吸附離子交換 四組課件

1、吸附離子交換四組 簡(jiǎn)介吸附法分離的關(guān)鍵在于物質(zhì)的吸附和脫附作用的差異。離子交換分離法是利用溶液中離子與離子交換劑發(fā)生交換反應(yīng)進(jìn)行分離的方法。 在分析測(cè)試中，離子交換分離技術(shù)是最有實(shí)用價(jià)值的前處理方法。主要內(nèi)容 1 概述 2工作原理 3特點(diǎn) 4應(yīng)用 5發(fā)展第一部分 概述一、吸附吸附是利用吸附劑對(duì)液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面的過(guò)程。當(dāng)流體與多孔固體接觸時(shí), 流體中某一組分或多個(gè)組分在固體表面處產(chǎn)生積蓄, 此現(xiàn)象稱(chēng)為吸附。廣義地講，指固體表面對(duì)氣體或液體的吸著現(xiàn)象。在化工生產(chǎn)中,吸附專(zhuān)指用固體吸附劑處理流體混合物,將其中所含的一種或幾種組分吸附在固體表面上，從而使混

2、合物組分分離，是一種屬于傳質(zhì)分離過(guò)程的單元操作，所涉及的主要是物理吸附。吸附過(guò)程通常包括： 待分離料液與吸附劑混合 吸附質(zhì)被吸附到吸附劑表面 料液流出 吸附質(zhì)解吸回收常見(jiàn)吸附分離（吸附劑） 活性炭和分子篩 巰基棉纖維和泡沫塑料 大孔性吸附樹(shù)脂 硅膠、氧化鋁等吸附劑 納米材料 殼聚糖 磁微球等活性炭分離 活性炭是常用的吸附劑，表面積約100 1000 m2 /g ，粒度 90 m 應(yīng)占97%以上?；钚蕴渴且环N非極性吸附劑，較易吸附極性較小的分子。 在分析上，活性炭可用來(lái)吸附、氣體有機(jī)物，也可以在多元素富集中作為痕量載體應(yīng)用?；钚蕴康奈剿俣纫话爿^快，通常只要把活性炭與試液共振蕩3-5分鐘，接著用

3、濾紙過(guò)濾，即可定量吸附待測(cè)成分。分子篩分離 分子篩是一種晶態(tài)的金屬硅鋁酸鹽礦物。它具有高度選擇性吸附性能，是由于其結(jié)構(gòu)形成許多與外部相通的均一微孔。凡是比分子篩孔徑小的分子可通入孔道中，而較大者則留在孔外，借此篩分各種分子大小不同的混合物。 分子篩主要用于氣態(tài)物的分離和有機(jī)溶劑痕量水的除去。實(shí)驗(yàn)室一般采用4-5A的分子篩。硅膠極性吸附劑，可用于萜類(lèi)、固醇類(lèi)、生物堿、脂肪類(lèi)、氨基酸等的吸附分離對(duì)極性化合物的吸附力大于非極性的，吸附活性跟含水量密切相關(guān)硅膠的活化 表面大量羥基，很強(qiáng)吸水性，105110活化12h氧化鋁親水性吸附劑，適用于親脂性成分的分離按制備方法不同，分為堿性、中性、酸性氧化鋁三種

4、吸附活性隨含水量增多而降低，用前也需去水分活化（150 活化2h ） 大孔吸附樹(shù)脂具有吸附容量大、選擇性好、易于解吸、機(jī)械強(qiáng)度高、再生處理簡(jiǎn)便、吸附速度快等優(yōu)點(diǎn), 特別適用于從水溶液中分離低極性或非極性化合物。離子交換利用離子交換樹(shù)脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷差異，依靠庫(kù)侖力吸附在樹(shù)脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹(shù)脂上洗脫下來(lái)，達(dá)到分離的目的。各種離子交換劑的離子選擇順序工作原理一、吸附（1）活性炭 是一種很細(xì)小的炭粒 有很大的表面積，而且炭粒中還有更細(xì)小的孔毛細(xì)管。這種毛細(xì)管具有很強(qiáng)的吸附能力，由于炭粒的表面積很大，所以能與氣體（雜質(zhì)）充分接觸。當(dāng)這些氣體（雜質(zhì)）碰到

