吸附與離子交換計算題

Ⅰ 離子交替吸附作用

離子交替吸附作用主要發生在具有固定電荷的固體礦物表面，無論是陽離子還是陰離子，均可發生交替吸附作用，但目前研究得較多的是陽離子交替吸附作用。離子交替吸附作用的一個重要特點就是，伴隨著一定量的一種離子的吸附，必然有等當量的另一種同號離子的解吸（圖2-5-4）。離子交替吸附作用之所以具有這樣的特點，主要是由於吸附劑通常都具有一定的離子交換容量，因此這里首先對離子交換容量予以討論。

圖2-5-3 有機質表面的負電荷

圖2-5-4 陽離子交替吸附作用圖解

2.5.2.1 離子交換容量

離子交換容量包括陽離子交換容量（CEC—Cation Exchange Capacity）和陰離子交換容量（AEC—Anion Exchange Capacity），我們主要討論陽離子交換容量，它被定義為每100 g干吸附劑可吸附陽離子的毫克當量數。例如，在蒙脫石的結晶格架中，鋁八面體中的三價鋁可被二價鎂所置換，根據測定，每摩爾蒙脫石中鎂的含量為0.67 mol，即蒙脫石的分子式為：Si₈Al_3.33Mg_0.67O₂₀（OH）₄。已知蒙脫石的分子量是734 g，因此這種蒙脫石的陽離子交換容量為：

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在實際中，通常都是通過實驗來測定吸附劑的陽離子交換容量。尤其是對於野外所採取的土樣或岩樣，由於其中含有多種吸附劑，實驗測定往往是唯一可行的方法。陽離子交換容量的實驗測定在多數情況下都是用pH為7的醋酸銨溶液與一定量固體樣品混合，使其全部吸附格位被所飽和，然後用其他溶液（例如NaCl溶液）把被吸附的全部交換出來，達到交換平衡後，測定溶液中Na⁺的減少量，據此便可計算樣品的陽離子交換容量。表252列出了一些粘土礦物及土壤的陽離子交換容量，由表可見，與土壤相比，礦物的陽離子交換容量有更大的變化范圍。

鬆散沉積物的陽離子交換容量受到了多種因素的影響，主要有：

（1）沉積物中吸附劑的種類與數量。例如，我國北方土壤中的粘土礦物以蒙脫石和伊利石為主，因此其CEC值較大，一般在20 meq/100 g以上，高者達50 meq/100 g以上；而南方的紅壤，由於其有機膠體含量少，同時所含的粘土礦物多為高嶺石及鐵、鋁的氫氧化物，故CEC較小，一般小於20 meq/100 g。

表2-5-2 一些粘土礦物及土壤的陽離子交換容量

（2）沉積物顆粒的大小。一般來說，沉積物的顆粒越小，其比表面積越大，CEC值越高。例如，根據一河流沉積物的粒徑及其CEC的實測結果，隨著沉積物的粒徑為從4.4μm增至1000μm，其CEC從14～65 meq/100 g變到4～20 meq/100 g，最終減小到0.3～13 meq/100 g。

（3）水溶液的pH值。一般來說，隨著水溶液pH值的增加，土壤表面的可變負電荷量增多，其CEC相應增加；相反，隨著水溶液pH值的減小，土壤表面的可變負電荷量不斷減少，其CEC也隨之減小。

2.5.2.2 陽離子交換反應及平衡

陽離子交換反應的一般形式可寫為：

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式中：A^m+、Bⁿ⁺表示水溶液中的A、B離子；AX、BX表示吸附在固體表面的A、B離子。上述反應的平衡常數可寫為：

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式中：a標記溶液中組分的活度；{}表示表示吸附在固體表面上的離子的活度。對於水溶液中的離子，其活度可使用表2-1-1中的公式進行計算；但對於吸附在固體表面上的離子，其活度的計算至今還沒有滿意的方法。目前主要採用兩種替代的方法來處理這一問題，一種是Vanselow慣例，另一種是Gaines-Thomas慣例。Vanselow慣例是由Vanselow於1932年提出的，他建議使用摩爾分數來代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若固體表面僅吸附了A離子和B離子，在一定重量（100 g）的吸附劑表面A、B的含量（mmol）依次為q_A和q_B，則吸附劑表面A、B的摩爾分數分別為：

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顯然，x_A+x_B=1。這樣式（2-5-7）可改寫為：

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Gaines-Thomas慣例是由Gaines和Thomas於1953年提出的，他們建議採用當量百分數來代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若用y_A和y_B分別表示吸附劑表面A、B的當量百分數，則有：

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同樣，y_A+y_B=1，這樣式（2-5-7）變為：

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目前，這兩種慣例都還在被有關的研究者所使用，各有優點，互為補充。事實上，離子交換反應的平衡常數並不是一個常數，它往往隨著水溶液的成分、pH值及固體表面成分的變化而變化，因此許多研究者認為將其稱為交換系數（Exchange Coefficient）或選擇系數（Selectivity Coefficient）更合適一些（Appelo，1994；Deutsch，1997；Benefield，1982；Kehew，2001）。

若已知兩種不同離子與同一種離子在某種吸附劑中發生交換反應的交換系數，則可計算出這兩種離子發生交換反應的交換系數。例如，若在某種吸附劑中下述反應：

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交換系數分別為K_Ca-Na和K_K-Na，則在該吸附劑中反應：

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的交換系數為：

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這是因為（以Vanselow慣例為例）：

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故有：

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表2-5-3列出了不同離子與Na⁺發生交換反應的交換系數（Vanselow慣例），據此便可按照上述的方法求得這些離子之間發生交換反應時的交換系數。

需要說明的是，在表2-5-3中，I離子與Na⁺之間交換反應的反應式為：

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表2-5-3 不同離子與Na⁺發生交換反應時的交換系數

其交換系數的定義式如下：

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【例】在某地下水系統中，有一段含有大量粘土礦物、因此具有明顯陽離子交換能力的地段，假定：

（1）該地段含水層的陽離子交換容量為100 meq/100 g，含水層中的交換性陽離子只有Ca²⁺和Mg²⁺，初始狀態下含水層顆粒中Ca²⁺、Mg²⁺的含量相等；

（2）在進入該地段之前，地下水中的Ca²⁺、Mg²⁺濃度相等，均為10^-3 mol/L；

（3）含水層的孔隙度為n=0.33，固體顆粒的密度為ρ=2.65 g/cm³；

（4）含水層中發生的陽離子交換反應為：

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不考慮活度系數的影響，其平衡常數（Vanselow慣例）為：

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試使用陽離子交換平衡關系計算，當地下水通過該地段並達到新的交換平衡後，水溶液中及含水層顆粒表面Ca²⁺、Mg²⁺濃度的變化。

【解】：設達到新的交換平衡後，含水層顆粒中Ca²⁺的摩爾分數為y、水溶液中Ca²⁺的濃度為x（mmol/L），則這時含水層顆粒中Mg²⁺的摩爾分數為1-y、水溶液中Mg²⁺的濃度為2-x（mmol/L），故有：

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整理得：

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已知含水層的CEC=100 meq/100g，因此對於二價陽離子來說，含水層顆粒可吸附的陽離子總量為50 mmol/100 g=0.5 mmol/g。若用z表示達到交換平衡後1 g含水層顆粒中Ca²⁺的含量，則有：

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以式（2-5-25）帶入式（2-5-24）得：

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為了計算上述變化，需要對1 L水所對應的含水層中Ca²⁺的質量守恆關系進行研究。已知含水層的孔隙度為0.33，顯然在這樣的含水層中，1 L水所對應的含水層顆粒的體積為0.67/0.33（L），相應的含水層顆粒的質量為：

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故吸附作用前後1 L水所對應的含水層中Ca²⁺的質量守恆關系為：

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式中的0.25為吸附作用前1 g含水層顆粒中Ca²⁺的含量（mmol），由式（2-5-27）可得：

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以式（2-5-26）帶入式（2-5-28）並整理得：

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這是一個關於z的一元二次方程，求解該方程可得：z=0.2500627 mmol/g。代z入式（2-5-25）和式（2-5-26）可得達到新的交換平衡後含水層顆粒中Ca²⁺的摩爾分數為0.5001254，水溶液中Ca²⁺的濃度為0.75 mmol/L，故這時含水層顆粒中Mg²⁺的摩爾分數為0.4998746、水溶液中Mg²⁺的濃度為1.25 mmol/L。由此可見，地下水通過該粘性土地段後，盡管Ca²⁺、Mg²⁺在含水層顆粒中的含量變化很小，但它們在地下水中的含量變化卻較大，Mg²⁺從原來的1 mmol/L增加到了1.25 mmol/L，Ca²⁺則從原來的1 mmol/L減少到了0.75 mmol/L。

