吸附与离子交换计算题

Ⅰ 离子交替吸附作用

离子交替吸附作用主要发生在具有固定电荷的固体矿物表面，无论是阳离子还是阴离子，均可发生交替吸附作用，但目前研究得较多的是阳离子交替吸附作用。离子交替吸附作用的一个重要特点就是，伴随着一定量的一种离子的吸附，必然有等当量的另一种同号离子的解吸（图2-5-4）。离子交替吸附作用之所以具有这样的特点，主要是由于吸附剂通常都具有一定的离子交换容量，因此这里首先对离子交换容量予以讨论。

图2-5-3 有机质表面的负电荷

图2-5-4 阳离子交替吸附作用图解

2.5.2.1 离子交换容量

离子交换容量包括阳离子交换容量（CEC—Cation Exchange Capacity）和阴离子交换容量（AEC—Anion Exchange Capacity），我们主要讨论阳离子交换容量，它被定义为每100 g干吸附剂可吸附阳离子的毫克当量数。例如，在蒙脱石的结晶格架中，铝八面体中的三价铝可被二价镁所置换，根据测定，每摩尔蒙脱石中镁的含量为0.67 mol，即蒙脱石的分子式为：Si₈Al_3.33Mg_0.67O₂₀（OH）₄。已知蒙脱石的分子量是734 g，因此这种蒙脱石的阳离子交换容量为：

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在实际中，通常都是通过实验来测定吸附剂的阳离子交换容量。尤其是对于野外所采取的土样或岩样，由于其中含有多种吸附剂，实验测定往往是唯一可行的方法。阳离子交换容量的实验测定在多数情况下都是用pH为7的醋酸铵溶液与一定量固体样品混合，使其全部吸附格位被所饱和，然后用其他溶液（例如NaCl溶液）把被吸附的全部交换出来，达到交换平衡后，测定溶液中Na⁺的减少量，据此便可计算样品的阳离子交换容量。表252列出了一些粘土矿物及土壤的阳离子交换容量，由表可见，与土壤相比，矿物的阳离子交换容量有更大的变化范围。

松散沉积物的阳离子交换容量受到了多种因素的影响，主要有：

（1）沉积物中吸附剂的种类与数量。例如，我国北方土壤中的粘土矿物以蒙脱石和伊利石为主，因此其CEC值较大，一般在20 meq/100 g以上，高者达50 meq/100 g以上；而南方的红壤，由于其有机胶体含量少，同时所含的粘土矿物多为高岭石及铁、铝的氢氧化物，故CEC较小，一般小于20 meq/100 g。

表2-5-2 一些粘土矿物及土壤的阳离子交换容量

（2）沉积物颗粒的大小。一般来说，沉积物的颗粒越小，其比表面积越大，CEC值越高。例如，根据一河流沉积物的粒径及其CEC的实测结果，随着沉积物的粒径为从4.4μm增至1000μm，其CEC从14～65 meq/100 g变到4～20 meq/100 g，最终减小到0.3～13 meq/100 g。

（3）水溶液的pH值。一般来说，随着水溶液pH值的增加，土壤表面的可变负电荷量增多，其CEC相应增加；相反，随着水溶液pH值的减小，土壤表面的可变负电荷量不断减少，其CEC也随之减小。

2.5.2.2 阳离子交换反应及平衡

阳离子交换反应的一般形式可写为：

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式中：A^m+、Bⁿ⁺表示水溶液中的A、B离子；AX、BX表示吸附在固体表面的A、B离子。上述反应的平衡常数可写为：

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式中：a标记溶液中组分的活度；{}表示表示吸附在固体表面上的离子的活度。对于水溶液中的离子，其活度可使用表2-1-1中的公式进行计算；但对于吸附在固体表面上的离子，其活度的计算至今还没有满意的方法。目前主要采用两种替代的方法来处理这一问题，一种是Vanselow惯例，另一种是Gaines-Thomas惯例。Vanselow惯例是由Vanselow于1932年提出的，他建议使用摩尔分数来代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若固体表面仅吸附了A离子和B离子，在一定重量（100 g）的吸附剂表面A、B的含量（mmol）依次为q_A和q_B，则吸附剂表面A、B的摩尔分数分别为：