5、毛細(xì)管被吸附，起凈化作用。當(dāng)液體或氣體混合物與吸附劑長(zhǎng)時(shí)間充分接觸后，系統(tǒng)達(dá)到平衡，吸附質(zhì)的平衡吸附量（單位質(zhì)量吸附劑在達(dá)到吸附平衡時(shí)所吸附的吸附質(zhì)量），首先取決于吸附劑的化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)，同時(shí)與系統(tǒng)的溫度和壓力以及該組分和其他組分的濃度或分壓有關(guān)。對(duì)于只含一種吸附質(zhì)的混合物，在一定溫度下吸附質(zhì)的平衡吸附量與其濃度或分壓間的函數(shù)關(guān)系的圖線，稱(chēng)為吸附等溫線。對(duì)于壓力不太高的氣體混合物，惰性組分對(duì)吸附等溫線基本無(wú)影響；而液體混合物的溶劑通常對(duì)吸附等溫線有影響。同一體系的吸附等溫線隨溫度而改變。溫度愈高，平衡吸附量愈小。當(dāng)混合物中含有幾種吸附質(zhì)時(shí)，各組分的平衡吸附量不同，被吸附的各組分濃度之比，一

6、般不同于原混合物組成，即分離因子（見(jiàn)傳質(zhì)分離過(guò)程）不等于1。吸附劑的選擇性愈好,愈有利于吸附分離。 分離只含一種吸附質(zhì)的混合物時(shí)，過(guò)程最為簡(jiǎn)單。當(dāng)原料中吸附質(zhì)含量很低,而平衡吸附量又相當(dāng)大時(shí),混合物與吸附劑一次接觸就可使吸附質(zhì)完全被吸附。吸附劑經(jīng)脫附再生后循環(huán)使用，并同時(shí)得到吸附質(zhì)產(chǎn)品。但是工業(yè)上經(jīng)常遇到的一些情況，是混合物料中含有幾種吸附質(zhì),或是吸附劑的選擇性不高，平衡吸附量不大,若混合物與吸附劑僅進(jìn)行一次接觸就不能滿(mǎn)足分離要求，或吸附劑用量太大時(shí)，須用多級(jí)的或微分接觸的傳質(zhì)設(shè)備。分子篩的孔徑分布是非常均一的,因而分子篩比其他類(lèi)型吸附劑更具有其獨(dú)特的優(yōu)越性：具有極高，深度干燥分離度；可以有效

7、地避免分離時(shí)所產(chǎn)生共吸附現(xiàn)象，提高產(chǎn)品得率；可以在同一系統(tǒng)中同時(shí)完成干燥和物質(zhì)的純化；在較高的溫度條件下，同樣具有一定的吸附容量；分子篩系統(tǒng)較其他干燥和分離裝置，設(shè)備投資低，運(yùn)轉(zhuǎn)成本低 （3）大孔性吸附樹(shù)脂樹(shù)脂吸附作用是依靠它和被吸附的分子(吸附質(zhì)) 之間的范德華引力,通過(guò)它巨大的比表面進(jìn)行物理吸附而工作,使有機(jī)化合物根據(jù)有吸附力及其分子量大小可以經(jīng)一定溶劑洗脫分開(kāi)而達(dá)到分離、純化、除雜、濃縮等不同目的。借助于固體離子交換劑中的離子與稀溶液中的離子進(jìn)行交換,以達(dá)到提取或去除溶液中某些離子的目的,是一種屬于傳質(zhì)分離過(guò)程的單元操作。離子交換是可逆的等當(dāng)量交換反應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)表明，在常溫下，當(dāng)離子濃度不

