6 吸附分离技术和理论
第六章吸附分离法
❖氧化铝(Aluminum oxide)
适用于亲脂成分的分离 1、碱性氧化铝： 2、中性氧化铝： 3、酸性氧化铝：
氧化铝吸附层析纯化维生素B12
影响因素： ✓ Al2O3的颗粒度要均匀，流速控制要很慢； ✓ 温度宜在20℃以下层析，洗脱在室温中进行； ✓ 利用B12在丙酮中不溶的特性，在冰冻条件下结晶3
小，较少引起生物活性物质的变性失活。 缺点： ❖选择性差，收率不高。 ❖一些无机吸附剂性能不稳定。
第一节 吸附的基本原理
一 吸附作用 ❖物质从流体相（气体或液体）浓缩到固体
表面从而达到分离的过程称为吸附作用 (adsorption)
❖在表面上能发生吸附作用的固体微粒称为 吸附剂（adsorbent）
在树脂聚合时加入惰性的致孔剂，待网格骨架固 化和链结构单元形成后，用溶剂萃取或水洗蒸馏将致 孔剂去掉，形成不受外界环境条件影响的孔隙，其孔 径可达100nm，故称“大孔”。
特点
❖选择性好、解吸容易、理化性质稳定、机 械强度好、可反复使用等优点。
❖其孔隙大小、骨架结构和极性，可按照需 要，根据不同的原料和合成条件而改变， 因此可适用于吸附各种有机化合物。
❖被吸附的物质称为吸附物（adsorbate）
物理吸附与化学吸附的特点
项目
物理吸附
化学吸附
作用力
范德华力
化学键力
吸附热
较小，接近液化热
较大，接近反应热
选择性
几乎没有
有选择性
吸附速度 较快，需要的活化能很小 慢，需要一定的活化能
吸附分子层 单分子或多分子层
单分子
二 影响吸附的因素
1 吸附剂 ❖ 吸附容量：比表面积、种类、活化状况 ❖ 吸附速度：颗粒度、孔径 ❖ 机械强度
吸附分离的基本原理及应用
吸附分离的基本原理及应用1. 引言吸附分离是一种常见的分离纯化技术，基于物质在固液界面的选择性吸附行为。
它广泛应用于化学、生物、环境等领域，用于分离、纯化和浓缩目标物质。
本文将介绍吸附分离的基本原理及其在不同领域的应用。
2. 吸附分离的基本原理吸附分离是基于吸附剂与被吸附物质之间的相互作用力实现的。
吸附剂可以是固体或液体，并且具有一定的表面活性。
它能够与目标物质发生物理吸附或化学吸附，从而实现对目标物质的分离。
吸附分离的基本原理包括以下几个方面：2.1 吸附剂选择吸附剂的选择是吸附分离的关键。
吸附剂应具有以下特点：具有高比表面积、孔结构好、化学稳定性强、选择性好等。
根据不同目标物质的特性，可以选择合适的吸附剂，如活性炭、分子筛、树脂等。
2.2 吸附过程吸附过程是指目标物质与吸附剂之间的相互作用过程。
它可以分为物理吸附和化学吸附两种方式。
•物理吸附：基于范德华力、静电力等非化学相互作用力。
物理吸附一般在低温、低湿度和高压下进行，吸附热较小，吸附速度较快。
•化学吸附：基于共价键或离子键等化学键的形成。
化学吸附一般在高温、高湿度和中低压下进行，吸附热较大，吸附速度较慢。
2.3 吸附平衡吸附平衡是指吸附过程达到动态平衡的状态。
在吸附平衡状态下，吸附速率与解吸速率相等，吸附量不再发生变化。
吸附平衡的实现需要掌握合适的操作条件和实验参数。
2.4 吸附解吸吸附解吸是吸附分离的核心步骤之一。
吸附后的物质可以通过调整操作条件或者更换吸附剂来实现解吸，从而得到纯净的目标物质。
解吸过程具体步骤可以根据具体的吸附剂和目标物质特性进行调整。
3. 吸附分离的应用领域吸附分离作为一种简单、高效的分离技术，在许多领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：3.1 化学工程在化学工程领域，吸附分离被广泛应用于化学制品的纯化、分离和浓缩。
例如，活性炭吸附可以用于去除水中的有机污染物，树脂吸附可以用于分离和纯化化学品。
3.2 生物技术生物技术领域利用吸附分离技术实现对生物大分子的分离和纯化。
第六章 吸附分离
第六章 吸 附 分 离
1. 离子交换吸附特点
1） 吸附剂其它性质不变，对相反离子的吸附是动态 平衡过程。 2）吸附强弱与吸附剂表面的电荷密度有关。 3）吸附强弱取决于被吸附离子的电荷数与离子的水 化半径大小。离子带电荷越多，在吸附剂表面的吸 附力越强；电荷相同时，水化半径越小，越易被吸 附。 4）吸附有电性选择性，吸附相反电荷离子。
第六章 吸 附 分 离
产生吸附原因---吸附作用力 物理吸附，化学吸附，固液相多种相互作用力
离疏亲 子水和 交作吸 换用附 吸吸 附附
第六章 吸 附 分 离
3. 吸附剂（adsorbent）
固体表面对溶质的吸附作用是由固体的表面力所引 起。表面上能发生吸附作用的固体称为吸附剂，是 吸附作用的主体。
第六章 吸 附 分 离
吸引力
合力
5）作用力与分子间距关系 分子间距离大时，范德华力
较弱。分子间距离小，范德
吸引力
华力增大，有利于分子间吸
附。当距离过小时，产生推
距离
0
A
推斥力
B 斥力。 最佳距离为吸附分子中心间
的距离比一个分子半径稍大
一点OA， 吸附物分子处于
最稳定状态。
推斥力
第六章 吸 附 分 离
第六章 吸 附 分 离
第六章 吸 附 分 离
