吸附与离子交换
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吸附法与离子交换
四、吸附技术的应用
⑴ 固定床吸附操作 ⑵ 流化床吸附操作 ⑶ 膨胀床吸附操作
1.固定床吸附
定义：将吸附剂固定在一定的容器中，含目标产物的
液体从容器的一端进入，流经吸附剂后，从管子的另 一端流出。
开始时，绝大部分 溶质被吸附；随着 吸附过程的继续， 流出的溶质的浓度 逐渐升高，在某 一时刻急剧增大， 此时称为“穿透”， 应立即停止操作。
高
吸附层 单层或多层
单层
达到平衡所
快
慢
需时间
（3）交换吸附：吸附剂表面为极性分子或离子， 吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层， 即极性吸附，同时吸附剂要向溶液中放出相应 物质量的离子。
二、吸附等温线
如果不考虑溶剂的吸附，当固体吸附剂与溶液中的溶 质达到平衡时，其吸附量m应与溶液中溶质的浓度和 温度有关。 当温度一定时，吸附量只和浓度有关， m=f（c）， 这个函数关系称为吸附等温线。 吸附等温线表示平衡吸附量
强的离子交换剂+强的反离子 稳定结合 弱的离子交换剂+强的反离子 中等稳定结合 弱的离子交换剂+弱的反离子 不稳定结合
强的反离子能替换离子交换剂上弱的活性离子 (易) 高浓度的弱的反离子替换强的活性离子 （难）
离子交换剂对各种反离子的亲和性
3）离子的浓度 离子浓度增大到一定的程度，离子交换过程
离子交换纤维素树脂
树脂骨架为纤维素， 特点：骨架松散、亲水性强、表面积大、交换容量大、
吸附力弱、交换和洗脱条件温和、分辨率高
葡聚糖凝胶离子交换树脂
骨架为葡聚糖凝胶，如sephadex， 特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功能，
提高了分离的效率
2.按化学功能团分 1.阳树脂，酸性基团 (弱酸性、强酸性)
第十三章吸附与离子交换
吸附过程是吸附质在固体表面上不断吸附与解 吸的过程。在吸附初期，由于吸附的吸附质分子数 大大超过解吸的吸附质分子数，故在宏观上表现为 吸附。随着吸附过程的进行，吸附剂表面逐渐被吸 附质分子所覆盖，从而使吸附速度不断下降，解吸 速度不断加快。当吸附速度与解吸速度相等时，吸 附过程达到动态平衡，称为吸附平衡。
o
(13-9)
Hale Waihona Puke 式中q ——平衡吸附量，m3•kg-1；
kB——BET常数； p——吸附质的分压，Pa； po——吸附质的饱和蒸气压，Pa； qM ——第一层单分子层的饱和吸附量，m3•kg-1。
BET方程式可很好地描述图13-5所示的三种类 型的吸附等温线。
q /m3· kg-1 q /m3· kg-1 q /m3· kg-1
活性炭是一种多孔含碳物质的颗粒或粉末，不 仅具有良好的化学稳定性和机械强度，而且具有高 度发达的孔隙结构，因而具有很强的吸附能力；活 性炭还具有解吸容易、热稳定性好等优点。
活性炭具有非极性的表面，可以吸附非极性物 质。活性炭既可用于气相吸附，又可用于液相吸附。 目前，活性炭已广泛地用于制药化工过程，如各类 有机蒸汽的吸附，溶液的脱色、除臭，药物的精制 等。
• （3）比表面积(a=A/m) • 单位质量吸附剂所具有的表面积，用m2/g 表示。一般数百至1000 m2/g ，高的可达 3000 m2/g • （4）颗粒尺寸和分布 • ①颗粒尺寸应尽可能小，既可以增大外扩 散传质表面，又可以缩短颗粒内扩散路程 • ②颗粒尺寸应均匀一致，以使粒内扩散时 间相同
q /m3· kg-1
p / Pa
图13-1 线性吸附等温线
Henry方程式适用于压力很低的气相或液相吸 附过程，一般吸附剂表面被吸附的面积不超过10%。 当用于液相吸附过程时，式(13-3)应改写为
离子交换吸附顺序
离子交换吸附顺序离子交换吸附是指通过离子交换作用，将溶液中的离子与固体表面上的离子进行交换，从而使溶液中的离子被吸附在固体表面上。
离子交换吸附顺序主要分为阳离子交换和阴离子交换两种。
一、阳离子交换吸附顺序：1. 钠离子交换：钠离子交换是最常见的阳离子交换吸附顺序之一。
它通常是通过将固体表面上的钠离子与溶液中的其他阳离子进行交换，从而实现离子的吸附。
钠离子交换广泛应用于水处理、污水处理、制药工业等领域。
2. 钙离子交换：钙离子交换是指将溶液中的钙离子与固体表面上的其他离子进行交换。
钙离子交换在水处理、海水淡化、染料工业等领域有着重要的应用。
