在分析上，活性炭可用来吸附、气体有机物， 也可以在多元素富集中作为痕量载体应用。 活性炭的吸附速度一般较快，通常只要把活 性炭与试液共振荡3-5分钟，接着用滤纸过滤， 即可定量吸附待测成分。
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高温炭化
活化,800~900℃
木材、煤、果壳
炭渣
活性炭
隔绝空气，600℃
活化剂：ZnCl2
活性炭种类 颗粒大小 表面积 吸附力 吸附量 洗脱
2.3 活性氧化铝
组成结构： Al2O3. nH2O ，多孔网状结构 种类：碱性氧化铝、中性氧化铝、酸性氧化铝
低温氧化铝、高温氧化铝 吸附性质：极性吸附剂；
吸附活性与含水量有关； 在非极性介质中，对极性物质具有 较强的吸附。
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2.4 沸石
组成结构：Na2Al2O4·xSiO2H2O，多孔网状结构 种类：人工、天然沸石 吸附特性：阳离子交换吸附剂；
BCq0
C)1 (B 1)C
/ CS
式中：q0—单分子吸附层的饱和吸附量,g/g Cs—吸附质的饱和浓度,g/L B—常数；C—平衡浓度，g/L
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吸附等温线
n2s S型
L型
H型
C型
液相吸附平衡
溶剂有强烈竞争吸附， 且溶质为垂直定向吸附 c 溶剂吸附少，且溶质为线 形分子，躺式吸附
溶质与固体吸附力强， 化学吸附
第5章 吸附与离子交换 Absorption and ion exchange
5.1 吸附 5.2 离子交换
1
5.1 吸附
吸附：指流体与固体多孔物质接触时，流体中的 一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内 表面并附着在这些表面的过程。
特点： ①常用于稀溶液的分离， ②操作条件温和，适合于热敏性物质的分离， ③可直接从其他分离过程或反应过程耦合，改善过
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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
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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
按水流方向又可分：升流式与降流式。
（3）移动床：接近饱和的吸附剂从塔底间歇排 出，每次卸出总填充量的（5~20）%，同时从 塔顶投加等量再生炭或新炭。
（4）流化床：吸附剂在塔内处于膨胀状态。
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固定床吸附操作特点
吸附塔内填充吸附剂
吸附操作采用一个床，在吸附剂再生操作 中需停止吸附操作，
同时使用多个吸附床，进行多床串 连操作，使其中一床得到再生。
中和反应：
离子交换反应：
2R-SO3Na + Ca2+ == (R-SO3)2Ca + NaOH R2Ca + HCl == 2RH + CaCl2 RH + NaOH == RNa + H2O
离子转换或提取某种离子 脱盐 不同离子的分离
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离子交换剂的分类
1) 骨架组成
无机物——沸石、磷酸钙凝胶 疏水性骨架——树脂类
RSO3H + NaOH == RSO3Na + H2O RSO3H + NaCl == RSO3Na + HCl RSO3Na + KCl == RSO3K + NaCl
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强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂
特点：
❖ 淡黄色球状颗粒； ❖ 化学稳定性好，耐磨性好； ❖ 在酸性、碱性和中性介质中都可使用； ❖ 交换反应速度快； ❖ 无机、有机阴离子均可交换。
• 单元结构：多孔网状立体结构的骨架 不可移动部分
功能基团 可移动部分
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38
39
40
1.离子交换的基本原理
• 离子交换： R—A+ + B+ = R—B+ + A+
• 洗脱：
R—B+ + C+ = R—C+ + B+
• 再生：
R—C+ + A+ = R—A+ + C+
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分解盐的反应： RC,SH + NaCl == RC,Sna + HCl RA,SOH + NaCl == RA,SCl + NaOH
常见的吸附类型及其主要特点
物理吸附： 吸附作用力为分子间引力、无选 择性、无需高活化能、吸附层可以是单层，也 可以是多层、吸附和解吸附速度通常较快。
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。
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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
