10吸附與離子交換-制藥化工過程及設(shè)備

1、制藥化工過程及設(shè)備第10章吸附與離子交換11.掌握吸附原理，熟悉常用吸附劑和吸附等溫線 方程式。2.熟悉固定床吸附過程以及吸附劑的再生方法。3.掌握離子交換的基本原理，熟悉典型的離子交 換設(shè)備。吸附與離子交換學(xué)習(xí)目標2吸附基本原理吸附當(dāng)流體與固體顆粒，尤其是多孔性顆粒接觸時，由于流體分子與固體表面分子之間的相互作用，流體中的某些組分便富集于固體表面。解吸流體分子被吸附在固體上后，若改變操作條件，則可能從固體上脫離下來，重新回到流體中，這種現(xiàn)象稱為。吸附劑能夠吸附其他物質(zhì)的多孔性固體。吸附質(zhì)在吸附過程中，被吸附的物質(zhì)。3吸附基本原理 當(dāng)由于吸附質(zhì)與吸附劑的分子之間存在分子間力即范德華力而發(fā)生的吸

2、附稱為物理吸附，又稱為范德華吸附。 因為分子間引力普遍存在于吸附劑與吸附質(zhì)之間，故一種吸附劑可以吸附多種吸附質(zhì)，不具有選擇性。但吸附劑與吸附質(zhì)的種類不同，分子間引力大小各異，因此吸附量可能相差懸殊。 根據(jù)吸附劑與吸附質(zhì)之間相互作用力的不同，吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種類型。物理吸附4吸附基本原理 由于吸附質(zhì)與吸附劑的分子之間形成化學(xué)鍵而引起的吸附稱為化學(xué)吸附。發(fā)生化學(xué)吸附時，被吸附的分子與吸附劑的表面分子之間發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移、原子重排或化學(xué)鍵的破壞與生成。與物理吸附不同的是，化學(xué)吸附具有選擇性，只有當(dāng)吸附劑與吸附質(zhì)的分子之間形成化學(xué)鍵時，才會發(fā)生化學(xué)吸附。 根據(jù)吸附劑與吸附質(zhì)之間相互作用力的

3、不同，吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種類型?；瘜W(xué)吸附5吸附常用吸附劑 活性白土又稱為漂白土，其主要成分為硅藻土。在80100 下，將天然白土用濃度為2040%的硫酸處理后，即得活性白土。 常見的活性白土一般由5070%的SiO2、1016%的Al2O3，以及氧化鐵、氧化鎂等物質(zhì)組成，比表面積可達11052.5105m2kg-1?；钚园淄恋幕瘜W(xué)組成隨所用粘土原料和活化條件不同而有很大的差異，但一般認為其吸附能力與化學(xué)組成無關(guān)。市售活性白土有粉末狀和顆粒狀兩種規(guī)格，在制藥化工生產(chǎn)中常用作脫色劑?；钚园淄?吸附常用吸附劑 活性炭是一種多孔含碳物質(zhì)的顆?；蚍勰?，不僅具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度，而且

4、具有高度發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，因而具有很強的吸附能力；活性炭還具有解吸容易、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點。 活性炭具有非極性的表面，即可以吸附非極性物質(zhì)?；钚蕴考瓤捎糜跉庀辔?，又可用于液相吸附。目前，活性炭已廣泛地用于制藥化工過程，如各類有機蒸汽的吸附，溶液的脫色、除臭，藥物的精制等?；钚蕴?吸附常用吸附劑 活性氧化鋁是由鋁的水化物(Al(OH)33H2O)加熱脫水而制成的多孔性吸附劑，比表面積可達21054105m2kg-1，一般含有約92%的Al2O3、7%的Na2O以及少量的三氧化二鐵等。 活性氧化鋁具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度，是一種極性吸附劑，對水分具有很強的吸附能力，由于它的吸附容量大，因而常用

