第六章 吸附与离子交换

《第六章 吸附与离子交换》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章 吸附与离子交换（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第六章 吸附与离子交换 61 吸附分离adsorption seperation 6.1.1分离原理与分类 1.吸附原理 吸附过程 :当流体与多孔固体接触时,流动相中的一 种或多种溶质向多孔固体颗粒表面选择性被吸附和积 累的过程。逆过程解吸过程 吸附操作：用多孔固体有选择地吸附流体中的一个 或几个组分，从而使混合物分离的操作方法。它是分 离和纯化气体和液体混合物的重要单元操作之一。 吸附质和吸附剂(adsorbate - adsorbent）： 在固体表面被吸附的组分称吸附质，多孔固体称为 吸附剂，具有很大比表面积的多孔结构。 吸附法特点 1）从稀溶液中分离出溶质，由于受固体吸附 剂的限制，处

2、理能力较小；2）操作条件温和，对溶质的作用较小，适用 于热敏性物质的分离，如蛋白质分离；3）吸附是自发过程，吸附时放出热量。4) 溶质和吸附剂间的吸附平衡关系通常是非 线性关系,相互关系复杂。2吸附的分类 1）物理吸附（范德华吸附）：吸附质和吸附剂以分子间作用力为主的吸附。 物理吸附分离在原理上有四种类型： 选择性吸附 、分子筛效应 、微孔的扩散和微 孔中的凝聚 。2）化学吸附：吸附质和吸附剂分子间的化学键 作用力所引起的吸附。其结合力大，放热量与化 学反应热数量级相当，过程往往不可逆。化学吸 附在催化中起重要作用，分离过程中较少使用。 选择性吸附分子筛效应微孔中的扩散微孔中的凝聚物理吸附种类

3、物理吸附与化学吸附的比较3三类吸附分离过程 1）变温吸附。吸附通常在室温下进行，而解吸 在直接或间接加热吸附剂的条件下完成，利用温度 的变化实现吸附和解吸再生循环操作。2）变压吸附。在较高压力下选择性吸附气体混 合物中的某些组分，然后降低压力使吸附剂解吸， 利用压力的变化完成循环操作。 3）变浓度吸附。液体混合物中的某些组分在环 境条件下选择性的吸附，然后用少量强吸附性液体 解吸再生。色谱吸附 4.吸附应用 1）气体或液体的脱水及深度干燥。 2）气体或溶液的脱臭、脱色、有机溶剂蒸气回 收。3）气体中痕量物质的吸附分离，如纯氮、纯氧 的制取。 4）分离某些精馏难以分离的物系，异构体、手 性体、糖

4、类、维生素和蛋白质等。如烷烃、烯烃 、芳香烃馏分等的分离, 5）废气和废水的处理。 4.吸附应用6.1.2吸附剂及其特性 1.工业吸附剂满足要求 1）比表面大 吸附容量大；1501500 m2/g 2）选择性高 吸附剂对不同的吸附质具有不同 的吸附能力（吸附量或吸附速率），其差异愈显著 ，分离效果愈好； 3）物理及化学稳定性好, 耐热和耐腐蚀；4）具有一定的机械强度, 抗磨损； 5）容易再生；6）易得，价廉。 2工业用吸附剂 天然的吸附剂 如硅藻土、白土、天然沸石等。 人工制作的吸附剂 活性炭、活性氧化铝、硅胶、分子筛、有机树脂 吸附剂等。1）活性炭 -非极性吸附剂。具有很高的比表面积 ，表面

5、上的官能团较少，对烃类及衍生物的吸附能 力强。化学稳定性好，抗酸耐碱，热稳性高，再生 容易。活性炭作为吸附剂，应用在水溶液中最好， 而在有机溶剂中则较弱。故水的洗脱能力最弱，而 有机溶剂则较强。重复性差、过滤困难和环境污染 。活性炭一般用稀盐酸、乙醇、水洗净，在80干 燥后即可用。 回收气体中的有机气体，脱除废水中的有机 物，脱除水溶液中的色素。活性炭对芳香族化合物的吸附力大于脂肪 族化合物，对大分子化合物的吸附力大于小分 子化合物。利用吸附性的差别，可将水溶性芳 香族物质与脂肪族物质分开，单糖与多糖分开 ，氨基酸与多肽分开。硅胶2）硅胶 SiO2nH2O、亲水性的酸性极性吸附剂 ，由H2Si