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显然，x_A+x_B=1。这样式（2-5-7）可改写为：

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Gaines-Thomas惯例是由Gaines和Thomas于1953年提出的，他们建议采用当量百分数来代替式（2-5-7）中的{AX}和{BX}。若用y_A和y_B分别表示吸附剂表面A、B的当量百分数，则有：

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同样，y_A+y_B=1，这样式（2-5-7）变为：

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目前，这两种惯例都还在被有关的研究者所使用，各有优点，互为补充。事实上，离子交换反应的平衡常数并不是一个常数，它往往随着水溶液的成分、pH值及固体表面成分的变化而变化，因此许多研究者认为将其称为交换系数（Exchange Coefficient）或选择系数（Selectivity Coefficient）更合适一些（Appelo，1994；Deutsch，1997；Benefield，1982；Kehew，2001）。

若已知两种不同离子与同一种离子在某种吸附剂中发生交换反应的交换系数，则可计算出这两种离子发生交换反应的交换系数。例如，若在某种吸附剂中下述反应：

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交换系数分别为K_Ca-Na和K_K-Na，则在该吸附剂中反应：

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的交换系数为：

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这是因为（以Vanselow惯例为例）：

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故有：

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表2-5-3列出了不同离子与Na⁺发生交换反应的交换系数（Vanselow惯例），据此便可按照上述的方法求得这些离子之间发生交换反应时的交换系数。

需要说明的是，在表2-5-3中，I离子与Na⁺之间交换反应的反应式为：

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表2-5-3 不同离子与Na⁺发生交换反应时的交换系数

其交换系数的定义式如下：

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【例】在某地下水系统中，有一段含有大量粘土矿物、因此具有明显阳离子交换能力的地段，假定：

（1）该地段含水层的阳离子交换容量为100 meq/100 g，含水层中的交换性阳离子只有Ca²⁺和Mg²⁺，初始状态下含水层颗粒中Ca²⁺、Mg²⁺的含量相等；

（2）在进入该地段之前，地下水中的Ca²⁺、Mg²⁺浓度相等，均为10^-3 mol/L；

（3）含水层的孔隙度为n=0.33，固体颗粒的密度为ρ=2.65 g/cm³；

（4）含水层中发生的阳离子交换反应为：

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不考虑活度系数的影响，其平衡常数（Vanselow惯例）为：

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试使用阳离子交换平衡关系计算，当地下水通过该地段并达到新的交换平衡后，水溶液中及含水层颗粒表面Ca²⁺、Mg²⁺浓度的变化。

【解】：设达到新的交换平衡后，含水层颗粒中Ca²⁺的摩尔分数为y、水溶液中Ca²⁺的浓度为x（mmol/L），则这时含水层颗粒中Mg²⁺的摩尔分数为1-y、水溶液中Mg²⁺的浓度为2-x（mmol/L），故有：

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整理得：

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已知含水层的CEC=100 meq/100g，因此对于二价阳离子来说，含水层颗粒可吸附的阳离子总量为50 mmol/100 g=0.5 mmol/g。若用z表示达到交换平衡后1 g含水层颗粒中Ca²⁺的含量，则有：

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以式（2-5-25）带入式（2-5-24）得：

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为了计算上述变化，需要对1 L水所对应的含水层中Ca²⁺的质量守恒关系进行研究。已知含水层的孔隙度为0.33，显然在这样的含水层中，1 L水所对应的含水层颗粒的体积为0.67/0.33（L），相应的含水层颗粒的质量为：

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故吸附作用前后1 L水所对应的含水层中Ca²⁺的质量守恒关系为：

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式中的0.25为吸附作用前1 g含水层颗粒中Ca²⁺的含量（mmol），由式（2-5-27）可得：