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吸附特性： ① 非极性吸附剂，在极性介质中，对非极性物质
具有较强的吸附。 ② 高极性吸附剂，在非极性介质中，对极性物质
具有较强的吸附。 ③ 中等极性吸附剂，则对上述两种情况都具有吸
附能力。
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常用的解吸方法
低级醇、酮或水溶液解吸
原理：使大孔树脂溶胀，减弱溶质与吸附剂间
的相互作用力。
碱解吸附
有机物
多糖类
亲水性骨架
有机聚合物
树脂类（苯乙烯类、酚醛类等）
多糖类（葡聚糖、琼脂糖、纤维素等）
有机聚合物（聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等）
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2) 骨架结构
微孔型（普通型、凝胶型） 大孔型 均孔型
3) 功能基团
酸性基团 —阳离子（强、弱） 碱性基团—阴离子（强、弱） 两性
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2.离子交换树脂
树脂骨架
聚苯乙烯型树脂、聚丙烯酸型树脂
聚合化学反应 共聚型树脂
缩聚型树脂
骨架的物理结构 凝胶型树脂
大网格树脂
均孔树脂
活性基团
阳离子交换树脂 阴离子交换树脂
螯合树脂
氧化还原树脂
两性树脂
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a. 强酸性阳离子交换树脂
✓ 功能基团：—SO3H；—CH2SO3H ✓ 交换容量与介质的pH值无关 ✓ 转为H+型困难 ✓ 转为Na+型，水洗可至pH中性
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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
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2.1活性炭（Active carbon）
活性炭是常用的吸附剂，表面积约100 1000 m2 /g ，粒度< 90 m 应占97%以上。 活性炭是一种非极性吸附剂，较易吸附极性 较小的分子。
气相吸附平衡—吸附等温方程（三种）
朗谬尔公式（Langmuir）
费兰德利希公式（Freundlich）
BET公式
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1）Langmuir方程
假定：1）均匀表面。 2）单分子层吸附。 3）吸附分子间无作用力。 4）吸附机理相同。
单组分吸附：
q
qm
1
bp bp
K L p(1 K L p) q / qm
原理：成盐，主要针对弱酸性溶质。
酸解吸附——原理同上
水解吸附
原理：降低体系中的离子强度，降低溶质的吸
附量。
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吸附剂的物理性质
1）比表面积：单位质量吸附剂所具有的表面积Sp
Xm
( Sp )M Am N
2）孔容：单位质量吸附剂中微孔的容积
V p (VHg VHe ) / m p
3）孔径分布： 大于10nm孔：汞孔率计
dp
4 1
cos
p
dp
1.489 1010 p
1.5～2.5nm孔：氮气解吸法
pp0
p0
exp(
4vL cos
RTdp
)
小于1.5nm孔：分子筛筛分法
d p 17.9 / ln( p0 / pp0 )
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4）颗粒尺寸和分布：固定床、流化床、槽式
颗粒尺寸均一
5）密度
VpΒιβλιοθήκη 1b1p
6）强度：抗压、耐磨
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4.吸附分离设备与操作方式
吸附操作方式 静态吸附
使废水与吸附剂搅拌混合，而废水没有 自上而下流过吸附剂的流动，这种吸附 操作叫静态吸附。 动态吸附 废水通过吸附剂自上向下流动而进行吸 附。
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吸附设备
（1）吸附搅拌槽： （2）固定床：吸附剂在床中是固定的，废水自
上而下流过吸附剂。
单床式、多床串联式、多床并联式。
多组分吸附：
qi
qmibi pi 1 bj pj
j 1
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2）Freundlick方程
q KC 1/ n 适于中等浓度吸附 式中：K、n——常数；
C——吸附质平衡浓度（g/L） q——吸附量 偏离理想吸附。实际吸附原因：表面不均 匀、吸附分子间的相互作用。
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3）BET公式（多层吸附）
q
(Cs
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
④ pH 值的影响 碱性物质——中性吸附 酸性洗脱
酸性物质——中性吸附 碱性洗脱
⑤ 温度未平衡前随温度升高而增加
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