5、于氣體的干燥和脫濕。此外，活性氧化鋁還被用作催化劑及其載體?；钚匝趸X8吸附常用吸附劑 硅膠是一種堅硬、多孔的固體顆粒，用硫酸處理硅酸鈉水玻璃便生成硅膠，其主要成分為SiO2nH2O。 由于硅膠表面帶有一定的極性，故硅膠難于吸附烷烴等非極性物質(zhì)，但極易吸附水、甲醇等極性物質(zhì)，是一種親水性的極性吸附劑。硅膠的比表面積可達31059105m2kg-1，吸附氣體中的水分量可達硅膠自身質(zhì)量的50%以上，故硅膠常用作氣體或液體的干燥劑。此外，硅膠還可作為催化劑的載體使用。硅膠900吸附常用吸附劑 分子篩是一種人工合成的高選擇性吸附劑，其主要成分為SiO2和Al2O3等組成的結(jié)晶硅鋁酸鹽。 分子篩的晶體中

6、有許多空穴，空穴之間有許多直徑相同的微孔相連。吸附時，比孔徑小的分子，可通過微孔進入孔穴，并吸附于孔穴的內(nèi)表面上；而比孔徑大的分子則不能進入微孔，從而將分子直徑大小不同的混合物分離開來，起到篩分分子的目的，故稱為分子篩。 分子篩具有按分子大小選擇吸附的優(yōu)點，因而在制藥化工生產(chǎn)中常用它來分離混合物。分子篩10吸附常用吸附劑 吸附樹脂是以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等單烯類單體為原料，與交聯(lián)劑通過懸浮共聚反應(yīng)而得到的具有巨型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的共聚物，又稱為大孔吸附樹脂。 在以吸附樹脂為吸附劑的分離過程中，樹脂骨架與吸附質(zhì)的分子之間并未發(fā)生離子交換，而是產(chǎn)生了吸附作用。此時吸附樹脂的性質(zhì)與活性炭、硅膠等吸附劑的性

7、質(zhì)相似。吸附樹脂的比表面積可達31055105m2kg-1，且有良好的選擇性和機械強度，解吸也較為容易，并可反復(fù)使用。目前，吸附樹脂已成功地應(yīng)用于頭孢菌素、維生素、林可霉素等的吸附提取。吸附樹脂11吸附吸附平衡與吸附等溫線 吸附過程是吸附質(zhì)在固體表面上不斷吸附與解吸的過程。在吸附初期，由于吸附的吸附質(zhì)分子數(shù)大大超過解吸的吸附質(zhì)分子數(shù)，故在宏觀上表現(xiàn)為吸附。隨著吸附過程的進行，吸附劑表面逐漸被吸附質(zhì)分子所覆蓋，從而使吸附速度不斷下降，解吸速度不斷加快。當(dāng)吸附速度與解吸速度相等時，吸附過程達到動態(tài)平衡，稱為吸附平衡。吸附平衡12式中 q吸附劑的平衡吸附量，kgkg-1； m1被吸附物質(zhì)的質(zhì)量，kg

8、； m吸附劑的質(zhì)量，kg。吸附吸附平衡與吸附等溫線 恒溫恒壓下，含吸附質(zhì)的流體與吸附劑達到吸附平衡時，吸附質(zhì)在液相主體中的濃度稱為平衡濃度，單位質(zhì)量的吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量稱為平衡吸附量或吸附量，即吸附平衡(10-1)13 對于氣相吸附，吸附質(zhì)的量常用體積表示，此時，式(10-1)可改寫為式中q吸附劑的平衡吸附量，m3kg-1； V被吸附物質(zhì)的體積，m3； m吸附劑的質(zhì)量，kg。吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附平衡(10-2)14 吸附量的大小主要取決于吸附劑和吸附質(zhì)的性能以及溫度和壓力等外部條件。當(dāng)溫度一定時，吸附量與平衡濃度之間存在一定的關(guān)系，該關(guān)系若用曲線來表示，則稱為吸附等溫線；若用數(shù)學(xué)