3. 镁离子交换：镁离子交换是指将溶液中的镁离子与固体表面上的其他离子进行交换。
镁离子交换在水处理、制药工业、冶金工业等领域有着广泛的应用。
二、阴离子交换吸附顺序：1. 氯离子交换：氯离子交换是最常见的阴离子交换吸附顺序之一。
它通常是通过将固体表面上的氯离子与溶液中的其他阴离子进行交换，从而实现离子的吸附。
氯离子交换在水处理、环境保护等领域有着重要的应用。
2. 硝酸盐离子交换：硝酸盐离子交换是指将溶液中的硝酸盐离子与固体表面上的其他离子进行交换。
硝酸盐离子交换在水处理、冶金工业等领域有着广泛的应用。
3. 磷酸盐离子交换：磷酸盐离子交换是指将溶液中的磷酸盐离子与固体表面上的其他离子进行交换。
磷酸盐离子交换在水处理、农业、食品工业等领域有着重要的应用。
离子交换吸附顺序的选择通常取决于溶液中的离子组成以及需要去除或富集的离子。
不同的离子交换材料具有不同的选择性，可以实现对特定离子的高效吸附。
离子交换吸附技术在环境治理、水处理、化学工业等领域发挥着重要的作用，为我们提供了清洁的水源和优质的产品。
第七章吸附与离子交换_图文
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； 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； ④pH 值的影响 ；
7-3
7.2吸附过程的理论基础
7.2.1吸附原理
固体的分类：多孔和非多孔性 比表面的组成：多孔性固体的比表面是由“外表
面”和“内表面”所组成。表面积大并 且有较高的吸附势。 表面力的产生和吸附力的关系：见图7-4 界面分子的力场是不饱和的，能从外界吸附分 子、原子、或离子，形成多分子层或单分子层。 吸附过程中的几个名词： ⑴吸附作用 ⑵吸附剂 ⑶吸附物（质）
7.1概述
7.1.1什么叫吸附
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。
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
001×7－交联度为7%的苯乙烯 系凝胶型强酸性阳离子交换树脂
骨架代号 Ｄ315：大孔型丙烯酸弱碱
分类代号
性阴离子交换树脂
大孔型代号
大孔型
代号 0 1 2 3 4 5 6
离子交换树脂命名法代号表
分类名称
骨架名称
强酸性
苯乙烯系
弱酸性
丙烯酸系
强碱性
酚醛系
弱碱性
环氧系
螯合性
乙烯吡啶系
吸附法的分类
吸附法的分类
吸附法主要可以分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三类。
1. 物理吸附：基于吸附剂与溶质之间的分子间作用力即范德华力。
溶质在吸附剂上吸附与否或吸附量的多少主要取决于溶质与吸附剂极性的相似性和溶剂的极性。
一般物理吸附发生在吸附剂的整个自由表面，被吸附的溶质可通过改变温度、PH和盐浓度等物理条件脱附。
2. 化学吸附：会释放大量的热，吸附热高于物理吸附。
化学吸附一般为单分子层吸附，吸附稳定，不易脱附，故洗脱化学吸附质一般需采用破坏化学结合的化学试剂为洗脱剂。
化学吸附具有高选择性。
3. 离子交换吸附：所用吸附剂为离子交换剂。
离子交换剂表面含有离子基团或可离子化基团，通过静电引力吸附带有相反电荷的离子，吸附过程发生电荷转移。
离子交换的吸附质可以通过调节PH或提高离子强度的方法洗脱。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
第5章--吸附与离子交换
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
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
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
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
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。
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
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
2.1活性炭（Active carbon）
