1、第8章 液體吸附與離子交換吸附與離子交換都是相間傳質過程，物質傳遞方向是由液相到固相。1 液體吸附1.1 吸附作用和吸附劑 吸附作用利用多孔固體顆粒選擇性地吸附流體中的一個或幾個組分，從而使流體混合物得以分離的單元操作。分離的依據：各組分的吸附力不同。吸附劑：具有吸附作用的物質；吸附質：被吸附的組分。 固相具有吸附能力的根本原因是固體表面分子處在一個不平衡力場中，也既是表面力在起作用。物理吸附：吸附劑與吸附質之間的作用力僅為分子間引力的吸附；化學吸附：吸附劑與吸附質之間的作用力為化學鍵力的吸附。物理吸附的特點：放熱過程；吸附無選擇性；吸附速度快，易達平衡；可以是多分子層吸附；可逆過程，解吸容易

2、。化學吸附的特點：放熱過程；吸附有選擇性；吸附速度慢，不易達平衡；單分子層吸附；解吸困難。112 吸附劑及其性能吸附劑的來源：天然礦產：活性白土、漂白土、硅藻土、凹凸棒等；人工制品：活性炭、硅膠、活性氧化鋁、分子篩、吸附樹脂等。食品工業中常用的吸附劑有：(1)活性炭 包括粉末活性炭和顆粒活性炭兩種。(2)活性白土 (3)硅膠 包括球形、無定形、粉末狀及加工成型四種。(4)膨潤土 (5)分子篩 (6)吸附樹脂 食品工業對吸附劑的要求主要有：吸附量大；選擇性好。一些常用吸附劑的性能見表8-1。12 吸附理論121 吸附平衡 (1)單組分吸附 吸附劑只選擇性的吸附一個組分（溶質）。可用等溫吸附方程（

3、弗氏方程）表示：式中：-吸附質在固相中的濃度，kg吸附質/kg吸附劑；C*-吸附質與固相濃度成平衡的液相質量濃度，kg吸附質/m3。 k，n-與吸附劑（質）性質、溫度有關的常數。一般n在210之間易吸附，小于0.5時，吸附困難。吸附濃度較低時，可用線性方程表示：參見下圖，活性炭對醋酸（水容液）和苯甲酸（苯溶液）的吸附：從圖中可以看出，吸附質不同，吸附平衡濃度不同；另外，濃度低時C*基本為線性關系。吸附平衡后，對吸附質作物料衡算，得： 式中：m-吸附劑的質量，kg；V-液相體積，m3；C0，C*-平衡前、后的溶液濃度，kg吸附質/m3。 (2)雙組分吸附 既吸附溶質又吸附溶劑。設x-液體中溶質的

4、體積分數；y-固體中溶質的體積分數。則以xy曲線表示的平衡關系如下圖所示：分離系數：若吸附劑對兩組分的吸附力相同，即x=y，則=1，稱為恒比吸附。(3)吸附機理 吸附過程可以分為3步：外擴散過程：即吸附質從液相向吸附劑外表面擴散；內擴散過程：吸附質經固體內部細孔擴散到吸附劑的內表面；吸附過程：吸附質在吸附劑內表面被吸附。122 吸附速率單位時間、單位體積吸附劑吸附的吸附質的量，即：式中：a-吸附劑松密度，kg/m3；u-吸附速率，kg/(m3·s)。(1)外擴散速率u0式中： kL-液相傳質系數，m/s；a-單位體積吸附劑的表面積，m2/m3；C-液相中吸附質濃度，kg/m3；Ci-

5、液固界面上液體吸附質濃度，kg/m3。(2)內擴散速率 式中：kS-吸附劑內擴散傳質系數kg/(m2·s)；i-液固相界面上的吸附量，kg/kg；-吸附劑內部的吸附量，kg/kg。(3)總傳質速率 稀溶液中，若忽略界面上的吸附阻力，因吸附傳質過程為串聯過程，則：若固、液相間的平衡關系為線性=kC*，則：或式中：KL-總傳質系數，m/s。令當r0.01時，內擴散控制； r10，外擴散控制。一般，kL，kS由實驗測定。13 吸附操作131 吸附操作步驟包括三步：使溶液與吸附劑接觸,完成吸附；分離吸附劑和吸附后的溶液；吸附劑再生或更換吸附劑。 吸附操作裝置類型1)接觸式吸附接觸式吸附操作裝

