吸附离子交换-四组.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,简介,吸附法分离的关键在于物质的吸附和脱附作用的差异。,离子交换分离法是利用溶液中离子与离子交换剂发生交换反应进行分离的方法。,在分析测试中，离子交换分离技术是最有实用价值的前处理方法。,主要内容,1 概述,2工作原理,3特点,4应用,5发展,第一部分 概述,一、吸附,吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面的过程。,当,流体,与多孔固体接触时,流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄,此现象称为吸附。广义地讲，指固体表面对气体或液体的吸着现象。,常见吸附分离（吸附剂）,活性炭和分子筛,巯基棉纤维和泡沫塑料,大孔性吸附树脂,硅胶、氧化铝等吸附剂,纳米材料,壳聚糖,磁微球等,活性炭分离,活性炭是常用的吸附剂，表面积约100 1000 m,2,/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。,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。,活 性 炭,分子筛分离,分子筛是一种晶态的金属硅铝酸盐矿物。它具有高度选择性吸附性能，是由于其结构形成许多与外部相通的均一微孔。凡是比分子筛孔径小的分子可通入孔道中，而较大者则留在孔外，借此筛分各种分子大小不同的混合物。,分子筛主要用于气态物的分离和有机溶剂痕量水的除去。实验室一般采用4-5A的分子筛。,硅胶,极性吸附剂,，可用于萜类、固醇类、生物碱、脂肪类、氨基酸等的吸附分离,对极性化合物的吸附力大于非极性的，吸附活性跟含水量密切相关,硅胶的活化 表面大量羟基，很强吸水性，105110活化12h,氧化铝,亲水性吸附剂,，适用于亲脂性成分的分离,按制备方法不同，分为碱性、中性、酸性氧化铝三种,吸附活性随含水量增多而降低，用前也需去水分活化（150 活化2h）,大孔性吸附树脂,是以苯乙烯和丙酸酯为单体,加入乙烯苯为交联剂,甲苯、二甲苯为致孔剂,它们相互交联聚合形成了多孔骨架结构。一般为白色的球状颗粒,粒度为2060 目,是一类含离子交换集团的交联聚合物,它的理化性质稳定,不溶于酸、碱及有机溶剂,不受无机盐类及强离子低分子化合物的影响。,大孔吸附树脂具有吸附容量大、选择性好、易于解吸、机械强度高、再生处理简便、吸附速度快等优点,特别适用于从水溶液中分离低极性或非极性化合物。,离子交换,利用离子交换树脂作为吸附剂，将溶液中的待分离组分，依据其电荷差异，依靠库仑力吸附在树脂上，然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达到分离的目的。,对离子与非离子物质，离子化合物之间的分离，离子交换法是最重要的手段之一。离子交换法分离效率高，分离容量大，但分离周期长，在分析测试中，通常用于解决较困难的分离问题。,树脂离子交换分离,离子交换纤维素和离子交换葡聚糖,各种离子交换剂的离子选择顺序,工作原理,一、吸附,（1）活性炭,是一种很细小的炭粒 有很大的表面积，而且炭粒中还有更细小的孔毛细管。这种毛细管具有很强的吸附能力，由于炭粒的表面积很大，所以能与气体（杂质）充分接触。当这些气体（杂质）碰到毛细管被吸附，起净化作用。,当液体或气体混合物与吸附剂长时间充分接触后，系统达到平衡，吸附质的平衡吸附量（单位质量吸附剂在达到吸附平衡时所吸附的吸附质量），首先取决于吸附剂的化学组成和物理结构，同时与系统的温度和压力以及该组分和其他组分的浓度或分压有关。对于只含一种吸附质的混合物，在一定温度下吸附质的平衡吸附量与其浓度或分压间的函数关系的图线，称为,吸附等温线,。对于压力不太高的气体混合物，惰性组分对吸附等温线基本无影响；而液体混合物的溶剂通常对吸附等温线有影响。同一体系的吸附等温线随温度而改变。温度愈高，平衡吸附量愈小。当混合物中含有几种吸附质时，各组分的平衡吸附量不同，被吸附的各组分浓度之比，一般不同于原混合物组成，即分离因子（见传质分离过程）不等于1。吸附剂的选择性愈好,愈有利于吸附分离。,分离只含一种吸附质的混合物时，过程最为简单。当原料中吸附质含量很低,而平衡吸附量又相当大时,混合物与吸附剂一次接触就可使吸附质完全被吸附。