1吸附与离子交换
1吸附与离子交换：a吸附主要是指化学物质在气固或液固两相介质中，在固相中浓度升高的过程，包括一切使使溶质从气象或液相转入固相的反应。
B离子交换，借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换,以达到提取或去除溶液中某些离子的目的,是一种属于传质分离过程的单元操作。
2固体废物及固体废物的处理与处置：a固体废物是指人类在生产建设，日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固体，半固体废弃物。
B固体废物的处理与处置，是将固体废物焚烧或用其他改变固体废物物理化学生物特性的方法，达到减少已产生的固体废物的数量，缩小固体废物的体积，减少消除其他危害成分的活动，或将固体废物最终置于环境保护规定要求的场所或设施不再回取的活动。
3温度层结与逆温：a温度层结是指在地球表面上方大气温度随高度变化的情况，即在垂直方向上的气温垂直分布。
B逆温，由于近地层大气的情况比较复杂，有时会出现气温随高度递增的情况，即逆温。
4环境噪声与连续等效A声级：a环境噪声，通常把干扰人们休息，学习和生活，即人们不需要听到或对人体健康有害的声音称为环境噪声。
B等效A声级，将一定时间内不连续的噪声能量用总工作时间进行平均的方法来评价噪声对人的影响，即等效连续A声级，它是一个相同时间T内与起伏噪声能量相等的连续稳态的A声级。
5生态系统与生态平衡：a生态系统就是在一定的空间中共同栖居的生物与其环境之间通过物质循环与能量流动过程而形成的统一整体。
B 生态平衡，生态平衡是生态系统的一种状态，在这种状态下系统的结构组成相对稳定，功能得到最大发挥，物质与能量的流入，流出协调一致，即系统保持高度有序的状态。
6土壤背景值与环境容量：a背景值，亦称自然本底值，是指在不受污染的情况下，组成环境的各要素中与环境污染有关的各元素的含量及其基本化学成分，它反映环境质量的原始状态。
B环境容量是指环境所能承受污染物的最大量。
7水质与水质指标：a水质即水的品质，是指水与其中所含杂质共同表现出的物理、化学和生物的综合特性。
第13吸附与离子交换
2.2 吸附类型
2.2.1物理吸附
（1）作用力：吸附剂与吸附质间的范德华力（定向力、诱 导力、色散力）或氢键。如：硅胶薄层层析分离叶绿素
（2）吸附力大小：吸附质能否被吸附及吸附量多少 a. 溶质与吸附剂极性的相似性 b. 溶剂极性与溶质极性的相似性
（3）特点：
a.吸附发生在吸附剂整个表面－无选择性
b.减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机 污染”现象（大分子不易洗脱）；
c.可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的 比表面积，以适应不同的分离要求。
d.常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的） 甲苯、四氯化碳；不良溶剂 长链醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯
1.3.3其它离子交换树脂类型
1.3.2新型离子交换树脂
大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相 同的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加 入致孔剂），再引入化学功能基团，便可 得到大孔离子交换树脂
大孔离子交换树脂的优点
a.通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通 凝胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现 象，从而强化了离子交换的功能；
强酸性阳离子交换树脂：
a.活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基） b.pH1－14使用，选择性差
弱酸性阳离子交换树脂：
a.活性基团有-COOH, -OCH2COOH, C6H5OH等弱酸性基团； b. pH大于7，选择性好
（2）阴离子交换树脂（含碱性基团）。 强碱性阴离子交换树脂： a活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-ß-羟基