6、O3溶液经过缩合、除盐、脱水等处理制 得。比表面积达800 m2/g。表面有5%的羟基。硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末状四种 。硅胶的吸附力随吸着水分的增加而降低。若含 水量超过17，吸附力极弱不能用作为吸附剂。对不饱和烃、甲醇、水分等有明显的选择性。硅胶的活化：200以下就可活化，硅胶表面因 氢键所吸附的水分就能被除去。 主要用于气体和液体的干燥、溶液的脱水。常用于色谱柱填料。活性氧化铝3）活性氧化铝 Al2O3nH2O、碱性极性吸附剂。 活性氧化铝表面上具有羟基和路易斯酸官能团，为 极性分子的吸附提供了活性中心。比表面积约为 200500 m2/g，对水分有很强的吸附能力，可脱至 n1

7、 Langmuir吸附等温线吸附等温线：在一定的温度下，平衡吸附量与吸 附质分压或浓度的关系曲线。 多组分和液相吸附平衡2）气体多组分吸附平衡方程3）液相吸附平衡 Langmuir等温线和Freundlich等温线同样适用 于低浓度溶液的吸附，当用于液体时，压力p用 浓度c代替 ，即：如丙腈水溶液在25oC用活性炭吸附的等温线或或6.1.4吸附动力学过程与吸附速率 1吸附速率：当流体与吸附剂接触时，单 位时间内吸附的吸附质的量。吸附速率是设 计吸附装置的重要依据。吸附速率与物系、操作条件及浓度有关。 2吸附机理：非稳态的扩散传质过程 1）外扩散过程：吸附质从流体主体通过分子扩散 和对流扩散的形

8、式传递到固体吸附剂的外表面的过 程。 2）内扩散过程：吸附质从吸附剂的外表面进入吸 附剂的微孔结构的内表面的过程。 3）表面吸附过程：吸附质在固体内表面上被吸附 剂所吸附的过程。 吸附机理-控制步骤3外扩散控制的吸附：当外扩散速率小于内扩 散速率时，总吸附速率由外扩散速率决定。 外扩散可用线性速率方程描述4内扩散控制的吸附：当内扩散速率小于外扩 散速率时，此吸附为内扩散控制的吸附。 球形颗粒内孔扩散和吸附的数学表达式为 为孔内溶质的质量浓度，De为表观扩散系数， 与孔径、分子大小和物性有关，108103cm2/s。 C*c6.1.5吸附操作 吸附分离过程包括吸附过程和解吸过程。吸附操作有多种形

9、式 与需处理的流体浓度、 性质及要求吸附的程度有关。常用吸附分离设备:搅拌槽、固定床吸附器、移 动床和流化床吸附塔。 一、槽式吸附操作（接触过滤式）过程：把要处理的液体和吸附剂一起加入到带有搅 拌器的吸附槽中，使吸附剂与溶液充分接触，溶液中 的吸附质被吸附剂吸附，经过一段时间，吸附剂达到 饱和，将料浆送到过滤机中分离出吸附剂，吸附剂经 适当的解吸，可回收利用。 设备：釜式或槽式设备结构简单，操作容易。 槽式吸附操作 槽式吸附操作适用于外扩散控制的吸附传质过 程。 使用搅拌使溶液呈湍流状态，颗粒外表面的膜 阻力较少。 用于液体的精制，如脱水、脱色和脱臭等。 吸附剂用量S确定:物料平衡吸附相平衡L

10、：一批投入的液体量l，co 、c：分别为液体中开始和终止时吸附质的浓度kg/l,S：所需投入的平衡吸附剂量，kg。 CoC t=0t=t槽式吸附操作吸附时间t的确定 动力学模型 液膜扩散为控制步骤，传质过程的表达式 ： :单位液体体积中吸附剂颗粒的外表面积m2/m3;:与吸附剂吸附量平衡的液相质量浓度kg/m3;:传质系数m/s，c :与时间t对应的质量浓度。槽式吸附操作若吸附等温线为线性则时间与浓度的关系为： 槽式吸附操作动力学特征：槽式吸附过程是非稳态的，溶 液中吸附质的浓度随时间变化。固定床吸附操作 二、固定床吸附操作 方法：把吸附剂均匀堆放在吸附塔中的多孔支 承板上，含吸附质的流体可以

11、自上而下流动，也 可自下而上流过吸附剂。在吸附过程中，吸附剂 不动。 固定床吸附操作特点： 1）固定床吸附塔结构简单，加工容易，操作方 便灵活，吸附剂不易磨损，物料的返混少，分离 效率高，回收效果好。2）固定床吸附操作的传热性能差，当吸附剂颗 粒较小时，流体通过床层的压降较大，吸附、再 生及冷却等操作需要一定的时间，生产效率较低 。固定床吸附操作用于气体中溶剂的回收、气体 干燥和溶剂脱水等方面。固定床吸附放大过程模型 固定床吸附放大过程模型可用三个方程描述： 1)溶液中溶质的质量平衡方程 液相内溶质的积累 为流入与流出微元体溶 质量之差 为床层内的轴向扩散 为被吸附剂吸附的溶质 量 固定床吸附

