吸附与离子交换
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1.4 离子交换
定义：一种借助于离子交换树脂上的离子和料液中的离子进行交换反应而除 去离子的方法。
离子交换过程也可以看成是一种特殊吸附过程，所以在许多方面都与吸附过 程类同。
离子交换过程的特点:它主要吸附料液中以离子态存在的物质，并进行等当 量的离子交换。
1.4.1 离子交换剂的结构组成
离子交换剂是由基质、电荷基团(或功能基团)和反离子构成的
度小，膨胀度大，吸附量减少； 8) 树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力。
1.4.6 离子交换吸附操作程序
1) 树脂预处理 2) 离子交换吸附 3) 洗脱 4) 树脂再生
1.4.7 离子交换的工艺过程
离子交换方式可分为静态交换与动态交换两种。 静态交换是将废水与交换剂同置于一耐腐蚀的容器内，使它们充分接触（可进行 不断搅拌）直至交换反应达到平衡状态。此法适用于平衡良好的交换反应。 动态交换是指废水与树脂发生相对移动，它又有塔式(column)（柱式）与连续式 之分。在离子交换系统中多采用柱式交换法。
第一章 吸附与离子交换
1.1 几个概念Biblioteka Baidu
1) 吸附(adsorption)：溶质从液相或气相转移到固相表面的过程。 2) 吸附剂(adsorbent)：在表面上能发生吸附作用的固体微粒称为吸附剂，亦
称吸附介质。 3) 吸附质(adsorbate)：被吸附的物质。
1.2 吸附
原理：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。
缺点： 1) 选择性差 2) 收率低 3) 无机吸附剂性能不稳定 4) 不能连续操作，劳动强度大 5) 碳粉等吸附剂有粉尘污染
1.2.4 吸附剂的分类（工业）
1) 吸附能力强； 2) 吸附选择性好； 3) 吸附平衡浓度低； 4) 容易再生和再利用； 5) 机械强度好； 6) 化学性质稳定； 7) 来源广； 8) 价格低。
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。
1.4.5 离子交换选择性的因素
1) 水合离子半径：离子的原子序数越高，半径越小，亲和力越大； 2) 离子化合价：高价离子易于被吸附； 3) 离子交换剂与各种水合离子的结合力是与离子的电荷量成正比，而与水
合离子半径的平方成反比。
4) 溶液 pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量； 5) 离子强度：越低越好； 6) 有机溶剂：不利于吸附； 7) 交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联
1.4.3 离子交换树脂的性能指标
1.4.3.1 离子交换容量 全交换容量：一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量 工作交换容量：树脂在给定工作条件下实际的交换能力
1.4.3.2 交联度 交联剂占单体质量的百分数称为交联度。 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
1.2.5 常用的解吸方法
1) 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。 2) 碱解吸附 原理：成盐，主要针对弱酸性溶质。 3) 酸解吸附——原理同上 4) 水解吸附 原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸 附量。
1.3 吸附过程的理论基础
吸附过程（adsorption）：当废水和吸附剂充分接触后，一方面吸附质被吸附 剂吸附
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
1.2.1 吸附机理
吸附是一种界面现象，其作用发生在两个相的界面上。 固体内部分子所受分子间的作用力是对称的，而固体表面分子所受力是不对 称的。向内的一面受内部分子的作用力较大，而表面向外一面所受的作用力较小。 固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能。当某些物质碰撞固体 表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上。
吸附等温线：当 V 吸附=V 解吸，在一定 T 下，吸附量 q 随平衡浓度 C 变化 的曲线 q=f(C)叫吸附等温线。[是一种函数关系，有四种类型，是吸附平衡的表 达方法]（作用：确定吸附量；对端吸附剂的结构；吸附热的理化性质）
1.3.1 影响吸附的因素
