吸收、吸附与离子交换

食品工程原理UnitOperationsinFoodEngineering定义：用适当液体（吸收剂S）与混合气体接触，以除去混合气体中一种或几种组分（溶质A）的操作。不被吸收的组分称为惰性气体或载体B。第一节吸收一、概述吸收操作流程双膜理论模型

要点：

(1)

相界面两侧流体的对流传质阻力全部集中在界面两侧的两个停滞膜内，膜内传质方式为分子扩散。

(2)相界面上没有传质阻力，即可认为所需的传质推动力为零，或气液两相在相界面处达到平衡。气膜液膜吸收的机理——双膜理论（two-filmtheory）二、气体吸收的平衡关系（一）气体在液体中的溶解度

恒温、恒压下：p*=f(x)→平衡关系

在一定条件下使气体与液体长时间接触，气液两相将趋于平衡。平衡时的溶解度表示吸收过程所能达到的极限。关于溶解度的规律:（1）总压不太高时，可认为溶解度与总压无关，只与分压有关。（2）温度上升，溶解度下降，不利于吸收的进行。(3)物系的影响气体在液体中的溶解度(1)在一定温度下，气体组分的溶解度随该组分在气相中的平衡分压的增大而增大；而在相同平衡分压条件下，气体组分的溶解度则随温度的升高而减小。(2)在同一温度下，对于不同种类的气体组分，欲得到相同浓度的溶液，易溶气体仅需控制较低的分压，而难溶气体则需较高分压。(3)加压和降温对吸收操作有利；反之，升温和减压有利于解吸。说明：（1）不同气体的溶解度差异很大（2）对于稀溶液，有是物性，通常由实验测定。可从有关手册中查得。H越大，表明溶解度越大，越易溶H随温度变化而变化，一般地，T

，H

（二）亨利（Henry）定律

亨利定律的其他形式：E越大，表明溶解度越小；E随温度变化而变化，T

，E

，m越大，表明溶解度越小；m随温度、总压变化而变化，

T

，m

，P

，m

（三）吸收剂的选择（1）溶解度吸收剂对于溶质组分应具有较大的溶解度。（2）选择性对溶质组分有良好吸收能力，对混合气体中的其他组分都基本上不吸收或吸收甚微。（3）挥发度操作温度下吸收剂的蒸汽压要低。吸收剂的挥发度愈高，其损失量便愈大。（4）粘度操作温度下吸收剂的粘度要低。（5）其他无毒性，无腐蚀性，不易燃，不发泡，冰点低，价廉易得，并具有化学稳定性。三、吸收速率方程气相总吸收系数Kmol/(m·s·kpa）根据双膜理论，溶质A穿过气膜的吸收速率方程为：NA=kG(p-pi)溶质A穿过液膜的吸收速率方程式则为：

NA=kL(ci-c)稳定操作时应有：

NA=kG(p-pi)=kL(ci-c)双膜理论认为相界面上气液两相成平衡：

ci=Hpi，c=Hp*，c*=Hp整理得：同理有：总阻力气膜阻力液膜阻力易溶气体，H↑↑

KG≈kG→气膜控制

看作阻力的串联：总阻力气膜阻力液膜阻力难溶气体，H↓↓

KL≈kL→液膜控制

液相总吸收系数Kmol/(m·s·kpa）填料塔结构及填料

1．填料塔结构

塔体填料支承板填料液体再分布器进气管液体分布器液体收集器四、填料塔（二）填料(1)拉西环(Rashingring)(2)鲍尔环(pallring)(3)阶梯环(Cascadering)(4)弧鞍填料(Berlsaddle)(5)矩鞍填料(Intaloxsaddle)

填料的作用：液相分散造型的支撑体，为气、液两相提供充分的接触面，并为强化其湍动程度创造条件，以利于传质。2、填料在选择填料时，一般要求：比表面积及空隙率要大，单位体积填料所具有的表面积大。填料的润湿性要好，气体通过能力大，阻力小，液体滞留量小，单位体积填料的重量轻，造价低，并有足够的机械强度。