9、函數(shù)式來描述，則稱為吸附等溫線方程式。 一般情況下，氣相吸附過程較為簡單，而液相吸附尤其是濃溶液的吸附過程較為復(fù)雜。研究表明，氣相吸附過程的許多理論也適用于溶液的吸附過程。吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附平衡15 在氣相吸附過程中，當(dāng)吸附質(zhì)的分壓很低時，吸附劑的吸附量與吸附質(zhì)的分壓成正比，這種吸附稱為亨利吸附。 此時，吸附等溫線方程式可表示為 式中q吸附劑的平衡吸附量，m3kg-1； 亨利系數(shù)， m3kg-1Pa-1 ； p吸附質(zhì)的平衡分壓，Pa。吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式Henry方程式(10-3)16 式(10-3)稱為Henry方程式，對應(yīng)的吸附等溫線為經(jīng)過原點的線性等溫線，如

10、圖10-1所示。圖10-1 線性吸附等溫線 吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式Henry方程式17 Henry方程式適用于壓力很低的氣相或液相吸附過程，一般吸附劑表面被吸附的面積不超過10%。 當(dāng)用于液相吸附過程時，式(10-3)應(yīng)改寫為 式中C溶液中吸附質(zhì)的平衡濃度，kgm -3。 吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式Henry方程式(10-4)18 Freundlich方程式是描述某些吸附等溫線的一個經(jīng)驗方程式，對于氣相吸附，其一般形式為：式中 與溶劑種類、特性及溫度有關(guān)的常數(shù)； 與溫度有關(guān)的常數(shù)，其值越大，吸附過程越容易進行。 吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式Freun

11、dlich方程式(10-5)19多數(shù)情況下，F(xiàn)reundlich方程式可很好地描述某些體系在中壓范圍內(nèi)的吸附等溫線，但用于低壓或高壓下的吸附過程時偏差較大。這是因為式(10-5)表明吸附量隨壓力的增大而增大，直至無窮大。而實際上并非如此，當(dāng)壓力增大至一定程度時，吸附過程就達到飽和。吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式Freundlich方程式Freundlich方程式所對應(yīng)的吸附等溫線如圖10-2所示。圖10-2 Freundlich吸附等溫線20 Freundlich方程式也可用來描述某些液相吸附體系的吸附等溫式，此時式(10-5)應(yīng)改寫為 由于Freundlich方程式是經(jīng)驗公式，故只

12、能概括地表達事實，而不能說明吸附作用的機理。吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式Freundlich方程式(10-6)21 與Freundlich經(jīng)驗公式相比，Langmuir方程式則具有重要的理論依據(jù)。 1916年Langmuir提出：吸附質(zhì)分子在吸附劑表面上的吸附是單分子層吸附，即只有當(dāng)吸附質(zhì)分子碰撞到吸附劑的空白表面時才能被吸附，而當(dāng)碰撞到已被吸附的吸附質(zhì)分子時則被彈回。 吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式Langmuir方程式22 根據(jù)可逆吸附和單分子層假設(shè)，可導(dǎo)出Langmuir方程式。對于氣相吸附，Langmuir方程式可表示為：式中 q 氣體分壓為p時的吸附量，m3kg

13、-1； 吸附劑表面全部被吸附質(zhì)的單分子層所覆蓋時的吸附量，m3kg-1； Langmuir常數(shù)，Pa-1； p 吸附質(zhì)在氣體混合物中的分壓，Pa。吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式Langmuir方程式(10-7)23 Langmuir方程式所對應(yīng)的吸附等溫線如圖10-3所示。吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式Langmuir方程式圖10-3 Langmuir吸附等溫線24 Langmuir方程式是一個理想的吸附等溫線方程式，可很好地解釋化學(xué)吸附以及氣相強物理吸附過程，因而有著廣泛的應(yīng)用。 當(dāng)吸附質(zhì)的分壓很低時，式(10-7)可簡化為Henry方程式，即式(10-3)。 吸附吸附平

14、衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式Langmuir方程式(10-7)(10-3)25 Langmuir方程式除適用于氣相吸附外，還適用于某些液相吸附過程。當(dāng)用于液相吸附過程時，式(10-7)應(yīng)改寫為式中 C吸附質(zhì)的平衡濃度，kgm -3。 類似地，當(dāng)吸附質(zhì)的濃度很低時，式(10-8)也可簡化為Henry方程式，即式(10-4)。吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式Langmuir方程式(10-8)(10-4)26 圖10-4是多分子層吸附示意圖。1938年，Brunauer、Emmett和Teller根據(jù)可逆吸附和多分子層理論，導(dǎo)出了BET方程式。吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式BET