一、吸附分离概述 二、吸附的理论基础 三、离子交换吸附 四、生物分子的吸附类型 五、吸附分离工艺
第六章 吸 附 分 离
一. 吸附分离概述
1. 吸附（adsorption） 吸附是相转移过程，溶质从气相或液相转移到固相
发生在表面----吸附？？ 发生在全相----吸收？？
第6章 吸附分离技术与理论
BIoseparatIon EngIneerIng
活性炭对物质的吸附规律
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，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
BIoseparatIon EngIneerIng
亲水或极性吸附剂
适用于非极性或极性较小的溶媒。如硅胶、氧化铝， 活性土皆属此类。 另外，吸附剂可以是中性、酸性或碱性。碳化钙、硫
酸镁等属中性吸附剂。氧化铝、氧化镁等属碱性吸附剂。
酸性硅胶、铝硅酸属酸性吸附剂。 碱性的吸附剂适宜于吸附酸性的物质，而酸性的吸附 剂适宜干吸附碱性的物质。氧化铝及某些活性土为两性化 合物，因为经酸或碱处理后很容易获得另外的性质。
态与固体内部分子（或原子）所处的状态不同 界面
固体表面分子(或原 子)处于特殊的状态。 固体内部分子所受的 力是对称的，故彼此 处于平衡。但在界面 分子的力场是不饱和 的，即存在一种固体 的表面力，它能从外 界吸附分子、原子、 或离子，并在吸附表 面上形成多分子层或 单分子层。
BIoseparatIon EngIneerIng
吸附剂通常应具备以下特征：
（1）较高的选择性以达到一定的分离要求； （2）较大的吸附容量以减小用量； （3）较好的动力学及传递性质以实现快速吸附；
（4）较高的化学及热稳定性，不溶或极难溶于待
处理流体以保证吸附剂的数量和性质； （5）较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀； （6）较好的流动性以便于装卸；
常用的离子交换树脂
BIoseparatIon EngIneerIng
吸附理论与吸附分离技术的进展
参考内容
页岩气作为一种清洁、高效的能源形式，日益受到全球。页岩气吸附与解吸 附机理的研究对提高页岩气开采效率、优化能源利用具有重要意义。本次演示将 综述页岩气吸附与解吸附机理的研究现状、基本原理及研究方法，并探讨未来研 究方向。
一、研究现状
页岩气吸附与解吸附机理的研究经历了多个阶段，研究者们提出了不同的模 型和理论。目前，广泛应用的主要有基于物理吸附的Langmuir模型和基于化学吸 附的BET模型等。然而，这些模型在解释页岩气吸附与解吸附现象时均存在一定 局限性。
大孔吸附树脂分离纯化技术的应 用
1、药物分离
大孔吸附树脂在药物分离领域具有广泛的应用，尤其在中药有效成分的提取 和分离方面独具优势。通过选择合适的树脂材料和工艺条件，实现对中药中多糖、 黄酮、生物碱等有效成分的高效分离，为中药现代化提供了有力支持。
2、食品净化
大孔吸附树脂在食品净化领域也有着广泛的应用，主要表现在果蔬汁的除杂、 豆制品中蛋白质的提取和纯化等方面。通过树脂的吸附作用，可以去除果蔬汁中 的杂质，提高产品的品质和口感；同时，树脂还可以用于蛋白质的提取和纯化， 为食品加工提供更多优质原料。
总之，页岩气吸附与解吸附机理的研究仍有待深入探索，未来的研究方向应 注重完善模型、引入新技术、综合考虑多因素以及探索应用前景等方面，以推动 页岩气产业的可持续发展。
大孔吸附树脂分离纯化技术及其 应用
大孔吸附树脂分离纯化技术是一种具有广泛应用价值的分离技术，其原理基 于物理吸附作用，通过选择合适的树脂材料和工艺条件，实现对混合物中各组分 的有效分离。该技术在药物分离、食品净化、环保等领域发挥着重要作用，为工 业生产和日常生活带来了诸多便利。
2、引入新技术：例如，利用先进的原位光谱技术、纳米技术等，更加深入 地研究页岩气吸附与解吸附机理，提供更加丰富和精准的数据支持。
08第六章-吸附分离法
缺点：
(1)选择性差，收率不高。 (2)一些无机吸附剂性能和吸附条件不稳定。 (3)不能连续操作，劳动强度大 (4)碳粉等吸附剂有粉尘污染
5
第一节 吸附法基本概念和吸附原理 第二节 常用吸附剂 第三节 大孔网状聚合物吸附剂
第一节 吸附法基本概念和吸附原理
一、吸附基本概念：
在等吸附容量情况下，表示温度和压力的关系曲线称为 吸附等容线。
应用最广的吸附等温线。
吸附等温线
如果不考虑溶剂的吸附，当固体吸附剂与溶液 中的溶质达到平衡时，其吸附量m应与溶液中 溶质的浓度和温度有关。 当温度一定时，吸附量只和浓度有关， m=f （c），这个函数关系称为吸附等温线。 吸附等温线表示平衡吸附量，可用来推断吸附 剂结构、吸附热和其他理化特性。
常用吸附剂
按其化学结构可分为两大类 无机吸附剂：白陶土、氧化铝、硅胶、硅藻土、磷酸钙 有机吸附剂：活性炭、淀粉、纤维素、大孔吸附树脂等
一、活性炭(activated carbon )