吸附剂经脱附再生后循环使用，并同时得到吸附质产品。但是工业上经常遇到的一些情况，是混合物料中含有几种吸附质,或是吸附剂的选择性不高，平衡吸附量不大,若混合物与吸附剂仅进行一次接触就不能满足分离要求，或吸附剂用量太大时，须用多级的或微分接触的传质设备。,(2)分子筛,依据晶体内部孔穴大小吸附或排斥不同的物质分子,同时根据不同物质分子极性或可极化度而决定吸附的次序,达到分离的效果,因而被形象的称为”分子筛”.,分子筛的孔径分布是非常均一的,因而分子筛比其他类型吸附剂更具有其独特的优越性：,具有极高，深度干燥分离度；,可以有效地避免分离时所产生共吸附现象，提高产品得率；,可以在同一系统中同时完成干燥和物质的纯化；,在较高的温度条件下，同样具有一定的吸附容量；,分子筛系统较其他干燥和分离装置，设备投资低，运转成本低,（3）,大孔性吸附树脂,树脂吸附作用是依靠它和被吸附的分子(吸附质)之间的范德华引力,通过它巨大的比表面进行物理吸附而工作,使有机化合物根据有吸附力及其分子量大小可以经一定溶剂洗脱分开而达到分离、纯化、除杂、浓缩等不同目的。,离子交换,离子交换树脂与含离子的溶液接触时，交换基团上的A,+,进入溶液，而溶液中的B,n+,被树脂“吸附”，即“化学吸着”：,去离子水的制备,：,借助于固体离子交换剂中的离子与稀溶液中的离子进行交换,以达到提取或去除溶液中某些离子的目的,是一种属于传质分离过程的单元操作。离子交换是可逆的等当量交换反应。,实验表明，在常温下，当离子浓度不大时，强酸型阳离子交换树脂树脂亲和力大小有如下一些规律。,金属离子的价数增大，亲和力增大。如,Na,+,Ca,2+,Al,3+,Th,4+,离子价数相同时，亲和力大小随着水合离子半径的减少而增大。如,1价离子：Li,+,H,+,Na,+,NH,4,+,K,+,Rb,+,Cs,+,Tl,+,Ag,+,；,2价离子：Mg,2+,Zn,2+,Co,2+,Cu,2+,Cd,2+,Ni,2+,Ca,2+,Sr,2+,Pb,2+,Ba,2+,。,特点,常见的吸附类型及其主要特点,物理吸附有以下特点：,气体的物理吸附类似于气体的液化和蒸气的凝结，故物理吸附热较小，与相应气体的液化热相近；,气体或蒸气的沸点越高或饱和蒸气压越低,它们越容易液化或凝结,物理吸附量就越大；,物理吸附一般不需要活化能，故吸附和脱附速率都较快；任何气体在任何固体上只要温度适宜都可以发生物理吸附，没有选择性；,物理吸附可以是单分子层吸附，也可以是多分子层吸附;,被吸附分子的结构变化不大,不形成新的化学键，故红外、紫外光谱图上无新的吸收峰出现，但可有位移；,物理吸附是可逆的；,固体自溶液中的吸附多数是物理吸附。,影响吸附的主要因素,吸附剂的性质：比表面积、粒度大小、极性,吸附质的性质：对表面张力的影响，溶解度，极性，相对分子量,温度：吸附是放热过程，吸附质的稳定性,溶液,pH,值,：,影响吸附质的解离,盐浓度,：,影响复杂，要视具体情况而定,与物理吸附相比，化学吸附主要有以下特点：,吸附所涉及的力与化学键力相当，比范德华力强得多。,吸附热近似等于反应热。,吸附是单分子层的。因此可用朗缪尔等温式描述，有时也可用弗罗因德利希公式描述。捷姆金吸附等温式只适用于化学吸附：V/Vm=1/aCoP。式中V是平衡压力为p时的吸附体积；Vm是单层饱和吸附体积；a和c0是常数。,有选择性。,对温度和压力具有不可逆性。另外，化学吸附还常常需要活化能。确定一种吸附是否是化学吸附，主要根据吸附热和不可逆性。,大孔离子交换树脂的优点,通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现象，从而强化了离子交换的功能；,减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机污染”现象（大分子不易洗脱）；,可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。