2.5.2.3 分配系數及離子的吸附親和力

除了交換系數，還有一個重要的參數需要介紹，這就是分配系數（Separation Factor）（Benefield，1982）。對於反應（2-5-6），它被定義為：

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式中c_A和c_B分別為水溶液中A、B離子的摩爾濃度。顯然，若不考慮活度系數的影響，對於同價離子間的交換反應，Q_A-B=K_A-B。式（2-5-29）可改寫為：

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由式（2-5-30）可見，Q_A-B反映了溶液中B與A的含量之比與吸附劑表面B與A的含量之比之間的相對關系。當Q_A-B=1時，說明達到交換平衡時B與A在水溶液中的比例等於其在吸附劑表面的比例，因此對於該吸附劑，A和B具有相同的吸附親和力；當Q_A-B＞1時，說明達到交換平衡時B與A在水溶液中的比例大於其在吸附劑表面的比例，因此A與B相比具有更大的吸附親和力；當Q_A-B＜1時，說明達到交換平衡時B與A在水溶液中的比例小於其在吸附劑表面的比例，因此B與A相比具有更大的吸附親和力。

事實上，即使對於同一陽離子交換反應，其分配系數也會隨著水溶液性質的變化而變化（Stumm and Morgan，1996）。圖2-5-5給出了Na—Ca交換反應的分配系數隨Na⁺濃度的變化。沿著圖中的虛線，Q_Na-Ca=1，這時Na⁺和Ca²⁺具有相同的吸附親和力。但在稀溶液中，例如［Na⁺］=10^-3 mol/L和10^-2 mol/L，Ca²⁺在吸附劑中的比例要遠大於其在水溶液中的比例，因此在這種情況下Ca²⁺具有更強的吸附親和力。隨著Na⁺濃度的增大，Ca²⁺的吸附親和力逐漸減弱，Na⁺的吸附親和力則逐漸增強，當［Na⁺］=2 mol/L時，Na⁺已經變得比Ca²⁺具有更強的吸附親和力。Na—Ca交換反應分配系數的這種變化對於解釋一些實際現象具有重要的意義，根據這種變化，我們可以推斷淡水含水層中通常含有大量的可交換的Ca²⁺，而海水含水層中通常含有大量的可交換的Na⁺。這種變化關系也解釋了為什麼硬水軟化劑能夠選擇性地去除Ca²⁺，同時通過使用高Na⁺濃度的鹵水溶液進行沖刷而再生。

圖2-5-5 溶液中Ca²⁺的含量對吸附作用的影響

根據離子交換反應的分配系數，可以定量地評價離子的吸附親和力。一般來說，離子在土壤中的吸附親和力具有下述的規律：

（1）高價離子比低價離子具有更高的吸附親和力。例如，Al³⁺＞Mg²⁺＞Na⁺；＞。這是因為離子交換反應從本質上說是一個靜電吸引過程，離子價越高，所受到的靜電吸引力就越大，它就越容易被吸附劑所吸附。

（2）同價離子的吸附親和力隨著離子水化半徑的減小而增大。例如，Ca²⁺＞Mg²⁺＞Be²⁺；＞K⁺＞Na⁺＞Li⁺。這是因為離子的水化半徑越小，它越容易接近固體表面，從而也就越易於被固體所吸附。

Deutsch（1997）根據Appelo和Postma（1994）的資料，對二價陽離子的吸附親和力進行了研究，他所得到了吸附親和力順序如下：

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在常見的天然地下水系統中，Ca²⁺和Mg²⁺通常為地下水中的主要陽離子，它們在水溶液中相對較高的含量將使其成為含水層顆粒表面的主要吸附離子，盡管一些微量元素可能更緊密地被吸附在含水層顆粒表面上。但在污染地下水系統中，若吸附親和力更強的Pb²⁺和Ba²⁺的含量與Ca²⁺、Mg²⁺的含量在同一水平上，則含水層顆粒表面的主要吸附離子將變為Pb²⁺和Ba²⁺，這將大大地影響Pb²⁺和Ba²⁺在地下水中的遷移能力。

綜合來講，陽離子和陰離子的吸附親和力順序分別為（何燧源等，2000）：

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可見，陽離子中Li⁺和Na⁺最不易被吸附，陰離子中Cl^-和最不易被吸附。

離子交換對地下水質產生重要影響的一種常見情況就是海水入侵到淡水含水層中。當在沿海地帶大量抽取含水層中的淡水時，海水將對含水層進行補給。初始狀態下含水層顆粒表面吸附的主要是Ca²⁺和Mg²⁺，海水中的主要陽離子為Na⁺，陰離子為Cl^-。這樣入侵的海水將導致含水層中發生下述的陽離子交換反應：

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由於Cl^-通常不易被吸附，也不參與其他的水岩作用過程。所以相對於Cl^-來說，該過程將使得Na⁺的遷移能力降低。

地下水系統中另一種常見的情況與上述過程相反，這就是Ca²⁺置換被吸附的Na⁺，反應式如下：

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人們在大西洋沿岸的砂岩含水層（Zack and Roberts，1988；Knobel and Phillips，1988）以及北美西部的沉積盆地中（Thorstenson等，1979；Henderson，1985）均發現了這種天然的軟化過程。該反應發生的前提條件是：含水層中含有碳酸鹽礦物，CO₂的分壓較高，含水層顆粒中含有大量的可交換的Na⁺。

Ⅱ 請問有沒有孫彥所編的《生物分離工程》的課後習題解答或者是分析之類的書

第一章 緒論
P8思考題：1、5、6
1、 生物分離工程：是指從發酵液、酶反應液或動植物細胞培養液中分離、純化生物產品的過程。P1
2、 生物分離純化過程的一般流程可分為幾大部分?分別包括哪些單元操作？P4
答：一、發酵液的預處理（固液分離）：單元操作：過濾和離心；
二、產物的提取（初純化）：單元操作：沉澱、吸附、萃取、超濾；
三、產物的精製（高度純化）：單元操作：層析（包括柱層析和薄層層析）、離子交換、親和色譜、吸附色譜、電色譜；
四、成品的加工處理：單元操作：濃縮、結晶和乾燥；
3、 生物分離工程的特點有哪些？P6
答：①原料液體系非常復雜，雜質含量高，難於分離；②原料液一般為產物濃度很低的水溶液；③原料液抗環境變化能力差，容易變性失活；④分離過程必須保持目標物的生物活性；⑤分離粗產物純度低，最終產品純度要求極高，而對與人類生命息息相關的生物產物的質量要求必須達到國家相關標准；⑥常無固定操作方法可循；⑦分離操作步驟多，不易獲得高收率；⑧對於基因工程產品，一般要求在密封環境下操作；⑨分離純化過程代價昂貴，產品回收率低。