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以式（2-5-26）带入式（2-5-28）并整理得：

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这是一个关于z的一元二次方程，求解该方程可得：z=0.2500627 mmol/g。代z入式（2-5-25）和式（2-5-26）可得达到新的交换平衡后含水层颗粒中Ca²⁺的摩尔分数为0.5001254，水溶液中Ca²⁺的浓度为0.75 mmol/L，故这时含水层颗粒中Mg²⁺的摩尔分数为0.4998746、水溶液中Mg²⁺的浓度为1.25 mmol/L。由此可见，地下水通过该粘性土地段后，尽管Ca²⁺、Mg²⁺在含水层颗粒中的含量变化很小，但它们在地下水中的含量变化却较大，Mg²⁺从原来的1 mmol/L增加到了1.25 mmol/L，Ca²⁺则从原来的1 mmol/L减少到了0.75 mmol/L。

2.5.2.3 分配系数及离子的吸附亲和力

除了交换系数，还有一个重要的参数需要介绍，这就是分配系数（Separation Factor）（Benefield，1982）。对于反应（2-5-6），它被定义为：

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式中c_A和c_B分别为水溶液中A、B离子的摩尔浓度。显然，若不考虑活度系数的影响，对于同价离子间的交换反应，Q_A-B=K_A-B。式（2-5-29）可改写为：

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由式（2-5-30）可见，Q_A-B反映了溶液中B与A的含量之比与吸附剂表面B与A的含量之比之间的相对关系。当Q_A-B=1时，说明达到交换平衡时B与A在水溶液中的比例等于其在吸附剂表面的比例，因此对于该吸附剂，A和B具有相同的吸附亲和力；当Q_A-B＞1时，说明达到交换平衡时B与A在水溶液中的比例大于其在吸附剂表面的比例，因此A与B相比具有更大的吸附亲和力；当Q_A-B＜1时，说明达到交换平衡时B与A在水溶液中的比例小于其在吸附剂表面的比例，因此B与A相比具有更大的吸附亲和力。

事实上，即使对于同一阳离子交换反应，其分配系数也会随着水溶液性质的变化而变化（Stumm and Morgan，1996）。图2-5-5给出了Na—Ca交换反应的分配系数随Na⁺浓度的变化。沿着图中的虚线，Q_Na-Ca=1，这时Na⁺和Ca²⁺具有相同的吸附亲和力。但在稀溶液中，例如［Na⁺］=10^-3 mol/L和10^-2 mol/L，Ca²⁺在吸附剂中的比例要远大于其在水溶液中的比例，因此在这种情况下Ca²⁺具有更强的吸附亲和力。随着Na⁺浓度的增大，Ca²⁺的吸附亲和力逐渐减弱，Na⁺的吸附亲和力则逐渐增强，当［Na⁺］=2 mol/L时，Na⁺已经变得比Ca²⁺具有更强的吸附亲和力。Na—Ca交换反应分配系数的这种变化对于解释一些实际现象具有重要的意义，根据这种变化，我们可以推断淡水含水层中通常含有大量的可交换的Ca²⁺，而海水含水层中通常含有大量的可交换的Na⁺。这种变化关系也解释了为什么硬水软化剂能够选择性地去除Ca²⁺，同时通过使用高Na⁺浓度的卤水溶液进行冲刷而再生。

图2-5-5 溶液中Ca²⁺的含量对吸附作用的影响

根据离子交换反应的分配系数，可以定量地评价离子的吸附亲和力。一般来说，离子在土壤中的吸附亲和力具有下述的规律：

（1）高价离子比低价离子具有更高的吸附亲和力。例如，Al³⁺＞Mg²⁺＞Na⁺；＞。这是因为离子交换反应从本质上说是一个静电吸引过程，离子价越高，所受到的静电吸引力就越大，它就越容易被吸附剂所吸附。

（2）同价离子的吸附亲和力随着离子水化半径的减小而增大。例如，Ca²⁺＞Mg²⁺＞Be²⁺；＞K⁺＞Na⁺＞Li⁺。这是因为离子的水化半径越小，它越容易接近固体表面，从而也就越易于被固体所吸附。

