1、WHICT1第六章吸附和离子交换第六章吸附和离子交换 Adsorption and Ion exchangeWHICT2第一节第一节 概述概述利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性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。吸附的能力，使其富集在吸附剂表面的过程。吸附现象吸附现象Step1Step2Step3Step4WHICT3吸附物或吸附质吸附物或吸附质(adsorbed)：附着在固体表面上的组分：附着在固体表面上的组分吸附剂吸附剂(adsorbent)：多孔固体：多孔固体名词解释名词解释节能、产品纯度高、可除去痕量物质、操作温度低节能、产品纯度高
2、、可除去痕量物质、操作温度低特点特点分离和纯净气体和液体混合物的重要单元操作分离和纯净气体和液体混合物的重要单元操作之一。之一。WHICT4在化工、医药、食品、轻工、环保等行业：在化工、医药、食品、轻工、环保等行业：（1）气体或液体的脱水及深度干燥。）气体或液体的脱水及深度干燥。（2）脱臭、脱色及目标产物的提取、浓缩和粗分。）脱臭、脱色及目标产物的提取、浓缩和粗分。（3）气体中痕量物质的吸附）气体中痕量物质的吸附（4）废气和废水的处理）废气和废水的处理应用应用如：抗生素、维生素、氨基酸、蛋白质提纯，制药如：抗生素、维生素、氨基酸、蛋白质提纯，制药WHICT5吸附作用力性质不同吸附作用力性质不同
3、物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附基于离子交换原理基于离子交换原理离子交换离子交换以分子间作用力为主，吸附能力主要取决于溶质与以分子间作用力为主，吸附能力主要取决于溶质与吸附剂极性的相似性和溶剂的极性，吸附剂极性的相似性和溶剂的极性，范德华吸附范德华吸附WHICT6 结合力较弱，吸附热较低，易解吸；结合力较弱，吸附热较低，易解吸； 可以是单分子层吸附或多分子层吸附，一般发生在可以是单分子层吸附或多分子层吸附，一般发生在吸附剂的整个自由表面；吸附剂的整个自由表面； 吸附速度快，过程可逆；吸附速度快，过程可逆； 可通过改变可通过改变T，pH和盐浓度等物理条件脱附。和盐浓度等物理条件脱附。物理吸附特点
4、：物理吸附特点：WHICT7化学吸附热较高，是物理吸附与化学吸附的主要区别化学吸附热较高，是物理吸附与化学吸附的主要区别之一；之一；仅为单分子层吸附；仅为单分子层吸附；吸附速度慢，吸附稳定，不易脱附，洗脱困难。吸附速度慢，吸附稳定，不易脱附，洗脱困难。以分子间的化学键为主的吸附，吸附剂表面活性点以分子间的化学键为主的吸附，吸附剂表面活性点与溶质之间发生化学结合、产生电子转移。与溶质之间发生化学结合、产生电子转移。化学吸附化学吸附特点：特点：WHICT8WHICT9通过静电引力吸附带有通过静电引力吸附带有相反电荷相反电荷的离子，发生的离子，发生电荷转移。电荷转移。离子交换吸附：简称离子交换（离子
5、交换吸附：简称离子交换（ion exchange）可通过可通过调节调节pH或提高离子强度或提高离子强度的方法洗脱。的方法洗脱。特点：特点：WHICT106.2 吸附剂及离子交换剂吸附剂及离子交换剂（1）具有较大的内表面）具有较大的内表面 （2）选择性好，吸附能力高）选择性好，吸附能力高 （3）具有一定的机械强度和耐磨性）具有一定的机械强度和耐磨性 （4）有良好的物理及化学稳定性）有良好的物理及化学稳定性 （5）容易再生）容易再生（6）易得，价廉）易得，价廉一吸附剂特点一吸附剂特点WHICT11如硅藻土、白土、天然沸石等如硅藻土、白土、天然沸石等二、吸附剂二、吸附剂天然吸附剂天然吸附剂如活性炭、
6、活性氧化铝、硅胶、如活性炭、活性氧化铝、硅胶、合成沸石分子筛、有机树脂吸附合成沸石分子筛、有机树脂吸附剂等。剂等。人工制作吸人工制作吸附剂附剂1、分类、分类WHICT12 具有具有非极性非极性表面，可作为表面，可作为疏水性和亲有机物质疏水性和亲有机物质的吸的吸附剂。附剂。 比表面积较大比表面积较大，一般可达，一般可达1500m2g； 化学稳定性好，抗酸耐碱；化学稳定性好，抗酸耐碱； 热稳性高，再生容易，可反复使用热稳性高，再生容易，可反复使用(树脂树脂) ； 合成纤维经炭化后可制成活性炭纤维吸附剂，使吸合成纤维经炭化后可制成活性炭纤维吸附剂，使吸附容量提高数十倍附容量提高数十倍 活性炭也可加工