第二章 發酵液的預處理
1、 發酵液預處理的方法：P11
按預處理的目的分為：提高過濾速度的方法、改變發酵液性質的方法和雜質去除的方法
具體的方法有：凝集和絮凝、加熱法、調節PH法、加水稀釋法、加入助濾劑法、加吸附劑法或加鹽法、高價態無機離子去除的方法、可溶性雜蛋白質去除的方法、色素及其他雜質去除的方法。
2、 凝集：指在投加的化學物質(如水解的凝集劑、鋁、鐵的鹽類或石灰等)作用下，發酵液中的膠體脫穩並使粒子相互凝集成為1mm大小塊狀絮凝體的過程。P11
3、 絮凝：指某些高分子絮凝劑能在懸浮粒子之間產生橋梁作用，使膠粒形成粗大絮凝團的過程。P12
4、 具體方法中常採用的物質試劑：P14~15
調節PH法：一般採用草酸等有機酸或某些無機的酸鹼；
高價態無機離子去除的方法：
①、 Ca2＋的去除：常採用的酸化劑為草酸；
②、 Mg2＋的去除：採用加入磷酸鹽，是Mg＋生成磷酸鎂沉澱的方法；
③、 Fe3＋的去除：採用加入黃血鹽，生成普魯士藍沉澱的方法。
5、 影響發酵液過濾的因素：P17
一、 菌種：決定發酵液中各種懸浮粒子的大小和形狀；
二、 發酵液黏度：通常發酵液黏度越大，分離速度越慢
影響其因素有：①發酵條件、②放罐時間、③發酵染菌、④發酵液的PH、溫度
6、 錯流過濾：料液流動方向與過濾介質平行的過濾，常用的過濾介質為微孔濾膜或超濾膜，主要適用於懸浮粒子細小的發酵液，如細菌發酵液的過濾。P18
7、 發酵液的過濾設備：
按過濾的推動力分為：重力式過濾器、壓力式過濾器、真空式過濾器和離心式過濾器四種。P23
第三章 細胞分離技術
1、 細胞破碎的方法：P34 根據破碎機理不同，可分為：
⑴機械破碎法：珠磨法、高壓勻漿法、超聲波破碎法和其他類型的機械破碎法；
⑵物理破碎法：凍融法、低溫玻璃化法；
⑶化學滲透法：酸鹼法、鹽法、表面活性劑處理、有機溶劑法、變性劑法、溫和化學滲透劑處理；
⑷酶溶法：降解細胞壁。
2、 變性劑的作用：變性劑（如鹽酸胍和脲）的加入，可削弱氫鍵的作用，使胞內產物相互之間的作用力減弱，從而易於釋放。P38
3、 包含體：是聚集蛋白質形成的濃密顆粒（密度達1.3mg/ml），可在光學顯微鏡下觀察到，直徑可達μm級，呈無定形或類晶體。
4、 蛋白質復性：又稱再折疊，是指變性蛋白質在變性劑去除或濃度降低後，就會自發地從變性的熱不穩定狀態向熱穩定狀態轉變，形成具有生物學功能的天然結構。P42
復性方法：①稀釋與透析復性法、②色譜復性技術、反膠束萃取復性法。
第四章 沉澱技術
1、 沉澱：又稱為沉析，是指在溶液中加入沉澱劑使溶質溶解度降低，生成無定形固體從溶液中析出的過程。P48
2、 蛋白質沉澱方法：P51
鹽析法、有機溶劑沉澱法、等電點沉澱法、非離子多聚物沉澱法、生成鹽復合物法、選擇性的變性沉澱、親和沉澱及SIS聚合物與親和沉澱等。
3、 鹽析：蛋白質在高離子強度溶液中溶解度降低，以致從溶液里沉澱出來的現象。P51
4、 鹽析原理：在蛋白質溶液中加入大量中性鹽後，破壞蛋白質分子上的親水基團與水分子作用形成的水化層，奪走水分子，破壞水膜，暴露出疏水區域，同時中和電荷，使顆粒間的相互斥力喪失，布朗運動加劇，導致蛋白質分子相互結合成聚集物而沉澱析出。P51
5、 影響鹽析的因素：P52
① 蛋白質種類、②離子類型、③溫度和PH、④鹽的加入方式、⑤蛋白質的原始濃度。
6、脫鹽處理的方法：透析法、超濾及凝膠過濾法。P55
7、有機溶劑沉澱法的原理：P56
一傳統觀點：在蛋白質溶液中加入丙酮或乙醇等有機溶劑，水的活度降低，水對蛋白質分子表面的水化程度降低，即破壞了蛋白質表面的水化層；另外，溶液的介電常數下降，蛋白質分子間的靜電引力增大，從而聚集和沉澱。
二新觀點：有機溶劑可能破壞蛋白質的某種鍵，使其空間結構發生某種程度的變化，致使一些原來包在內部的疏水基團暴露於表面並與有機溶劑的疏水基團結合形成疏水層，從而使蛋白質沉澱，而當蛋白質的空間結構發生變形超過一定程度時，便會導致完全的變性。
第五章 萃取技術
1、萃取：是利用溶質在互不相溶的溶劑里的溶解度不同，用一種溶劑把溶質從它與另一種溶劑所組成的溶液（原料）中提取出來的方法。P64
2、分配定律：在恆溫恆壓條件下，溶質在互不相溶的兩相中分配時，達到分配平衡後，如果其在兩相中的相對分子質量相等，則其在兩相中的平衡濃度之比為一常數，此常數稱為分配常數A，A=c1/c2 P64
3、分配常數在使用時，必須注意滿足3個條件：P65
①必須是稀溶液；②溶質對溶劑的互溶度沒有影響；③溶質在兩相中必須是同一分類型，不發生締合夥離解。
4、工業上液液萃取的基本過程包括幾個步驟：P67
①混合：料液與萃取劑充分混合並形成乳濁液的過程，設備：混合器；
②分離：將乳濁液分開形成萃取相和萃余相的過程，設備：分離器；
③溶劑回收：從萃取相或萃余相中回收萃取劑的過程，設備：回收器。
5、按操作流程劃分，液液萃取可分為：P67
①單級萃取，②多級萃取：多級錯流萃取和多級逆流萃取。
6、影響有機溶劑萃取的因素：P73
一水相條件的影響：影響萃取操作的因素：主要有PH、溫度、無機鹽等
①PH ②溫度 ③鹽析 ④帶溶劑
二有機溶劑的選擇
三乳化現象：乳化是一種液體分散在另一種不相混合的液體的現象。P75
7、去乳化劑有兩種：①陽離子表面活性劑溴代十五烷基吡啶，適用於破壞W/O型乳濁液；
②陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉，易溶於水，微溶於有機溶劑，適用於破壞W/O型乳濁液。P75
8、 聚合物的不相溶性：兩種聚合物分子間如存在相互排斥作用，即某種分子的周圍將聚集同種分子而非異種分子，達到平衡時，就有可能分成兩相，而兩種聚合物分別進入一相中的現象。P80
9、在生化工程中得到廣泛應用的雙水相體系主要是：聚乙二醇-葡聚糖體系和聚乙二醇-無機鹽系統。P80
10、液膜分離系統的膜相組成：通常有膜溶劑、表面活性劑、流動載體、膜增強劑構成。P87
11、液膜分類：根據其結構可分為3種 P87
①乳狀液膜，②支撐液膜，③流動液膜
12、液膜萃取機理：根據待分離溶質種類的不同，可分為以下幾種類型。P89
一單純遷移：
二促進遷移：
三載體輸送：
13、流動載體的選擇原則：①溶解性，②絡合性，③穩定性。 P92
14、溶脹：是指外相水透過膜進入了液膜內相，從而使液膜體積增大的現象。P94
15、反膠團：若將表面活性劑溶於非極性的有機溶劑中，並使其濃度超過臨界膠束濃度，便會在有機溶劑內形成聚集體，這種聚集體稱為反膠團。P99
16、反膠團的優點：P99
⑴極性「水核」具有較強的溶解能力；
⑵生物大分子由於具有較強的極性，可溶解於極性水核中，防止與外界有機溶劑接觸，減少變性作用；
⑶由於「水核」的尺度效應，可以穩定蛋白質的立體結構，增加其結構的剛性，提高其反應性能。
17、反膠團萃取蛋白質的推動力：萃取過程是靜電力、疏水力、空間力、親和力或幾種力協同作用的結果，其中蛋白質與表面活性劑性頭間的靜電相互作用是主要推動力。P100
18、液固萃取的過程：包括潤濕、溶解、擴散、和置換，其中置換中浸取的關鍵在於保持最大的濃度梯度。P103
19、超臨界流體特點：P107
⑴在臨界點的附近，密度線聚集於臨界點周圍，壓力或溫度的小范圍變化，就會引起流體密度的大幅度變化；
⑵超臨界流體的密度和溶劑化能力接近液體，黏度和擴散系數接近氣體，在臨界點附近流體的物理化學性質隨溫度和壓力的變化極其敏感，在不改變化學組成的條件下，即可通過壓力調節流體的性質；
⑶在臨界點附近，會出現流體的密度、黏度、溶解度、熱容量、介電常數等所有流體的物性發生急劇變化的現象。
20、超臨界流體萃取的原理：P107