一种被广泛应用的优良的吸附剂。 是吸附能力很强的非极性吸附剂 对色素、细菌和热原等杂质有很强的吸附能力。 一般用木屑、兽骨、兽血或煤屑等为原料高温
2
典型的吸附过程包括四个步骤：
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 在吸附剂表面
Step2
料液流出 Step3
吸附质解吸附 吸附剂再生
Step4
4
优点：
(1)设备简单、操作简便、价廉、安全。 (2)少用或不用有机溶剂，吸附过程中pH变化小，
活性炭酸性 中性吸附 碱性洗脱
生物分离工程 吸附分离技术与理论
-
- -- -- -
-
- -- -- - - - - -- - - - - + + - + -+ + + + + -+ + -+ +- + +- - - +- + - -+ -+
固定床吸附操作
-吸附过程
吸附塔内填充着活性炭等吸 附剂或者离子交换剂。 当料液连续输入吸附塔中， 溶质被吸附剂吸附。 从吸附塔人口开始，吸附剂 的吸附质浓度不断上升，其 饱和（最大）吸附浓度q0与入 口料液浓度c0相平衡，即当吸 附塔内溶质的吸附接近 饱和时，溶质开始从塔中流出，出口处溶质浓度升高，最后达 到入口料液浓度，即吸附达到完全饱和。
具有一定粒径和/或密度分布的吸附剂
在液体流速的分级作用下，大粒径或高密度吸附剂 分布于床层底部，而小粒径/低密度的介质分布于床 层的顶部，从而在床层内形成稳定的吸附剂的分布
磁性粒子
在外部磁场作用下，磁性粒子呈现稳定的膨胀状态。 但其设备复杂，电磁场产生大量的热，磁性粒子稳 定性差
膨胀床吸附操作-膨胀床结构
常用的吸附剂
活性炭，硅胶，金附性能的参数
比表面积、孔径
活 性 炭
活性炭种类 粉末活性炭 颗粒活性炭 颗粒大小 小 较小 表面积 大 较大 吸附力 吸附量 大 较小 大 较小 洗脱 难 难
锦纶活性炭
大
小
小
小
易
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，活性炭的吸附规律遵循以下规律：
固定床吸附操作
吸附分离技术
吸附分离技术教学目标和要求：通过教学，了解吸附分离的概念、原理、影响因素，理解各种吸附剂的吸附原理和选择依据。
了解离子交换树脂的结构、分类、性能和应用，多糖离子交换剂的类型、特点；掌握离子交换的分离原理、操作方法。
第五章吸附分离技术一、吸附分离技术概论1．吸附：是指物质从气体或液体浓缩到固体表面从而达到分离的过程。
2. 吸附的机理3. 吸附技术的应用（1 ）在食品的应用a ?工业糖液的脱色、脱臭；b ?制氮用于果蔬的储藏：是当前世界上一项先进技术。
原理是果蔬在高氮低氧环境下，呼吸作用被抑制，新陈代谢减缓从而大大延缓腐烂过程。
可使果蔬保持原有营养成分，接近采摘的新鲜状态。
蒜苗储存3个月出库时仍新鲜饱满，无萎烂现象。
N2还可用于酿造啤酒时的密封及压送啤酒。
与先用的CO比，因在啤酒中溶解度小而可提高啤酒质量。
（2）在空气净化上的应用a .空气干燥：空气中通常含有一定水分，而这种水分在很多场合是有害的，必须被除去。
吸附法是除去空气中水分最常用的方法之一。
硅胶和活性氧化铝是通用的干燥剂。
b .脱除无机污染物：工业生产中产生大量的CQ SO和NQ等酸性有害气体，它们会引起温室效应、酸雨等现象，破坏地球和人们的生活环境。
随着工业化发展，这些气体的危害程度越来越大，因此人们在致力于开发各种方法来治理这些有害气体。
其中吸附分离的方法是有效的治理方法之一。
活性炭一SO;分子筛、硅胶、活性炭一NOx＞通入热空气（空气与蒸汽的混合物）可回收。
c ?天然气：为了使天然气能够达到客输标准，必须将其中的水分含量降低至一定水平。
d .化学工业：制氧、制氮提纯CO CQ （重要化工原料）等。
*CO用于羰基合成醋酸、醋酐、甲酸等的生产，也用于电子工业。
CO是一种用途十分广泛的需求量很大的重要化工产品。
约40%用作生产尿素、甲醇、水杨酸等化工产品的原料，35% 用于提高石油采收率，10%用于制冷，5%用于碳酸饮料碳酸化，其它占10%（超临界流体萃取）。
吸附分离的原理及应用
吸附分离的原理及应用1. 引言吸附分离是一种常见的分离技术，广泛应用于化学、生物、环境等领域。
它通过利用物质在不同固定相表面的吸附特性，实现物质的分离和纯化。
本文将介绍吸附分离的基本原理和一些常见的应用场景。
2. 吸附分离的基本原理吸附分离的基本原理是物质在不同固体表面的吸附行为。
当物质与固体表面接触时，会发生吸附过程，物质分子与固体表面发生相互作用，并在固体表面上停留。
吸附的方式有物理吸附和化学吸附两种。
2.1 物理吸附物理吸附主要是通过分子之间的吸引力实现的，吸附过程是可逆的。
吸附分离中常见的物理吸附剂有活性炭、分子筛等。
物理吸附的特点是吸附剂与被吸附物之间没有化学反应，吸附过程不会改变被吸附物的化学性质。
2.2 化学吸附化学吸附是指吸附剂与被吸附物之间发生化学反应，形成化学键，吸附过程是不可逆的。
化学吸附通常需要一定的温度和压力条件。
吸附分离中常见的化学吸附剂有活性氧化铝、硅胶等。
3. 吸附分离的应用3.1 应用于化学工业吸附分离在化学工业中有着广泛的应用。