Deutsch（1997）根据Appelo和Postma（1994）的资料，对二价阳离子的吸附亲和力进行了研究，他所得到了吸附亲和力顺序如下：

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在常见的天然地下水系统中，Ca²⁺和Mg²⁺通常为地下水中的主要阳离子，它们在水溶液中相对较高的含量将使其成为含水层颗粒表面的主要吸附离子，尽管一些微量元素可能更紧密地被吸附在含水层颗粒表面上。但在污染地下水系统中，若吸附亲和力更强的Pb²⁺和Ba²⁺的含量与Ca²⁺、Mg²⁺的含量在同一水平上，则含水层颗粒表面的主要吸附离子将变为Pb²⁺和Ba²⁺，这将大大地影响Pb²⁺和Ba²⁺在地下水中的迁移能力。

综合来讲，阳离子和阴离子的吸附亲和力顺序分别为（何燧源等，2000）：

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可见，阳离子中Li⁺和Na⁺最不易被吸附，阴离子中Cl^-和最不易被吸附。

离子交换对地下水质产生重要影响的一种常见情况就是海水入侵到淡水含水层中。当在沿海地带大量抽取含水层中的淡水时，海水将对含水层进行补给。初始状态下含水层颗粒表面吸附的主要是Ca²⁺和Mg²⁺，海水中的主要阳离子为Na⁺，阴离子为Cl^-。这样入侵的海水将导致含水层中发生下述的阳离子交换反应：

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由于Cl^-通常不易被吸附，也不参与其他的水岩作用过程。所以相对于Cl^-来说，该过程将使得Na⁺的迁移能力降低。

地下水系统中另一种常见的情况与上述过程相反，这就是Ca²⁺置换被吸附的Na⁺，反应式如下：

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人们在大西洋沿岸的砂岩含水层（Zack and Roberts，1988；Knobel and Phillips，1988）以及北美西部的沉积盆地中（Thorstenson等，1979；Henderson，1985）均发现了这种天然的软化过程。该反应发生的前提条件是：含水层中含有碳酸盐矿物，CO₂的分压较高，含水层颗粒中含有大量的可交换的Na⁺。

Ⅱ 请问有没有孙彦所编的《生物分离工程》的课后习题解答或者是分析之类的书

第一章 绪论
P8思考题：1、5、6
1、 生物分离工程：是指从发酵液、酶反应液或动植物细胞培养液中分离、纯化生物产品的过程。P1
2、 生物分离纯化过程的一般流程可分为几大部分?分别包括哪些单元操作？P4
答：一、发酵液的预处理（固液分离）：单元操作：过滤和离心；
二、产物的提取（初纯化）：单元操作：沉淀、吸附、萃取、超滤；
三、产物的精制（高度纯化）：单元操作：层析（包括柱层析和薄层层析）、离子交换、亲和色谱、吸附色谱、电色谱；
四、成品的加工处理：单元操作：浓缩、结晶和干燥；
3、 生物分离工程的特点有哪些？P6
答：①原料液体系非常复杂，杂质含量高，难于分离；②原料液一般为产物浓度很低的水溶液；③原料液抗环境变化能力差，容易变性失活；④分离过程必须保持目标物的生物活性；⑤分离粗产物纯度低，最终产品纯度要求极高，而对与人类生命息息相关的生物产物的质量要求必须达到国家相关标准；⑥常无固定操作方法可循；⑦分离操作步骤多，不易获得高收率；⑧对于基因工程产品，一般要求在密封环境下操作；⑨分离纯化过程代价昂贵，产品回收率低。