（若需解吸，必须加破坏化学键的有机试剂。）
2.2.3交换吸附
（1）原理：离子交换剂通过静电引力吸附溶液中 带相反电荷的离子，吸附过程发生电荷转移。
吸附和离子交换
吸附和离子交换吸附（Adsorption）：是指溶质从液相或气相转移到固相的现象。
固相—吸附剂（Adsorbent）：一般为多孔颗粒。
按吸附作用力的不同将吸附分为三个类型：物理吸附：依靠吸附剂表面与溶质间的范德华力化学吸附：吸附剂表面活性点与溶质间发生化学结合、产生电子转移现象离子交换：吸附剂表面含有离子或可离子化的基团通过静电力吸附带有相反电荷的离子吸附剂：主要指以物理吸附为主的固体吸附材料。
吸附原理：主要依靠吸附剂与待分离物质间的分子间引力，即范德华力。
特点：（1）选择性差（2）吸附和解吸速度快吸附本质：U范德华=U定向+U诱导+U色散定向力：由于极性分子的永久偶极矩产生的分子间的静电引力；诱导力：极性分子与非极性分子之间的吸引力，极性分子产生的电场会诱导非极性分子极化，产生诱导偶极矩。
色散力：指非极性分子间的引力◎离子交换剂原理：吸附剂表面由极性分子或离子组成，能够吸附溶液中带相反电荷的离子形成双电层，同时在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，同时要放出相应摩尔数的离子于溶液中。
溶质的电荷是交换吸附的决定因素，所带电荷越多，在吸附剂表面相反电荷点上的吸附力越强。
离子交换法是利用带电的被分离物质与离子交换填料上的离子交换能力的不同而进行分离的方法。
离子交换剂离子交换层析材料离子交换树脂离子交换剂的组成：三部分●惰性的不溶性的高分子固定骨架，也称载体；●与载体以共价键连接的不能移动的活性基团，也称功能基团；●与功能基团以离子键连接的可移动的活性离子，也称平衡离子。
◎离子交换剂的载体及其特点1、离子交换树脂载体：苯乙烯-二乙烯苯型最常用丙烯酸-二乙烯基苯酚醛树脂多乙烯多胺-环氧氯丙烷树脂特点：（1）强度好，流速较高（2）较高的离子交换当量（3）耐强酸、强碱（4）抗污染能力强适用范围：（1）中小生物物质的纯化：氨基酸、抗生素、部分中药有效成分等；（2）除盐、除重金属离子（如去离子水）、去色素等。
吸附与离子交换
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。
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。
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
1.3.2 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
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。
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。
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
1.3.2 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
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• 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。
• 一般说来，有助于极性分子的吸附，削弱对非 极性分子的吸附。
• 低温活化（＜500℃）处理→酸性氧化物 • 高温活化（＞800℃）处理→碱性氧化物
32
（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。 通常有机物在水中的溶解度随着链长的增长
活 性 炭 吸 附 柱
22
（2）移动床： 运行操作方式是原水从吸附塔底部流入和吸附
剂进行逆流接触，处理后的水从塔顶流出，再生 后的吸附剂从塔顶加入，接近吸咐饱和的吸附剂 从塔底排出，即吸附剂由上而下移动，所以称为 移动床。 • 按吸附剂排出的方式：间歇移动床和连续移动床。 • 移动床充分利用吸附剂的吸附容量，水头损失小。
一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸 附作用。 ②一般为单分子层吸附，分子不能在表面自由移 动。 ③吸附时放热量较大，通常需要一定的活化能。 • 在低温时，吸附速度较小。 • 吸附牢固，解吸困难。