类型：（三）填料塔附件(1)填料支撑板

(2)液体淋洒装置

(3)液体再分布器：将流到塔壁的液体重新汇集并引向中央区域。五、低浓度气体吸收的计算已知条件：吸收任务（处理气量及其初、终态浓度，相平衡关系计算项目：溶剂用量及吸收液的浓度吸收塔的直径填料塔的填料高度（一）物料衡算与操作线方程常用的吸收设备—逆流填料塔对溶质A作物料衡算：即操作线V为气体的摩尔流量，kmol/s；L为液体的摩尔流量，kmol/s；y从y1到yx从x1到x积分从底部至顶部进行积分,则得全塔物料衡算式:yx直线，斜率为VL（称为液气比），

并通过点E(x1，y)1总是位于平衡线的上方；

y从y1到y2x从x1到x2操作线也过(x2，y2)（二）吸收剂用量的确定吸收的推动力即为操作线与平衡线之间的距离

y=y1x=x1’通常实际溶剂用量为最小用量的1.2~2.0倍平衡关系符合亨利定律,则可直接用代替

y=y1x=x1,max讨论：（1）若平衡线为y*=mx，则直线；（2）吸收时，操作线位于平衡线上方。脱吸时位于平衡线下方；（3）推动力y-y*即为纵坐标差；（4）液气比L/V

越大，推动力就越大；（三）填料层高度的计算低浓度气体吸收的特点：（1）气体或液体流量V、L变化不大，可视作常数；（2）溶解热引起的液体温度升高不显著，可视作等温吸收；（3）吸收系数在全塔范围内的变化较小，可视作常数。dzL,x1V

y1L,x2V

y20z1．填料层高度的基本计算式

前面得出的传质速率式均只适用于局部，即某一截面上。在塔内，气、液相浓度沿塔高度变化，吸收速率也不相等。单位体积填料所提供的有效接触面积为a对微元体积dz做质量恒算A:塔横截面积局部传质速率Ky(y-y*)aAdz=-Vdy整理z=0时

y=y2

z=Z时

y=y1积分Kx(x*-x)aATdz=Ldx整理z=0时

x=x2

z=Z时

x=x1

积分2．传质单元高度和传质单元数

由前式可得

Z=传质单元高度×传质单元数H—HeightN—NumberO—OverallG—GasL—Liquid

例如

Z=HOGNOG=HOLNOL1.基本概念

2.吸附分离理论3.吸附计算吸附4.吸附设备一.吸附的基本概念

1.吸附原理吸附：使气体或液体流动相与多孔固体颗粒相接触，以实现吸附。可分为气体吸附和液体吸附两类。液体吸附的复杂性：（1）除溶质外，溶剂也被吸附；（2）易为带异性电荷的吸附剂所吸附(极性吸附)；（3）极性吸附还常伴有离子交换(交换吸附)。

吸附可分为：物理吸附与化学吸附。物理吸附的特点：由分子间引力（范德华力）引起的吸附。（1）吸附质与吸附剂之间不会相互作用，无选择性；（2）除表面外，吸附剂本身的性质不起作用；（3）吸附过程很快进行，相际平衡瞬间完成；（4）吸附时放热，吸附热（很小）与凝固热的数量级相同；（5）升温时易解吸，为一可逆过程。要求：吸附量大，选择性好。重要指标：比表面积，松密度，平均孔径等。2.吸附剂活性炭:将炭质原料处理后，除去挥发性物质和树胶物质，经活化处理制得。（900℃用水蒸气活化或ZnCl2等药剂活化）活性白土硅胶：用酸处理硅酸钠水溶液，生成凝胶，再经水洗、干燥，制成硅胶。分子筛：合成泡沸石经煅烧除去结晶水后制得。吸附树脂：有机高分子聚合物，物理化学性能稳定