6、置如圖下所示：吸附在攪抖混合桶中進行，吸附完畢后，過濾分離固、液。2）固定床吸附固定床吸附操作裝置如下圖所示：主要由吸附柱和過濾器兩部分組成，吸附柱內裝滿吸附劑。吸附操作中，吸附區（吸附帶）逐漸下移。3）移動床吸附吸附過程中吸附劑和溶液均處于動態，為連續穩定過程。吸附劑和溶液可作同向運動亦可作逆向運動。14 吸附計算 分級接觸式吸附分級接觸式吸附是一種間歇式吸附方法。注意，在以下計算中，均假定吸附完成后，達到了吸附平衡。(1) 單級式參見下圖：對吸附前后的吸附質進行物料衡算得：或 此即操作線方程,為一直線方程,斜率為-V/m,截距為0+VC0/m 。式中：V-料液體積，m3；m-吸附劑質量，

7、kg；0,1吸附前后吸附質在固相中的濃度,kg/kg吸附劑；C0,C1-吸附前后的溶液濃度,kg/m3 。若代入物料衡算式整理可得:上式的用途:工藝計算中求m或C1；實驗中求取1/n。(2) 多級式吸附 平流式，參見下圖:對吸附質進行物料衡算，得：第一級：第i級：操作線方程為：對兩級平流式吸附，若平衡關系滿足弗氏方程，且0=0，則C0，C2一定時，mT存在極小值，當C1滿足下式時，mT最小。逆流式，如圖所示：吸附劑和液相均貫穿各級，并以逆流的形式接觸吸附。在第一級至第i級間作吸附質的衡算，有： 或 此即逆流吸附的操作線方程，為一直線方程，斜率為V/m，截距為1-VC0/m ，且方程過點H(C0

8、，1)和L(Cn，0) 。畫出的梯級數即為理論級數。 連續式吸附(1)連續逆流吸附 在移動床內進行，為連續穩定過程。下列符號的意義：qL-溶液的流量，m3/s；qS-吸附劑流量，kg/s；C1，C2-吸附前后溶液濃度，kg/m3；2，1吸附劑吸附前后的吸附量，kg/kg；-塔的截面積，m2。注意：塔的濃端用“1”表示，稀端用“2”表示，且C1=C0，2=0。取任一微元高度對吸附質作物料衡算得： 傳質速率關系:積分可得:全塔吸附質的衡算:在塔頂至塔任一截面作吸附質的衡算,得:或 此即逆流吸附塔的操作線方程,直線的斜率為qL/qS,過點H(C1,1),L(C2,2)。一般，C2=0，2=0。移動床

9、中吸附劑的移動速度：若吸附平衡關系為線性 =kC，則： (2)固定床吸附 解決方法：將移動床轉化成固定床。吸附區不斷下移，則飽和區內的空隙中持有吸附質，這時的物料衡算為：或 吸附區的高度為：一般，<<ka例8-1 欲用活性炭對某糖液進行脫色。首先進行兩組脫色實驗，實驗中每單位糖液中固形物含量與所用活性炭量的比值分別為0.3，0.6時，脫色率分別為66.9%，77.9%，其他實驗條件均相同，求1/n值為多少？解：單級吸附，有： （a）令 脫色率 代入（a），得：或 等式兩邊同時取對數得： （b）顯然，呈線性關系，直線的斜率為1/n，作圖可求得1/n。當只有兩組實驗數據時，由（b）可得

10、： （c）將本題的數據代入（c），得：解得 2 離子交換21 離子交換概念和離子交換樹脂211 基本概念如果在吸附過程中，被吸附的離子與吸附劑中的離子進行交換，則稱為離子交換。離子交換劑：提供可交換離子的不溶性固體；可交換離子為陽（陰）離子的交換劑稱為陽（陰）離子交換劑。 交換反應如下：Mg2+ Na2RMgR+2Na+SO42-+ RCl2RSO4+2Cl-與吸附過程相同，離子交換也是一個可逆過程。212 離子交換劑離子交換劑是一種疏松的、具有多孔狀的固體，不溶于各種溶液中。它是由一個固定的極大帶電基團和另一個可置換的小離子組成。根據活性基團的性質，分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類。