1.3.1.1 吸附剂性质的影响 比表面积 1) 单位重量吸附剂的表面积称为比表面积 2) 吸附剂的粒径越小，或是微孔越发达，其比表面积越大。 3) 吸附剂的比表面积越大，则吸附能力越强。 4) 增加比表面积的方法：a.粉碎成小颗粒 b.吸附剂的活化 粒度大小 1) 适当的孔径有利于溶质在孔隙中的扩散，提高吸附容量和吸附操作 速度。 2) 孔径太大，比表面积小，吸附能力差。 3) 孔径太小，则不利于吸附质扩散，并对直径较大的分子起屏蔽作用。 表面氧化物 1) 表面氧化物成为选择性的吸附中心，使吸附剂具有类似化学吸附的 能力。 2) 低温活化（＜500℃）处理→酸性氧化物 3) 高温活化（＞800℃）处理→碱性氧化物
1.2.2 吸附的分类
物理吸附：吸附剂与吸附物质之间通过分子间引力（范德华力）而产生的吸 附
离子交换吸附：静电引力 化学吸附：吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用，生成化学键引起吸附 1.2.2.1 物理吸附的特点 1) 吸附剂和吸附质之间通过分子间力的吸附为物理吸附。 2) 没有选择性。 3) 物理吸附主要发生在低温状态下，放热较小。 4) 可以是单分子层或多分子层吸附。 5) 解吸容易。 6) 影响物理吸附的主要因素是吸附剂的表面积和细孔分布。 1.2.2.2 化学吸附的特点 1) 吸附剂和吸附质之间发生由化学键力引起吸附称为化学吸附。 2) 有选择性 3) 一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸附作用。 4) 一般为单分子层吸附，分子不能在表面自由移动。 5) 吸附时放热量较大，通常需要一定的活化能。
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。 1.4.3.3 交换势
选择交换的能力。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。
1.4.4 离子交换吸附原理
离子交换法是基于固体离子交换剂在与电解质水溶液接触时，使溶液中的某 种离子与交换剂中的同性电荷离子发生离子交换作用。离子交换反应之所以能发 生，是因为功能团上的可交换离子热运动的结果，它们可以在树脂网状结构内自 由运动，当溶液中的离子与树脂内的可交换离子所带的电荷符号相同，并扩散到 树脂内部，使两者便会发生交换反应，而树脂的骨架固定离子交换时在交换不发 生变化。
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
基质：具有三维空间立体结构的网络骨架，即母体结构 电荷基团：连接骨架的活性基团，标志着离子交换介质的基本性能 反电子：可移动，能进行交换的活动离子
1.4.2 分类
1) 强酸性(strongacid)阳离子交换树脂 活性基团一般为-SO3H，又称磺酸型阳离子交换树脂。 2) 弱酸性(weakacid)阳离子交换树脂 活性基团一般为-COOH，又称羧酸型阳离子交换树脂。其中活性基团中的 H+ 可以被 Na+代替，故阳离子交换树脂又可分为氢型和钠型。 3) 强碱性(strongbase)阴离子交换树脂 活性基团一般为 NOH，又称为季胺型阴离子交换树脂。 4) 弱碱性(weakbase)阴离子交换树脂 活性基团一般有-NH3OH、＝NH2OH 和 NHOH 之分，故分别又称伯胺型、 仲胺型和叔胺型离子交换树脂。 阴离子交换树脂中的氢氧根离子 OH-可以用氯离子 Cl-代替，因此，阴离子 交换树脂又有氢氧型和氯型之分。
产物的液体从管子的一端进入，经吸附剂吸附后从管子的另一端流出。 过程复杂： ①是不稳定、非线性的； ②床层内颗粒的不均匀，其结果可能是不同的。 移动床 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 移动床较固定床能充分利用床层吸附容量，出水水质良好，且水头损失较小。
解吸过程(desorption)：另一方面一部分巳被吸附的吸附质由于热运动的结 果，能够脱离吸附剂的表面，又回到液相中去
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。
1.3.1.2 吸附质的性质 1) 溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响
2) 液体表面自由能降低得越多的吸附质则越容易被吸附。 1.3.1.3 操作条件
1) 温度：吸附是放热过程，低温有利于吸附。 2) pH：pH 值影响到溶质的存在状态(分子、离子、络合物)，也影响到吸附
剂表面的电荷特性和化学特性。 3) 接触时间：应保证吸附剂与吸附质有足够的接触时间。
由于原水从塔底进入，水中夹带悬浮物随饱和炭排出，因而不需要反冲洗设备， 对原水预处理要求较低，操作管理方便。
流化床 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 吸附剂在塔中处于膨胀状态，塔中吸附剂与废水逆向连续流动。 可使用小颗粒的吸附剂，吸附剂一次投量较少，不需反洗，设备小，生产能 力大，预处理要求低。 运转中操作要求高，不易控制，同时吸附剂的机械强度要求高。
