吸收、吸附與離子交換

食品工程原理UnitOperationsinFoodEngineering定義：用適當(dāng)液體（吸收劑S）與混合氣體接觸，以除去混合氣體中一種或幾種組分（溶質(zhì)A）的操作。不被吸收的組分稱為惰性氣體或載體B。第一節(jié)吸收一、概述吸收操作流程雙膜理論模型

要點(diǎn)：

(1)

相界面兩側(cè)流體的對(duì)流傳質(zhì)阻力全部集中在界面兩側(cè)的兩個(gè)停滯膜內(nèi)，膜內(nèi)傳質(zhì)方式為分子擴(kuò)散。

(2)相界面上沒(méi)有傳質(zhì)阻力，即可認(rèn)為所需的傳質(zhì)推動(dòng)力為零，或氣液兩相在相界面處達(dá)到平衡。氣膜液膜吸收的機(jī)理——雙膜理論（two-filmtheory）二、氣體吸收的平衡關(guān)系（一）氣體在液體中的溶解度

恒溫、恒壓下：p*=f(x)→平衡關(guān)系

在一定條件下使氣體與液體長(zhǎng)時(shí)間接觸，氣液兩相將趨于平衡。平衡時(shí)的溶解度表示吸收過(guò)程所能達(dá)到的極限。關(guān)于溶解度的規(guī)律:（1）總壓不太高時(shí)，可認(rèn)為溶解度與總壓無(wú)關(guān)，只與分壓有關(guān)。（2）溫度上升，溶解度下降，不利于吸收的進(jìn)行。(3)物系的影響氣體在液體中的溶解度(1)在一定溫度下，氣體組分的溶解度隨該組分在氣相中的平衡分壓的增大而增大；而在相同平衡分壓條件下，氣體組分的溶解度則隨溫度的升高而減小。(2)在同一溫度下，對(duì)于不同種類的氣體組分，欲得到相同濃度的溶液，易溶氣體僅需控制較低的分壓，而難溶氣體則需較高分壓。(3)加壓和降溫對(duì)吸收操作有利；反之，升溫和減壓有利于解吸。說(shuō)明：（1）不同氣體的溶解度差異很大（2）對(duì)于稀溶液，有是物性，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定?？蓮挠嘘P(guān)手冊(cè)中查得。H越大，表明溶解度越大，越易溶H隨溫度變化而變化，一般地，T

，H

（二）亨利（Henry）定律

亨利定律的其他形式：E越大，表明溶解度越?。籈隨溫度變化而變化，T

，E

，m越大，表明溶解度越小；m隨溫度、總壓變化而變化，

T

，m

，P

，m

（三）吸收劑的選擇（1）溶解度吸收劑對(duì)于溶質(zhì)組分應(yīng)具有較大的溶解度。（2）選擇性對(duì)溶質(zhì)組分有良好吸收能力，對(duì)混合氣體中的其他組分都基本上不吸收或吸收甚微。（3）揮發(fā)度操作溫度下吸收劑的蒸汽壓要低。吸收劑的揮發(fā)度愈高，其損失量便愈大。（4）粘度操作溫度下吸收劑的粘度要低。（5）其他無(wú)毒性，無(wú)腐蝕性，不易燃，不發(fā)泡，冰點(diǎn)低，價(jià)廉易得，并具有化學(xué)穩(wěn)定性。三、吸收速率方程氣相總吸收系數(shù)Kmol/(m·s·kpa）根據(jù)雙膜理論，溶質(zhì)A穿過(guò)氣膜的吸收速率方程為：NA=kG(p-pi)溶質(zhì)A穿過(guò)液膜的吸收速率方程式則為：

NA=kL(ci-c)穩(wěn)定操作時(shí)應(yīng)有：

NA=kG(p-pi)=kL(ci-c)雙膜理論認(rèn)為相界面上氣液兩相成平衡：

ci=Hpi，c=Hp*，c*=Hp整理得：同理有：總阻力氣膜阻力液膜阻力易溶氣體，H↑↑

KG≈kG→氣膜控制

看作阻力的串聯(lián)：總阻力氣膜阻力液膜阻力難溶氣體，H↓↓

KL≈kL→液膜控制

液相總吸收系數(shù)Kmol/(m·s·kpa）填料塔結(jié)構(gòu)及填料

1．填料塔結(jié)構(gòu)