7、成炭分子筛，其孔径分布均匀，具活性炭也可加工成炭分子筛，其孔径分布均匀，具有分子筛的作用。有分子筛的作用。（1）活性炭）活性炭WHICT13WHICT14 分子式：分子式：SiO2nH2O。 比表面积达比表面积达800 m2/g。 硅胶是硅胶是亲水性的极性亲水性的极性吸附剂，对不饱和烃、甲吸附剂，对不饱和烃、甲醇、水分等有明显的选择性。醇、水分等有明显的选择性。 工业用的硅胶有球型、无定形、加工成型和粉工业用的硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末状四种。末状四种。（2）硅胶）硅胶用硫酸处理硅酸钠水溶液生成凝胶，水洗，用硫酸处理硅酸钠水溶液生成凝胶，水洗，干燥，得多孔结构的坚硬硅胶干燥，得多孔结构
8、的坚硬硅胶 。WHICT15 极性吸附剂，对水分有很强的吸附能力。极性吸附剂，对水分有很强的吸附能力。 比表面积约为比表面积约为200500 m2/g； 主要用于气体的干燥和液体的脱水主要用于气体的干燥和液体的脱水； 如汽油、煤油、芳烃等化工产品的脱水；空如汽油、煤油、芳烃等化工产品的脱水；空气、氦、氢气、氯气、氯化氢和二氧化硫等气体气、氦、氢气、氯气、氯化氢和二氧化硫等气体的干燥。的干燥。（3）活性氧化铝）活性氧化铝由氧化铝的水合物经加热、脱水由氧化铝的水合物经加热、脱水、活化制得的多孔物质。、活化制得的多孔物质。 WHICT16 强极性的吸附剂，强极性的吸附剂，对极性分子，特别是对水对极性
9、分子，特别是对水有很大的亲和能力，其极性随有很大的亲和能力，其极性随Si/Al比的增加比的增加而下降；而下降； 比表面积可达比表面积可达750 m2/g； 孔径均匀，选择性强。孔径均匀，选择性强。 常用于石油馏分的分离、各种气体和液体常用于石油馏分的分离、各种气体和液体的干燥，如从混合二甲苯中分离出对二甲苯的干燥，如从混合二甲苯中分离出对二甲苯，从空气中分离氧。，从空气中分离氧。（4）合成沸石分子筛）合成沸石分子筛指硅铝酸金属盐的晶体指硅铝酸金属盐的晶体。用硅酸钠、铝酸钠等与氢氧。用硅酸钠、铝酸钠等与氢氧化钠水溶液反应制得胶体，经干燥得到沸石分子筛。化钠水溶液反应制得胶体，经干燥得到沸石分子筛
10、。WHICT17（5）有机高分子吸附剂）有机高分子吸附剂由高分子物质，如纤维素、淀粉等，经聚合、交由高分子物质，如纤维素、淀粉等，经聚合、交联反应制得的。联反应制得的。特点：特点：机械强度高，使用寿命长，选择性好机械强度高，使用寿命长，选择性好，易解吸，流体阻力小，易解吸，流体阻力小应用：应用：l抗生素（如头孢菌素）和抗生素（如头孢菌素）和B12等的分等的分离浓缩离浓缩l废水处理、维生素的分离及过氧化氢废水处理、维生素的分离及过氧化氢的精制等。的精制等。 WHICT18多孔性聚乙烯苯；多孔性聚乙烯苯； 多孔性聚酯多孔性聚酯多孔性纤维素；多孔性纤维素； 琼脂糖凝胶琼脂糖凝胶葡聚糖凝胶；葡聚糖凝胶
11、； 聚丙烯酰胺凝胶聚丙烯酰胺凝胶羟基磷灰石羟基磷灰石 强极性、弱极性、非极性、中性强极性、弱极性、非极性、中性常用树脂常用树脂有机树脂吸附剂种类有机树脂吸附剂种类WHICT19WHICT20（1）密度）密度1）填充密度）填充密度 B（又称体积密度）（又称体积密度）指单位填充体积的吸附剂质量指单位填充体积的吸附剂质量3、吸附剂的评价参数、吸附剂的评价参数VVBB 吸附剂的空隙率吸附剂的空隙率 B空隙体积空隙体积全部体积全部体积BBmVWHICT21n P愈大，颗粒的表观密度愈小。愈大，颗粒的表观密度愈小。2）表观密度）表观密度 P（又称颗粒密度）（又称颗粒密度）单位体积吸附剂颗粒本身的质量。单位
12、体积吸附剂颗粒本身的质量。填充密度与颗粒密度的关系为：填充密度与颗粒密度的关系为： P B /（1 B）填充密度填充密度颗粒密度颗粒密度颗粒的孔隙率颗粒的孔隙率 PWHICTn指扣除颗粒内细孔体积后单位体积吸附剂的质量。指扣除颗粒内细孔体积后单位体积吸附剂的质量。3）真实密度）真实密度 t表观密度、真实密度和颗粒孔隙率的关系为：表观密度、真实密度和颗粒孔隙率的关系为： P（ t P）/ t t 真实密度真实密度 P 表观密度表观密度 P 表观空隙率表观空隙率WHICT23填充密度填充密度 B（容器）（容器）表观密度表观密度 P（单个颗粒）（单个颗粒）真实密度真实密度 t（单个颗粒）（单个颗粒）
13、BBmVVVBB 00PVmt0tVm0tpVV1 P（ t P）/ t P B /（1 B）V：容器填充体积；：容器填充体积；VB：容器内的空隙体积：容器内的空隙体积 V0：颗粒体积；：颗粒体积； Vt：颗粒的压实体积：颗粒的压实体积WHICT24（2）吸附剂的比表面积）吸附剂的比表面积指单位质量的吸附剂所具有的吸附表面积，指单位质量的吸附剂所具有的吸附表面积，g。大孔为大孔为20010000nm过渡孔为过渡孔为10200nm微孔为微孔为110nm吸附剂孔隙的孔径分成三类吸附剂孔隙的孔径分成三类WHICT25（3）吸附容量）吸附容量吸附容量是指吸附剂吸满吸附质时的吸附量吸附容量是指吸附剂吸满