它是利用超臨界流體(SCF)，即溫度和壓力略超過或靠近臨界溫度(Tc)和臨界壓力（Pc）、介於氣體和液體之間的流體，作為萃取劑，從固體或液體中萃取出某種高沸點或熱敏性成分，以達到分離和純化的目的。
21、超臨界流體萃取的典型流程有：等溫法、等壓法和吸附法。P113
第六章 膜分離過程
1、膜分離過程：是用具有選擇透過性的天然或合成薄膜為分離介質，在膜兩側的推動力（如壓力差、濃度差、電位差、溫度差等）作用下，原料液體混合物或氣體混合物中的某個或某些組分選擇地透過膜，使混合物達到分離、分級、提純、富集和濃縮的過程。P120
2、膜的功能：①物質的識別與透過；②相界面；③反應場。
3、濃差極化：較高的壓力和料液濃度以及緩慢的膜面流速可造成膜表面溶質濃度高於主體濃度，形成高濃度邊界層，使料液側膜面的滲透壓升高，有效壓差減小的現象。P127
4、凝膠極化：是指在膜分離的過程中，由於溶質受到膜的截留作用，不能完全通過膜，溶質在膜表面附近濃度升高，導致膜兩側的有效壓差減少，膜的通透量降低，當膜表面附近的濃度超過溶質的溶解度時，溶質析出，並在膜的表面形成凝膠層的過程。
5、超濾和微濾：是以膜兩側壓力差為推動力，以微孔膜為過濾介質，當溶液流過膜表面時，主要利用篩分原理將溶液中的懸浮粒子或大分子物質截留，而使溶劑和小分子物質透過膜，以實現凈化、分離與濃縮的膜分離過程。P132
微濾膜：一般為均質膜，膜阻力由總的膜厚度決定，微濾膜相比超濾膜來說孔徑較大且孔徑分布較均勻，膜孔徑為0.05~10µm，截留對象是細菌、膠體以及氣溶膠等懸浮粒子；超濾膜：一般為不對稱結構，膜的傳質阻力主要在表皮層，其厚度僅為1µm或更小，孔徑大多在0.005~0.05µm，截留對象是相對分子質量為10³~10^6的溶質。
6、影響截留率的因素：
⑴溶質的分子量；
⑵分子特性：①球形＞帶支鏈＞線性分子；
②對於荷電膜與膜相反電荷分子截留率低，若膜對溶質有吸附作用，截留率高；
③其他高分子溶質存在，使截留率增大；
④操作條件：當PH=PI時，蛋白質截留率Ro高；溫度升高，Ro降低。
7、電滲析的基本原理：P139
註：自己看書結合圖示總結
第七章 吸附與離子交換
1、吸附：是指溶質從液相或氣相轉移到固相的現象。P154
2、活性炭：是一種非極性吸附劑，在水中的吸附能力大於在有機溶劑中的吸附能力。針對不同類型的物質，具有一定的規律性：①對極性基團多的化合物的吸附力大於極性基團少的化合物；②對芳香族化合物的吸附能力大於脂肪族化合物；③對相對分子質量大的化合物的吸附能力大於相對分子質量小的化合物。P156
3、大孔網狀吸附劑：是一種非離子型共聚物，是藉助於范德華力從溶液中吸附各種有機化物質。具有選擇性好、解析容易、機械強度高、使用壽命長、流體阻力較小、吸附質容易脫附、吸附速度快等優點。P157
4、離子交換劑的構成：網路骨架(具有三維空間立體結構)、活性基團和可交換的離子（與網路骨架帶相反電荷）構成。P158
5、交換容量：是表徵離子交換劑交換能力的主要的參數，是單位質量的乾燥離子交換劑或單位體積的濕離子交換劑所能吸附的一價離子的毫摩爾數（mmol）。P158
6、影響交換速度的因素：P164
⑴顆粒大小：顆粒減小無論對內部擴散控制或外部擴散控制的場合，都有利於交換速度的提高；
⑵交聯度：交聯度越低樹脂越易膨脹，在樹脂內部擴散越容易，當內擴散控制時，降低樹脂交聯度，能提高交換速度。樹脂交聯度大，樹脂孔徑小，離子運動阻力大，交換速度慢；
⑶溫度：溶液溫度提高，擴散速度加快，交換速度也增加；
⑷離子的化合價：離子化合價越高，離子和樹脂骨架間的庫侖力越大，擴散速度越小；
⑸離子的大小：小離子的交換速度比較快；
⑹攪拌速度：當液膜控制時，增加攪拌速度會使交換速度增加，但增大到一定程度後再繼續增加轉速，影響就比較小；
⑺溶液濃度：當溶液濃度為0.001mol/L時，一般為外擴散控制，當溶液濃度增加時，交換速度也按比例增加。當濃度達到0.01mol/L左右時，濃度再增加，交換速度增加的較慢。此時內擴散和外擴散同時起作用，當濃度繼續增加，交換速度達到極限值後就不再增大，此時已轉變為內擴散控制。
7、影響離子交換選擇性的因素：P165
⑴水合離子半徑：半徑越小，親和力越大；
⑵離子化合價：高價離子易於被吸附；
⑶溶液PH：影響交換基團和交換離子的解離程度，但不影響交換容量；
⑷離子強度：越低越好；
⑸有機溶劑：不利於吸附；
⑹交聯度、膨脹度、分子篩：交聯度大，膨脹度小，篩分能力增大；交聯度小，膨脹度大，吸附量減少；
⑺樹脂與粒子間的輔助力：除靜電力以外，還有氫鍵和范德華力等輔助力。
第八章 色譜分離技術
1、阻滯因素：又稱遷移率，是指一定條件下，在相同的時間內某一組分在固定相移動的距離與流動相本身移動的距離之比值，常用Rf(Rf≤1)表示。P177
2、正向色譜：是指固定相的極性高於流動相的極性，在這種色譜過程中，非極性分子或極性小的分子比極性大的分子移動速度快，先從柱中流出來；
反向色譜：是指固定相的極性低於流動相的極性，在這種色譜過程中，極性大的分子比極性小的分子移動的速度快，而先從柱中流出。P179
3、色譜法的分類：根據分離原理的不同分類 P181
可以分為：吸附色譜、分配色譜、離子交換色譜、凝膠過濾色譜、親和色譜等。
4、顯色的方法：P189
⑴碘蒸氣顯色；⑵紫外線顯色；⑶噴霧顯色。
5根據載體多糖種類的不同，多糖基離子交換劑可分為：P197
①離子交換纖維素；②離子交換葡聚糖；③離子交換瓊脂糖。
6、親和色譜原理：P206
將一對能可逆結合和解離生物分子的一方作為配基(配體)，與具有大孔徑、親水性的固相載體相偶聯、製成專一的親和吸附劑，再用此親和吸附劑填充色譜柱，當含有被分離物質的混合物隨著流動相流經色譜柱時，親和吸附劑上的配基就有選擇地吸附能與其結合的物質，而其他的蛋白質及雜質不被吸附，從色譜柱中流出，使用適當的緩沖液使被分離物質及配基解吸附，即可獲得純化的目的產物。
7、蛋白質A來源於金黃色葡萄球菌，蛋白質G分離自G群鏈球菌。P208
8、輔酶和磷酸腺苷：某些酶（如脫氫酶和激酶）需要在輔酶存在的情況下才能表現出催化活性，即輔酶能與脫氫酶和激酶之間通過親和作用相互結合，因此這些輔酶可用作脫氫酶和激酶的親和配基。P208
9、活化：載體上的化學基團是不活潑的，不能與配基直接偶聯，通過化學反應使介質上化學基團處於活化狀態。P211
10、洗脫方法：⑴特異性洗脫；⑵非特異性洗脫。P219
第九章 離心技術
1、離心機的轉子的類型：有甩出式水平轉子、角轉子、垂直轉子、（區帶轉子、細胞洗脫轉子、分析轉子）等。P237
2、計算：
①懸浮微粒在重力場中重力沉澱速度Vg的計算公式：P233 9-4
②例題9-1
③料流量Q的計算公式：P244 9-19
④例題9-3
⑤註：ω=2πn／60
第十章 濃縮、結晶與乾燥
1、蒸發濃縮：是利用加熱的方法使溶液中的一部分溶劑（通常為水）汽化後除去，得到含較高濃度溶質的一種操作過程。P267
2、結晶：是溶液中的溶質在一定條件下因分子有規則的排列而結合成晶體的過程，它是溶質提純和得到固體顆粒的一種方法。P281
3、結晶的一般步驟：
⑴過飽和溶液的形成；⑵晶核產生；⑶晶體生長。
4、二次成核：已被認為是晶核的主要來源，其中起決定作用的兩種機理為：液體剪應力成核和接觸成核。P283
5、噴霧乾燥：是利用霧化器將料液(含水50％以上的溶液、懸浮液、漿狀液等)噴成霧滴分散於熱氣流中，使水分迅速蒸發而成為粉粒狀乾燥製品的一種乾燥方式。P302
6、冷凍乾燥：又稱升華乾燥，是指將待乾燥物快速凍結後，再在高真空條件下將其中的冰升華為水蒸氣而去除的乾燥方法。由於冰的升華帶走熱量使凍干整個過程保持低溫凍結狀態，有利於保留一些生物樣品(如蛋白質)的活性。