15、方程式圖10-3 多分子層吸附示意圖27 對于氣相吸附，BET方程式為:式中 q 平衡吸附量，m3kg-1； kBBET常數(shù)； p吸附質(zhì)的分壓，Pa； po吸附質(zhì)的飽和蒸氣壓，Pa； qM 第一層單分子層的飽和吸附量，m3kg-1。 吸附吸附平衡與吸附等溫線(10-9)吸附等溫線方程式BET方程式28 BET方程式可很好地描述圖10-5所示的三種類型的吸附等溫線。 吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式BET方程式 (a) (b) (c)圖10-5 符合BET方程的三種吸附等溫線29 研究表明，當(dāng)相對壓力 在0.050.35范圍內(nèi)時，大多數(shù)吸附體系的實驗結(jié)果能與BET公式符合得很好。但當(dāng)壓力

16、太小，使小于0.05時，吸附劑表面將難以形成多分子層吸附，甚至連單分子層的物理吸附也遠未完全形成，因而與BET公式產(chǎn)生偏差。吸附吸附平衡與吸附等溫線吸附等溫線方程式BET方程式30 對于液相多分子層吸附，式(10-9)應(yīng)改寫為式中 C吸附質(zhì)的平衡濃度，kgm -3； 吸附質(zhì)在溶液中的飽和濃度，即吸附質(zhì)在溶液中的極限濃度，kgm -3。吸附吸附平衡與吸附等溫線(10-10)吸附等溫線方程式BET方程式31 吸附質(zhì)由流體主體傳遞至吸附劑顆粒的內(nèi)表面并被吸附的過程可看成由下列三個過程串聯(lián)而成。(1)外擴散吸附質(zhì)由流體主體擴散至吸附劑顆粒的外表面。(2)內(nèi)擴散吸附質(zhì)由吸附劑顆粒的外表面沿其內(nèi)部微孔擴散

17、至吸附劑顆粒的內(nèi)表面。(3)表面吸附擴散至吸附劑顆粒內(nèi)的吸附質(zhì)被內(nèi)表面所吸附。吸附吸附傳質(zhì)原理與吸附速率吸附傳質(zhì)原理32 整個吸附傳質(zhì)過程的速率由上述三個串聯(lián)過程的速率共同決定。 一般情況下，表面吸附速度很快，該過程幾乎可在瞬間完成，因此整個吸附傳質(zhì)過程的速率主要由外擴散或內(nèi)擴散來控制。 吸附吸附傳質(zhì)原理與吸附速率吸附傳質(zhì)原理33 吸附速率可用單位質(zhì)量的吸附劑在單位時間內(nèi)所吸附的吸附質(zhì)的量來表示。 在吸附過程中，若內(nèi)擴散的傳質(zhì)速度很快，則傳質(zhì)阻力主要集中于外擴散，吸附過程為外擴散控制。 反之，若外擴散的傳質(zhì)速度很快，則傳質(zhì)阻力主要集中于內(nèi)擴散，吸附過程為內(nèi)擴散控制。吸附吸附傳質(zhì)原理與吸附速率吸

18、附速率34 接觸過濾式吸附過程一般在帶有攪拌器的吸附槽中進行。操作時，首先將原料液加入吸附槽，然后在攪拌狀態(tài)下加入吸附劑。在攪拌器的作用下，槽內(nèi)液體呈強烈湍動狀態(tài)，而吸附質(zhì)則懸浮于溶液中。當(dāng)吸附過程接近吸附平衡時，通過過濾裝置將吸附劑從溶液中分離出來。接觸過濾式吸附過程屬間歇操作過程，常用于溶質(zhì)的吸附能力很強，且溶液的濃度很低的吸附過程，以回收其中少量的溶解物質(zhì)或除去某些雜質(zhì)等。吸附吸附過程吸附過程接觸過濾式35 固定床吸附過程是最為典型的吸附過程之一，在制藥化工生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。將顆粒狀的吸附劑以一定的填充方式充滿圓筒形容器，即構(gòu)成固定床，如圖10-6所示。操作時，含有吸附質(zhì)的液體或氣體