11、(1)陽離子交換樹脂 合成樹脂的本體上帶有酸性活性基團，可被液相中的陽離子交換的樹脂。功能團是一些酸性基團，如磺酸基（-SO3H），羧酸基（-COOH）和酚基等。 (2)陰離子交換樹脂 合成樹脂的本體上帶有堿性活性基團，可被液相中的陰離子交換的樹脂。功能團是一些堿性基團，通常是一些有機胺類。根據樹脂的物理結構，離子交換樹脂又可分為凝膠型和大孔型兩類。凝膠型樹脂為外觀透明的均相高分子凝膠結構，孔徑一般在3 nm以下。大孔型樹脂具有與一般吸附劑一樣的毛細孔徑，孔徑從幾納米到幾千納米，且孔隙結構穩定。213 離子交換樹脂的性能1）物理性質(1)色澤、形狀 (2)交聯度 交聯劑：將可帶活性基團的有機分

12、子聯結起來的物質。交聯度：交聯劑在樹脂總質量中所占的百分數。常用樹脂的交聯度是212。一般在樹脂的牌號后用“×”號聯接一個阿拉伯數字表示交聯度。 交聯度對樹脂物化性質的影響表現為：交聯度大，樹脂空隙率小、含水率高、密度大、選擇性好、機械強度高、性質穩定。但交換速度慢，交換容量小。(3)粒度 樹脂粒度一般為1650目，即直徑一般為0.31.2 mm。(4)含水率 樹脂的含水率一般為50%左右，即1kg干樹脂可吸水1kg。(5)密度 樹脂的密度有濕真密度、裝載密度（視密度）和表觀密度3種表示方法。濕真密度：樹脂吸水膨脹后，樹脂顆粒的密度；一般陽離子交換樹脂的濕真密度約為1300 kg/m

13、3，陰離子交換樹脂的濕真密度約為1100 kg/m3。裝載密度（視密度）：單位體積濕樹脂的質量；一般陽離子交換樹脂的視密度多為700850 kg/m3，陰離子交換樹脂的視密度多為600750 kg/m3。(6)溶脹性 2）化學性質 (1)酸堿性 活性基團的酸性強弱次序如下： SO3H>PO3H2PO2H2>COOH>酚基活性基團堿性強弱次序如下： NOHNH2=NHN(2)交換選擇性 離子價數越高，選擇性越強；價數相同時，離子水合半徑越小，原子序數越大，選擇性越強；陽離子交換選擇性強弱規律為： Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+Li+陰離子交換選擇性強弱規律為：PO4

14、3-SO42-NO3-Cl-HCO3-HsiO3-樹脂的交聯度越大,選擇性越強。(3) 交換容量 全交換容量（理論交換容量）：可交換的基團總數；工作交換容量：工作狀態下的交換容量；再生交換容量：再生后樹脂的交換容量。交換容量一般用單位質量干樹脂或單位體積濕樹脂所能交換的一價離子量表示，即mol/kg或mol/m3。 離子交換樹脂命名系統（由三位數字組成）代碼 第一位數（分類） 第二位數（骨架） 0 強酸性 苯乙烯系 1 弱酸性 丙烯酸系 2 強堿性 酚醛系 3 弱堿性 環氧系 4 螯合物 乙烯吡啶系 5 兩性 脲醛系 6 氧化還原型 氯乙烯系第三位數表示序號，區別功能團和交聯度的種類。舉例：某

15、樹脂型號為001×7。則該樹脂為強酸性、苯乙烯系樹脂，交聯度為7%。國產主要離子交換樹脂的型號與性能見表8-2。22 離子交換機理221 離子交換平衡離子交換反應（置換反應）：RA+BRB+A是一個可逆反應，存在化學平衡。影響平衡的主要因素有：(1)交換離子的性質 稀溶液中，離子電荷愈大，吸附交換能力愈強，吸附速度愈快；大離子比小離子與樹脂的親和能力強，吸附速度快；水合能力大的離子與樹脂親和能力也強，吸附速度亦快。(2）樹脂的性質 樹脂活性基團的酸堿性以及交聯度對交換速度、平衡濃度及選擇性都有影響。(3)溶液的性質 溶液中交換離子的濃度和非交換離子及溶質的性質對離子交換的交換速度、平