例如，在炼油厂中，吸附剂可以用来去除石蜡和油脂中的杂质；在化学品生产过程中，吸附分离可以用来分离和纯化化学品。
3.2 应用于生物技术吸附分离在生物技术领域也有广泛的应用。
例如，在蛋白质纯化过程中，吸附剂可以用来分离目标蛋白质和杂质；在基因工程中，吸附分离可以用来分离目标基因或病毒。
3.3 应用于环境保护吸附分离在环境保护领域起到重要的作用。
例如，在水处理过程中，吸附剂可以用于去除水中的有机物和重金属离子；在大气污染治理中，吸附分离可以用来去除废气中的有害气体。
4. 吸附分离的优缺点4.1 优点•分离效果好，可以实现高纯度的分离结果。
•操作简单，设备相对较小。
•适用范围广，可用于分离不同性质的物质。
4.2 缺点•吸附分离过程需要花费一定的时间。
•需要一定的操作技能和经验。
•需要使用吸附剂，造成一定的环境污染。
5. 结论吸附分离作为一种常见的分离技术，已经在化学、生物、环境等领域得到了广泛应用。
吸附分离技术
炭质吸附剂
化学吸附
离子交换剂 螯合剂
阳离子交换剂 阴离子交换剂 两性离子交换剂
物理吸附
可再生高分子试剂和催化剂 非极性吸附剂 中极性吸附剂 极性吸附剂
亲和吸附
免疫吸附剂 仿生吸附剂
按形态和孔结构分类
球型树脂（大孔、凝胶、大网） 离子交换纤维与吸附性纤维 无定型颗粒吸附剂
活性炭
炭质吸附剂
碳纤维
按
碳化树脂
概述
吸附的定义、分类、常用吸附剂 和制法、吸附剂的性能要求
本
吸附热力学、吸附动力学、吸附
讲
吸附的基本理论
作用力、影响吸附的因素、吸附
主
剂的再生
要
间歇吸附、固定床吸附、连续
内
吸附工艺
式吸附、脱附设备
容
活性炭吸附在环境保护中的应
吸附法在环保中应用
用、树脂吸附在环境保护中的 应用、其它吸附剂在环境保护
中的应用
炭化树脂与活性炭纤维的缺点是成本较高，只能用 于高附加值 产业。
(1) 活性炭
与其它吸附剂相比，活性炭具有巨大的比表面积， 通常可达500-1700m2/g，因而形成强大的吸 附能力。微孔的容积约为0.15-0.9mL/g，比表 面积占活性炭总比表面积的95%以上。过渡孔 的容积通常为0.02-0.1mL/g，比表面积一般不 超过总比表面积的5%；大孔的容积为0.20.5mL/g。
吸附树脂与离子交换树脂：
吸附树脂和离子交换树脂都是具有多孔性海绵状 立体网状结构的小颗粒，在整个颗粒内部及外部都 具有表面活性，不溶于一般的酸、碱和溶剂，为不 溶不熔的热固性物质，可在150℃以下使用，它们 都能与外界物质进行可逆的吸附－解吸或离子交换 而达到化学平衡。
吸附分离技术和理论-feng
磺酸基 羧甲基 三甲氨基 （季铵盐） 二乙氨基乙基 （DEAE) （伯、仲、叔胺）
—SO3—COO—N+(CH)3
吸附与离子交换树脂
D001 D152 201×4 307 X-5 AB-8 SP207 Amberlite IR 120 Na Amberlite IRA 958C1
离子交换树脂的命名
强碱性苯乙烯系阴 + (a)≥3.8 201×4 -N (CH3)3 离子交换树脂 (b)≥1.10 201×7 202×7 201×8 强碱性苯乙烯系阴 + (a)≥3.6 -N (CH3)3 离子交换树脂 (b)≥1.4 强碱性苯乙烯系阴 + (a)≥3.5 -N (CH3)3 离子交换树脂 (b)≥1.3 强碱性苯乙烯系阴 + (a)≥3.4 -N (CH3)3 离子交换树脂 (b)≥1.4 大孔强碱性苯乙烯 系阴离子交换树脂 大孔强碱性苯乙烯 系阴离子交换树脂 大孔强碱性苯乙烯 系阴离子交换树脂 大孔强碱性苯乙烯 系阴离子交换树脂 大孔强碱性苯乙烯 系阴离子交换树脂 大孔强碱性II型苯 乙烯系阴离子交换 树脂 (a)≥3.3 (b)≥0.8 (a)≥3.6 -N+(CH3)3 (b)≥1.1 (a)≥3.7 -N+(CH3)3 (b)≥1.1 (a)≥3.6 -N+(CH3)3 (b)≥1.1 (a)≥3.0 ** (b)≥0.8
水处理、高速混床等。 水处理、高速混床等。 电影胶片洗印三废治理，有机催化化 去杂质等。 有机物的精制糖的脱盐脱色等。 纯水制备。
***
(a)≥3.4 (b)≥1.33
弱 碱 性 阴 离 子 交 换 树 脂
牌号 D301R 产品名称
Weakly Basic Anion Exchanger-Primary Secondary and Tertiary Amine Functionality
6吸附与离子交换分离
迎头法可用于那些分离场合？ 迎头法可用于那些分离场合？
穿透曲线与穿透量（break-through capacity） ）
C = C0
交界层
L 0 C/C0 C=0 1.0
影响柱分析容量的因素： 影响柱分析容量的因素：
填料的特性：交换容量、 填料的特性：交换容量、比表面大小 装填情况： 装填情况： 操作条件： 操作条件：流速
球基棉纤维分离