Ⅲ 復試考制葯分離工程的學校

天津大學。
掌握制葯分離工程單元操作的基本概念、基本原理和計算方法，能夠運用所學理論知識合理選定單元操作和進行相關的設計計算。對制葯分離過程中的某些現象進行分析，並根據具體情況對操作進行優化。具有扎實的專業基礎知識、能靈活應用所學知識分析並解決實際問題的能力。
考試的內容及比例：制葯分離過程、蒸餾與精餾、萃取和浸取、結晶、吸附和離子交換、色譜分離法、膜分離、非均一系的分離。考試試卷主要包括以下題型：選擇填空、名詞解釋、簡答題、計算題，各類題型的比例為：選擇填空佔30—40%、名詞解釋佔10%、簡答題佔20—30%、計算題佔10—20%。

Ⅳ 離子交換樹脂的工作交換容量怎麼計算

離子交換樹脂的交換容量如何計算？

1.陽樹脂工作交換回容量計算公式答：Qa=(A+S)V/VR

Qa：陽樹脂的工作交換容量，單位為mol/m³

A：陽床平均進水鹼度，單位為mmol/l

S:陽床平均出水酸度，單位為mmol/l

V:周期制水總量,單位為m³

VR：床內樹脂體積（逆流再生則不含壓脂層體積），單位為m³

2.陰樹脂工作交換容量計算公式：Qk=（S+〔CO2〕+〔SiO2〕）V/VR

Qk：陰樹脂工作交換容量，

〔CO2〕：陰床進水平均CO2濃度，單位為mmol/l;

〔SiO2〕：陰床進水平均SiO2濃度，單位為mmol/l;

S、V、VR同陽樹脂工作交換容量公式；

Ⅳ 生物分離工程可分為幾大部分，分別包括哪些單元操作

全書共十章，包括發酵液的預處理、細胞的分離、沉澱、萃取、膜技術、吸附與離子交換、色譜技術、離心、生物產品的濃縮結晶與乾燥等生物產品分離純化過程所涉及的全部技術內容。本書通俗易懂、深入淺出，可讀性較強。