19、以一定的流速流過吸附劑床層，進行動態(tài)吸附。當(dāng)床層內(nèi)的吸附劑接近或達到飽和時，吸附過程停止，隨后對床層內(nèi)的吸附劑進行再生，再生完成后，即可進行下一循環(huán)的吸附操作?？梢?，固定床吸附過程也是一種間歇操作過程。 吸附吸附過程吸附過程固定床36 當(dāng)含吸附質(zhì)的流體自上而下連續(xù)流過床層時，其中的吸附質(zhì)被吸附劑所吸附。若吸附過程不存在傳質(zhì)阻力，則吸附速度為無限大，因而進入床層的吸附質(zhì)可在瞬間被吸附劑所吸附，此時床層內(nèi)的吸附質(zhì)象活塞一樣向下移動。 吸附吸附過程吸附過程固定床圖10-6 固定床吸附器1-壓圈；2-吸附劑；3-筒體；4-支承板37 由于實際吸附過程存在傳質(zhì)阻力，因而吸附平衡不可能瞬間達成，此時將在床

20、層的入口處形成如圖10-7(a)所示的傳質(zhì)區(qū)。在吸附傳質(zhì)區(qū)內(nèi)，吸附質(zhì)濃度由初始濃度C0沿流動方向逐漸下降。 吸附過程傳質(zhì)區(qū)又稱為吸附前沿，所占的床層高度又稱為傳質(zhì)區(qū)高度。傳質(zhì)區(qū)以下的區(qū)域為新鮮的吸附劑，稱為未用區(qū)。吸附吸附過程吸附過程固定床38吸附吸附過程吸附過程固定床（a） （b） （c） （d）圖10-7 固定床吸附過程示意圖39 當(dāng)流體連續(xù)流過床層時，某時刻床層內(nèi)的吸附質(zhì)濃度沿床層高度變化的曲線，稱為吸附負荷曲線，如圖10-8所示。吸附吸附過程吸附過程固定床圖10-8 吸附負荷曲線40 吸附器出口流體中的吸附質(zhì)濃度隨時間而變化的曲線稱為透過曲線，如圖10-9所示。吸附吸附過程吸附過程固定

21、床圖10-9 固定床吸附器的透過曲線41 傳質(zhì)區(qū)形成之后，將沿流體的流動方向不斷下移。由于吸附劑不斷地吸附，床層上部的一段吸附劑將達到飽和，即吸附過程達到動態(tài)平衡。此時，整個固定床吸附器自上而下被分為三個區(qū)域，即上部的飽和區(qū)、中部的傳質(zhì)區(qū)和下部的未用區(qū)，如圖10-7(b)所示。 傳質(zhì)區(qū)形成后，若流體的流速保持不變，則傳質(zhì)區(qū)將以恒定的速度向前推進，且高度亦保持不變，如圖10-10所示。吸附吸附過程吸附過程固定床42 吸附吸附過程吸附過程固定床圖10-10 固定床內(nèi)傳質(zhì)區(qū)的移動43 隨著吸附過程的進行，傳質(zhì)區(qū)將不斷向前移動，因而飽和區(qū)將逐漸擴大，未用區(qū)將逐漸縮小。經(jīng)過一定的時間后，傳質(zhì)區(qū)的前端將到

22、達床層的出口，此時出口流體中的吸附質(zhì)濃度開始突然上升，該點稱為穿透點，如圖10-9中的B點所示。 穿透點所對應(yīng)的吸附質(zhì)濃度和吸附時間分別稱為穿透濃度和穿透時間。隨著時間的推移，出口流體中的吸附質(zhì)濃度不斷上升，直至與進口流體中的濃度完全相同。此時，傳質(zhì)區(qū)離開床層，整個床層均成為飽和區(qū)，已失去吸附能力，需進行再生操作。吸附吸附過程吸附過程固定床44 熱再生法是通過加熱的方法，使吸附質(zhì)從吸附劑上脫附出來，從而達到使吸附劑再生的目的，它是目前應(yīng)用最為廣泛的再生方法。 實際生產(chǎn)中，熱再生法常以高溫水蒸氣或惰性氣體作為加熱介質(zhì)，使用時應(yīng)特別注意吸附劑的熱穩(wěn)定性。 熱再生法可分解多種吸附質(zhì)，且對吸附質(zhì)基本沒