14、吸附质时的吸附量，它反映了吸附剂吸附能力的大小。，它反映了吸附剂吸附能力的大小。oeq(ccVQ=(mg/g)m-)C0为吸附质初始浓度，为吸附质初始浓度，Ceq为经吸附剂吸附后的吸附质浓度，为经吸附剂吸附后的吸附质浓度，V为吸附质溶液体积，为吸附质溶液体积，W为吸附剂的质量。为吸附剂的质量。 WHICT26表表6-1 常见吸附剂的基础性能常见吸附剂的基础性能性能活性氧化铝活性炭硅胶合成沸石合成树脂真实密度103（kg/m3）3.03.31.92.22.12.32.02.51.01.4表观密度103（kg/m3）0.81.90.71.00.71.30.91.30.60.7填充密度103（kg/
15、m3）0.491.000.350.550.450.850.600.75孔隙率0.400.500.330.550.400.500.300.40比表面积（m2g）2003702001200400750800700WHICT27离子交换剂离子交换剂阳离子交换剂（阳离子交换剂（cation exchanger）阴离子交换剂阴离子交换剂(anion exchanger)。对阳离子具有交换能力对阳离子具有交换能力，活性基团为酸性。，活性基团为酸性。对阴离子具有交换能力对阴离子具有交换能力，活性基团为碱性，活性基团为碱性根据具有离子交换能根据具有离子交换能力的力的pH范围的不同：范围的不同：强酸性阳离子交换
16、剂强酸性阳离子交换剂弱酸性阳离子交换剂弱酸性阳离子交换剂强碱性阴离子交换剂强碱性阴离子交换剂弱碱性阴离子交换剂弱碱性阴离子交换剂三、离子交换剂三、离子交换剂WHICT28WHICT29水处理、金属回收、有机酸、氨基酸和抗生素等生水处理、金属回收、有机酸、氨基酸和抗生素等生物小分子的回收提取。物小分子的回收提取。 离子化率与离子交换能力成正比；离子化率与离子交换能力成正比； 强离子交换剂的离子化率基本不受强离子交换剂的离子化率基本不受pH值影响，离值影响，离子交换的子交换的pH值范围宽；值范围宽； 弱离子交换剂的离子化率受弱离子交换剂的离子化率受pH值影响很大，离子值影响很大，离子交换的交换的p
17、H值范围小；值范围小； 疏水性高、交联度大、孔隙小和电荷密度高。不疏水性高、交联度大、孔隙小和电荷密度高。不适用于蛋白质等生物大分子的分离提取。适用于蛋白质等生物大分子的分离提取。1、特点：、特点： 应用应用WHICT30阳离子交换剂测定：阳离子交换剂测定：用盐酸将其处理成氢型用盐酸将其处理成氢型OHNaRNaOHHR22、性能评价、性能评价（1）吸附容量：）吸附容量：单位质量的干燥离子交换剂或单位体单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离子交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数，积的湿离子交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数，是表征离子交换能力的主要参数。是表征离子交换能力的主要参数。oeq(cc
18、VQ=(mmol/g)W-)阴离子交换剂阴离子交换剂测定方法：测定方法：转换成氯型转换成氯型NaClSORSONaClR2224242吸附容量吸附容量WHICT31蛋白质生物大分子与小分子化合物的区别：蛋白质生物大分子与小分子化合物的区别：（1）空间位阻大，不能与所有的离子交换活性中心）空间位阻大，不能与所有的离子交换活性中心接触；接触；（2）被吸附的蛋白质会妨碍其他蛋白质与未吸附蛋）被吸附的蛋白质会妨碍其他蛋白质与未吸附蛋白质发生离子交换作用，并阻碍蛋白质扩散进入到其白质发生离子交换作用，并阻碍蛋白质扩散进入到其他交换区域；他交换区域；（3）蛋白质带多价电荷，可与多个离子交换剂发生）蛋白质带
19、多价电荷，可与多个离子交换剂发生作用。作用。蛋白质的交换容量远低于无机离子的交换容量。蛋白质的交换容量远低于无机离子的交换容量。WHICT32(2) 滴定曲线：滴定曲线：WHICT331、对性能稳定的大网格聚合物吸附剂，用水、稀酸、对性能稳定的大网格聚合物吸附剂，用水、稀酸、稀碱或有机溶剂；稀碱或有机溶剂；2、加热再生，如：硅胶，活性炭，分子筛，注意温度、加热再生，如：硅胶，活性炭，分子筛，注意温度3、化学法、生物降解等；、化学法、生物降解等；4、工业装置：采用水蒸气或惰性气体吹扫。、工业装置：采用水蒸气或惰性气体吹扫。 3、吸附剂的再生、吸附剂的再生目的目的-重复使用重复使用将吸附质从吸附剂