本書可作為高等院校相關專業本科生的教材，也可供從事生物分離工程工作及研究的有關人員參考。

前言

第一章 緒論

第一節 生物分離工程的性質、內容與分類

一、生物分離工程的性質

二、生物分離工程的研究內容

三、生物分離過程的分類

第二節 生物分離工程的一般流程

一、發酵液的預處理

二、產物的提取

三、產物的精製

四、成品的加工處理

五、生物分離純化工藝過程的選擇依據

第三節 生物分離過程的特點

一、生物分離過程的體系特殊

二、生物分離過程的工藝流程特殊

三、生物分離過程的成本特殊

第四節 生物分離工程的發展趨勢

一、生物分離工程的發展趨勢

二、生物分離工程研究應注意的問題

思考題

第二章 發酵液的預處理

第一節 發酵液預處理的方法

一、發酵液的一般特徵

二、發酵液預處理的目的和要求

三、發酵液預處理的方法

第二節 發酵液的過濾，

一、發酵液過濾的目的

二、影響發酵液過濾的因素

三、發酵液過濾的方法

四、提高過濾性能的方法

五、過濾介質的選擇

六、過濾操作條件優化

七、過濾設備

思考題

第三章 細胞分離技術

第一節 細胞分離

一、過濾

二、離心沉降

第二節 細胞破碎

一、細胞壁的結構

二、細胞破碎動力學

三、細胞破碎的方法

第三節 胞內產物的溶解及復性

一、包含體及其形成

二、包含體的分離和溶解

三、蛋白質復性

思考題

第四章 沉澱技術

第一節 概述

第二節 蛋白質表面性質

一、蛋白質表面的親水性和疏水性

二、蛋白質表面的電荷

三、蛋白質膠體的穩定性

第三節 蛋白質沉澱方法

一、鹽析法

二、有機溶劑沉澱法

三、等電點沉澱法

四、非離子多聚物沉澱法

五、變性沉澱

六、生成鹽類復合物的沉澱

七、親和沉澱

八、SIS聚合物與親和沉澱

第四節 沉澱技術應用

一、蛋白質

二、多糖

三、茶皂甙純化工藝研究

四、杜仲水提液中氯原酸的提取

思考題

第五章 萃取技術

第一節 基本概念

一、萃取的概念、特點及分類

二、分配定律

三、分配系數、相比、分離系數

第二節 液液萃取的基本理論與過程

一、液液萃取的基本原理

二、液液萃取類型及工藝計算

第三節 有機溶劑萃取

一、有機溶劑萃取分配平衡

二、影響有機溶劑萃取的因素

三、有機溶劑萃取的設備及工藝過程

第四節 雙水相萃取

一、雙水相體系的形成

二、相圖

三、雙水相中的分配平衡

四、影響雙水相分配系數的主要因素

五、雙水相萃取的設備及工藝過程

第五節 液膜萃取

一、液膜及其分類

二、液膜萃取機理

三、液膜分離操作

四、乳化液膜分離技術的工藝流程

五、液膜分離過程潛在問題

六、液膜分離技術的應用

第六節 反膠團萃取

一、膠團與反膠團

二、反膠團萃取

三、反膠團制備

四、反膠團萃取的應用

第七節 液固萃取

一、液固萃取過程

二、液固萃取類型

三、浸取的影響因素

四、浸取的其他問題

五、浸取的工業應用

第八節 超臨界流體萃取

一、超臨界流體

二、超臨界流體萃取

三、超臨界萃取的實驗裝置與萃取方式

四、超臨界流體萃取條件的選擇

五、超臨界流體萃取的基本過程

六、超臨界流體萃取的應用實例

第九節 萃取技術應用及研究進展

一、雙水相萃取技術應用及研究進展

二、液膜萃取技術應用及研究進展

三、反膠團萃取技術應用及研究進展

四、超臨界流體萃取技術應用及研究進展

思考題

第六章 膜分離過程

第一節 概述

一、膜分離過程的概念和特徵

二、膜過程分類

三、分離膜

第二節 壓力驅動膜過程

一、反滲透和納濾

二、超濾和微濾

第三節 電推動膜過程——電滲析

一、電滲析的基本原理

二、電滲析傳遞過程及影響因素

三、電滲析膜

四、應用

第四節 膜接觸器——膜萃取

一、膜萃取的基本原理

二、膜萃取的傳質過程

三、膜萃取過程影響因素

四、應用

第五節 其他膜分離過程

一、濃差推動膜過程——滲透蒸發

二、溫差推動膜過程——膜蒸餾

第六節 膜分離過程裝置

一、濾筒式膜組件

二、板框式膜組件

三、螺旋卷式膜組件

四、管式膜組件

五、毛細管式膜組件

六、中空纖維式膜組件

思考題

第七章 吸附與離子交換

第一節 概述

一、吸附過程

二、吸附與離子交換的特點

第二節 吸附分離介質

一、吸附劑

二、離子交換劑

第三節 吸附與離子交換的基本理論

一、吸附平衡理論

二、影響吸附的主要因素

三、離子交換平衡理論

第四節 基本設備與操作

一、固定床吸附操作

二、移動床吸附器

三、膨脹床吸附操作

四、流化床吸附操作

五、吸附器凈化效率的計算與選擇

思考題

第八章 色譜分離技術

第一節 色譜分離技術概述

一、色譜技術的基本概念

二、色譜法的分類

三、色譜系統的操作方法

第二節 吸附色譜法

一、吸附色譜基本原理

二、吸附薄層色譜法

三、吸附柱色譜法

第三節 分配色譜法

一、基本原理

二、分配色譜條件

三、分配色譜基本操作

四、分配色譜法的應用

第四節 離子交換色譜法

一、離子交換色譜技術的基本原理

二、離子交換劑的類型與結構

三、離子交換劑的理化性能

四、離子交換色譜基本操作

五、離子交換色譜的應用

第五節 親和色譜

一、親和色譜概述

二、親和色譜原理

三、親和色譜介質

四、親和色譜介質的制備

五、親和色譜的操作過程

六、影響親和色譜的因素

第六節 色譜分離技術的應用

一、親和色譜的應用

二、離子交換色譜的應用

三、吸附色譜的應用

四、分配色譜的應用

五、多種色譜技術的組合應用

思考題

第九章 離心技術

第一節 離心分離原理

一、離心沉降原理

二、離心過濾原理

第二節 離心分離設備

一、離心分離設備概述

二、離心沉降設備

三、離心過濾設備

四、離心分離設備的放大

第三節 超離心技術

一、超速離心技術原理

二、超速離心技術分類

三、超速離心設備

第四節 離心技術在生物分離中的應用

一、離心技術在生物分離應用中的注意事項

二、離心分離的優缺點

三、離心機的選擇

四、離心在生物分離中的應用

思考題

第十章 濃縮、結晶與乾燥

第一節 蒸發濃縮工藝原理與設備

一、蒸發濃縮工藝

二、蒸發濃縮設備

第二節 結晶工藝原理和設備

一、結晶操作工藝原理

二、結晶設備

第三節 乾燥工藝原理與設備

一、乾燥工藝原理

二、乾燥設備

思考題

Ⅵ 現代分離技術的圖書目錄

第1章 緒論
1.1 分離過程的演變歷程
1.1.1 分離工程的起源
1.1.2 分離工程的發展
1.2 分離工程學科
1.2.1 分離工程學科的構架
1.2.2 分離工程學科與其他學科的關系
1.3 分離過程的分類
1.3.1 有相產生或添加的分離過程
1.3.2 有分離介質的分離過程
1.3.3 採用固體分離劑的分離過程
1.3.4 有外加場的分離過程
參考文獻
第2章 料液的預處理與固液分離
2.1 預處理
2.Ll加熱
2.1.2 凝聚和絮凝
2.1.3 其他預處理方法
2.2 固液分離
2.2.1 影響固液分離的因素
2.2.2 沉降
2.2.3 離心
2.2.4 過濾
習題
參考文獻
第3章 多組分精餾
3.1 設計變數的確定
3.1.1 單元的設計變數
3.1.2 設備的設計變數
3.2 多組分物系泡點和露點的計算
3.2.1 多組分系統的泡點計算
3.2.2 多組分系統的露點計算
3.3 多組分精餾的簡捷計算
3.3.1 多組分精餾過程分析
3.3.2 最小迴流比
3.3.3 最少理論塔板數和組分分配
3.3.4 實際迴流比和理論板數
3.3.5 多組分精餾塔的簡捷計算方法
3.4 多組分精餾的嚴格計算
3.4.1 平衡級的理論模型
3.4.2 三對角線矩陣法
3.5 氣液傳質設備的效率
3.5.1 氣液傳質設備處理能力的影響因素
3.5.2 氣液傳質設備的效率及其影響因素
3.5.3 氣液傳質設備效率的估算方法
習題
參考文獻
第4章 特殊精餾技術
4.1 共沸精餾
4.1.1 共沸物的特性和共沸組成的計算
4.1.2 共沸精餾共沸劑的選擇
4.1.3 分離共沸物的雙壓精餾過程
4.1.4 共沸精餾流程
4.1.5 共沸精餾計算簡介
4.2 萃取精餾
4.2.1 萃取精餾基本概念
4.2.2 萃取精餾溶劑選擇
4.2.3 萃取精餾流程及舉例
4.2.4 萃取精餾計算簡介
4.3 加鹽精餾
4.3.1 氣液平衡的鹽效應及溶鹽選擇
4.3.2 溶鹽精餾
4.3.3 加鹽精餾
4.4 反應精餾
4.4.1 反應精餾類型
4.4.2 反應精餾過程
習題
參考文獻
第5章 新型萃取技術
5.1 雙水相萃取
5.1.1 雙水相體系
5.1.2 大分子和顆粒在雙水相體系中的分配
5.1.3 雙水相萃取在生物技術中的應用
5.1.4 雙水相萃取過程及設備
5.2 超臨界流體萃取
5.2.1 超臨界流體及其性質
5.2.2 超臨界流體萃取的工藝和設備
5.2.3 超臨界流體的應用
習題
參考文獻
第6章 吸附與離子交換
6.1 吸附現象與吸附劑
6.1.1 吸附現象
6.1.2 吸附劑
6.2 吸附平衡與速率
6.2.1 吸附等溫線
6.2.2 單組分氣體(或蒸氣)的吸附平衡
6.2.3 雙組分氣體(或蒸氣)的吸附平衡
6.2.4 液相吸附平衡
6.2.5 吸附速率
6.3 固定床吸附過程
6.3.1 固定床吸附器
6.3.2 固定床吸附器的流程及操作
6.3.3 固定床吸附器的設計計算
6.4 變壓吸附過程
6.4.1 變壓吸附操作原理
6.4.2 變壓吸附循環流程
6.4.3 變壓吸附過程計算和工藝條件
6.5 離子交換過程
6.5.1 離子交換樹脂
6.5.2 離子交換原理
6.5.3 離子交換樹脂的選用
6.5.4 離子交換過程設備與操作
6.5.5 離子交換過程計算
習題
參考文獻
第7章 膜分離過程
7.1 反滲透
7.1.1 反滲透的原理
7.1.2 描述反滲透過程的數學模型
7.1.3 反滲透工藝
7.1.4 反滲透的應用
7.2 納濾
7.2.1 納濾過程
7.2.2 納濾分離機理和分離規律
7.2.3 納濾過程的數學描述
7.2.4 NF膜的種類
7.3 微濾和超濾
7.3.1 過程特徵和膜
7.3.2 濃差極化和膜污染
7.3.3 預測滲透通量的數學模型
7.3.4 微濾和超濾的組件和工藝
7.3.5 工業應用
7.4 電滲析
7.4.1 電滲析過程
7.4.2 電滲析中的傳遞
7.4.3 電滲析工藝
7.4.4 電滲析的應用
7.5 滲透汽化
7.5.1 滲透汽化過程
7.5.2 滲透汽化中的傳質
7.5.3 滲透汽化模型和計算
7.5.4 滲透汽化的應用
習題
參考文獻
第8章 薄層色譜、柱色譜和紙色譜
8.1 薄層色譜法
8.1.1 吸附劑
8.1.2 鋪層及活化
8.1.3 點樣
8.1.4 展開
8.1.5 顯色
8.1.6 比移值
8.2 紙色譜法
8.2.1 點樣
8.2.2 展開
8.3 柱色譜法
8.3.1 吸附劑
8.3.2 溶劑
8.3.3 裝柱
習題
參考文獻
第9章 結晶
9.1 結晶過程的原理
9.2 晶核形成與晶體生長
9.2.1 初級成核
9.2.2 二次成核
9.2.3 晶體的生長
9.3 工業結晶過程
9.3.1 常用的工業起晶方法
9.3.2 過飽和度的形成與維持
9.3.3 簡單結晶過程的計算
9.4 晶體的質量控制
9.4.1 晶體質量的內容及影響因素
9.4.2 產品的結塊
9.4.3 重結晶
9.5 結晶設備
9.5.1 冷卻結晶器
9.5.2 蒸發結晶器
9.5.3 真空結晶器
9.5.4 鹽析與反應結晶器
9.5.5 結晶器的選擇
習題
參考文獻
第10章 綜合實例
10.1 工業實例1:乙二醇的生產
10.1.1 概述
10.1.2 乙二醇的生產方法概述
10.1.3 乙二醇的直接水合法生產流程
10.1.4 流程中涉及的分離過程
10.1.5 安全、能耗和環保問題
10.2 工業實例2:頭孢菌素C的分離與提純
10.2.1 CPC的物化性質
10.2.2 CPC鹽生產工藝
10.2.3 CPC的生產環節
10.2.4 工藝特點
習題
參考文獻
第11章 Aspen Plus在化工分離計算中的應用
11.1 Aspen Plus簡介
11.1.1 Aspen Plus的主要功能和特點
11.1.2 Aspen Plus的物性資料庫
11.1.3 Aspen Plus的熱力學模型
11.1.4 Aspen Plus的物性分析工具
11.1.5 Aspen Plus的單元模型庫
11.2 Aspen Plus基本操作
11.2.1 Aspen Plus的啟動
11.2.2 Aspen Plus的流程設置
11.2.3 物流數據及其他數據的輸入
11.2.4 結果的輸出
11.2.5 靈敏度分析和設計規定
11.2.6 物性分析和物性估算
11.2.7 物性數據回歸
11.3 Aspen Plus塔設備計算中的單元模塊
11.3.1 DSTWU模塊
11.3.2 RadFrac模塊
11.4 Aspen Plus應用實例
11.4.1 二元混合物連續精餾的計算
11.4.2 三元混合物連續精餾的計算
11.4.3 乙醇－水－苯恆沸精餾的計算
習題
參考文獻

Ⅶ 吸附法和離子交換法

以各類陰、陽離子交換樹脂為固定相的離子交換法，以萃淋樹脂為固定專相的萃淋法，以螯合樹屬脂、螯合纖維、活性炭、聚氨酯泡沫塑料、巰基棉及黃原脂棉等固定相的螯合-吸附法以廣泛用於貴金屬的分離與富集。

在HCl介質中，貴金屬氯配陰離子與陰離子交換樹脂相互作用的強度決定於配陰離子的電荷數，其中雙電荷的［PtCl₄］^2-、［PdCl₄］^2-、［PtCl₆］^2-、［IrCl₆］^2-、［RuCl₆］^2-、［OsCl₆］^2-牢固地吸附於樹脂上，而三電荷的［IrCl₆］^3-、［RhCl₆］^3-、［RuCl₆］^3-僅有很弱的親和力。銠、釕的配合物。由於其配合物在溶液中電荷的可變性，因此它們的吸附強度也隨其電荷數而變化。在實際應用中應考慮這一特性。