（3）离子交换吸附的特点
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。
（4）吸附终点：出水浓度Cb为(0.90～0.95)Co时所对应的出 水总体积的穿透曲线上的那一点叫吸附终点。
（5）吸附带长度δ：从ta到tb的△t时间内，吸附带所移动 的距离。
穿透曲线的Flash示意图
固定床的操作
固
是间断的，因 为吸附饱和后
定 需要更换新炭
床
吸
附 粒状活性炭
塔
吸附层
示
意
图
21
qV(C0 C) W
11
3、吸附速度(adsorption rate)：
指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的吸 附质的数量。
吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间 (contact time)。
吸附速度越快，接触时间越短，所需的吸附 设备的容积也就越小。
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4、吸附等温式
1）Langmuir等温式
• 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。
2、吸附容量(adsorptive capacity)
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。 如果用V表示废水体积；C0和C分别表示吸附前后吸附 质的浓度；W表示吸附剂的质量，则：
吸附剂吸附量 q 3.9C0.5
今有100升溶液，色素的浓度为0.05g/L，欲将色素除去 90%,需加多少活性炭？
平衡时的C=0.05(1-90%)=0.005g/L
故q=3.9× 0.0005 .50.27g6/g
M 10 (0.0 0 50.00 ) 51.6 3g 0.276
3）B.E.T. 等温式
（3）腐植酸系吸附剂
• 一般认为腐植酸是一组芳香结构的、性质相似的 酸性物质的复合混合物。
• 它的大分子约由10个分子大小的微结构单元组成， 每个结构单元由核(主要由五员环或六员环组成)、 联结核的桥键 (如－O－、－CH2－、－NH－等)、 以及核上的活性基团所组成。
• 据测定，腐植酸含有的活性基团有羟基、羧基、 羰基、胺基、磺酸基、甲氧基等。
而减小，而活性炭的吸附容量却随着有机物在水 中溶解度的减少而增加，也即吸附量随有机物分 子量的增大而增加。 • 如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸＜乙酸＜丙酸 ＜丁酸的次序而增加。 ②使液体表面自由能降低得越多的吸附质则越容 易被吸附。
（3）操作条件
①温度： 吸附是放热过程，低温有利于吸附。
②pH: pH值影响到溶质的存在状态(分子、离子、络合物)，
素，以及水分、灰分。 • 具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、
强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。
37
适用于废水处理的粒状活性炭的主要指标
项目 比表面积 堆积密度 颗粒密度 真密度
有效粒经
平均粒径 均匀系数
数值
项目
数值
950-1500 m2/g
孔隙容积
0.85cm3/g
0.44 g/cm3 碘值(最小) 900mg/g
Langmuir假设：吸附剂表面均一，各处的吸附能相同；吸附 是单分子层的，当吸附剂表面为吸附质饱和时，其吸附量达到 最大值；在吸附剂表面上的各个吸附点间没有吸附质转移运动 ；达动态平衡状态时，吸附和脱附速度相等。
q qmk1c kc 1k1ce 1k1
1 1 1 q qmk1c qm
式中 q-平衡吸附量 c-液相平衡浓度 qm-与最大吸附量有关的常数； k1-与吸附能有关的常数。
第10章
吸附与离子交换
Adsorption and Ion Exchange
1
本章要解决的问题:
• 你知道吸附过程的本质是什么吗? • 吸附在水处理中的作用是什么? • 吸附在工业上是如何实现的? • 常用的吸附剂有哪些?如何评价其优劣? • 离子交换与吸附的联系与区别是什么? • 离子交换柱是什么样子的? • 离子交换在水处理中的作用是什么?