16、衡濃度及選擇性亦有影響。交換平衡后，令其中：C0，0-平衡時液相和固相離子總濃度，mol/m3和mol/kg樹脂；C，-平衡時液相和固相中被交換離子的濃度，mol/m3和mol/kg樹脂。由質量作用定律：或 KAB稱為選擇性系數，其值越大，表示樹脂對B的親和力越大，對A的親和力越小。當溶液中只有一種可被交換的離子且與樹脂活性基團的反離子等價時，則 yA+yB=1，xA+xB=1略去下角標B，得： 此即等價離子交換方程。對于非等價離子交換，如：Mn+ + nHR MRn+nH+其交換方程為： 式中：a-樹脂的視密度，kg/m3。不同陽離子的交換選擇性見表表8-3。222 離子交換機理離子交換過程

17、包括5步：交換離子由溶液主體擴散至樹脂表面（膜擴散）；交換離子由外表面經顆粒中的微孔擴散到活性基團上（粒擴散）；交換離子與樹脂活性基團上的離子進行交換（化學反應）；交換下來的離子由樹脂內部經微孔擴散至樹脂外表面；交換下來的離子由樹脂表面擴散至溶液主體。其中步驟和互逆，屬外擴散。步驟和互逆，屬內擴散。步最快。交換機理如下圖所示：哪一步為控制步驟視條件而定：一般稀溶液中（<0.01mol/L）交換為外擴散控制，濃溶液中(>0.1mol/L)為內擴散控制；加強樹脂和液體間的相對運動（如攪拌），可提高外擴散速率，而內擴散速率不受影響。樹脂的粒度對交換速率亦有一定影響，粒度增大，內外擴散速率

18、都會下降，但程度不同，外擴散速率與樹脂直徑成反比，內擴散速率與樹脂直徑的平方成反比。因此粒度增加，交換速率趨于受內擴散速率控制；反之則趨于受外擴散速率控制。2.3 離子交換速率 外擴散速率當離子交換為等價交換時，則交換離子的外擴散速率可延用吸附的外擴散速率公式，即： 或 式中： kL-液相傳質系數，m/s；單位質量樹脂的有效表面積，m2/kg樹脂。固定床中, 低濃度溶液中離子交換的kLa與溶液的空塔流速u的關系為u0.5 內擴散速率 總傳質速率和總傳質系數令: 則有: 及 若假定：等價交換；兩相濃度分布呈直線；界面處處于平衡狀態。由加比定律可推得：其中:KL-液相總傳質系數，m/s。由上式可知

19、，當溶液的總濃度C00時，KLkL，即總交換傳質率由外擴散速率控制。2.4 離子交換操作及設備 離子交換操作離子交換通常在固定床交換柱內進行。以離子交換法制取軟化水為例。操作循環包括兩步：吸附交換階段和淋洗再生階段。(1)吸附交換階段 情況類似于吸附，交換區不斷移動。漏點(穿透點):在流出液中開始有被交換離子出現時流出液的總體積。交換柱內離子交換區的高度z和移動速度uG的計算，與吸附類似，即：一般，<<ka及 式中：C1，x1-交換柱的液相入口濃度； C2，x2-交換柱的液相出口濃度。通常生產中對交換區的高度定義為：在交換區內使溶液中交換離子濃度從95%C0降至5%C0。應用上的兩

20、種操作：提純：用于一種或一種以上的溶質與溶劑分離；分離：用于兩種以上的溶質間的分離。 各種離子在樹脂層中的分布與離子交換能力的關系：料液流動方向 交換能力大的離子 交換能力小的離子以含有Fe3+，Ca2+，Na+的水通過陽柱為例：交換能力 Fe3+Ca2+Na+離子的分布情況：(2)淋洗再生階段 樹脂再生：將失效樹脂恢復到交換前的狀態，即除去所吸附的離子的的過程。要先反洗，后再生。再生方法有以下兩種：酸堿再生法：應用最廣泛。電解再生法：較少采用。再生需要一定量的再生劑。再生劑耗量：一定體積（或質量）失效樹脂的交換容量恢復到一定程度時所耗的再生劑總量，kmol/L或kmol/kg；理論耗量：再生