巯基棉可以定量吸附水溶液中多种微量重 金属离子和某些非金属离子， 金属离子和某些非金属离子，具有富集倍数 吸附效率高、吸附速度快、选择性强、 大、吸附效率高、吸附速度快、选择性强、 解脱性能好、制备简单、 解脱性能好、制备简单、操作简便和易于推 广等优点。 广等优点。
nRSH + Me === [ RS −]n Me + nH
应用
水、粮食和土壤中W的测定 粮食和土壤中W
微分脉冲极谱催化波法，Mo有干扰 控制pH 有干扰。 pH2 微分脉冲极谱催化波法，Mo有干扰。控制 pH2-7 试液流过巯基棉， 被定量吸附， 试液流过巯基棉 ， W 被定量吸附 ， 用 6 N HNO3洗脱 后测定。 后测定。
化学发光测定水、血液和矿石中Co 化学发光测定水、血液和矿石中Co
环境样品中有机污染物的富集
聚氨酯类泡沫可用于富集痕量有机污染物， 聚氨酯类泡沫可用于富集痕量有机污染物，如空气 PAHs，或水中的PAHs 有机杀虫剂和苯酚等。 PAHs、 中PAHs，或水中的PAHs、有机杀虫剂和苯酚等。
大孔性吸附树脂
大孔性树脂的特性
大孔吸附树脂是一种不含交 大孔吸附树脂是一种 不含交 换基团的, 换基团的 , 具有大孔结构的高 分子吸附剂。这是一种新型的 分子吸附剂 。 介于离子交换树脂和活性炭之 间的优良吸附剂。 间的优良吸附剂 。 通常大孔性 树脂是聚苯乙烯和二乙烯苯的 共聚物， 共聚物 ， 它们具有多孔性的巨 大网状结构。 大网状结构。
第六章-吸附分离PPT课件
36
• 从离子交换介质上洗脱
• 阶段洗脱法 分段改变洗脱液中的pH或盐浓度，使吸附在
柱上的各组分洗脱下来。
洗 脱 剂 浓 度
操作时间
37
• 梯度洗脱法 连续改变洗脱液中的pH或盐浓度，使吸附在
柱上的各组分被洗脱下来。通常采用一种低浓度 的盐溶液为起始溶液，另一种高浓度的盐溶液做 为最终溶液。两者通过一混合器混合。优于阶段 法。
20
• 离子交换容量：单位质量或单位体积的离 子交换剂所能吸附的一价离子的量（毫摩 尔数），是表征离子交换能力的主要参数。
21
• 吸附剂的制备
苯乙烯和二乙烯苯聚合而成的聚合物最为常用，对其 侧链进行改造也可成为离子交换介质。
聚合过程中加入一种惰性成分，不参与反应，但能与 单体互溶，当用悬浮聚合合成时，它还必需不溶于水或微 溶于水。这种惰性组分可以是线性高分子聚合物，也可以 是能溶胀或不能溶胀聚合物的溶剂，其中以不能溶胀聚合 物的溶剂效果最好，用的也较普遍，称为致孔剂。在聚合 过程中，在聚合的液滴内，逐渐形成无数的凝胶微粒，四 周为惰性组分所包围。聚合结束后，利用溶剂萃取或水蒸 气蒸馏的方式将溶剂去除，因而留下了孔隙，形成大网格 结构。一般大网格吸附剂的颗粒直径为0.5mm～数mm左右。
45
• 6.7 移动床和模拟移动床吸附
• 移动床(moving bed) 希望能象气体吸收操作的液相那样，吸附操
作中的固相可以连续输入和排出吸附塔，与料液 形成逆流接触流动，则可实现连续稳态的吸附操 作。
46
47
• 模拟移动床
由于固相吸附剂移动不便且易造成堵塞。可 固定吸附剂，而移动切换液相（包括料液和洗脱 液）的入口和出口位置，如同移动固相一样，产 生与移动床相同的效果。
吸附分离原理
吸附分离原理吸附分离原理是指通过吸附剂与待处理物质之间的吸附作用，将混合物中的不同组分分离开来的一种分离技术。
它在实际应用中具有广泛的用途，可以用于废水处理、气体净化、分离纯化等多个领域。
本文将从理论原理、应用案例以及技术发展等方面进行探讨。
一、理论原理吸附分离原理的核心在于吸附剂对待处理物质的选择性吸附作用。
吸附剂通常是多孔性材料，具有较大的比表面积和一定的化学活性。
当混合物中的组分通过吸附剂时，各组分根据其与吸附剂的相互作用力不同而被吸附在材料表面上。
这些组分在吸附剂上停留的时间也不同，从而实现了分离作用。
吸附分离的选择性取决于吸附剂和待处理物质之间的相互作用力。
常见的吸附作用力包括物理吸附和化学吸附。
物理吸附是由于吸附剂和待处理物质之间的范德华力而产生的，通常在低温和高压下易发生。
而化学吸附则是由于吸附剂和待处理物质之间的化学键形成而产生的，具有较高的选择性和较强的化学稳定性。
二、应用案例1. 废水处理吸附分离技术被广泛应用于废水处理中，用于去除废水中的有机物和重金属离子等污染物。
例如，活性炭常被用作吸附剂，通过物理吸附将有机物质吸附在活性炭表面，达到净化水体的目的。
此外，离子交换树脂也常用于去除废水中的重金属离子，通过化学吸附将离子交换树脂上的离子与废水中的金属离子进行置换，实现分离和回收。
2. 气体净化吸附分离技术也广泛应用于气体净化领域，用于去除有毒气体、恶臭气体和挥发性有机物等。
例如，活性炭可以吸附有机气体分子，净化空气中的污染物。
此外，分子筛和硅胶等材料也常用于去除水分和溶剂蒸气等。
3. 分离纯化吸附分离技术在分离纯化领域具有重要应用，可用于分离提取天然产物中的有效成分，或者从混合溶液中提取目标化合物。
例如，吸附层析技术常用于药物分子的纯化，通过合适的吸附剂选择和条件设置，将目标化合物与混合物中的其他成分分离开来。
三、技术发展随着科学技术的进步，吸附分离技术得到了不断的发展和创新。
6 吸附分离技术和理论基础.