溶液与吸附剂充分长时间接触后，吸附质在两相中浓度不变，达到吸附平衡。在等温条件下，吸附达到平衡时吸附剂与流体两相浓度间的函数关系称为吸附等温线。二.吸附分离理论

1.吸附平衡（1）气—固吸附等温线☆极性吸附剂易于吸附极性吸附质,非极性吸附剂易于吸附非极性吸附质；☆吸附质分子的结构越复杂,沸点越高,则越容易被吸附;☆酸性吸附剂易吸附碱性吸附质,反之亦然;☆吸附剂的孔隙大小不仅影响吸附速率,而且直接影响吸附量的大小。液—固与气—固吸附不同的是溶剂也被吸附。要考虑：(1)界面上固体与溶质间的作用力(2)固体与溶剂间的作用力(3)溶液中溶质与溶剂间的作用力。（2）液—固吸附等温线

影响液一固吸附的因素有温度、溶液的浓度、吸附剂的结构性能以及溶质和溶剂的性质等。一般而言,溶质的溶解度越小,吸附量越大;温度越高,吸附量越小。吸附等温线：（4）线性吸附：（2）促进吸附：（3）强烈促进吸附（1）不可逆吸附：q*=常数（5）非促进吸附：比较少见

不同吸附体系的吸附等温线形状很不一样

双组分吸附

fy—固相中溶质浓度

fx—液相中溶质浓度分离系数：双组分体系的吸附平衡（两组分同时被吸收）分离系数：两组分对吸附剂的亲和能力（恒比吸附时，α=1）

分离系数：固相细孔液体中两组分浓度比，除以液相中两组分浓度比。

2.吸附速率吸附机理—吸附过程分为三步：（1）吸附质从液相主体向吸附剂外表面扩散，并到达固体表面；（2）吸附质沿固体内部的细孔扩散，并到达吸附剂内表面；（3）在吸附剂内表面上被吸附。一般吸附过程取决于前两步。吸附速率：单位时间内单位体积吸附剂上吸附的吸附质量。

外扩散传质速率

内扩散传质速率单位体积吸附剂的表面积

吸附剂的松密度液相主体浓度-界面上液体浓度外扩散传质系数固相界面吸附量-固体内部吸附量内扩散传质系数Di：固体内扩散系数E：平衡常数两式联立

外扩散：

内扩散

忽略界面上的传质阻力，则：qi=Emri

q=Emr*

总体积传质系数总传质速率

液相阻力1/kLa与固相阻力1/ksaEm之比为：若er<0.01，为内扩散控制；若er>10，为外扩散控制。

液相与固相何者为传质控制因素？内部扩散系数（一）操作方法

1.分级接触吸附

2.连续逆流吸附三.吸附计算本课仅限于单组分吸附计算单级接触吸附将体积V、浓度ρ0溶液与质量m的吸附剂混合，直至完成吸附对吸附质进行物料衡算:

m(q-q0)=V(r0-r)分级接触式吸附

若q0=0，且平衡关系符合Freundlich方程，则：2.多级错流接触吸附

以二级吸附为例：

m1(q1-q0)=V(r0-r1)

m2(q2-q0)=V(r1-r2)若q0=0，且平衡关系符合Freundlich方程，则有：吸附剂总用量为当r1满足此式时吸附剂用量最少。多级逆流式接触吸附图解连续逆流吸附

dz

吸附剂qm

q2

qqm

q1

溶液qv

r2rqv

r1

由塔顶至此截面间的床层列为恒算范围，对吸附质进行物料恒算

作微元高度填充床的吸附质的物料衡算：

qvdr=qmdq

吸附剂qm

q2

qqm

q1

溶液qv

r2rqv

r1

dz

以A为截面积：

raAdz=qmdt又：

radq=Kla(r-r*)dt

qvdr=KlaA(r-r*)dz

积分松密度传质速率方程三式联立操作方法：（1）分级接触；（2）微分接触。吸附分离过程一般包括三步：（1）吸附；（2）吸附剂分离；（3）吸附剂再生。4吸附设备接触过滤吸附设备

接触过滤吸附设备1——混合桶2——料泵3——压滤机4——贮桶

在混合桶内实现吸附，要求吸附剂颗粒悬浮，与液体充分接触，增大固—液接触表面，一般使用细颗粒吸附剂（200目以上）。操作温度愈高，液体粘度愈低，扩散速率愈快，有利于增加吸附速率。温度高对吸附平衡不利。吸附速率增加一般可抵消对平衡的不良影响。固定床吸附设备