20、微孔中除去，恢复它的吸附能力。将吸附质从吸附剂微孔中除去，恢复它的吸附能力。再生方法：再生方法：WHICT34实验室自制表面分子印实验室自制表面分子印印迹吸附剂吸附特性印迹吸附剂吸附特性WHICT351234567890102030405060Q(mg/g)pH2. pH2. pH的影响的影响（：（： 壳聚糖吸附剂，：菌丝体吸附剂，壳聚糖吸附剂，：菌丝体吸附剂，：表面分子印迹吸附剂，：表面包覆吸附剂）：表面分子印迹吸附剂，：表面包覆吸附剂）pH对不同吸附剂吸附特性的影响对不同吸附剂吸附特性的影响WHICT36与商业树脂的比较与商业树脂的比较Soybean 732001*8 201*8 AB-8
21、 YPR-II D312CAD-45D1300X-5D101020406080100Uptake(mg of Pb2+/g of SHMA)732001*8D101实验条件：实验条件：温度：温度：2040吸附：吸附：18h初始：初始：400ppmPb2+ 50ml树脂：树脂：0.2g转速：转速：140rpmWHICT37吸附达到平衡时，吸附剂的平衡吸附质的浓度吸附达到平衡时，吸附剂的平衡吸附质的浓度q*与与液相游离溶质浓度液相游离溶质浓度c之间的关系。之间的关系。6.3 吸附平衡吸附平衡吸附等温线吸附等温线q*=f(c,T)吸附等温线吸附等温线一吸附等温线一吸附等温线WHICT38亨利型吸附平
22、衡：亨利型吸附平衡：q*=mc低浓度低浓度 K和和n为常数，一般为常数，一般1npI时带负电荷，可被阴离子交换剂吸附；时带负电荷，可被阴离子交换剂吸附；pH pI时，带正电荷，可被阳离子交换剂吸附。时，带正电荷，可被阳离子交换剂吸附。ZImm1（4）蛋白质）蛋白质用离子强度用离子强度I代替反离子浓度，则蛋白质的分配系数代替反离子浓度，则蛋白质的分配系数与离子强度的关系为与离子强度的关系为Z为吸附个蛋为吸附个蛋白质分子所交白质分子所交换的反离子数换的反离子数abZ WHICT48 Z一般为一般为位数以上位数以上。 离子强度离子强度 m，需在，需在低离子强度低离子强度下进行下进行 弱溶质浓度较小，
23、弱溶质浓度较小，m1认为是常数。认为是常数。m=f(离子强度离子强度) 可用可用Henry平衡关系式表达。平衡关系式表达。 在较高浓度范围，在较高浓度范围，m1随溶质浓度变化明显，吸附平随溶质浓度变化明显，吸附平衡呈非线性，用衡呈非线性，用Langmuir吸附等温式。吸附等温式。注意：注意：WHICT495.4 固定床吸附操作固定床吸附操作WHICT50 穿透曲线（穿透曲线（breakthrough curve）：）：吸附过程吸附过程中吸附塔出口溶质浓度的变化曲线。中吸附塔出口溶质浓度的变化曲线。 穿透点（穿透点（breakthrough point）：出口处溶质：出口处溶质浓度开始上升的点浓
24、度开始上升的点 穿透时间：穿透时间：达到穿透点所用的操作时间。达到穿透点所用的操作时间。 一般习惯上将出口浓度达到入口浓度的一般习惯上将出口浓度达到入口浓度的510的时间称为穿透时间。的时间称为穿透时间。 名词解释：名词解释：WHICT51t1浓度波或吸附带浓度波或吸附带: 吸附塔中液相（或固相）溶质浓度吸附塔中液相（或固相）溶质浓度从从co（或（或q0）到）到0的分布区域。的分布区域。WHICT52只有在优惠吸附，吸附等温线上凸，如只有在优惠吸附，吸附等温线上凸，如Langmuir和和Freundlich型吸附时，才可能发生。型吸附时，才可能发生。如果吸附带的浓度分布（浓度波）以一定的形状移
25、动，如果吸附带的浓度分布（浓度波）以一定的形状移动，则称此浓度分布为恒定图式（则称此浓度分布为恒定图式（constant pattern）分布，）分布，吸附带为恒定图式吸附带。吸附带为恒定图式吸附带。特点：特点：溶质浓度不断变化，尚未达到吸附平衡，存在物质溶质浓度不断变化，尚未达到吸附平衡，存在物质传递现象，称传递现象，称传质区传质区。 WHICT53动态法（动态法（dynamic method）测溶质的穿透曲线）测溶质的穿透曲线 不吸附，穿透曲线为曲不吸附，穿透曲线为曲线线1，流出体积（流出体积（Vo）=固定床空隙体积固定床空隙体积+吸吸附剂孔隙体积；附剂孔隙体积； 吸附，穿透曲线滞后（吸附
26、，穿透曲线滞后（曲线曲线2），流出体积为），流出体积为V。吸附溶质量吸附溶质量=Co（V-Vo）小流速下操作小流速下操作WHICT54进口进口Ni浓度对膨胀床吸附性能的影响浓度对膨胀床吸附性能的影响WHICT55流速对膨胀吸附效果的影响流速对膨胀吸附效果的影响 WHICT56多床串联操作多床串联操作l属于半连续操作。属于半连续操作。l接近平推流，有利于提高吸附效率。接近平推流，有利于提高吸附效率。优点：优点：WHICT576.5固定床吸附过程理论基础固定床吸附过程理论基础 在与流体流动方向垂在与流体流动方向垂直的每一截面上，具直的每一截面上，具有均匀的径向浓度；有均匀的径向浓度； 在每一截面及