• ６.６.２ 移动床和模拟移动床吸附 • 如果像气体吸收操作的液相那样，吸附操作中固相可连续 输入和排出吸附塔，与料液形成逆流接触流动，可实现连 续稳态的吸附操作。这种操作法称为移动床吸附。
• ６.６.３ 搅拌釜吸附 • 搅拌釜吸附即有限池吸附，是最基本的吸附操作方式。
6.2 吸附平衡
• ６.２.１ 吸附等温线 • 吸附是一种平衡分离方法，即根据不同溶质在液固两相间 分配平衡的差别实现分离。因此，溶质的吸附平衡行为既 是评价吸附剂性能的重要指标，也是吸附过程分析和设计 的理论基础。
• ６.２.２ 离子交换的计量置换模型 • ①系统为理想体系，各组分的活度系数为１。 • ②吸附剂表面均一，孔道形状和尺寸均匀，且孔道直径足 够大，对溶质无尺寸排阻效应。
• ③对于蛋白质类生物大分子，与溶质分子结合的伴离子分 成两类：当溶质在离子交换剂表面吸附时，第一类伴离子 从溶质上释放出来，而第二类伴离子始终与溶质分子相结 合。
• ④用特征电荷ｚ描述具有多点结合特性的蛋白质与离子交 换剂结合位点的数量。
• ６.２.２.１ 线性吸附平衡的分配系数 • 在没有待分离的溶质存在时，离子交换剂表面的离子基团 或可离子化的基团Ｒ（Ｒ＋或Ｒ－）一直被其反离子（ｃ ｏｕｎｔｅｒｉｏｎ）覆盖，液相中的反离子浓度为常数 。溶质与反离子带有相同的电荷，溶质的吸附是基于其与 离子交换基间相反电荷的静电引力。生物分离工程6 吸附分离技术和理论基础
• 吸附是溶质从液相或气相转移到固相的现象。利用固体吸 附的原理从液体或气体中除去有害成分或分离回收有用目 标产物的过程称为吸附操作。吸附操作所使用的固体材料 一般为多孔微粒或多孔膜，具有很大的比表面积，称为吸 附剂或吸附介质。吸附剂对溶质的吸附作用按吸附作用力 区分主要有三类，即物理吸附、化学吸附和离子交换。 • 物理吸附基于吸附剂与溶质之间的分子间力，即范德华力
6 吸附分离技术和理论
大孔离子交换树脂的优点
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；
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）；
特点：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。
但价格昂贵，吸附效果易受流速以及溶 质浓度等因素的影响。
交换吸附类型: 1st 极性吸附: 吸附剂表面如为极性分子所组成，则会 吸引溶液中逞相反极性的物质或离子而形成双电层，这 种吸附称为极性吸附。 2nd 离子交换: 在吸附剂与溶液间发生离子交换，即 吸附剂吸附离子后，它同时要放出等当量的离子于溶液 中。
交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机械强度好；
螯合树脂：树脂上含有具有螯合能力的集团，既可
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。
化学吸附：是由于吸附剂表面活性点与溶 质之间发生化学键合、产生电子转移的现
象。 释放大量吸附热，选择性强，一般
为单分子层吸附，稳定。
常用吸附剂种类
吸附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。
常用的吸附剂
吸附剂的表征
孔径和比表面积
一般而言，孔径大，比表面积小；比表 面积直接影响吸附容量，适当孔径有利 于孔隙内的扩散，提高容量和吸附速度。
孔径
吸附剂的孔径及分布可采用水银压入法，
利用汞孔度计测定。当压力升高时，水银可进
吸附分离技术
（3）溶液的pH值 由于溶液的pH值直接决定树脂交换基团及交 换离子的解离程度，进而影响树脂对交换的选择 性和吸附容量。对于强酸、强碱性树脂，溶液pH 主要左右交换离子的解离度，决定它带何种电荷 以及电荷量，决定被树脂吸附或吸附的强弱。对 于弱酸、弱碱性树脂，溶液的pH还是影响树脂解 离程度和吸附能力的重要因素。但过强的交换能 力有时会影响到交换的选择性，同时增加洗脱难 度。
应用： 用于分离蛋白质、酶等大分子的生物活性物 质。 缺点： （1）强度较差，流速低； （2）强酸、强碱容易破坏天然多糖的结构； （3）易污染，易被微生物降解。
离子交换剂的类型
强阳 弱阳 强阴 弱阴
阳离子交换剂 离子交换剂 阴离子交换剂
阳离子交换剂
能与阳离子进行交换的离子交换剂。