定义：一种借助于离子交换树脂上的离子和料液中的离子进行交换反应而除 去离子的方法。
离子交换过程也可以看成是一种特殊吸附过程，所以在许多方面都与吸附过 程类同。
离子交换过程的特点:它主要吸附料液中以离子态存在的物质，并进行等当 量的离子交换。
1.4.1 离子交换剂的结构组成
离子交换剂是由基质、电荷基团(或功能基团)和反离子构成的
度小，膨胀度大，吸附量减少； 8) 树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力。
1.4.6 离子交换吸附操作程序
1) 树脂预处理 2) 离子交换吸附 3) 洗脱 4) 树脂再生
1.4.7 离子交换的工艺过程
离子交换方式可分为静态交换与动态交换两种。 静态交换是将废水与交换剂同置于一耐腐蚀的容器内，使它们充分接触（可进行 不断搅拌）直至交换反应达到平衡状态。此法适用于平衡良好的交换反应。 动态交换是指废水与树脂发生相对移动，它又有塔式(column)（柱式）与连续式 之分。在离子交换系统中多采用柱式交换法。
第一章 吸附与离子交换
1.1 几个概念Biblioteka Baidu
1) 吸附(adsorption)：溶质从液相或气相转移到固相表面的过程。 2) 吸附剂(adsorbent)：在表面上能发生吸附作用的固体微粒称为吸附剂，亦
称吸附介质。 3) 吸附质(adsorbate)：被吸附的物质。
1.2 吸附
原理：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。
缺点： 1) 选择性差 2) 收率低 3) 无机吸附剂性能不稳定 4) 不能连续操作，劳动强度大 5) 碳粉等吸附剂有粉尘污染
1.2.4 吸附剂的分类（工业）
1) 吸附能力强； 2) 吸附选择性好； 3) 吸附平衡浓度低； 4) 容易再生和再利用； 5) 机械强度好； 6) 化学性质稳定； 7) 来源广； 8) 价格低。
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。
1.4.5 离子交换选择性的因素
1) 水合离子半径：离子的原子序数越高，半径越小，亲和力越大； 2) 离子化合价：高价离子易于被吸附； 3) 离子交换剂与各种水合离子的结合力是与离子的电荷量成正比，而与水
合离子半径的平方成反比。
4) 溶液 pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量； 5) 离子强度：越低越好； 6) 有机溶剂：不利于吸附； 7) 交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联
1.4.3 离子交换树脂的性能指标
1.4.3.1 离子交换容量 全交换容量：一定量的树脂所具有的活性基团或可交换离子的总数量 工作交换容量：树脂在给定工作条件下实际的交换能力
1.4.3.2 交联度 交联剂占单体质量的百分数称为交联度。 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
1.2.5 常用的解吸方法
1) 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。 2) 碱解吸附 原理：成盐，主要针对弱酸性溶质。 3) 酸解吸附——原理同上 4) 水解吸附 原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸 附量。
1.3 吸附过程的理论基础
吸附过程（adsorption）：当废水和吸附剂充分接触后，一方面吸附质被吸附 剂吸附
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
1.2.1 吸附机理
吸附是一种界面现象，其作用发生在两个相的界面上。 固体内部分子所受分子间的作用力是对称的，而固体表面分子所受力是不对 称的。向内的一面受内部分子的作用力较大，而表面向外一面所受的作用力较小。 固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能。当某些物质碰撞固体 表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上。
吸附等温线：当 V 吸附=V 解吸，在一定 T 下，吸附量 q 随平衡浓度 C 变化 的曲线 q=f(C)叫吸附等温线。[是一种函数关系，有四种类型，是吸附平衡的表 达方法]（作用：确定吸附量；对端吸附剂的结构；吸附热的理化性质）
1.3.1 影响吸附的因素