27、流体流在每一截面及流体流动方向上，流体速率动方向上，流体速率和轴向扩散系数均为和轴向扩散系数均为恒定值；恒定值； 溶质浓度为流动距离溶质浓度为流动距离的连续函数。的连续函数。轴向扩散模型假设：轴向扩散模型假设：WHICT58 ：液相的体积分率既床层空隙率，：液相的体积分率既床层空隙率， S：床截面积；：床截面积； u: 流体的线速率，流体的线速率， Dz：轴向扩散系数；：轴向扩散系数； L：床层高度，：床层高度， z：入口到微分元的距离即流体流动方向的距离。：入口到微分元的距离即流体流动方向的距离。ZcucDSz进入物料衡算：物料衡算：式中式中进入微分元的溶质速率为进入微分元的溶质速率为WHI
28、CT59被吸附的部分被吸附的部分(1)zRccu cdzDcdzSSdzTzzz输出液固界面传质速率液固界面传质速率cSdzt积累微分元内的溶质积累为微分元内的溶质积累为时间时间输出的溶质输出的溶质主体流动主体流动轴向返混轴向返混WHICT60积累进入输出积累进入输出22zRcccDuHTtzz1H塔内固液体积比塔内固液体积比固定床吸附过程的连续性方程固定床吸附过程的连续性方程液相中的溶质吸附速率影响因素：液相中的溶质吸附速率影响因素：（1）吸附剂外表面液膜扩散传质阻力；）吸附剂外表面液膜扩散传质阻力；（2）吸附剂孔内扩散及表面扩散阻力；）吸附剂孔内扩散及表面扩散阻力；（3）吸附剂表面吸附速率
29、。）吸附剂表面吸附速率。WHICT61l假定表面吸附速率很小，则吸附剂粒子内外溶质浓假定表面吸附速率很小，则吸附剂粒子内外溶质浓度均一；度均一；l很少出现。很少出现。6.5.1 表面吸附速率控制表面吸附速率控制固体粒子外表面的液膜传质速率为控制步骤，因此固体粒子外表面的液膜传质速率为控制步骤，因此粒子内溶质浓度均一，较少出现粒子内溶质浓度均一，较少出现 。6.5.2 液膜扩散速率控制液膜扩散速率控制多数实际吸附认为内扩散为速率控制步骤，有时也多数实际吸附认为内扩散为速率控制步骤，有时也同时考虑内扩散与液膜传质或表面吸附。同时考虑内扩散与液膜传质或表面吸附。6.5.3 内扩散速率控制内扩散速率控
30、制WHICT626.5.4 线性推动力速度方程线性推动力速度方程主要传质阻力主要传质阻力表面液膜扩散表面液膜扩散主要传质阻力主要传质阻力粒子内扩散粒子内扩散)(sfRccaktqT)(qqaktqTspRCs：界面液相溶质浓度；：界面液相溶质浓度；qs：界面吸附溶质浓度；：界面吸附溶质浓度；q：固相内溶质的平均浓度：固相内溶质的平均浓度 ；kf: 粒子表面液相粒子表面液相一侧的传质系数一侧的传质系数kp: 粒子内传质系粒子内传质系数数WHICT63kf的经验关联式的经验关联式5 . 03/2Re15. 1ScukfmDScSchmidt准数准数Dm溶质在料液中的溶质在料液中的分子扩散系数分子扩
31、散系数kp的经验关联式的经验关联式pepdDk10dp粒子直径粒子直径2606peppdDakdakpa基本为常数基本为常数De：固相内溶质的有效：固相内溶质的有效扩散系数扩散系数WHICT64表面液膜和内扩散速率混合控制表面液膜和内扩散速率混合控制*)(ccaKtqTfR粒子内扩散控制粒子内扩散控制)*(qqaKtqTpRC*: 与吸附剂内溶质浓度与吸附剂内溶质浓度q相平衡的液相溶质浓度相平衡的液相溶质浓度；q*：与主体液相溶质浓度：与主体液相溶质浓度c相平衡的吸附浓度相平衡的吸附浓度WHICT65当吸附平衡符合亨利定律时：当吸附平衡符合亨利定律时：amkakaKpff111akmakaKf
32、pp11WHICT666.5.5 恒定图式假设恒定图式假设p优惠吸附等温线优惠吸附等温线p线性吸附等温线线性吸附等温线p非优惠吸附等温线非优惠吸附等温线 1、吸附等温线、吸附等温线：床内不同溶质的移动速度：床内不同溶质的移动速度u1( )dzuvdtHfc吸附等温线吸附等温线CcqabWHICT670 Z LC0 Z LC0 Z LC优惠吸附优惠吸附线性吸附线性吸附非优惠吸附非优惠吸附WHICT68恒定图式浓度波的形状与恒定图式浓度波的形状与操作时间操作时间或或床层深度床层深度无关。无关。00qcqc2.恒定图式假设恒定图式假设22zRcccDuHTtzz物料衡算物料衡算22zcDz0RHTz