23、有選擇性，具有應(yīng)用范圍廣、再生效率高、再生時間短等特點，是目前吸附劑再生的主要方法。缺點是能耗、投資和運行費用較高。吸附吸附劑的再生吸附劑的再生熱再生法45 溶劑再生法一般通過以下兩種途徑來實現(xiàn)。 一是使加入的溶劑與吸附質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成易溶物質(zhì)，然后對吸附劑進行洗滌即可達到再生目的。例如，處理過含酚廢水的活性炭，可用NaOH溶液進行脫附，這是因為活性炭所吸附的酚可與溶液中的NaOH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成易溶的酚鈉，將活性炭用NaOH溶液多次洗滌后即可達到再生的目的。吸附吸附劑的再生吸附劑的再生溶劑再生法46 二是直接將吸附質(zhì)從吸附劑上置換出來，從而達到使吸附劑再生的目的。例如，在不同的溶劑中，活性

24、炭與苯酚之間的吸附平衡關(guān)系如圖10-11所示。由圖10-11可知，與水溶液相比，當(dāng)分別采用甲醇、乙醇或丙酮作為溶劑時，活性炭對苯酚的平衡吸附量均顯著下降。因此，處理過含酚廢水的活性炭可以用甲醇、乙醇或丙酮為溶劑，使活性炭所吸附的部分苯酚脫附出來，從而達到使活性炭再生的目的。吸附吸附劑的再生吸附劑的再生溶劑再生法47吸附吸附劑的再生吸附劑的再生溶劑再生法圖10-11 不同溶劑中，活性炭與苯酚之間的吸附平衡關(guān)系 溶劑再生法適用于可逆吸附，常用于高濃度、低沸點有機廢水的處理。但溶劑再生法的針對性較強，往往一種溶劑只能脫附某些吸附質(zhì)，因而對于特定的溶劑，其應(yīng)用范圍較窄。48 生物再生法是利用微生物的作

25、用，將吸附劑表面所吸附的有機物，氧化分解成CO2和H2O的過程。生物再生法設(shè)備和工藝均比較簡單，因而投資和運行費用較低。但生物再生法對吸附質(zhì)具有一定選擇性，只能用于可生物降解的吸附質(zhì)。由于有機物氧化速度緩慢，故所需時間較長。且在降解過程中一般不能將所有的有機物徹底分解成CO2和H2O，其中間產(chǎn)物仍殘留在活性炭上，積累于微孔中，多次循環(huán)后再生效率會明顯降低，因而限制了生物再生法的工業(yè)化應(yīng)用。吸附吸附劑的再生吸附劑的再生生物再生法49 氧化分解再生法是利用氧化劑將吸附劑表面所吸附的各種有機物氧化分解成小分子，從而達到使吸附劑再生的目的。常用的氧化劑有Cl2、KMnO4、O3、H2O2和空氣等，常用

26、方法主要是濕式氧化法。此外，還有電化學(xué)再生法等。 濕式氧化法是在高溫和中壓的條件下，以氧氣或空氣作為氧化劑，將吸附劑表面所吸附的有機物氧化分解成小分子的一種再生方法，該法具有再生時間短，再生效率穩(wěn)定等優(yōu)點，但對于某些難降解的有機物，可能會產(chǎn)生毒性較大的中間產(chǎn)物。吸附吸附劑的再生吸附劑的再生氧化分解再生法50 電化學(xué)再生法也屬于氧化分解再生法，是一種新型的活性炭再生技術(shù)。該法是將活性炭填充于兩個電極之間，然后對電解液施加直流電場，使活性炭在電場作用下發(fā)生極化，一端成為陽極，另一端成為陰極，在陰極和陽極部位分別發(fā)生還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)，從而使吸附于活性炭上的污染物大部分分解。該法操作方便且效率高、能