第二章 发酵液的预处理
1、 发酵液预处理的方法：P11
按预处理的目的分为：提高过滤速度的方法、改变发酵液性质的方法和杂质去除的方法
具体的方法有：凝集和絮凝、加热法、调节PH法、加水稀释法、加入助滤剂法、加吸附剂法或加盐法、高价态无机离子去除的方法、可溶性杂蛋白质去除的方法、色素及其他杂质去除的方法。
2、 凝集：指在投加的化学物质(如水解的凝集剂、铝、铁的盐类或石灰等)作用下，发酵液中的胶体脱稳并使粒子相互凝集成为1mm大小块状絮凝体的过程。P11
3、 絮凝：指某些高分子絮凝剂能在悬浮粒子之间产生桥梁作用，使胶粒形成粗大絮凝团的过程。P12
4、 具体方法中常采用的物质试剂：P14~15
调节PH法：一般采用草酸等有机酸或某些无机的酸碱；
高价态无机离子去除的方法：
①、 Ca2＋的去除：常采用的酸化剂为草酸；
②、 Mg2＋的去除：采用加入磷酸盐，是Mg＋生成磷酸镁沉淀的方法；
③、 Fe3＋的去除：采用加入黄血盐，生成普鲁士蓝沉淀的方法。
5、 影响发酵液过滤的因素：P17
一、 菌种：决定发酵液中各种悬浮粒子的大小和形状；
二、 发酵液黏度：通常发酵液黏度越大，分离速度越慢
影响其因素有：①发酵条件、②放罐时间、③发酵染菌、④发酵液的PH、温度
6、 错流过滤：料液流动方向与过滤介质平行的过滤，常用的过滤介质为微孔滤膜或超滤膜，主要适用于悬浮粒子细小的发酵液，如细菌发酵液的过滤。P18
7、 发酵液的过滤设备：
按过滤的推动力分为：重力式过滤器、压力式过滤器、真空式过滤器和离心式过滤器四种。P23
第三章 细胞分离技术
1、 细胞破碎的方法：P34 根据破碎机理不同，可分为：
⑴机械破碎法：珠磨法、高压匀浆法、超声波破碎法和其他类型的机械破碎法；
⑵物理破碎法：冻融法、低温玻璃化法；
⑶化学渗透法：酸碱法、盐法、表面活性剂处理、有机溶剂法、变性剂法、温和化学渗透剂处理；
⑷酶溶法：降解细胞壁。
2、 变性剂的作用：变性剂（如盐酸胍和脲）的加入，可削弱氢键的作用，使胞内产物相互之间的作用力减弱，从而易于释放。P38
3、 包含体：是聚集蛋白质形成的浓密颗粒（密度达1.3mg/ml），可在光学显微镜下观察到，直径可达μm级，呈无定形或类晶体。
4、 蛋白质复性：又称再折叠，是指变性蛋白质在变性剂去除或浓度降低后，就会自发地从变性的热不稳定状态向热稳定状态转变，形成具有生物学功能的天然结构。P42
复性方法：①稀释与透析复性法、②色谱复性技术、反胶束萃取复性法。
第四章 沉淀技术
1、 沉淀：又称为沉析，是指在溶液中加入沉淀剂使溶质溶解度降低，生成无定形固体从溶液中析出的过程。P48
2、 蛋白质沉淀方法：P51
盐析法、有机溶剂沉淀法、等电点沉淀法、非离子多聚物沉淀法、生成盐复合物法、选择性的变性沉淀、亲和沉淀及SIS聚合物与亲和沉淀等。
3、 盐析：蛋白质在高离子强度溶液中溶解度降低，以致从溶液里沉淀出来的现象。P51
4、 盐析原理：在蛋白质溶液中加入大量中性盐后，破坏蛋白质分子上的亲水基团与水分子作用形成的水化层，夺走水分子，破坏水膜，暴露出疏水区域，同时中和电荷，使颗粒间的相互斥力丧失，布朗运动加剧，导致蛋白质分子相互结合成聚集物而沉淀析出。P51
5、 影响盐析的因素：P52
① 蛋白质种类、②离子类型、③温度和PH、④盐的加入方式、⑤蛋白质的原始浓度。
6、脱盐处理的方法：透析法、超滤及凝胶过滤法。P55
7、有机溶剂沉淀法的原理：P56
一传统观点：在蛋白质溶液中加入丙酮或乙醇等有机溶剂，水的活度降低，水对蛋白质分子表面的水化程度降低，即破坏了蛋白质表面的水化层；另外，溶液的介电常数下降，蛋白质分子间的静电引力增大，从而聚集和沉淀。
二新观点：有机溶剂可能破坏蛋白质的某种键，使其空间结构发生某种程度的变化，致使一些原来包在内部的疏水基团暴露于表面并与有机溶剂的疏水基团结合形成疏水层，从而使蛋白质沉淀，而当蛋白质的空间结构发生变形超过一定程度时，便会导致完全的变性。
第五章 萃取技术