结构类似于填料吸收塔。吸附后溶液从下方排出，饱和后的吸附剂也从下方卸出。1.基本概念

2.离子交换理论3.离子交换与设备4.离子交换计算第四节离子交换一、离子交换的基本概念液体吸附时也可以吸附离子。被吸附的离子若与吸附剂中的可交换离子进行交换，则称为离子交换。离子交换过程可看做是一种特殊的吸附过程。离子交换在食品中的应用

1.水处理

2.制品的提纯精制

3.制品的分离（一）离子交换反应

离子交换技术：利用离子交换剂进行分离的技术。一种带有可交换离子的不溶性固体，由一个固定的极大的带电基团和一个可置换的离子组成。阳离子交换剂阴离子交换剂典型的阳离子交换反应：Ca2++Na2R==CaR+2Na+

典型的离子交换反应：SO42-+RCl2==RSO4+2Cl-离子交换的逆反应称为再生，实际上也是离子交换。有机无机沸石碳质离子交换剂有机合成（离子交换树脂）磺化煤（二）离子交换树脂

（1）分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类：

阳离子交换树脂包括强酸型(-SO3H)和弱酸型两种。阴离子交换树脂包括强碱型(-N(CH3)3)和弱碱型两种。（2）每一大类又有凝胶型和大孔型两种。（凝胶型：没有毛细孔，通道是分子链间的间隙，孔径3nm以下)离子交换树脂=本体+活性基团交换剂本体=高分子化合物+交联剂活性基团：连接在网状结构骨架上的官能团，带有可游离的(反)离子。主要的物理、化学性质：（1）交联度：树脂骨架用交联剂联成的分子网的交联程度。交联度大的树脂空隙率小，含水率高，密度大，机械强度高，稳定性好，但交换速度慢，交换容量少。（2）粒度：一般直径0.3-1.2mm（3）含水率：可间接反映交联度的大小，在树脂充分膨胀情况下测定，一般为50%（4）密度：湿真密度：树脂在水中充分膨胀后本身密度。视密度（松密度）：湿树脂的质量与床层体积之比。（5）溶胀性：离子交换树脂在水中由于溶剂化作用而体积增大，称为溶胀。溶胀率按干树脂所吸取的水的百分率表示。（7）交换容量单位质量干树脂或单位体积湿树脂所能交换的一价离子的量。a.理论交换容量（全交换容量）：树脂活性基团中所有可交换离子全部被交换时的交换容量。b.工作交换容量：工作状态下的交换容量。c.有效交换容量或再生交换容量：再生后树脂的交换容量。（6）交换选择性离子交换的优先顺序不同，与溶液温度和离子浓度有关。

Fe3->Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+PO43->SO42->NO3->Cl->HCO3->HSiO3-离子价越高，碱金属的原子序数越大，越易交换RA+BRB+A影响离子交换平衡的因素：（1）交换离子的性质；离子电荷越大，树脂吸附该离子的能力越强。大离子被吸附的能力强，但交换容量低。水合能力大的离子，吸附能力强。（2）树脂的性质；交换选择性、交联度等（3）溶液的性质。主要是溶液中交换离子总浓度和非交换离子或溶质性质。（一）离子交换平衡

二、离子交换理论浓度的表示：x—平衡时液相中离子浓度/液相中总离子浓度=c’/c0’y—平衡时树脂中离子浓度/树脂的交换容量=b’/b0’

离子交换等温线两组分离子交换：选择性系数溶液中存在多种离子时，以一种特定离子作为基准，比较各离子间的相对选择性表示树脂对两种离子的相对亲和度见表8-4-2离子交换过程分为五步：（1）交换离子A从溶液主体扩散到树脂表面；（2）交换离子A外表面经颗粒中微孔扩散到活性基团；（3）交换离子A在活性基团上置换反离子B；（4）反离子B从树脂内经微孔扩散到外表面；（5）反离子B从外表面扩散到溶液主体。其中（1）、（5）为外扩