强阳（强酸性）离子交换剂 活性基团是磺酸基团（-SO3H）或次甲基磺酸 基团-(CH2)2SO3H。都是强酸性基团，其电离程度 大且不受溶液pH的影响，当pH值在1-14范围内时， 均能进行离子交换反应。
顺序号 骨架代号 分类代号 大孔型代号
1 ~ 100 为强酸性阳离子交换树脂 101 ~ 200为弱酸性阳离子交换树脂 201 ~ 300为强碱性阴离子交换树脂 301 ~ 400为弱碱性阴离子交换树脂
如：001 7是凝胶型苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂，交联度7%； D201是大孔型苯乙烯系季胺 I 型强碱性阴离子交换树脂
中和： R-N+(CH3)3OH- + H+ClR-N+(CH3)3Cl- + H2O 中性盐分解： R-N+(CH3)3OH- + Na+ClR-N+(CH3)3Cl- + Na+OH复分解： R-N+(CH3)3Cl- + Na2SO42R[N+(CH3)3]2SO42- + 2Na+Cl主要用于制备无盐水（除去SiO2-、CO32-等弱 酸根）及卡那霉素、巴龙霉素、新霉素等的精制。
吸附分离技术与理论
未来发展趋势预测及建议
绿色化发展
多功能化趋势
开发环保型吸附剂和绿色溶剂，减少对环 境的影响。
研发具有多种功能的吸附剂，如同时实现 分离和催化等。
跨学科融合
强化产学研合作
加强与其他学科的交叉融合，如材料科学 、化学工程等，推动吸附分离技术的创新 发展。
加强产学研合作，促进科研成果的转化和 应用，推动吸附分离技术的工业化进程。
物理结构改性
通过改变吸附剂的孔结构、比表面积和孔容等物理性质，来提高吸 附容量和选择性。
复合改性
将两种或多种改性方法结合使用，以综合提高吸附剂的吸附性能和 选择性。
提高吸附剂选择性和效率策略
优化吸附条件
通过调整温度、压力、浓度等吸 附条件，来提高吸附剂对目标物 质的选择性和吸附效率。
引入竞争吸附
在吸附过程中引入与目标物质性 质相似的竞争物质，以提高吸附 剂对目标物质的选择性。
吸附速率常数
反映吸附速率快慢的常数， 与吸附剂的性质、温度等 因素有关。
吸附活化能
表示吸附过程中需要克服 的能垒，与吸附剂和吸附 质之间的相互作用力有关。
影响吸附平衡和动力学因素
温度
温度对吸附平衡和动力学有显著影响， 一般来说，温度升高有利于物理吸附， 降低有利于化学吸附。
压力
对于气体吸附，压力增加有利于吸附 量的增加；对于液体吸附，压力影响 较小。
吸附剂性质
吸附剂的孔径、比表面积、孔容等性 质对吸附平衡和动力学有重要影响。
吸附质性质
吸附质的分子大小、极性、沸点等性 质也会影响其在吸附剂上的吸附行为。
03
吸附剂选择与改性方法
常见吸附剂类型及性能比较
活性炭
具有高比表面积和孔容，适用于吸附非 极性和弱极性物质，如有机溶剂和某些
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• 吸附（adsorption）：溶质从液相或气相 转移到固相的现象。
• 按吸附作用力分：物理吸附、化学吸附、 离子交换。
• 应用：原料液脱色，除臭，目标产物的提 取、浓缩。
6.1 吸附分离介质
6.1.1 吸附剂（adsorbent）
● 活性炭：憎水性，脱色、脱臭、废气处理。 ●多孔树脂：聚苯乙烯，聚丙烯酸树脂。 ●硅胶、氧化铝等吸附剂。
离子交换树脂的命名
序号 0 1 2 3 4 5 6
酸 强 弱 强弱 螯 两 氧
碱 酸 酸 碱碱 合 性 化
性 性 性 性性 性
还
原
性
骨 苯 丙 酚环 乙 尿 氯
架 乙 烯 醛氧 烯 醛 乙
名 烯 酸 系系 吡 系 烯
称系性
啶 系
系
6.1.2 离子交换剂性能的评价
交换容量：mmol/g干树脂，或mmol/ml湿
缺点：(1)需换热设备；(2)粒子稳定性差。 高密度吸附介质：
琼脂糖凝胶包埋微米级石英晶体(Streamline介质)； 琼脂糖凝胶包裹磁性Nd-Fe-B合金颗粒(NFBA-S介质) ； 琼脂糖凝胶包裹氧化锆-硅胶微球(4AZB介质) 。
图6图.图269.62.琼728脂StB糖rFeB包aAm-裹lSi氧n介e化质介锆质-硅胶介质
图6.31 膨胀床吸附操作过程
膨胀床优点
与固定床相比：可直接处理具体发 酵液或细胞匀浆液，从而可节省离 心或过滤等预处理过程。
与流化床相比：流体流动状态接近 平推流的方式，轴向饭混较低，效 率高。
与固定床相比膨胀床缺点