27、耗低，其處理對象所受局限性較小，若處理工藝完善，可以避免二次污染。吸附吸附劑的再生吸附劑的再生氧化分解再生法51 離子交換是指固相的離子交換劑與液相中的離子之間發(fā)生的離子互換。離子交換劑是含有可交換離子的不溶性電解質(zhì)的總稱，其中含可交換陽離子的稱為陽離子交換劑，含可交換陰離子的稱為陰離子交換劑。離子交換劑中的可交換離子可與周圍介質(zhì)中的離子發(fā)生互換，但不會改變電解質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)。 離子交換樹脂是一類常見的離子交換劑。下面分別以陽離子交換樹脂HR (R代表交換樹脂的骨架部分) 和陰離子交換樹脂RCl為例，介紹離子交換的基本原理。離子交換基本原理52 陽離子交換樹脂HR可在水中電離出H+，當(dāng)用它來處理

28、含有Na+等陽離子的溶液時，樹脂中的H+可與溶液中的Na+等陽離子發(fā)生離子交換反應(yīng)，即 HR Na+ RNa H+ 陰離子交換樹脂RCl可在水中電離出Cl，當(dāng)用它來處理含有SO42-等陰離子的溶液時，樹脂中的Cl-可與溶液中的SO42-等陰離子發(fā)生離子交換反應(yīng)，即 2RCl SO42- R2 SO4 2Cl-離子交換基本原理53 在離子交換過程中，交換劑中的離子可與溶液中等當(dāng)量的同符號離子進行交換。交換劑中原有的離子被取代下來，溶液中的離子則進入交換劑中，從而可將某些離子從溶液中分離出來。 離子交換劑在使用過程中, 隨著被交換離子數(shù)量的增加，其交換能力逐漸下降。因此離子交換劑經(jīng)一段時間使用后也

29、需要再生。再生的方法是用另一種與交換劑親和力更強的鹽溶液進行處理，使上述離子交換反應(yīng)逆向進行，從而恢復(fù)交換劑的吸附能力，以便重復(fù)使用。離子交換基本原理54 離子交換是指固相的離子交換劑與液相中的離子之間發(fā)生的離子互換。離子交換劑是含有可交換離子的不溶性電解質(zhì)的總稱，其中含可交換陽離子的稱為陽離子交換劑，含可交換陰離子的稱為陰離子交換劑。離子交換劑中的可交換離子可與周圍介質(zhì)中的離子發(fā)生互換，但不會改變電解質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)。 離子交換樹脂是一類常見的離子交換劑。下面分別以陽離子交換樹脂HR (R代表交換樹脂的骨架部分) 和陰離子交換樹脂RCl為例，介紹離子交換的基本原理。離子交換基本原理55離子交換樹

30、脂是一種具有活性交換基團的不溶性高分子共聚物，其結(jié)構(gòu)由三部分組成：(1) 惰性高分子骨架；(2) 連接在骨架上的固定基團；(3) 可以電離的離子，如圖10-12所示。離子交換離子交換樹脂圖10-12 離子交換樹脂結(jié)構(gòu)示意圖56 惰性骨架由高分子碳鏈構(gòu)成，是一種多孔性海綿狀不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它不溶于一般的酸、堿溶液及有機溶劑。按骨架不同，離子交換樹脂可分為加聚型與縮聚型兩類。前者有聚苯乙烯類與丙烯酸類等，后者有酚醛類。 在惰性骨架中引入交換基團后，便成為具有離子交換功能的樹脂。 為改善樹脂的性能，還應(yīng)在惰性骨架中添加交聯(lián)劑、致孔劑、加重劑以及磁性材料等輔助材料。離子交換樹脂惰性骨架離子交換離子交換

31、樹脂57 為使合成的骨架具備一定的結(jié)構(gòu)和強度，即一定的微孔尺寸、孔隙率和密度，合成聚苯乙烯與丙烯酸兩類樹脂時，需加入一定量的交聯(lián)劑，常用的交聯(lián)劑有二乙烯苯(DVB)、三丙烯酸甘油酯、季戊四醇三丙烯酸酯、衣康酸雙烯丙酯等。 制備骨架時，若加入石蠟、溶劑汽油等致孔劑可制得大孔型樹脂，不加致孔劑則得常規(guī)凝膠型樹脂。離子交換樹脂惰性骨架離子交換離子交換樹脂58 通過在聚合物惰性骨架上加入磷酸鋯、氧化鋯、氧化鈦一類的大密度物料，可制得高密度樹脂，或加重樹脂。樹脂加重后易于沉降，可允許較高的液相操作流速，有利于增加生產(chǎn)能力，提高分離效率。 將 -Fe2O3或CrO2類的無機磁性材料加到骨架中作為磁芯后,

