第5章 吸附与离子交换

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按水流方向又可分:升流式与降流式。
(3)移动床:接近饱和的吸附剂从塔底间歇排 出,每次卸出总填充量的(5~20)%,同时从 塔顶投加等量再生炭或新炭。
(4)流化床:吸附剂在塔内处于膨胀状态。
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固定床吸附操作特点
吸附塔内填充吸附剂
吸附操作采用一个床,在吸附剂再生操作 中需停止吸附操作,
同时使用多个吸附床,进行多床串 连操作,使其中一床得到再生。
吸附操作的速控模型
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5.2 离子交换 (ion exchange)
概述
1)定义——能够解离的不溶性固体物质与溶液接触时可与 溶液中的离子发生离子交换反应。
2)特点——选择性好;可不用有机溶剂;周期长;投资成 本较大等。
3)应用——制药、食品、化工、环保、电子等
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离子交换剂的结构组成
• 是一种含有多元酸或多元碱为功能基团的多孔 网状立体结构的固相物
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4.吸附分离设备与操作方式
吸附操作方式 静态吸附
使废水与吸附剂搅拌混合,而废水没有 自上而下流过吸附剂的流动,这种吸附 操作叫静态吸附。 动态吸附 废水通过吸附剂自上向下流动而进行吸 附。
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吸附设备
(1)吸附搅拌槽: (2)固定床:吸附剂在床中是固定的,废水自
上而下流过吸附剂。
单床式、多床串联式、多床并联式。
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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
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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
吸附操作过程
(I)树脂预处理(洗涤去杂、转型) (II)上柱交换(正上柱、倒上柱) (III)洗脱(正洗脱、负洗脱) (IV)树脂再生
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传质速率影响因素
I: 吸附剂外表面液膜 扩散传质阻力 II:吸附剂孔内扩散及 表面扩散阻力
III:吸附剂表面吸附速度
液膜扩散速率控制 内扩散速率控制 表面吸附速率控制
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
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。
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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;
粉末活性炭 小




颗粒活性炭 较小
较大 较小 较小 难
锦纶活性炭 大




粉末活性炭
锦纶活性炭 10
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
多组分吸附:
qi
qmibi pi 1 bj pj
j 1
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2)Freundlick方程
q KC 1/ n 适于中等浓度吸附 式中:K、n——常数;
C——吸附质平衡浓度(g/L) q——吸附量 偏离理想吸附。实际吸附原因:表面不均 匀、吸附分子间的相互作用。
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3)BET公式(多层吸附)
q
(Cs
BCq0
C)1 (B 1)C
/ CS
式中:q0—单分子吸附层的饱和吸附量,g/g Cs—吸附质的饱和浓度,g/L B—常数;C—平衡浓度,g/L
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吸附等温线
n2s S型
L型
H型
C型
液相吸附平衡
溶剂有强烈竞争吸附, 且溶质为垂直定向吸附 c 溶剂吸附少,且溶质为线 形分子,躺式吸附
溶质与固体吸附力强, 化学吸附
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 12
温度对活性炭吸附效果的影响
13
接触时间对活性炭吸附效果的影响
14
pH值对活性炭吸附效果的影响
15
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 16
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。
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。
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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
• 单元结构:多孔网状立体结构的骨架 不可移动部分
功能基团 可移动部分
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38
39
40
1.离子交换的基本原理
• 离子交换: R—A+ + B+ = R—B+ + A+
• 洗脱:
R—B+ + C+ = R—C+ + B+
• 再生:
R—C+ + A+ = R—A+ + C+
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分解盐的反应: RC,SH + NaCl == RC,Sna + HCl RA,SOH + NaCl == RA,SCl + NaOH
聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂
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
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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
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。
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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
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
Step3
吸附质解 吸附
Step4
3
1.吸附分离原理及其分离
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
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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
表6-2常用吸附剂的物理性质
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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。
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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。
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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
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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。
第5章 吸附与离子交换 Absorption and ion exchange
5.1 吸附 5.2 离子交换
1
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
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
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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。
单组分吸附:
q
qm
1
bp bp
K L p(1 K L p) q / qm
RSO3H + NaOH == RSO3Na + H2O RSO3H + NaCl == RSO3Na + HCl RSO3Na + KCl == RSO3K + NaCl
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强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂
特点:
❖ 淡黄色球状颗粒; ❖ 化学稳定性好,耐磨性好; ❖ 在酸性、碱性和中性介质中都可使用; ❖ 交换反应速度快; ❖ 无机、有机阴离子均可交换。
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。
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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 )M Am N
2)孔容:单位质量吸附剂中微孔的容积
V p (VHg VHe ) / m p
3)孔径分布: 大于10nm孔:汞孔率计
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)
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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
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2.离子交换树脂
树脂骨架
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吸附等温方程:
Langmuir方程和Freundlich方程,浓度c代替 压力p。
表观吸附量:
根据溶质的物料衡算得到,并假设溶剂不被吸 附,忽略液体混合物总物质的量的变化。
q1e
n0 (x10 x1 ) m
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例:水中少量挥发性有机物可以用吸附法脱除。通常含有两 种或两种以上的有机物。现有含少量丙酮(1)和丙腈(2) 的水溶液用活性炭处理。Freundlich和Langmuir常数已知。对 小于50mmol/L的溶质浓度范围,给出公式的绝对平均偏差。 已知水溶液中含丙酮40mmol/L,含丙腈34.4mmol/L,操作温 度25oC,使用上述方程预测平衡吸附量,并与实验值比较。 实验值:q1=0.715mmol/g,q2=0.822mol/g,q总 =1.537mmol/g。
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吸附特性: ① 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。 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。
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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
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
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表1 木糖废水水质分析结果
CODcr/(mg·l-1) 4628
BOD5/(mg·l-1) 1750
中和反应:
离子交换反应:
2R-SO3Na + Ca2+ == (R-SO3)2Ca + NaOH R2Ca + HCl == 2RH + CaCl2 RH + NaOH == RNa + H2O
离子转换或提取某种离子 脱盐 不同离子的分离
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离子交换剂的分类
1) 骨架组成
无机物——沸石、磷酸钙凝胶 疏水性骨架——树脂类
dp
4 1
cos
p
dp
1.489 1010 p
1.5~2.5nm孔:氮气解吸法
pp0
p0
exp(
4vL cos
RTdp
)
小于1.5nm孔:分子筛筛分法
d p 17.9 / ln( p0 / pp0 )
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4)颗粒尺寸和分布:固定床、流化床、槽式
颗粒尺寸均一
Hale Waihona Puke Baidu
5)密度
Vp
1
b
1
p
6)强度:抗压、耐磨
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