8、大時(shí)，強(qiáng)酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂樹(shù)脂親和力大小有如下一些規(guī)律。 金屬離子的價(jià)數(shù)增大，親和力增大。如 Na+ Ca2+ Al3+ Th4+ 離子價(jià)數(shù)相同時(shí)，親和力大小隨著水合離子半徑的減少而增大。如1價(jià)離子：Li+ H+ Na+ NH4+ K+ Rb+ Cs+ Tl+ Ag+；2價(jià)離子：Mg2+ Zn2+ Co2+ Cu2+ Cd2+ Ni2+ Ca2+ Sr2+ Pb2+ Ba2+。特點(diǎn)常見(jiàn)的吸附類(lèi)型及其主要特點(diǎn)物理吸附有以下特點(diǎn)：氣體的物理吸附類(lèi)似于氣體的液化和蒸氣的凝結(jié)，故物理吸附熱較小，與相應(yīng)氣體的液化熱相近；氣體或蒸氣的沸點(diǎn)越高或飽和蒸氣壓越低,它們?cè)饺菀滓夯蚰Y(jié),物理吸附量就越大；物理吸

9、附一般不需要活化能，故吸附和脫附速率都較快；任何氣體在任何固體上只要溫度適宜都可以發(fā)生物理吸附，沒(méi)有選擇性；物理吸附可以是單分子層吸附，也可以是多分子層吸附;被吸附分子的結(jié)構(gòu)變化不大,不形成新的化學(xué)鍵，故紅外、紫外光譜圖上無(wú)新的吸收峰出現(xiàn)，但可有位移；物理吸附是可逆的；固體自溶液中的吸附多數(shù)是物理吸附。影響吸附的主要因素吸附劑的性質(zhì)：比表面積、粒度大小、極性吸附質(zhì)的性質(zhì)：對(duì)表面張力的影響，溶解度，極性，相對(duì)分子量溫度：吸附是放熱過(guò)程，吸附質(zhì)的穩(wěn)定性溶液pH值：影響吸附質(zhì)的解離鹽濃度：影響復(fù)雜，要視具體情況而定與物理吸附相比，化學(xué)吸附主要有以下特點(diǎn)：吸附所涉及的力與化學(xué)鍵力相當(dāng)，比范德華力強(qiáng)得多

10、。吸附熱近似等于反應(yīng)熱。吸附是單分子層的。因此可用朗繆爾等溫式描述，有時(shí)也可用弗羅因德利希公式描述。捷姆金吸附等溫式只適用于化學(xué)吸附：V/Vm=1/aCoP。式中V是平衡壓力為p時(shí)的吸附體積；Vm是單層飽和吸附體積；a和c0是常數(shù)。有選擇性。對(duì)溫度和壓力具有不可逆性。另外，化學(xué)吸附還常常需要活化能。確定一種吸附是否是化學(xué)吸附，主要根據(jù)吸附熱和不可逆性。大孔離子交換樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)在合成時(shí)加入惰性致孔劑，克服了普通凝膠樹(shù)脂由于溶脹現(xiàn)象，產(chǎn)生的“暫時(shí)孔”現(xiàn)象，從而強(qiáng)化了離子交換的功能；減少了凝膠樹(shù)脂在離子交換過(guò)程中的“有機(jī)污染”現(xiàn)象（大分子不易洗脫）；可以通過(guò)致孔劑選擇調(diào)整孔徑大小、樹(shù)脂的比表面積，

11、以適應(yīng)不同的分離要求。常用的致孔劑有：良溶劑（能與單體互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶劑 長(zhǎng)鏈醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯影響交換速度的因素顆粒大小：愈小越快交聯(lián)度：交聯(lián)度小，交換速度快溫度：越高越快離子化合價(jià)：化合價(jià)與高，交換越快離子大?。涸叫≡娇鞌嚢杷俣龋涸谝欢ǔ潭壬希酱笤娇烊芤簼舛龋寒?dāng)交換速度為外擴(kuò)散控制時(shí)， 濃度越大，交換速度越快影響離子交換選擇性的因素水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；離子化合價(jià)：高價(jià)離子易于被吸附；溶液pH：影響交換基團(tuán)和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；離子強(qiáng)度：越低越好；有機(jī)溶劑：不利于吸附；交聯(lián)度、膨脹度、分子篩：交聯(lián)度大，