32、可以使樹脂帶有磁性，既可保證較快的交換速度，又可加速沉降，使樹脂與溶液兩相間的固液易于分離，提高操作效率。磁性樹脂在磁場作用下，形成含有大量水的疏松絮狀物，也特別有利于輸送，且樹脂不易磨損。離子交換樹脂惰性骨架離子交換離子交換樹脂59 按所帶交換基團的性質(zhì)不同，離子交換樹脂大致可分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類。(1) 陽離子交換樹脂 陽離子交換樹脂是一類骨架上結(jié)合有磺酸和羧酸等酸性功能基，可與陽離子進行交換的聚合物。按功能基酸性強弱程度的不同，陽離子交換樹脂可分為強酸性和弱酸性兩大類。陽離子交換樹脂RSO3H或RCOOH可在水中電離，電離方程式為RSO3H RSO3- H+RCOOH

33、 RCOO- H+離子交換樹脂交換基團離子交換離子交換樹脂60 強酸性樹脂 具有SO3H、PO3H2、HPO2Na、AsO3H2、SeO3H等功能基的樹脂極易電離，其酸性相當(dāng)于鹽酸或硫酸，故屬強酸性陽離子交換樹脂。此類樹脂可在酸性、中性和堿性條件下與水溶液中的陽離子進行交換。 對于H型陽離子交換樹脂，離子交換方程式為RSO3H NaCl RSO3Na HCl 對于鹽基型陽離子交換樹脂，離子交換方程式為2RSO3Na MgCl2 (RSO3)2Mg 2NaCl 強酸性陽離子交換樹脂失效后，可用HCl、H2SO4或NaCl溶液進行再生，以便重復(fù)使用。離子交換樹脂交換基團離子交換離子交換樹脂61 弱

34、酸性樹脂 具有羧基COOH或酚羥基C6H5OH等功能基的樹脂不易電離，其酸性相當(dāng)于有機弱酸，故屬弱酸性陽離子交換樹脂。 H型弱酸性陽離子交換樹脂在使用前常用NaOH或NaHCO3溶液中和，即RCOOH NaHCO3 RCOONa H2O CO2離子交換樹脂交換基團離子交換離子交換樹脂62 由于弱酸性陽離子交換樹脂對Ca2+、Mg2+等離子具有極高的選擇性，因此用NaCl溶液再生時效果不佳。一般情況下，弱酸性陽離子交換樹脂可用HCl等強酸進行再生，在強酸的作用下很容易地轉(zhuǎn)變?yōu)镠型樹脂。弱酸性陽離子交換樹脂只能在中性或堿性溶液中使用，其交換容量取決于外部溶液的pH值。弱酸性陽離子樹脂對Cu2+、C

35、o2+、Ni2+等離子具有較大的親和力，因而常用來處理含有微量重金屬離子的污水，如用于電鍍廢水的處理等。離子交換樹脂交換基團離子交換離子交換樹脂63 (2) 陰離子交換樹脂 陰離子交換樹脂是一類骨架上帶有季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基等堿性功能基，可與陰離子進行交換的聚合物。按功能基堿性強弱程度的不同，陰離子交換樹脂可分為強堿性和弱堿性兩大類。強堿性樹脂 以季胺基為交換基團的樹脂具有強堿性，故屬強堿性陰離子交換樹脂。對于強堿性陰離子交換樹脂，若氮上帶有三個甲基的季胺結(jié)構(gòu)(N(CH3)3Cl)，則稱為I型樹脂；若氮上帶有兩個甲基和一個羥乙基(CH3)2NCH2CH2OH，則稱為型樹脂。離子交換樹脂交換基團離子交換離子交換樹脂64 目前，市售強堿性陰離子交換樹脂一般為化