性
脲醛系
氧化还原性
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
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*
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
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
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
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。
（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；
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。
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；
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。
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
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)
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
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，
Байду номын сангаас
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。
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。
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。
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