第五章 吸附及离子交换.ppt

吸附及离子交换技术
第五章
吸附及离子交换技术
第一节吸附
第二节离子交换基本原理

第三节离子交换树脂
第四节离子交换工艺
第五节离子交换技术的工业应用
第六节离子交换技术的发展
第一节吸附
一、吸附的基本原理

根据吸附剂与吸附质之间存在的吸附力性质的不同,可将吸附分成物理吸附、化学吸附和交换吸附三种类型。
(1)物理吸附吸附剂和吸附质之间的作用力是分子间引力(范德华力)。由于范德华力普遍存在于吸附剂与吸附质之间,所以整个自由界面都起吸附作用,故物理吸附无选择性。因吸附剂与吸附质的种类不同,分子间引力大小各异,因此吸附量随物系不同而相差很多。物理吸附所放出的热与气体的液化热相近,数值很小,物理吸附在低温下也可进行,不需要很高的活化能。
第一节吸附
在物理吸附中,吸附质在固体表面上可以是单分子层也可以是多分子层。此外,物理吸附类似于凝聚现象。因此,吸附速度和解吸速度都较快,易达到吸附平衡,但有时吸附速度很慢,这是由于在吸附颗粒的孔隙中的扩散速度控制所致。
(2)化学吸附利用吸附剂与吸附质之间的电子转移,生成化学键而实现物质的吸附。化学吸附需要很高的活化能,需要在较高的温度下进行。化学吸附放出的热量很大,与化学反应相近。由于化学吸附生成化学键,因而只有单分子层吸附,且不易吸附和解吸,平衡慢。化学吸附的选择性较强,即一种吸附剂只对某种或特定几种物质有吸附作用。
第一节吸附
(3)交换吸附吸附表面如为极性分子或离子所组成,则它会吸引溶液中带相反电荷的离子而形成双电层,这种吸附称为极性吸附。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,同时要向溶液中放出相应摩尔数的离子。离子的电荷是交换吸附的决定性因素,离子所带电荷越多,它在吸附表面的相反电荷点上的吸附能力就越强。
就吸附而言,各种类型的吸附之间不可能有明确的界限,有时几种吸附同时发生很难区别。溶液中的吸附现象较为复杂。
第一节吸附

物理吸附作用的最根本因素是吸附质和吸附剂之间的作用力,也就是范德华力。它是一组分子引力的总称,具体包括三种力:定向力、诱导力和色散力。范德华力和化学力(库仑力)的主要区别在于它的单纯性,即只表现为相互吸引。
(1)定向力由于极性分子的永久偶极距产生的分子间静电引力称定向力。它是极性分子之间产生的作用力。一般分子的极性越大,定向力越大;温度越高,定向力减小。另外,分子的对称性、取代基位置、分子支链的多少等因素也会影响定向力的大小。
第一节吸附
(2)诱导力极性分子与非极性分子之间的吸引力属于诱导力。极性分子产生的电场作用会诱导非极性分子极化,产生诱导偶极距,因此两者之间互相吸引,产生吸附作用。诱导力与温度无关。
(3)色散力非极性分子之间的引力属于色散力。当分子由于外围电子运动及原子核在零点附近振动,正负电荷中心出现瞬时相对位移时,会产生快速变化的瞬时偶极距,这种瞬时偶极距能使外围非极性分子极化,反过来,被极化的分子又影响瞬时偶极距的变化,这样产生的引力称色散力。色散力也与温度无关,且普遍存在,因为任何系统都有电子存在。色散力与外层电子数有关,随着电子数的增多而增加。
另外,在吸附过程中吸附剂与吸附质之间也可通过氢键发生相互作用。
第一节吸附

当固体吸附剂从溶液中吸附溶质达到平衡时,其吸附量与溶液和温度有关,当温度一定时,吸附量与浓度之间的函数关系称为吸附等温线。若吸附剂与吸附质之间的作用力不同,吸附表面状态不同,则吸附等温线也随之改变。典型的吸附等温线如图5-1所示,横坐标表示溶液中溶质的浓度,常用单位为单位溶液体积中溶质的质量;纵坐标表示吸附剂表面的溶质的浓度,常用单位是单位质量吸附剂所吸附的溶质的质量。
第一节吸附
图5-1中曲线1为线性等温线,表达的吸附方程为
(5-1)
式中 q—单位质量吸附剂所吸附的吸附质量,kg(溶质)/kg(吸附剂);
K—吸附平衡常数,m3(溶液)/kg(吸附剂);
c—溶液中吸附质浓度,kg(溶质)/ m3(溶液)。
图5-1中曲线2为Langmuir(朗格缪尔)吸附等温线,生物制品酶等分离提取时适合此吸附方程,即
(5-2)
式中q0和K是经验常数,可由实验来确定,在这种情况中,最容易的方法是将q –1对c –1作图,截距是q0 –1,斜率是K/ q0,q0和K的单位分别与q和c的单位一致。
第一节吸附
图5-1中曲线3为 Freundlich(弗罗因德利希)吸附等温线,抗生素、类固醇、激素等产品的吸附分离均符合此吸附方程,即
(5-3)
式中K为吸附平衡常数,n为指数,均为实验测定常数。可通过吸附实验,测定不同浓度c和吸附量q的关系,在双对数坐标中,直线log