33、cutc10udcdqHvdd设设t-z/vWHICT69边界条件（边界条件（c=0,q=0）积分上式，得到）积分上式，得到00qcqc其中其中qo为与为与co相平衡的固相溶质浓度。相平衡的固相溶质浓度。0uvcHqvWHICT70以线性推动力速率方程为例。以线性推动力速率方程为例。 设吸附平衡为设吸附平衡为Langmuir型型*1mbbq K cqK c0001mbbq K cqK c*0000/1(1/)bq qccK cq q和和两式左右相除整理得两式左右相除整理得*0000/1(1/)bc cccK cc c00qcqc3.穿透曲线方程的推导穿透曲线方程的推导WHICT71界面传质速率
34、方程界面传质速率方程*00()RfqdqdcTK a ccdc d000000(1)1(1/)bfbqK cdccK acc dcK cc c设设c=co/2时，时，t=t1/2,=1/2积积分得分得01/2000012ln()ln()()fbK acccK ccccq或或1/20000012ln()ln()()/()fbK aLHttccK ccccuq HLucWHICT72输入料液使吸附达到饱输入料液使吸附达到饱和所需时间，与溶质浓和所需时间，与溶质浓度达到度达到co/2所需时间所需时间t1/2近近似相等。似相等。fK aLHNTUu01/20q HLtucc=co/2处穿透曲线的斜率为
35、：处穿透曲线的斜率为：0000/200( /)/4()()1/2fbc cbK aLHd c cucK cdtuq HLK c吸附床的传质单元数吸附床的传质单元数WHICT73 例例6.1利用离子交换树脂的固定床吸附某氨基酸，树利用离子交换树脂的固定床吸附某氨基酸，树脂粒径为脂粒径为dp=0.0lcm，床层高度，床层高度L=20cm，床内径，床内径Do=5cm，空隙率，空隙率=0.4；氨基酸溶液流量为；氨基酸溶液流量为Q=47.lcm3/min，浓度，浓度co=lmg/cm3，吸附等温式用，吸附等温式用Langmuir式表示，式表示，Kb=4cm3/mg,qm=40mg/cm3。测。测得传质系
36、数得传质系数Kf=510-4cm/s.试计算：试计算：（1）固定床的传质单元数，）固定床的传质单元数，（2）达到吸附饱和所需时间，）达到吸附饱和所需时间，（3）穿透浓度达到入口浓度的）穿透浓度达到入口浓度的5时所需时间。时所需时间。 WHICT74 解：利用已知条件可得：解：利用已知条件可得：H=(1- )/ =（1-0.4）/0.4=1.5qo=4041/（1+41）=32.2mg/cm3 基于吸附剂体积的比表面积，基于吸附剂体积的比表面积，a=6/dp=6/0.01=600cm-1料液流动线速率料液流动线速率: u=Q/（3.14Do2/4）/ =47.1/（3.1425/4）/0.4 =
37、6cm/min=0.lcm/sWHICT75 （1）传质单元数为）传质单元数为: NTU=510-4600201.5/0.190（2）吸附达到饱和所需时间为：）吸附达到饱和所需时间为： t1/2=32.21.520/（0.11） =9660s=2.68h（3）将）将c=0.05co代入式代入式 （6.76）可得达到）可得达到5%穿穿透所需时间为，透所需时间为， t=9334s=2.59hWHICT766.5 搅拌釜吸附操作搅拌釜吸附操作 料液与吸附剂在搅拌釜内混合接触，发生吸附。料液与吸附剂在搅拌釜内混合接触，发生吸附。（Stirred tank adsorption）搅拌釜吸附操作又称接触过
38、滤式吸附操作。搅拌釜吸附操作又称接触过滤式吸附操作。多次吸附（多级错流吸附）多次吸附（多级错流吸附）多级逆流吸附多级逆流吸附 单釜吸附单釜吸附多釜吸附多釜吸附WHICT77 搅拌釜内固液两相均处全混状态；搅拌釜内固液两相均处全混状态； Langmuir吸附等温式；吸附等温式； 粒子内溶质浓度分布均匀（粒子内溶质浓度分布均匀（q）；）； 用简化的动力学速率方程表达液固传质速率。用简化的动力学速率方程表达液固传质速率。0d cd qHd td t1.吸附速率吸附速率假设：假设： 物料衡算物料衡算吸附等温式吸附等温式液固传质速率液固传质速率cKcqqdm *12()mdqk c qqk qdt(1)
39、(2)(3)WHICT78吸附平衡时吸附平衡时dq/dt=012()mdqk c qqk qdtcKcqqdm *Kdk2/k111()mddqk c qqk K qdt0d cd qHd td t积分积分Hqcoc WHICT79例题：庆大霉素的吸附例题：庆大霉素的吸附 根据前期的研究，庆根据前期的研究，庆大霉素可以用活性炭吸附，将大霉素可以用活性炭吸附，将10cm3的新鲜活的新鲜活性炭加入到性炭加入到3.0L的包含的包含46mg/L的庆大霉素的发的庆大霉素的发酵液中，问回收率为多少？酵液中，问回收率为多少？q=13.8mg/cm3; y=0.105mg/cm3操作线方程：操作线方程：13.