2）Freundlich等温式
此为指数函数型式的经验公式：
qe kc1e/n
式中，k称为Freundlich吸附系数，n为常数，通常n＞1。 Freundlich式在一般的浓度范围内与Langmuir式比较接近
，但在高浓度时不像后者那样趋于一定值；在低浓度时，也不 会还原为直线关系。
应用
• 用活性炭吸附水中的色素的试验方程式为：
23
移动床的进出水
移 是连续的，活性
动 炭的进出可以是
床
连续的也可以是 间断的
吸
附 粒状活性炭 塔 吸附层
构
造
示
意
图
新的或再生后的 活性炭
去再 生系
统
24
三、移动床吸附
。
移动床吸附优点：
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。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。 • 目前较大规模废水处理多采用这种操作方式。
四、影响吸附的因素
（1）吸附剂性质的影响 1）比表面积
单位重量吸附剂的表面积称为比表面积。吸附剂 的粒径越小，或是微孔越发达，其比表面积越大。吸 附剂的比表面积越大，则吸附能力越强。 2）孔结构 • 吸附剂内孔的大小和分布对吸附性能影响很大。 • 孔径太大，比表面积小，吸附能力差。 • 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。L
一般工业吸附剂难于同时满足这八个方面 的要求，应根据不同的场合选用.
36
（1）活性炭
• 活性炭是一种非极性吸附剂。 外观为暗黑色，由含炭为主的物质为原料，经高温炭 化和活化制得的疏水性吸附剂。
• 粒状(granular activated carboan, GAC) • 粉状(powder activated carboan, PAC)两种。 • 活性炭主要成分除碳外，还含有少量的氧、氢、硫等元
18
1.穿透曲线
（1）吸附带：指正在发生吸附作用的那段填充层，在吸附带 下部的填充层几乎没有发生吸附作用，而在吸附带上部 的填充层已达到饱和状态，不再起吸附作用。
（2）穿透曲线：以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标， 以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线。
（3）穿透点：当出水吸附质浓度Ca为(0.05～0.10)Co时所对 应的出水总体积或吸附时间的穿透曲线上的那一点。
（3）流动床：
• 流动床也叫做流化床。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。
流动 床吸 附塔 构造 示意 图
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28
流化床 expanded bed
（1）固定床： 废水处理中常用的吸附装置。 让废水连续地通过填充吸附剂的设备，这种动态
吸附设备中，吸附剂在操作过程中是固定的，所 以叫固定床。 • 固定床根据水流方向：升流式(up-flow)和降流式 (down-flow)两种。 • 降流式出水水质较好，水头损失较大，易堵塞。 • 升流式水头损失小，运行时间较长。不易堵塞， 但吸附剂易流失。
qecsce1km q kce1ce/cs
式中 cs—吸附质的饱和浓度； k—常数，与吸附剂和吸附质的相互作用能有关。
三、 吸附工艺和设备
间歇 式 操 作 方 式
将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌 30min左右，然后静置沉淀，排除澄清液
固定床 (fixed bed)
连续式 移动床 moving bed
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。 ④共存物质：
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34
活性炭吸附镉氰络合物时去除率与PH值关系
去除率/%
100
80
60
40
20
镉去除率
氰去除率
0
2
4
6 pH 8
10 12
35
四、吸附剂
工业吸附剂必须满足下列要求: （a）吸附能力强；（b）吸附选择性好； （c）吸附平衡浓度低； （d）容易再生和再利用； （e）机械强度好；（f）化学性质稳定； （g）来源广；（h）价格低。
（1）物理吸附特点
吸附剂和吸附质之间通过分子间力的吸附为 物理吸附。 • ①没有选择性。 • ②物理吸附主要发生在低温状态下，放热较小。 • ③可以是单分子层或多分子层吸附。 • ④解吸容易。 • 影响物理吸附的主要因素是吸附剂的表面积和细 孔分布。
• 一般说来，有助于极性分子的吸附，削弱对非 极性分子的吸附。
• 低温活化（＜500℃）处理→酸性氧化物 • 高温活化（＞800℃）处理→碱性氧化物
32