塔體填料支承板填料液體再分布器進(jìn)氣管液體分布器液體收集器四、填料塔（二）填料(1)拉西環(huán)(Rashingring)(2)鮑爾環(huán)(pallring)(3)階梯環(huán)(Cascadering)(4)弧鞍填料(Berlsaddle)(5)矩鞍填料(Intaloxsaddle)

填料的作用：液相分散造型的支撐體，為氣、液兩相提供充分的接觸面，并為強(qiáng)化其湍動(dòng)程度創(chuàng)造條件，以利于傳質(zhì)。2、填料在選擇填料時(shí)，一般要求：比表面積及空隙率要大，單位體積填料所具有的表面積大。填料的潤(rùn)濕性要好，氣體通過(guò)能力大，阻力小，液體滯留量小，單位體積填料的重量輕，造價(jià)低，并有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

類型：（三）填料塔附件(1)填料支撐板

(2)液體淋灑裝置

(3)液體再分布器：將流到塔壁的液體重新匯集并引向中央?yún)^(qū)域。五、低濃度氣體吸收的計(jì)算已知條件：吸收任務(wù)（處理氣量及其初、終態(tài)濃度，相平衡關(guān)系計(jì)算項(xiàng)目：溶劑用量及吸收液的濃度吸收塔的直徑填料塔的填料高度（一）物料衡算與操作線方程常用的吸收設(shè)備—逆流填料塔對(duì)溶質(zhì)A作物料衡算：即操作線V為氣體的摩爾流量，kmol/s；L為液體的摩爾流量，kmol/s；y從y1到y(tǒng)x從x1到x積分從底部至頂部進(jìn)行積分,則得全塔物料衡算式:yx直線，斜率為VL（稱為液氣比），

并通過(guò)點(diǎn)E(x1，y)1總是位于平衡線的上方；

y從y1到y(tǒng)2x從x1到x2操作線也過(guò)(x2，y2)（二）吸收劑用量的確定吸收的推動(dòng)力即為操作線與平衡線之間的距離

y=y1x=x1’通常實(shí)際溶劑用量為最小用量的1.2~2.0倍平衡關(guān)系符合亨利定律,則可直接用代替

y=y1x=x1,max討論：（1）若平衡線為y*=mx，則直線；（2）吸收時(shí)，操作線位于平衡線上方。脫吸時(shí)位于平衡線下方；（3）推動(dòng)力y-y*即為縱坐標(biāo)差；（4）液氣比L/V

越大，推動(dòng)力就越大；（三）填料層高度的計(jì)算低濃度氣體吸收的特點(diǎn)：（1）氣體或液體流量V、L變化不大，可視作常數(shù)；（2）溶解熱引起的液體溫度升高不顯著，可視作等溫吸收；（3）吸收系數(shù)在全塔范圍內(nèi)的變化較小，可視作常數(shù)。dzL,x1V

y1L,x2V

y20z1．填料層高度的基本計(jì)算式

前面得出的傳質(zhì)速率式均只適用于局部，即某一截面上。在塔內(nèi)，氣、液相濃度沿塔高度變化，吸收速率也不相等。單位體積填料所提供的有效接觸面積為a對(duì)微元體積dz做質(zhì)量恒算A:塔橫截面積局部傳質(zhì)速率Ky(y-y*)aAdz=-Vdy整理z=0時(shí)

y=y2

z=Z時(shí)

y=y1積分Kx(x*-x)aATdz=Ldx整理z=0時(shí)

x=x2

z=Z時(shí)

x=x1

積分2．傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)

由前式可得

Z=傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)H—HeightN—NumberO—OverallG—GasL—Liquid

例如

Z=HOGNOG=HOLNOL1.基本概念

2.吸附分離理論3.吸附計(jì)算吸附4.吸附設(shè)備一.吸附的基本概念

1.吸附原理吸附：使氣體或液體流動(dòng)相與多孔固體顆粒相接觸，以實(shí)現(xiàn)吸附?？煞譃闅怏w吸附和液體吸附兩類。液體吸附的復(fù)雜性：（1）除溶質(zhì)外，溶劑也被吸附；（2）易為帶異性電荷的吸附劑所吸附(極性吸附)；（3）極性吸附還常伴有離子交換(交換吸附)。