1.3.1.1 吸附剂性质的影响 比表面积 1) 单位重量吸附剂的表面积称为比表面积 2) 吸附剂的粒径越小，或是微孔越发达，其比表面积越大。 3) 吸附剂的比表面积越大，则吸附能力越强。 4) 增加比表面积的方法：a.粉碎成小颗粒 b.吸附剂的活化 粒度大小 1) 适当的孔径有利于溶质在孔隙中的扩散，提高吸附容量和吸附操作 速度。 2) 孔径太大，比表面积小，吸附能力差。 3) 孔径太小，则不利于吸附质扩散，并对直径较大的分子起屏蔽作用。 表面氧化物 1) 表面氧化物成为选择性的吸附中心，使吸附剂具有类似化学吸附的 能力。 2) 低温活化（＜500℃）处理→酸性氧化物 3) 高温活化（＞800℃）处理→碱性氧化物
1.2.2 吸附的分类
物理吸附：吸附剂与吸附物质之间通过分子间引力（范德华力）而产生的吸 附
离子交换吸附：静电引力 化学吸附：吸附剂与被吸附物质之间产生化学作用，生成化学键引起吸附 1.2.2.1 物理吸附的特点 1) 吸附剂和吸附质之间通过分子间力的吸附为物理吸附。 2) 没有选择性。 3) 物理吸附主要发生在低温状态下，放热较小。 4) 可以是单分子层或多分子层吸附。 5) 解吸容易。 6) 影响物理吸附的主要因素是吸附剂的表面积和细孔分布。 1.2.2.2 化学吸附的特点 1) 吸附剂和吸附质之间发生由化学键力引起吸附称为化学吸附。 2) 有选择性 3) 一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸附作用。 4) 一般为单分子层吸附，分子不能在表面自由移动。 5) 吸附时放热量较大，通常需要一定的活化能。
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。 1.4.3.3 交换势
选择交换的能力。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。
1.4.4 离子交换吸附原理
离子交换法是基于固体离子交换剂在与电解质水溶液接触时，使溶液中的某 种离子与交换剂中的同性电荷离子发生离子交换作用。离子交换反应之所以能发 生，是因为功能团上的可交换离子热运动的结果，它们可以在树脂网状结构内自 由运动，当溶液中的离子与树脂内的可交换离子所带的电荷符号相同，并扩散到 树脂内部，使两者便会发生交换反应，而树脂的骨架固定离子交换时在交换不发 生变化。
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
基质：具有三维空间立体结构的网络骨架，即母体结构 电荷基团：连接骨架的活性基团，标志着离子交换介质的基本性能 反电子：可移动，能进行交换的活动离子
1.4.2 分类
1) 强酸性(strongacid)阳离子交换树脂 活性基团一般为-SO3H，又称磺酸型阳离子交换树脂。 2) 弱酸性(weakacid)阳离子交换树脂 活性基团一般为-COOH，又称羧酸型阳离子交换树脂。其中活性基团中的 H+ 可以被 Na+代替，故阳离子交换树脂又可分为氢型和钠型。 3) 强碱性(strongbase)阴离子交换树脂 活性基团一般为 NOH，又称为季胺型阴离子交换树脂。 4) 弱碱性(weakbase)阴离子交换树脂 活性基团一般有-NH3OH、＝NH2OH 和 NHOH 之分，故分别又称伯胺型、 仲胺型和叔胺型离子交换树脂。 阴离子交换树脂中的氢氧根离子 OH-可以用氯离子 Cl-代替，因此，阴离子 交换树脂又有氢氧型和氯型之分。
产物的液体从管子的一端进入，经吸附剂吸附后从管子的另一端流出。 过程复杂： ①是不稳定、非线性的； ②床层内颗粒的不均匀，其结果可能是不同的。 移动床 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 移动床较固定床能充分利用床层吸附容量，出水水质良好，且水头损失较小。
解吸过程(desorption)：另一方面一部分巳被吸附的吸附质由于热运动的结 果，能够脱离吸附剂的表面，又回到液相中去
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。
1.3.1.2 吸附质的性质 1) 溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响
2) 液体表面自由能降低得越多的吸附质则越容易被吸附。 1.3.1.3 操作条件
1) 温度：吸附是放热过程，低温有利于吸附。 2) pH：pH 值影响到溶质的存在状态(分子、离子、络合物)，也影响到吸附
剂表面的电荷特性和化学特性。 3) 接触时间：应保证吸附剂与吸附质有足够的接触时间。
由于原水从塔底进入，水中夹带悬浮物随饱和炭排出，因而不需要反冲洗设备， 对原水预处理要求较低，操作管理方便。
流化床 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 吸附剂在塔中处于膨胀状态，塔中吸附剂与废水逆向连续流动。 可使用小颗粒的吸附剂，吸附剂一次投量较少，不需反洗，设备小，生产能 力大，预处理要求低。 运转中操作要求高，不易控制，同时吸附剂的机械强度要求高。