12、膨脹度小，篩分能力增大；交聯(lián)度小，膨脹度大，吸附量減少 樹(shù)脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力；應(yīng)用物理吸附在化學(xué)工業(yè)、石油加工工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等部門(mén)和領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，最常用的是從氣體和液體介質(zhì)中回收有用物質(zhì)或去除雜質(zhì)，如氣體的分離、氣體或液體的干燥、油的脫色等。物理吸附在多相催化中有特殊的意義，它不僅是多相催化反應(yīng)的先決條件，而且利用物理吸附原理可以測(cè)定催化劑的表面積和孔結(jié)構(gòu)，而這些宏觀性質(zhì)對(duì)于制備優(yōu)良催化劑，比較催化活性，改進(jìn)反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散條件，選擇催化劑的載體以及催化劑的再生等方面都有重要作用。吸附分離過(guò)程顯示出節(jié)能、產(chǎn)品純度高、可除去痕量物

13、質(zhì)、操作溫度低等突出特點(diǎn).（1）氣體或液體的脫水及深度干燥，如將乙烯氣體中的水分脫到痕量，再聚合。 （2）氣體或溶液的脫臭、脫色及溶劑蒸氣的回收，如在噴漆工業(yè)中，常有大量的有機(jī)溶劑逸出，采用活性炭處理排放的氣體，既減少環(huán)境的污染，又可回收有價(jià)值的溶劑。 （3）氣體中痕量物質(zhì)的吸附分離，如純氮、純氧的制取。 （4）分離某些精餾難以分離的物系，如烷烴、烯烴、芳香烴餾分的分離。 （5）廢氣和廢水的處理，如從高爐廢氣中回收一氧化碳和二氧化碳，從煉廠廢水中脫除酚等有害物質(zhì)。 應(yīng)用分子篩： 石油煉制 工業(yè)氣體和空氣分離 冷凍干燥 石油化工大孔樹(shù)脂天然產(chǎn)物的分離純化、藥物制備、有機(jī)化合物分離、化學(xué)反應(yīng)催化劑

14、、載體等各個(gè)領(lǐng)域。 大孔吸附樹(shù)脂對(duì)工業(yè)廢水，廢液的處理有著廣泛的應(yīng)用。如廢水中含苯、硝基苯、氯苯、氟苯、苯酚、硝基酚、氨基苯酚、雙酚A、對(duì)甲酚、萘酚、苯胺、鄰苯二胺、對(duì)苯二胺、水楊酸、奈磺酸等有機(jī)物均具有很好的吸附、回收凈化作用。離子交換樹(shù)脂的應(yīng)用1）水處理水處理領(lǐng)域離子交換樹(shù)脂的需求量很大，約占離子交換樹(shù)脂產(chǎn)量的90%，用于水中的各種陰陽(yáng)離子的去除。目前，離子交換樹(shù)脂的最大消耗量是用在火力發(fā)電廠的純水處理上，其次是原子能、半導(dǎo)體、電子工業(yè)等。2）食品工業(yè)離子交換樹(shù)脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工業(yè)裝置上。例如：高果糖漿的制造是由玉米中萃出淀粉后，再經(jīng)水解反應(yīng)，產(chǎn)生葡萄糖與果糖，而后經(jīng)離子交換處理，可以生成高果糖漿。離子交換樹(shù)脂在食品工業(yè)中的消耗量?jī)H次于水處理。3）制藥行業(yè)制藥工業(yè)離子交換樹(shù)脂對(duì)發(fā)展新一代的抗菌素及對(duì)原有抗菌素的質(zhì)量改良具有重要作用。鏈霉素的開(kāi)發(fā)成功即是突出的例子。近年還在中藥提成等方面有所研究。4）合成化學(xué)和石油化學(xué)工業(yè)在有機(jī)合成中常用酸和堿作催化劑進(jìn)行酯化、水解、酯交換、水合等反應(yīng)。用離子交換樹(shù)脂代替無(wú)機(jī)酸、堿，同樣可進(jìn)行上述反應(yīng)，且優(yōu)點(diǎn)更多。如樹(shù)脂可反復(fù)使用，產(chǎn)品容易分離，反應(yīng)器