吸附可分為：物理吸附與化學(xué)吸附。物理吸附的特點(diǎn)：由分子間引力（范德華力）引起的吸附。（1）吸附質(zhì)與吸附劑之間不會(huì)相互作用，無(wú)選擇性；（2）除表面外，吸附劑本身的性質(zhì)不起作用；（3）吸附過(guò)程很快進(jìn)行，相際平衡瞬間完成；（4）吸附時(shí)放熱，吸附熱（很小）與凝固熱的數(shù)量級(jí)相同；（5）升溫時(shí)易解吸，為一可逆過(guò)程。要求：吸附量大，選擇性好。重要指標(biāo)：比表面積，松密度，平均孔徑等。2.吸附劑活性炭:將炭質(zhì)原料處理后，除去揮發(fā)性物質(zhì)和樹膠物質(zhì)，經(jīng)活化處理制得。（900℃用水蒸氣活化或ZnCl2等藥劑活化）活性白土硅膠：用酸處理硅酸鈉水溶液，生成凝膠，再經(jīng)水洗、干燥，制成硅膠。分子篩：合成泡沸石經(jīng)煅燒除去結(jié)晶水后制得。吸附樹脂：有機(jī)高分子聚合物，物理化學(xué)性能穩(wěn)定

溶液與吸附劑充分長(zhǎng)時(shí)間接觸后，吸附質(zhì)在兩相中濃度不變，達(dá)到吸附平衡。在等溫條件下，吸附達(dá)到平衡時(shí)吸附劑與流體兩相濃度間的函數(shù)關(guān)系稱為吸附等溫線。二.吸附分離理論

1.吸附平衡（1）氣—固吸附等溫線☆極性吸附劑易于吸附極性吸附質(zhì),非極性吸附劑易于吸附非極性吸附質(zhì)；☆吸附質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,沸點(diǎn)越高,則越容易被吸附;☆酸性吸附劑易吸附堿性吸附質(zhì),反之亦然;☆吸附劑的孔隙大小不僅影響吸附速率,而且直接影響吸附量的大小。液—固與氣—固吸附不同的是溶劑也被吸附。要考慮：(1)界面上固體與溶質(zhì)間的作用力(2)固體與溶劑間的作用力(3)溶液中溶質(zhì)與溶劑間的作用力。（2）液—固吸附等溫線

影響液一固吸附的因素有溫度、溶液的濃度、吸附劑的結(jié)構(gòu)性能以及溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)等。一般而言,溶質(zhì)的溶解度越小,吸附量越大;溫度越高,吸附量越小。吸附等溫線：（4）線性吸附：（2）促進(jìn)吸附：（3）強(qiáng)烈促進(jìn)吸附（1）不可逆吸附：q*=常數(shù)（5）非促進(jìn)吸附：比較少見(jiàn)

不同吸附體系的吸附等溫線形狀很不一樣

雙組分吸附

fy—固相中溶質(zhì)濃度

fx—液相中溶質(zhì)濃度分離系數(shù)：雙組分體系的吸附平衡（兩組分同時(shí)被吸收）分離系數(shù)：兩組分對(duì)吸附劑的親和能力（恒比吸附時(shí)，α=1）

分離系數(shù)：固相細(xì)孔液體中兩組分濃度比，除以液相中兩組分濃度比。

2.吸附速率吸附機(jī)理—吸附過(guò)程分為三步：（1）吸附質(zhì)從液相主體向吸附劑外表面擴(kuò)散，并到達(dá)固體表面；（2）吸附質(zhì)沿固體內(nèi)部的細(xì)孔擴(kuò)散，并到達(dá)吸附劑內(nèi)表面；（3）在吸附劑內(nèi)表面上被吸附。一般吸附過(guò)程取決于前兩步。吸附速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)單位體積吸附劑上吸附的吸附質(zhì)量。