（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。 通常有机物在水中的溶解度随着链长的增长
活 性 炭 吸 附 柱
22
（2）移动床： 运行操作方式是原水从吸附塔底部流入和吸附
剂进行逆流接触，处理后的水从塔顶流出，再生 后的吸附剂从塔顶加入，接近吸咐饱和的吸附剂 从塔底排出，即吸附剂由上而下移动，所以称为 移动床。 • 按吸附剂排出的方式：间歇移动床和连续移动床。 • 移动床充分利用吸附剂的吸附容量，水头损失小。
一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸 附作用。 ②一般为单分子层吸附，分子不能在表面自由移 动。 ③吸附时放热量较大，通常需要一定的活化能。 • 在低温时，吸附速度较小。 • 吸附牢固，解吸困难。
（3）离子交换吸附的特点
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。
（4）吸附终点：出水浓度Cb为(0.90～0.95)Co时所对应的出 水总体积的穿透曲线上的那一点叫吸附终点。
（5）吸附带长度δ：从ta到tb的△t时间内，吸附带所移动 的距离。
穿透曲线的Flash示意图
固定床的操作
固
是间断的，因 为吸附饱和后
定 需要更换新炭
床
吸
附 粒状活性炭
塔
吸附层
示
意
图
21
qV(C0 C) W
11
3、吸附速度(adsorption rate)：
指单位质量的吸附剂在单位时间内所吸附的吸 附质的数量。
吸附速度决定了废水和吸附剂的接触时间 (contact time)。
吸附速度越快，接触时间越短，所需的吸附 设备的容积也就越小。
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4、吸附等温式
1）Langmuir等温式
• 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。
2、吸附容量(adsorptive capacity)
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。 如果用V表示废水体积；C0和C分别表示吸附前后吸附 质的浓度；W表示吸附剂的质量，则：
吸附剂吸附量 q 3.9C0.5
今有100升溶液，色素的浓度为0.05g/L，欲将色素除去 90%,需加多少活性炭？
平衡时的C=0.05(1-90%)=0.005g/L
故q=3.9× 0.0005 .50.27g6/g
M 10 (0.0 0 50.00 ) 51.6 3g 0.276
3）B.E.T. 等温式
（3）腐植酸系吸附剂
• 一般认为腐植酸是一组芳香结构的、性质相似的 酸性物质的复合混合物。
• 它的大分子约由10个分子大小的微结构单元组成， 每个结构单元由核(主要由五员环或六员环组成)、 联结核的桥键 (如－O－、－CH2－、－NH－等)、 以及核上的活性基团所组成。
• 据测定，腐植酸含有的活性基团有羟基、羧基、 羰基、胺基、磺酸基、甲氧基等。
而减小，而活性炭的吸附容量却随着有机物在水 中溶解度的减少而增加，也即吸附量随有机物分 子量的增大而增加。 • 如活性炭对有机酸的吸附量按甲酸＜乙酸＜丙酸 ＜丁酸的次序而增加。 ②使液体表面自由能降低得越多的吸附质则越容 易被吸附。
（3）操作条件
①温度： 吸附是放热过程，低温有利于吸附。
②pH: pH值影响到溶质的存在状态(分子、离子、络合物)，
素，以及水分、灰分。 • 具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、
强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。
37
适用于废水处理的粒状活性炭的主要指标
项目 比表面积 堆积密度 颗粒密度 真密度
有效粒经
平均粒径 均匀系数
数值
项目
数值
950-1500 m2/g
孔隙容积
0.85cm3/g
0.44 g/cm3 碘值(最小) 900mg/g
Langmuir假设：吸附剂表面均一，各处的吸附能相同；吸附 是单分子层的，当吸附剂表面为吸附质饱和时，其吸附量达到 最大值；在吸附剂表面上的各个吸附点间没有吸附质转移运动 ；达动态平衡状态时，吸附和脱附速度相等。
q qmk1c kc 1k1ce 1k1
1 1 1 q qmk1c qm
式中 q-平衡吸附量 c-液相平衡浓度 qm-与最大吸附量有关的常数； k1-与吸附能有关的常数。
第10章
吸附与离子交换
Adsorption and Ion Exchange
1
本章要解决的问题:
• 你知道吸附过程的本质是什么吗? • 吸附在水处理中的作用是什么? • 吸附在工业上是如何实现的? • 常用的吸附剂有哪些?如何评价其优劣? • 离子交换与吸附的联系与区别是什么? • 离子交换柱是什么样子的? • 离子交换在水处理中的作用是什么?