12、放大过程模型为床层孔隙率；u为液体在床层中的表观速度； D为轴向扩散系数；z为床层高度。 2)被吸附溶质的吸附速率方程 3)吸附平衡方程：等温线Freundlich公式固定床吸附动力学是非线性的而且互相关联， 只能用数值计算的方法求解。 吸附过程实验解 当含吸附质的流体自上而下连续流过床层时， 由于实际吸附过程存在传质阻力，因而吸附平衡不可能 瞬间达成，将在床层的入口处形成如图所示的传质区。 在吸附传质区内，吸附质浓度由初始浓度C0沿流动方向 而逐渐下降。吸附过程实验解传质区高度：吸附过程传质区所占的床层高度 。传质区以下的区域为新鲜的吸附剂，称为未 用区。 吸附负荷曲线：当流体连续流过床层时

13、，某 时刻床层内的吸附质浓度沿床层高度的变化曲 线。 吸附过程实验解穿透曲线：吸附器出口流体中的吸附质浓度随 时间而变化的曲线。吸附过程实验解对于特定的吸附体系和操作条件，根据固定床吸附器 的透过曲线，可计算出试验条件下达到规定分离要求所 需的床层高度Z。 当达到穿透点时，相当于吸附传质区前沿已到达床层 出口，此时阴影面积S1对应于床层中的总吸附量，而S2 对应于床层中尚能吸附的吸附量。因此，到达穿透点时 未利用床层的高度ZU为已利用床层的高度为 吸附过程实验解根据试验装置的实验数据，对固定床吸附器进行 放大设计。 实际固定床吸附器内已利用床层的高度可用下式 计算实际固定床吸附器的床层总高度为

14、三、移动床吸附操作 待处理的流体在塔内自上而下流动，在与吸附 剂接触时，吸附质被吸附，已达饱和的吸附剂从 塔下连续或间歇排出，同时在塔的上部补充新鲜 的或再生后的吸附剂。移动床吸附操作因吸附和再生过程在同一个塔 中进行，设备投资费用少。 模 拟 移 动 床四、流化床吸附操作 使流体自下而上流动，流体的流速控制在 一定的范围，保证吸附剂颗粒被托起，但不 被带出，处于流态化状态进行的吸附操作。生产能力大，但吸附剂颗粒磨损程度严重 ，操作范围变窄。 流 化 床 移 动 床 联 合 吸 附 操 作 6.2 离子交换 离子交换：能够解离的不溶性固体物质与溶液中 的离子发生离子交换反应。利用离子交换剂与不

15、同 离子结合力的强弱，将某些离子从水溶液中分离出 来，或者使不同的离子得到分离。离子交换过程是液固两相间的传质与化学反应过 程，在离子交换剂内外表面上进行的离子交换反应 通常很快，过程速率主要受离子在液固两相的传质 过程制约。该传质过程包括外扩散和内扩散步骤。 离子交换剂也存在再生问题。离子交换是一种特殊 的吸附。6.2.1 离子交换基本原理 能够解离的不溶性固体物质与溶液中的离子发生 离子交换反应RA+称为阳离子交换剂，R称为固定离子，A+称为抗衡离子或反离子。 R+A称为阴离子交换剂，在与溶液接触时能 与溶液中的阴离子B发生离子交换反应 离子交换树脂的电解质反应 离子交换树脂进行电解质分离

16、有三类反应：1)分解盐的反应强型离子交换树脂能够进行中性盐的分解反应， 生成相应的酸和碱， 下标:C表示阳离子交换树脂，A表示阴离子交换树脂，S表示强型树脂。 离子交换树脂的电解质反应2)中和反应强型和弱型树脂均能与相应的碱和酸进行中和 反应。强型树脂的反应性强，反应速度快，交换 基团的利用率高，但中和得到的盐型树脂再生困 难，再生剂用量多。弱型树脂中和后再生剂用量 少，可接近理论用量。 3)离子交换反应 盐式的强、弱型树脂均能进行交换反应。但强型树脂的 选择性不如弱型树脂的选择性好，但可用相应的盐直接再 生 离子交换树脂的电解质反应交换后的(RSO3)2Ca可用浓NaCl溶液进行再生弱型树脂需用相应的强酸和强碱再生。 离子交换树脂分离过程有三种类型 1)离子转换或提取某种离子。 如水的软化，将水中的Ca2+转换成N a+。此时可用盐 式阳离子交换树脂，将Ca2+从水中分离出来。 2)脱盐。如除掉水中的阴阳离子制取纯水，此时可用强 型树脂的分解中性盐反应和强型或弱型树脂