外擴(kuò)散傳質(zhì)速率

內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)速率單位體積吸附劑的表面積

吸附劑的松密度液相主體濃度-界面上液體濃度外擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)固相界面吸附量-固體內(nèi)部吸附量?jī)?nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)Di：固體內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)E：平衡常數(shù)兩式聯(lián)立

外擴(kuò)散：

內(nèi)擴(kuò)散

忽略界面上的傳質(zhì)阻力，則：qi=Emri

q=Emr*

總體積傳質(zhì)系數(shù)總傳質(zhì)速率

液相阻力1/kLa與固相阻力1/ksaEm之比為：若er<0.01，為內(nèi)擴(kuò)散控制；若er>10，為外擴(kuò)散控制。

液相與固相何者為傳質(zhì)控制因素？?jī)?nèi)部擴(kuò)散系數(shù)（一）操作方法

1.分級(jí)接觸吸附

2.連續(xù)逆流吸附三.吸附計(jì)算本課僅限于單組分吸附計(jì)算單級(jí)接觸吸附將體積V、濃度ρ0溶液與質(zhì)量m的吸附劑混合，直至完成吸附對(duì)吸附質(zhì)進(jìn)行物料衡算:

m(q-q0)=V(r0-r)分級(jí)接觸式吸附

若q0=0，且平衡關(guān)系符合Freundlich方程，則：2.多級(jí)錯(cuò)流接觸吸附

以二級(jí)吸附為例：

m1(q1-q0)=V(r0-r1)

m2(q2-q0)=V(r1-r2)若q0=0，且平衡關(guān)系符合Freundlich方程，則有：吸附劑總用量為當(dāng)r1滿足此式時(shí)吸附劑用量最少。多級(jí)逆流式接觸吸附圖解連續(xù)逆流吸附

dz

吸附劑qm

q2

qqm

q1

溶液qv

r2rqv

r1

由塔頂至此截面間的床層列為恒算范圍，對(duì)吸附質(zhì)進(jìn)行物料恒算

作微元高度填充床的吸附質(zhì)的物料衡算：

qvdr=qmdq

吸附劑qm

q2

qqm

q1

溶液qv

r2rqv

r1

dz

以A為截面積：

raAdz=qmdt又：

radq=Kla(r-r*)dt

qvdr=KlaA(r-r*)dz

積分松密度傳質(zhì)速率方程三式聯(lián)立操作方法：（1）分級(jí)接觸；（2）微分接觸。吸附分離過(guò)程一般包括三步：（1）吸附；（2）吸附劑分離；（3）吸附劑再生。4吸附設(shè)備接觸過(guò)濾吸附設(shè)備

接觸過(guò)濾吸附設(shè)備1——混合桶2——料泵3——壓濾機(jī)4——貯桶

在混合桶內(nèi)實(shí)現(xiàn)吸附，要求吸附劑顆粒懸浮，與液體充分接觸，增大固—液接觸表面，一般使用細(xì)顆粒吸附劑（200目以上）。操作溫度愈高，液體粘度愈低，擴(kuò)散速率愈快，有利于增加吸附速率。溫度高對(duì)吸附平衡不利。吸附速率增加一般可抵消對(duì)平衡的不良影響。固定床吸附設(shè)備

結(jié)構(gòu)類似于填料吸收塔。吸附后溶液從下方排出，飽和后的吸附劑也從下方卸出。1.基本概念

2.離子交換理論3.離子交換與設(shè)備4.離子交換計(jì)算第四節(jié)離子交換一、離子交換的基本概念液體吸附時(shí)也可以吸附離子。被吸附的離子若與吸附劑中的可交換離子進(jìn)行交換，則稱為離子交換。離子交換過(guò)程可看做是一種特殊的吸附過(guò)程。離子交換在食品中的應(yīng)用

1.水處理

2.制品的提純精制

3.制品的分離（一）離子交換反應(yīng)

離子交換技術(shù)：利用離子交換劑進(jìn)行分離的技術(shù)。一種帶有可交換離子的不溶性固體，由一個(gè)固定的極大的帶電基團(tuán)和一個(gè)可置換的離子組成。陽(yáng)離子交換劑陰離子交換劑典型的陽(yáng)離子交換反應(yīng)：Ca2++Na2R==CaR+2Na+