40、0()(46/)13.80.3103FLqyymg LyyHcm%8 .9946105. 046吸附热力学曲线为：吸附热力学曲线为：41. 01 .35 yq 所以：所以：回收率为：回收率为：解：解：WHICT80多次吸附操作多次吸附操作2操作设计操作设计使用新鲜吸附剂使用新鲜吸附剂，间歇全混池内的吸附达到平衡状态时，间歇全混池内的吸附达到平衡状态时单釜吸附单釜吸附Hq1=c0c1Hiqi=ci-1ci （i=1,2,3,n）WHICT81多级逆流吸附操作线方程多级逆流吸附操作线方程H（qiq i1）=ci+1ci （i=1,2,3,n）吸附等温线为线性吸附等温线为线性操作线方程操作线方程逐次
41、求解逐次求解非线性吸附等温线非线性吸附等温线图解法图解法WHICT82WHICT83设溶质初始浓度为设溶质初始浓度为c0，一次吸附平衡后的残留浓度为一次吸附平衡后的残留浓度为c1，二次吸附平衡后的残留浓度为二次吸附平衡后的残留浓度为c2（设计目标）。（设计目标）。 0112121/1/12nnccccHHkckc例例6.4 某吸附剂吸附溶质某吸附剂吸附溶质A的吸附等温式符合的吸附等温式符合Fleundlich方程式（方程式（6.5），若采用二次吸附法，计算使吸附剂用），若采用二次吸附法，计算使吸附剂用量最少的吸附剂分配方案。量最少的吸附剂分配方案。解：解：吸附等温线吸附等温线qi=kci1/n
42、WHICT841/012111ncccc nn 计算吸附剂用量计算吸附剂用量（H1和和H2）为使吸附剂用量最少，需合理分配二次吸附的吸附剂为使吸附剂用量最少，需合理分配二次吸附的吸附剂，使一次吸附的残留溶质浓度，使一次吸附的残留溶质浓度c1满足满足d（H1+H2）/dc1=0由此可得由此可得计算计算c1通过吸附等温式通过吸附等温式WHICT85例例6.5 某吸附等温线为某吸附等温线为Henry型，吸附剂用量为型，吸附剂用量为A（dm3），料液体积为），料液体积为V（dm3），试计算一次吸附），试计算一次吸附、n次吸附（吸附剂平均分配）和次吸附（吸附剂平均分配）和n级逆流吸附的残级逆流吸附的残留
43、溶质浓度。留溶质浓度。101()AqV cc1()iiiAqV ccn11()()iiiiA qqV cc解：解：单釜吸附单釜吸附多次吸附操作多次吸附操作多级逆流吸附多级逆流吸附(1)(2)(3)设设 mAEV(4)吸附因子吸附因子WHICT86由式（由式（1）得）得011ccE由式（由式（2）得）得n次吸附的残留溶质浓度次吸附的残留溶质浓度cMS0(1/ )MSnccE n(5)(6)由式由式5和和6可知，相同吸附剂用量情况下，多次吸可知，相同吸附剂用量情况下，多次吸附得吸附效率高（附得吸附效率高（CMSC1） 由式由式3得多级逆流吸附的残留溶质浓度得多级逆流吸附的残留溶质浓度Ccc为为(7
44、)01(1)Ccc1nCEEWHICT876.7 膨胀床吸附操作膨胀床吸附操作（Expanded bed） WHICT88 膨胀床的床层上部安装有可调节床层高度的调节器膨胀床的床层上部安装有可调节床层高度的调节器 液体流速高于吸附剂最小流化速率液体流速高于吸附剂最小流化速率; 膨胀床状态下床层高度一般为固定床状态的膨胀床状态下床层高度一般为固定床状态的23倍倍，床层空隙率高，允许菌体细胞或细胞碎片自由通，床层空隙率高，允许菌体细胞或细胞碎片自由通过。过。膨胀床与传统固定床的区别膨胀床与传统固定床的区别可直接处理菌体发酵液或细胞可直接处理菌体发酵液或细胞匀浆液，回收目标产物匀浆液，回收目标产物应