,常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶剂 长链醇（碳4-10）煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯,影响交换速度的因素,颗粒大小：愈小越快,交联度：交联度小，交换速度快,温度：越高越快,离子化合价：化合价与高，交换越快,离子大小：越小越快,搅拌速度：在一定程度上，越大越快,溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时，,浓度越大，交换速度越快,影响离子交换选择性的因素,水合离子半径：半径越小，亲和力越大；,离子化合价：高价离子易于被吸附；,溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；,离子强度：越低越好；,有机溶剂：不利于吸附；,交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少,树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；,应用,物理吸附在化学工业、石油加工工业、农业、医药工业、环境保护等部门和领域都有广泛的应用，最常用的是,从气体和液体介质中回收有用物质或去除杂质,，如气体的分离、气体或液体的干燥、油的脱色等。物理吸附在多相催化中有特殊的意义，它不仅是多相催化反应的先决条件，而且利用物理吸附原理可以,测定催化剂的表面积和孔结构,，而这些宏观性质对于制备优良催化剂，比较催化活性，改进反应物和产物的扩散条件，选择催化剂的载体以及催化剂的再生等方面都有重要作用,。,吸附分离过程显示出节能、产品,纯度,高、可除去痕量物质、操作温度低等突出特点,.,（,1）气体或液体的脱水及深度干燥，如将乙烯气体中的水分脱到痕量，再聚合。,（2）气体或,溶液,的脱臭、脱色及溶剂蒸气的回收，如在喷漆工业中，常有大量的,有机溶剂,逸出，采用活性炭处理排放的气体，既减少环境的污染，又可回收有价值的溶剂。,（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，如烷烃、,烯烃,、芳香烃,馏分,的分离。,（5）废气和,废水,的处理，如从高炉废气中回收一氧化碳和,二氧化碳,，从炼厂废水中脱除酚等,有害物质,。,应用,分子筛：,石油炼制,工业气体和空气分离,冷冻干燥,石油化工,大孔树脂,天然产物的分离纯化、药物制备、有机化合物分离、化学反应催化剂、载体等各个领域。大孔吸附树脂对工业废水，废液的处理有着广泛的应用。如废水中含苯、硝基苯、氯苯、氟苯、苯酚、硝基酚、氨基苯酚、双酚A、对甲酚、萘酚、苯胺、邻苯二胺、对苯二胺、水杨酸、奈磺酸等有机物均具有很好的吸附、回收净化作用。,离子交换树脂的应用,1）水处理,水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，用于水中的各种阴阳离子的去除。目前，离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上，其次是原子能、半导体、电子工业等。,2）食品工业,离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上。例如：高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反应，产生葡萄糖与果糖，而后经离子交换处理，可以生成高果糖浆。离子交换树脂在食品工业中的消耗量仅次于水处理。,3）制药行业,制药工业离子交换树脂对发展新一代的抗菌素及对原有抗菌素的质量改良具有重要作用。链霉素的开发成功即是突出的例子。近年还在中药提成等方面有所研究。,4）合成化学和石油化学工业,在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应。用离子交换树脂代替无机酸、碱，同样可进行上述反应，且优点更多。如树脂可反复使用，产品容易分离，反应器不会被腐蚀，不污染环境，反应容易控制等。,甲基叔丁基醚（MTBE）的制备，就是用大孔型离子交换树脂作催化剂，由异丁烯与甲醇反应而成，代替了原有的可对环境造成严重污染的四乙基铅。,5）环境保护,离子交换树脂已应用在许多非常受关注的环境保护问题上。目前，许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质，这些可用树脂进行回收使用。如去除电镀废液中的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质等。,6）湿法冶金及其他,离子交换树脂可以从贫铀矿里分离、浓缩、提纯铀及提取稀土元素和贵金属。,