（1）操作复杂和繁琐，对操作人员 技能和熟练程度要求高；
（2）料液中的核酸、细胞碎片等可 与介质相互作用，造成介质颗粒聚 集，甚至造成沟流和床层塌陷；
（3）料液中大量的杂质对介质污染 严重，需要严格的清洗和再生操作。
6.7 移动床和模拟移动床吸附
树脂再生
阳离子交换柱和阴离子交换柱分别逆流 通过5%HCl和5%NaOH； 混合柱应先“比重1.2盐水浮选”分离， 然后在分别再生。
固定床吸附特点
效率较高，无返混； 再生周期长； 压降大，粒子阻塞。
6.6 膨 胀 床 吸 附
膨胀床吸附介质
磁性粒子：在外部磁场作用下，磁性粒子呈现 稳定的流化状态。
（伯、应： RSO3-H+ + Na+→ RSO3-Na+ + H+
阴离子交换反应：
RN(CH3)3+OH- + Cl- → RN(CH3)3+ Cl- + OH-
离子交换树脂的命名
D 0 0 1 ×7
交换剂的百分含量 连接号 顺序号 骨架名称 酸碱性 大孔型 D指大孔型树脂，没有D指凝胶型树脂。
影响柱交换容量的因素
填料的特性：交换容量、比表面大小 装填情况： 操作条件：流速
去离子水的制备
自来水
过滤
R-SO3H柱
RN(CH3)3OH柱
去离子水
混合柱
RN(CH3)3OH柱
树脂一般采用强酸型阳离子交换树脂如001×7和强碱 型阴离子交换树脂如201×7 ； 由于交换容量不同，实验中通常采用一根阳离子交换 柱和二根阴离子交换柱。混合柱也应按等交换容量比例 混合； 混合柱的作用：由于离子交换是可逆反应，经过阳离 子交换柱和阴离子交换柱处理的去离子水，还存在着微 量未交换的离子。若让它再通过混合柱，由于两种交换 过程同时进行，离子交换后生成的H+和OH-结合成水而 除去，进一步提高了水的质量。实验室精制去离子水可 采用 5cm×100cm混合柱处理一次去离子水。
树脂，3.6-4.5mmol/g干树脂。
交联度：与孔隙、机械强度有关。 溶胀度：一般，强酸性阳离子交换树脂由
Na转变成H型，强碱性阴离子交换树脂由Cl 型转变成OH型，其体积均增加约5%，近70 ％弱丙烯酸系。
6.1.2 离子交换剂性能的评价
密度：真密度：干真密度和湿真密度
（阳1.2-1.3，阴1.0-1.1）
6.1.2 离子交换剂
• 天然的：磺化煤，天然沸石
• 合成的：离子交换树脂，合成
沸石。
磺化煤
天然沸石
表 6.2 主要离子交换基团及其结构
强酸性 0-99
弱酸性 100-199 强碱性 200-299
弱碱性 300-399
磺酸基
—SO3-
羧甲基
—COO-
三甲氨基 （季铵盐）
—N+(CH)3
二乙氨基乙基 （DEAE)
●分子筛：筛分作用，除水，混合物分离。
生物大分子层析专用：纤维素凝胶，琼脂糖凝
胶，葡聚糖凝胶，聚丙烯酰胺凝胶和羟基磷灰石。
活性炭是工业上普遍使用的吸
附剂，常用于脱色和除臭。
吸附树脂
+
苯乙烯 骨架
二乙烯苯
聚苯乙烯
交联剂
聚苯乙烯树脂
吸附树脂特性
按孔道结构分：大孔型树脂、凝胶型吸附树脂。
吸附树脂与活性炭相比：吸附选择性高，易于 解吸。 大孔型树脂与凝胶型吸附树脂：机械强度高。 吸附树脂适用于从水溶液中分离低极性或非极 性化合物。
视密度（堆积密度）：干视和湿视密度
（阳：0.75-0.9，阴0.6-0.75）
树脂
空隙
6.1.2 离子交换剂性能的评价
pH范围：弱酸：5-14；弱碱：1-9。
阴阳离离子子交交换换剂剂
1.0
强
f
弱弱
强
02 4
6
8 10 12 pH
图6.2 离子交换剂的离子化率f与pH的关系
离子交换树脂的预处理
1. 用水浸泡4-6h 2. 分别用1mol/L的盐酸或氢氧化钠进行酸
6.4 常用操作方式
1) 分批操作法： 静态操作法
2) 固定床操作法： 动态操作法
6.5 固定床吸附操作
1.0
c/co
0.05
图6.14 固定床吸附操作
穿透点 体积
图6.15 穿透曲线
1.0 0.9
c/co
0.05
穿透点 VE 体积 VB 饱和点
QB=COVB — COVε QE=QB+1/2(COVE-COVB)
碱洗涤，中间需用蒸馏水洗至近中性， 反复操作2-3次。 3. 按要求转型。
6.2 吸附平衡理论
6.2.1 吸附等温线
• 低浓度：亨利Henry：q＝mc • 浓度较高时： Langmuir方程：q＝qmc/(kd+c) Freudlich方程：q＝kcβ 0.1＜β＜1
q/(mg/g)
C0=1mg/mL 5mg/mL 10mg/mL 50mg/mL 100mg/mL c/(mg/mL)