典型的離子交換反應(yīng)：SO42-+RCl2==RSO4+2Cl-離子交換的逆反應(yīng)稱為再生，實(shí)際上也是離子交換。有機(jī)無(wú)機(jī)沸石碳質(zhì)離子交換劑有機(jī)合成（離子交換樹脂）磺化煤（二）離子交換樹脂

（1）分為陽(yáng)離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類：

陽(yáng)離子交換樹脂包括強(qiáng)酸型(-SO3H)和弱酸型兩種。陰離子交換樹脂包括強(qiáng)堿型(-N(CH3)3)和弱堿型兩種。（2）每一大類又有凝膠型和大孔型兩種。（凝膠型：沒(méi)有毛細(xì)孔，通道是分子鏈間的間隙，孔徑3nm以下)離子交換樹脂=本體+活性基團(tuán)交換劑本體=高分子化合物+交聯(lián)劑活性基團(tuán)：連接在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)骨架上的官能團(tuán)，帶有可游離的(反)離子。主要的物理、化學(xué)性質(zhì)：（1）交聯(lián)度：樹脂骨架用交聯(lián)劑聯(lián)成的分子網(wǎng)的交聯(lián)程度。交聯(lián)度大的樹脂空隙率小，含水率高，密度大，機(jī)械強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，但交換速度慢，交換容量少。（2）粒度：一般直徑0.3-1.2mm（3）含水率：可間接反映交聯(lián)度的大小，在樹脂充分膨脹情況下測(cè)定，一般為50%（4）密度：濕真密度：樹脂在水中充分膨脹后本身密度。視密度（松密度）：濕樹脂的質(zhì)量與床層體積之比。（5）溶脹性：離子交換樹脂在水中由于溶劑化作用而體積增大，稱為溶脹。溶脹率按干樹脂所吸取的水的百分率表示。（7）交換容量單位質(zhì)量干樹脂或單位體積濕樹脂所能交換的一價(jià)離子的量。a.理論交換容量（全交換容量）：樹脂活性基團(tuán)中所有可交換離子全部被交換時(shí)的交換容量。b.工作交換容量：工作狀態(tài)下的交換容量。c.有效交換容量或再生交換容量：再生后樹脂的交換容量。（6）交換選擇性離子交換的優(yōu)先順序不同，與溶液溫度和離子濃度有關(guān)。

Fe3->Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+PO43->SO42->NO3->Cl->HCO3->HSiO3-離子價(jià)越高，堿金屬的原子序數(shù)越大，越易交換RA+BRB+A影響離子交換平衡的因素：（1）交換離子的性質(zhì)；離子電荷越大，樹脂吸附該離子的能力越強(qiáng)。大離子被吸附的能力強(qiáng)，但交換容量低。水合能力大的離子，吸附能力強(qiáng)。（2）樹脂的性質(zhì)；交換選擇性、交聯(lián)度等（3）溶液的性質(zhì)。主要是溶液中交換離子總濃度和非交換離子或溶質(zhì)性質(zhì)。（一）離子交換平衡

二、離子交換理論濃度的表示：x—平衡時(shí)液相中離子濃度/液相中總離子濃度=c’/c0’y—平衡時(shí)樹脂中離子濃度/樹脂的交換容量=b’/b0’

離子交換等溫線兩組分離子交換：選擇性系數(shù)溶液中存在多種離子時(shí)，以一種特定離子作為基準(zhǔn)，比較各離子間的相對(duì)選擇性表示樹脂對(duì)兩種離子的相對(duì)親和度見(jiàn)表8-4-2離子交換過(guò)程分為五步：（1）交換離子A從溶液主體擴(kuò)散到樹脂表面；（2）交換離子A外表面經(jīng)顆粒中微孔擴(kuò)散到活性基團(tuán)；（3）交換離子A在活性基團(tuán)上置換反離子B；（4）反離子B從樹脂內(nèi)經(jīng)微孔擴(kuò)散到外表面；（5）反離子B從外表面擴(kuò)散到溶液主體。其中（1）、（5）為外擴(kuò)