Ⅷ 陽離子交換質量作用方程

（一）陽離子吸附親合力

就特定的固相物質而言，陽離子吸附親合力是不同的。影響陽離子吸附親合力的因素主要是；（1）同價離子，其吸附親合力隨離子半徑及離子水化程度而差異，一般來說，它隨離子半徑的增加而增加，隨水化程度的增加而降低；離子半徑越小，水化程度越高。例如Na⁺、K⁺、NH₄＋的離子半徑分別為0.98、1.33和1.43Å，其水化半徑分別為7.9、5.37和5.32Å；他們的親合力順序為NH₄＋>K⁺>Na⁺。（2）一般來說，高價離子的吸附親合力高於低價離子的吸附親合力。

按各元素吸附親合力的排序如下：

水文地球化學基礎

上述排序中，H⁺是一個例外，它雖然是一價陽離子，但它具有兩價或三價陽離子一樣的吸附親合力。

值得注意的是，上述排序並不是絕對的，因為陽離子交換服從質量作用定律，所以吸附親合力很弱的離子，只要濃度足夠大，也可以交換吸附親合力很強而濃度較小的離子。

（二）陽離子交換質量作用方程

按質量作用定律，陽離子交換反應可表示為：

水文地球化學基礎

式中，K_A-B為陽離子交換平衡常數，A和B為水中的離子，A_x和B_x為吸附在固體顆表面的離子，方括弧表示活度。

以Na-Ca交換為例，其交換反應方程為：

水文地球化學基礎

（1.146）式表明，交換反應是等當量交換，是個可逆過程；兩個鈉離子交換一個鈣離子。如果水中的Na⁺交換已被吸附在固體顆粒表面的Ca²⁺（即Cax），則反應向右進行；反之，則向左進行。如反應向右進行，那麼，就鈣離子而言，是個解吸過程；就鈉離子而言，是個吸附過程。所以，陽離子交換反應，實際上是一個吸附－解吸過程。

在地下水系統中，Na-Ca交換是一種進行得最廣泛的陽離子交換。例如，當海水入侵到淡水含水層時，由於海水Na⁺遠高於淡水，而且淡水含水層顆粒表面可交換性的陽離子主要是Ca²⁺，因此產生海水中的Na⁺與顆粒表面的Ca²⁺產生交換，形成Na⁺被吸附而Ca²⁺被解吸，方程（1.146）向右進行。又如，如果在某個地質歷史里，淡水滲入海相地層，按上述類似的機理判斷，則產生Na⁺被解吸Ca²⁺被吸附的過程，方程（1.146）向左進行。

Na-Ca交換反應方向的判斷，以及對地下水化學成分的影響，仍至對土壤環境的影響，是水文地球化學及土壤學中一個很重要的問題，後面將作更詳細的介紹。

上述（1.145）式中都使用活度，水中的A和B離子活度可以按第一節所提供的方法求得，但如何求得被吸附的陽離子（A_x和B_x）的活度，目前還沒有太滿意的解決辦法。萬賽羅（Vanselow,1932）^〔7〕提出，規定被吸附離子的摩爾分數等於其活度。

摩爾分數的定義為：某溶質的摩爾分數等於某溶質的摩爾數與溶液中所有溶質摩爾數和溶劑摩爾數總和之比。其數學表達式如下

水文地球化學基礎

式中，x_B為B組分的摩爾分數，無量綱；m_A為溶劑的摩爾數（mol/L）;m_B、m_C、m_D、……為溶質B、C、D……的摩爾數（mol/L）。就水溶液而言，溶劑是水，1mol H₂O=18g,lL H₂O=1000g，所以l升溶劑（H₂O）的摩爾數＝1000/18=55.56mol/L。

按照上述摩爾分數的定義，A_x和B_x的摩爾分數的數學表達式為：

水文地球化學基礎

式中，N_A和N_B分別為被吸附離子A和B的摩爾分數；（A_x）和（B_x）分別為被吸附離子A和B的摩爾數（mol/kg）。

以摩爾分數代替被吸附離子A和B的活度。則（2.145）的交換平衡表達式可寫成：

水文地球化學基礎

式中，

稱為選擇系數，其他符號含義同前。選擇系數已為許多學者所應用。從理論上講，該方程（1.150式）提供了一個預測陽離子交換反應對地下水陽離子濃度影響的有效方法。

從理論上講，

基本上是一個常數，但隨水的離子強度的改變，稍有變化。它的數值的大小，能說明各種離子在競爭吸附中，優先吸附何種離子。如

說明B離子比A離子更易被吸附；反之，則相反。選擇系數方面的信息在文獻中已很普遍。就

來說，在（Mgx）/（Cax）和水中離子強度變化比較大的范圍內，

在0.6—0.9間，變化很小。

值的范圍說明，Ca²⁺比Mg²⁺更易被吸附。

在研究陽離子交換反應時，人們關心的問題是，在地下水滲流過程中，從補給區流到排泄區，由於陽離子交換反應，地下水中的陽離子濃度將會產生何種變化？為了簡化問題起見，假定其他反應對陽離子濃度的變化都可忽略，那麼從理論上講，地下水從原來的地段進入一個具有明顯交換能力的新地段後，必然會破壞其原有的陽離子交換平衡，而調整到一個新的交換平衡條件。達到新的平衡後，其陽離子濃度的變化主要取決於：（1）新地段固體顆粒表面各種交換性陽離子的濃度，以及它們互相間的比值；（2）進入新地段地下水的原有化學成分，特別是陽離子濃度。隨著地下水的不斷向前流動，陽離子交換平衡不斷被打破，又不斷地建立新的平衡。其結果是，不但水的陽離子濃度變化了，含水層固體顆粒表面有關的交換性陽離子濃度也改變了。為了定量地說明上述理論上的判斷，特列舉下列例題的計算。

例題1.8

在某一地下水流動系統中，有一段具有明顯陽離子交換能力且含有大量粘土礦物的地段，試利用陽離子交換質量平衡方程（2.150），計算地下水達到新的交換平衡後，水中Ca²⁺和Mg²⁺濃度的變化，含水層粘土礦物顆粒表面交換性陽離子（被吸附的陽離子）濃度的變化。

假定：（1）含粘土礦物地段的陽離子交換容量為100meq/100g，交換性陽離子只有Ca²⁺和Mg²⁺，且Cax=Mgx，即Cax=Mgx=50meq/100g;（2）進入該地段前，地下水中的Ca²⁺和Mg²⁺濃度也相等，即Ca²⁺=Mg²⁺=1×10^-3mol/L;（3）該含水層地段的有關參數：孔隙度n=0.33；固體顆粒密度ρ=2.65g/cm³;（4）地下水與該地段粘土礦物顆粒相互作用後，達到平衡時，選擇系數

計算步驟：

（1）求新的地下水進入該地段前的N_Ca和N_Mg

按題意所給，Cax=Mgx=50meq/100g。把它們換算為以mol/g表示，則Cax=Mgx=0.25×10^-8mol/g；將此數據代入（1.149）式，則

N_Ca=N_Mg=0.5

（2）求新的地下水剛進入該地段時，起始狀態的

值

按質量作用定律，Ca-Mg交換方程為：

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交換平衡後，雖然各自的摩爾分數有所增減，但其總數仍然不變，即N_Ca+N_Mg=1。

設達到新交換平衡時，N_Ca=Y，那麼，N_Mg=1-Y。

把上述假設代入（1.151）式，則

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因達到新的交換平衡時，

把它代入（1.152）式，經整理後，得：

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因達到新交換平衡時，Cax和Mgx雖然有變化，那其總和仍然不變，即Cax+Mgx=0.5。設那時的Cax=Z，那麼：

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把（1.154）式代入（1.153）式，得：

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由於達到交換平衡前後，固相中的交換性鈣離子（Cax）和液相中的溶解鈣離子的總和不變。就一升水及其所接觸的岩土而論，達到交換平衡前，一升水的Ca²⁺為1mmol；岩土中的Cax=0.25mmol/g，－升水所佔據的岩土體積＝5379.5g。達交換平衡後，一升水的Ca²⁺摩爾數為x，岩土中交換性鈣離子（Cax）濃度為Z。那麼，其均衡方程為：

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式的左邊，為交換平衡前固液相中鈣離子總量（mmol）；式的右邊，為交換平衡後固液相中鈣離子總量（mmol）。