2）Freundlich等温式
此为指数函数型式的经验公式：
qe kc1e/n
式中，k称为Freundlich吸附系数，n为常数，通常n＞1。 Freundlich式在一般的浓度范围内与Langmuir式比较接近
，但在高浓度时不像后者那样趋于一定值；在低浓度时，也不 会还原为直线关系。
应用
• 用活性炭吸附水中的色素的试验方程式为：
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移动床的进出水
移 是连续的，活性
动 炭的进出可以是
床
连续的也可以是 间断的
吸
附 粒状活性炭 塔 吸附层
构
造
示
意
图
新的或再生后的 活性炭
去再 生系
统
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三、移动床吸附
。
移动床吸附优点：
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。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。 • 目前较大规模废水处理多采用这种操作方式。
四、影响吸附的因素
（1）吸附剂性质的影响 1）比表面积
单位重量吸附剂的表面积称为比表面积。吸附剂 的粒径越小，或是微孔越发达，其比表面积越大。吸 附剂的比表面积越大，则吸附能力越强。 2）孔结构 • 吸附剂内孔的大小和分布对吸附性能影响很大。 • 孔径太大，比表面积小，吸附能力差。 • 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。L
一般工业吸附剂难于同时满足这八个方面 的要求，应根据不同的场合选用.
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（1）活性炭
• 活性炭是一种非极性吸附剂。 外观为暗黑色，由含炭为主的物质为原料，经高温炭 化和活化制得的疏水性吸附剂。
• 粒状(granular activated carboan, GAC) • 粉状(powder activated carboan, PAC)两种。 • 活性炭主要成分除碳外，还含有少量的氧、氢、硫等元
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1.穿透曲线
（1）吸附带：指正在发生吸附作用的那段填充层，在吸附带 下部的填充层几乎没有发生吸附作用，而在吸附带上部 的填充层已达到饱和状态，不再起吸附作用。
（2）穿透曲线：以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标， 以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线。
（3）穿透点：当出水吸附质浓度Ca为(0.05～0.10)Co时所对 应的出水总体积或吸附时间的穿透曲线上的那一点。
（3）流动床：
• 流动床也叫做流化床。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。
流动 床吸 附塔 构造 示意 图
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流化床 expanded bed
（1）固定床： 废水处理中常用的吸附装置。 让废水连续地通过填充吸附剂的设备，这种动态
吸附设备中，吸附剂在操作过程中是固定的，所 以叫固定床。 • 固定床根据水流方向：升流式(up-flow)和降流式 (down-flow)两种。 • 降流式出水水质较好，水头损失较大，易堵塞。 • 升流式水头损失小，运行时间较长。不易堵塞， 但吸附剂易流失。
qecsce1km q kce1ce/cs
式中 cs—吸附质的饱和浓度； k—常数，与吸附剂和吸附质的相互作用能有关。
三、 吸附工艺和设备
间歇 式 操 作 方 式
将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌 30min左右，然后静置沉淀，排除澄清液
固定床 (fixed bed)
连续式 移动床 moving bed
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。 ④共存物质：
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活性炭吸附镉氰络合物时去除率与PH值关系
去除率/%
100
80
60
40
20
镉去除率
氰去除率
0
2
4
6 pH 8
10 12
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四、吸附剂
工业吸附剂必须满足下列要求: （a）吸附能力强；（b）吸附选择性好； （c）吸附平衡浓度低； （d）容易再生和再利用； （e）机械强度好；（f）化学性质稳定； （g）来源广；（h）价格低。
（1）物理吸附特点
吸附剂和吸附质之间通过分子间力的吸附为 物理吸附。 • ①没有选择性。 • ②物理吸附主要发生在低温状态下，放热较小。 • ③可以是单分子层或多分子层吸附。 • ④解吸容易。 • 影响物理吸附的主要因素是吸附剂的表面积和细 孔分布。