21、劑的量與吸附離子量相等時的消耗量（以一價計）。一般，再生劑的實際消耗量要比理論消耗量大幾倍。再生后的樹脂，再以洗滌水正洗，排出樹脂層中殘留的再生劑后，即可進行下一個操作循環。242 離子交換裝置分類1）固定床離子交換設備主要有：單床、復床和混合床三種。復床：陰、陽離子交換柱串聯使用；混合床：陰、陽離子交換樹脂混合起來裝在一個床內。2）流動床離子交換設備流動床離子交換的特點是樹脂與原料液均處于流動狀態，屬于連續逆流式交換。再生清洗過程中樹脂和溶液也都始終處于流動狀態。參見下圖：例8-2 用一種強酸氫離子交換樹脂的固定床進行糖液的脫鹽精制，床層高0.5 m，空隙率為0.35。床層截面積為6.0&#

22、215;10-4 m2，樹脂粒度為7×10-4 m。將濃度為10 mol/m3的NaCl溶液由交換柱上方通入，流量為0.025 m3/h。樹脂交換容量為a0=2.01×103 mol/m3，Na+-H+系統平均傳質系數KLa為8.6（uL）0.5 s-1，平衡常數KAB=1.58。試計算：交換區高度；交換區移動速度；固定床可能的最長操作時間。解：交換區高度本題為等價交換，平衡交換方程為： （1）全塔物料衡算： （2）塔頂至交換區任一截面的物料衡算： （3）（2）、（3）聯立可得：或 （4） 此即操作線方程將（4）代入（1），得： （5）將 KAB=1.58,x1=0.95,

23、x2=0.05代入，得：NOL=13.1交換區移動速度 可能最長操作時間 25 離子交換操作計算以離子交換法制取軟化水為例。計算主要包括：交換柱的大小；樹脂用量；交換柱工作周期；反洗和正洗的洗滌水用量；再生劑的耗量。原水中的雜質主要包括三類：懸浮物質用沉降、過濾等方法去除；膠體物質用混凝、澄清等方法去除；溶解物質（離子）用離子交換、電滲析等方法去除。影響水質的主要成分是原水的硬度和堿度。水的硬度：水中離子沉淀肥皂的能力。硬脂酸鈉（肥皂）+Ca2+（或Mg2+）硬脂酸鈣或鎂堿度：水中離子（OH-，HCO3-,CO32-）與H+結合的能力。硬度的單位: mol/m3；也常用德國度（°d）

24、表示，1L水中含有 10 mgCaO為1°d。1 mol/m3=2.80°d。 交換柱的直徑和高度(1)交換柱直徑 下列符號的意義：qV-水處理量，m3/s；uL-交換柱空床流速(濾水速度)，m/s；n-交換柱數目，(取各交換柱直徑相等)；Dc-交換柱直徑，m；A- 交換柱截面積，m2。 濾水速度uL的范圍參見表8-4 。直徑算出后，就可選用直徑比較接近的定型交換柱。(2)交換柱高度 H=H1+H2=H1(1+e)式中：H1-樹脂床層高度，m；一般H1的最小值取0.6m，常用的是1.21.8m。e-樹脂反洗膨脹率，一般e=30%50%。 樹脂用量、正洗水用量和時間(1)單根

25、樹脂柱樹脂用量 m=aV=aAH1式中：a-樹脂的裝載密度，kg/m3。(2)正洗水量 Vw=awV=awAH1式中：aw-單位體積樹脂的正洗水耗用量，m3/m3；參見表8-5。正洗分兩段進行，第一階段采用的流速為：u1= 9×10-41.4×10-3m/s洗滌時間為15 min，耗水量為Vw1。第二階段采用與交換操作相同的uL，則第二階段的洗滌時間為： 樹脂的工作交換容量0和有效工作容量e或 式中：為校正系數，一般可取0.7。也可按下式計算：陽離子交換樹脂陰離子交換樹脂式中：T-原水溫度；pH-原水pH值；pH1-第一級陽離子交換柱出水的pH值，一般為34；dP-樹脂顆粒的平均直徑，m；H0-原水硬度，。d；CA0-水中總陰離子濃度，mol/m3。樹脂的有效工作容量eh計算式為： 式中：Ciw-正洗水中陽離子（或陰離子）的濃度，mol/m3。當用弱堿性陰離子交換樹脂或用純水正洗