整理（1.156）式，得：

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把（1.157）式代入（1.155）式，整理後得：

水文地球化學基礎

解方程（1.158），得：

Z=0.250046，即交換平衡後，Cax=0.250046mmol/g

那麼，Mgx=0.5-0.250046=0.249954mmol/L

按上述計算摩爾分數的方法，得：

N_Ca=0.50009,N_Mg=0.49991

把所算得的Z值代入（1.157），得：

x=0.7525，即交換平衡後，〔Ca²⁺〕＝0.7525mmol/L

那麼，〔Mg²⁺〕＝2-0.7525=1.2475mmol/L

上述計算結果說明，當新的地下水通過交換地段，達到交換平衡時，吸附的陽離子（Ca²⁺和Mg²⁺）的濃度或摩爾分數的比值變化極小；相比之下，地下水中Ca²⁺和Mg²⁺的濃度變化很大，〔Mg²⁺〕/〔Ca²⁺〕從1約增至1.7。如果隨後進入該地段的地下水〔Mg²⁺〕/（Ca^2＋）仍然是1的話，地下水再次破壞了剛建立起來的交換平衡，交換反應又繼續進行，直至N_Mg/N_Ca=O.6為止。此時，新流入地下水的Ca²⁺和Mg²⁺的濃度才不會改變。然而，要達到此種狀態，必需通過無數個孔隙體積的水，甚至要幾百萬年時間才能完成。

上述計算還說明，陽離子的交換方向，從左向右進行（2.151式），水中的Ca²⁺被吸附，而固相表面所吸附的Mg²⁺不斷被解吸。交換反應方向不僅取決於水中兩種離子的濃度比，同時也取決於吸附離子的摩爾分數比。如若交換的起始條件為N_Mg=0.375和N_Ca=0.625，流入的水，其鈣鎂活度比為1，那麼流過該地段的地下水，其Ca²⁺和Mg²⁺的濃度就沒有變化了。如若交換的起始條件為N_Mg/N_Ca＜0.6，其交換方向則與上述相反，從右向左進行（2.151式）。

（三）地下水系統中的Na-Ca交換

地下水中Na-Ca交換在地下水化學成分形成和演變過程中，是一個很重要的陽離子交換過程，它無論在深層地下水形成和演變，或者在淺層潛水水化學成分的改變，特別是硬度升高等方面，都具有重要意義；在土壤科學中，它對鹽鹼土的形成，也有重要作用。

地下水系統中，固液相間的Na-Ca交換也服從質量作用定律，但其質量作用方程的表達形式不同。其交換反應如下：

水文地球化學基礎

（2.159）反應最常用的質量作用方程是Gappn方程：

水文地球化學基礎

在Gapon方程的基礎上，又有許多學者提出類似於此方程的各種表達式。例如，美國鹽實驗室^〔17〕在研究灌溉水與土壤間的Na-Ca交換時，提出類似於Gapon方程的表達式：

水文地球化學基礎

式中，Nax為達到交換平衡時土壤的交換性鈉量（meq/100g）;CEC為土壤的陽離子交換容量（meq/100g）;Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺是達交換平衡時水中這些離子的濃度（meq/L）;K為平衡常數。

（1.161）式左邊項表示為：

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式中的ESR稱為「交換性鈉比」。

（1.16l）式右邊項表示為：

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式中的「SAR」稱為鈉吸附比，它是Na-Ca交換中一個很重要的參數。（1.161）式可改寫成：

水文地球化學基礎

（1.164）式說明，ESR與SAR線性相關，水中的SAR越高，岩土中的ESR值也越大，岩土中的Nax也越高。許多學者通過岩土的Na-Ca交換試驗，得出了有關回歸方程，列於表1.20。

表1.20Na-Ca交換的回歸方程

表1.20中的Na-Ca交換方程是實驗方程，應用起來當然有其局限性。其中，美國鹽實驗室的回歸方程是用美國西部12個土壤剖面59個土樣試驗得出的，所以其代表性較好。盡管有其局限性，但是，應用此類方程判斷Na-Ca交換的方向，定量化計算其交換量，還是比較有效的。表1.21的數據充分說明這一推斷。

表1.21Na-Ca試驗中某些參數的變化^〔2〕

表1.21中是一組Na-Ca交換試驗數據，其中包括實測值與計算值的對比。表中的數據可說明以下幾點；

（1）Na-Ca交換反應方向取決於水中的起始SAR值，及岩土中的起始ESR值。例如，用SAR值分別為0.73和9.81的水淋濾ESR值為0.046的同一種土壤時，淋濾後，前者的（Cax+Mgx）從8.56增至8.76meq/100g，水中的Ca²⁺和Mg²⁺被吸附，而固體顆粒表面的交換性Na⁺解吸到水中，按（1.159）式，其交換反應方向朝左進行；相反，後者的（Cax+Mgx）從8.56減至7.52meq/100g，水中的Na⁺被吸附，而固體顆粒表面的交換性Ca²⁺和Mg²⁺解吸進入水中，按（1.159）式，其交換反應向右進行。如果起始條件已知，即水中的SAR值及岩土中的ESR值已知，也可判斷其反應方向。例如，把表1.21中的SAR值0.73和9.81分別代入表1.20中的3號方程，ESR值的計算值分別為0.038和0.1379。前者的ESR計算值（0.038）小於土壤的起始ESR值（0.046，見表1.21），反應按（1.159）式向左進行；後者的SER計算值（0.1379）明顯大於土壤的起始ESR值（0.046），反應按（1.159）式向右進行。也就是說；如果ESR計算值小於岩土的ESR值，反應向左進行；反之，則相反。當然，如果土壤的起始ESR值為0.038，與S₄R值為0.73的水相互作用時，Na-Ca交換處於平衡狀態，水中的Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺濃度不會改變。表1.22是現場試驗結果，結果說明，SAR值越高，固體表面解吸出來的Ca²⁺和Mg²⁺就越多，水的硬度增加就越大。這些數據充分證明了上述理論。

表1.22SAR值不同的污水現場試驗結果^〔2〕

註：硬度以CaCO₃計（mg/L）。

（2）把Na-Ca交換方程應用於實際是比較可靠的。表1.21中（Cax+Mgx）的實測值及計算值相差很小，說明了這一點。其計算方法如下：以計算SAR=0.73的水為例，將0.73代入表1.20中的方程3，求得ESR=0.038；將此值及CEC值（8.96）代入（1.162）式，求得Nax=0.328meq/100g；將CEC值減去Nax值，即為（Cax+Mgx）值（因為土中吸附的陽離子主要是Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺），其值為8.63meq/100g。

SAR值不僅在研究Na-Ca交換反應中是重要的，而且它是灌溉水質的一個重要參數。前面談到，SAR高的水，在水岩作用過程中，引起水中的Na⁺被吸附到固相顆粒表面上，2個Na⁺交換一個Ca²⁺或Mg²⁺（等當量交換）。因為2個Na₂＋的大小比一個Ca²⁺或Mg²⁺大，因而引起土壤的透氣性減小，產生板結及鹽鹼化。有關SAR值的灌溉水質標准可參考有關文獻。本書不詳述。

Ⅸ 環保類的中級專業技術資格考試（職稱考試）有計算題嗎

2013北京中級職稱考試真題 環境污染與防治專業 水污染防治方向 第一部分：基礎理論 ¾ 判斷題（10題10分）：水循環的理解、固廢的分類、固廢的定義、粉塵的密 度、一些主要概念的理解…… ¾ 單選題（10題10分）：固體廢物全過程管理的等級順序、除塵器的分類…… ¾ 多選題（10題20分）：膜技術的種類、過濾常見的顆粒介質、氧化塘的類型、 粉塵的流動性指標、催化劑失活、固廢處置基本要求、固廢的預處理方法…… ¾ 簡答題（2題10分）：我國低濃度二氧化硫的主要來源及控制方法；固體廢 棄物管理的基本原則及其含義。 ¾ 計算題（1題5分）：污泥負荷的計算
第二部分：專業理論 ¾ 判斷題（10題10分）：涉及氧化、沉澱、上浮、離子交換、吸附、過濾中和 等方法或概念的理解…… ¾ 單選題（5題5分）：接觸氧化的填料、厭氧微生物對氮磷營養物的要求、2 道有關活性污泥微生物…… ¾ 多選題（5題10分）：污泥厭氧消化的種類、生物脫氮的原理過程、表面曝 氣的種類、城市污泥的最終處置方法、SBR工藝種類。 ¾ 簡答題（3題15分）：序批式活性污泥法的運行模式；厭氧生物法的優點； A/A/O工藝流程及各個池體的作用。 ¾ 計算題（1題5分）：根據容積負荷求曝氣池容積、根據含水率求污泥濃縮前 後的體積比。