45、用应用 节省离心或过滤等预处理过程，提节省离心或过滤等预处理过程，提高目标产物收率，降低纯化成本。高目标产物收率，降低纯化成本。优点优点 WHICT89吸附剂基本悬浮于固定的位置，液吸附剂基本悬浮于固定的位置，液体的流动与固定床相似，接近平推体的流动与固定床相似，接近平推流，吸附效率高。流，吸附效率高。膨胀床与流化床的区别在于：膨胀床与流化床的区别在于：吸附剂粒子和液体在床层内吸附剂粒子和液体在床层内混合程度高，吸附效率低；混合程度高，吸附效率低；流化床流化床膨胀床膨胀床膨胀床的形成需要特殊的吸附剂和设备结构。膨胀床的形成需要特殊的吸附剂和设备结构。WHICT90缺点：设备复杂，需换热设备，反
46、复清洗后磁性缺点：设备复杂，需换热设备，反复清洗后磁性粒子的稳定性较差。粒子的稳定性较差。6.7.1. 膨胀床的形成膨胀床的形成1.吸附剂吸附剂 可形成稳定膨胀床的吸附剂主要有两类：可形成稳定膨胀床的吸附剂主要有两类：磁性粒子磁性粒子：在在外部磁场外部磁场作用下，磁性粒作用下，磁性粒子呈现稳定的膨胀状态子呈现稳定的膨胀状态WHICT91在液体流速的分级作用下，大粒径或高密度吸附剂在液体流速的分级作用下，大粒径或高密度吸附剂分布于床层底部附近，而小粒径或低密度吸附剂分分布于床层底部附近，而小粒径或低密度吸附剂分布于床层的顶部，从而形成稳定的吸附剂分布布于床层的顶部，从而形成稳定的吸附剂分布 一定
47、粒径和一定粒径和/或密度分布的吸附剂：或密度分布的吸附剂：市售交联琼脂糖凝胶类吸附剂市售交联琼脂糖凝胶类吸附剂 ,但由于多糖凝胶与水但由于多糖凝胶与水溶液的密度差很小，液体流速很低溶液的密度差很小，液体流速很低 .Pharmacia公司公司: 高密度吸附剂，如多孔玻璃和交联高密度吸附剂，如多孔玻璃和交联琼脂糖凝胶内包埋晶体石英，以提高吸附剂密度等琼脂糖凝胶内包埋晶体石英，以提高吸附剂密度等WHICT922.膨胀床的结构膨胀床的结构 对膨胀床的流体力学特性即吸附对膨胀床的流体力学特性即吸附操作特性有重要影响操作特性有重要影响. 应保证床截面的流速分布均匀应保证床截面的流速分布均匀; 透过料液内的
48、微粒子透过料液内的微粒子 （如菌体细（如菌体细胞或其碎片）而截留吸附介质。胞或其碎片）而截留吸附介质。位置能自由改变，吸附时需恰好在膨位置能自由改变，吸附时需恰好在膨胀床层的顶部，以减小吸附死区。胀床层的顶部，以减小吸附死区。膨胀床膨胀床底液体底液体分布器分布器床层高度调节器床层高度调节器WHICT93床层膨胀规律符合床层膨胀规律符合Richardson-Zaki方程方程ntUUUt为吸附剂的终端速率为吸附剂的终端速率2()18psLtLdgU3.床层膨胀特性床层膨胀特性膨胀床的床层高度随液相流速线性增大膨胀床的床层高度随液相流速线性增大液相空塔速率液相空塔速率床层空隙率床层空隙率Richar
49、dson-Zaki系数系数（层流区的（层流区的n=4.8）Stokes沉降方程沉降方程WHICT94l液相粘度液相粘度L和密度和密度L越大，越大，Ut值越小，达到值越小，达到一定膨胀率（一定膨胀率（）所需的液相流速越低，即床）所需的液相流速越低，即床层高度随液相流速增大的速率越大。层高度随液相流速增大的速率越大。l当液相和吸附剂物性已知时，可估算达到所当液相和吸附剂物性已知时，可估算达到所需膨胀率需膨胀率 （床层高度）的液相流速。（床层高度）的液相流速。讨论：讨论：WHICT95 6.7.2 膨胀床吸附操作膨胀床吸附操作处理原料：主要为微粒悬浮液处理原料：主要为微粒悬浮液WHICT96清洗操作
50、：清洗操作：n可利用一般缓冲液或粘性溶液。清洗流动接近平推流可利用一般缓冲液或粘性溶液。清洗流动接近平推流，效率高，清洗液用量少。，效率高，清洗液用量少。n固定床洗脱方式节省操作时间，提高回收产物浓度。固定床洗脱方式节省操作时间，提高回收产物浓度。n洗脱液流动方向可与吸附过程相反洗脱液流动方向可与吸附过程相反 ，提高洗脱速率，提高洗脱速率解吸再生解吸再生循环利用吸附剂，恢复其吸附容量循环利用吸附剂，恢复其吸附容量WHICT97l采用恒速操作，床层高度将发生变化。采用恒速操作，床层高度将发生变化。l初期由于料液粘度和密度高于普通缓冲液，为保初期由于料液粘度和密度高于普通缓冲液，为保持一定的膨胀率
