吸附離子交換 四組課件

1、吸附離子交換四組 簡介吸附法分離的關(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)進行分離的方法。 在分析測試中，離子交換分離技術(shù)是最有實用價值的前處理方法。主要內(nèi)容 1 概述 2工作原理 3特點 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程。當(dāng)流體與多孔固體接觸時, 流體中某一組分或多個組分在固體表面處產(chǎn)生積蓄, 此現(xiàn)象稱為吸附。廣義地講，指固體表面對氣體或液體的吸著現(xiàn)象。在化工生產(chǎn)中,吸附專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)分離過程的單元操作，所涉及的主要是物理吸附。吸附過程通常包括： 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，活性炭可用來吸附、氣體有機物，也可以在多元素富集中作為痕量載體應(yīng)用。活性炭的吸附速度一般較快，通常只要把活性炭與試液共振蕩3-5分鐘，接著用

3、濾紙過濾，即可定量吸附待測成分。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)物的分離和有機溶劑痕量水的除去。實驗室一般采用4-5A的分子篩。硅膠極性吸附劑，可用于萜類、固醇類、生物堿、脂肪類、氨基酸等的吸附分離對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 ） 大孔吸附樹脂具有吸附容量大、選擇性好、易于解吸、機械強度高、再生處理簡便、吸附速度快等優(yōu)點, 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，依靠庫侖力吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，達到分離的目的。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時間充分接觸后，系統(tǒng)達到平衡，吸附質(zhì)的平衡吸附量（單位質(zhì)量吸附劑在達到吸附平衡時所吸附的吸附質(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，稱為吸附等溫線。對于壓力不太高的氣體混合物，惰性組分對吸附等溫線基本無影響；而液體混合物的溶劑通常對吸附等溫線有影響。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，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（見傳質(zhì)分離過程）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，過程最為簡單。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,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行一次接觸就不能滿足分離要求，或吸附劑用量太大時，須用多級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型吸附劑更具有其獨特的優(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，運轉(zhuǎn)成本低 （3）大孔性吸附樹脂樹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,通過它巨大的比表面進行物理吸附而工作,使有機化合物根據(jù)有吸附力及其分子量大小可以經(jīng)一定溶劑洗脫分開而達到分離、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行交換,以達到提取或去除溶液中某些離子的目的,是一種屬于傳質(zhì)分離過程的單元操作。離子交換是可逆的等當(dāng)量交換反應(yīng)。 實驗表明，在常溫下，當(dāng)離子濃度不

8、大時，強酸型陽離子交換樹脂樹脂親和力大小有如下一些規(guī)律。 金屬離子的價數(shù)增大，親和力增大。如 Na+ Ca2+ Al3+ Th4+ 離子價數(shù)相同時，親和力大小隨著水合離子半徑的減少而增大。如1價離子：Li+ H+ Na+ NH4+ K+ Rb+ Cs+ Tl+ Ag+；2價離子：Mg2+ Zn2+ Co2+ Cu2+ Cd2+ Ni2+ Ca2+ Sr2+ Pb2+ Ba2+。特點常見的吸附類型及其主要特點物理吸附有以下特點：氣體的物理吸附類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；氣體或蒸氣的沸點越高或飽和蒸氣壓越低,它們越容易液化或凝結(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)：對表面張力的影響，溶解度，極性，相對分子量溫度：吸附是放熱過程，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：吸附所涉及的力與化學(xué)鍵力相當(dāng)，比范德華力強得多

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。大孔離子交換樹脂的優(yōu)點通過在合成時加入惰性致孔劑，克服了普通凝膠樹脂由于溶脹現(xiàn)象，產(chǎn)生的“暫時孔”現(xiàn)象，從而強化了離子交換的功能；減少了凝膠樹脂在離子交換過程中的“有機污染”現(xiàn)象（大分子不易洗脫）；可以通過致孔劑選擇調(diào)整孔徑大小、樹脂的比表面積，

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?。河≡娇旖宦?lián)度：交聯(lián)度小，交換速度快溫度：越高越快離子化合價：化合價與高，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)交換速度為外擴散控制時， 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：高價離子易于被吸附；溶液pH：影響交換基團和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；離子強度：越低越好；有機溶劑：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)境保護等部門和領(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定催化劑的表面積和孔結(jié)構(gòu)，而這些宏觀性質(zhì)對于制備優(yōu)良催化劑，比較催化活性，改進反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴散條件，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.（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 石油化工大孔樹脂天然產(chǎn)物的分離純化、藥物制備、有機化合物分離、化學(xué)反應(yīng)催化劑

14、、載體等各個領(lǐng)域。 大孔吸附樹脂對工業(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、對甲酚、萘酚、苯胺、鄰苯二胺、對苯二胺、水楊酸、奈磺酸等有機物均具有很好的吸附、回收凈化作用。離子交換樹脂的應(yīng)用1）水處理水處理領(lǐng)域離子交換樹脂的需求量很大，約占離子交換樹脂產(chǎn)量的90%，用于水中的各種陰陽離子的去除。目前，離子交換樹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。離子交換樹脂在食品工業(yè)中的消耗量僅次于水處理。3）制藥行業(yè)制藥工業(yè)離子交換樹脂對發(fā)展新一代的抗菌素及對原有抗菌素的質(zhì)量改良具有重要作用。鏈霉素的開發(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)在有機合成中常用酸和堿作催化劑進行酯化、水解、酯交換、水合等反應(yīng)。用離子交換樹脂代替無機酸、堿，同樣可進行上述反應(yīng)，且優(yōu)點更多。如樹脂可反復(fù)使用，產(chǎn)品容易分離，反應(yīng)器