1、萃取：是利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同，用一种溶剂把溶质从它与另一种溶剂所组成的溶液（原料）中提取出来的方法。P64
2、分配定律：在恒温恒压条件下，溶质在互不相溶的两相中分配时，达到分配平衡后，如果其在两相中的相对分子质量相等，则其在两相中的平衡浓度之比为一常数，此常数称为分配常数A，A=c1/c2 P64
3、分配常数在使用时，必须注意满足3个条件：P65
①必须是稀溶液；②溶质对溶剂的互溶度没有影响；③溶质在两相中必须是同一分类型，不发生缔合伙离解。
4、工业上液液萃取的基本过程包括几个步骤：P67
①混合：料液与萃取剂充分混合并形成乳浊液的过程，设备：混合器；
②分离：将乳浊液分开形成萃取相和萃余相的过程，设备：分离器；
③溶剂回收：从萃取相或萃余相中回收萃取剂的过程，设备：回收器。
5、按操作流程划分，液液萃取可分为：P67
①单级萃取，②多级萃取：多级错流萃取和多级逆流萃取。
6、影响有机溶剂萃取的因素：P73
一水相条件的影响：影响萃取操作的因素：主要有PH、温度、无机盐等
①PH ②温度 ③盐析 ④带溶剂
二有机溶剂的选择
三乳化现象：乳化是一种液体分散在另一种不相混合的液体的现象。P75
7、去乳化剂有两种：①阳离子表面活性剂溴代十五烷基吡啶，适用于破坏W/O型乳浊液；
②阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠，易溶于水，微溶于有机溶剂，适用于破坏W/O型乳浊液。P75
8、 聚合物的不相溶性：两种聚合物分子间如存在相互排斥作用，即某种分子的周围将聚集同种分子而非异种分子，达到平衡时，就有可能分成两相，而两种聚合物分别进入一相中的现象。P80
9、在生化工程中得到广泛应用的双水相体系主要是：聚乙二醇-葡聚糖体系和聚乙二醇-无机盐系统。P80
10、液膜分离系统的膜相组成：通常有膜溶剂、表面活性剂、流动载体、膜增强剂构成。P87
11、液膜分类：根据其结构可分为3种 P87
①乳状液膜，②支撑液膜，③流动液膜
12、液膜萃取机理：根据待分离溶质种类的不同，可分为以下几种类型。P89
一单纯迁移：
二促进迁移：
三载体输送：
13、流动载体的选择原则：①溶解性，②络合性，③稳定性。 P92
14、溶胀：是指外相水透过膜进入了液膜内相，从而使液膜体积增大的现象。P94
15、反胶团：若将表面活性剂溶于非极性的有机溶剂中，并使其浓度超过临界胶束浓度，便会在有机溶剂内形成聚集体，这种聚集体称为反胶团。P99
16、反胶团的优点：P99
⑴极性“水核”具有较强的溶解能力；
⑵生物大分子由于具有较强的极性，可溶解于极性水核中，防止与外界有机溶剂接触，减少变性作用；
⑶由于“水核”的尺度效应，可以稳定蛋白质的立体结构，增加其结构的刚性，提高其反应性能。
17、反胶团萃取蛋白质的推动力：萃取过程是静电力、疏水力、空间力、亲和力或几种力协同作用的结果，其中蛋白质与表面活性剂性头间的静电相互作用是主要推动力。P100
18、液固萃取的过程：包括润湿、溶解、扩散、和置换，其中置换中浸取的关键在于保持最大的浓度梯度。P103
19、超临界流体特点：P107
⑴在临界点的附近，密度线聚集于临界点周围，压力或温度的小范围变化，就会引起流体密度的大幅度变化；
⑵超临界流体的密度和溶剂化能力接近液体，黏度和扩散系数接近气体，在临界点附近流体的物理化学性质随温度和压力的变化极其敏感，在不改变化学组成的条件下，即可通过压力调节流体的性质；
⑶在临界点附近，会出现流体的密度、黏度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。
20、超临界流体萃取的原理：P107
它是利用超临界流体(SCF)，即温度和压力略超过或靠近临界温度(Tc)和临界压力（Pc）、介于气体和液体之间的流体，作为萃取剂，从固体或液体中萃取出某种高沸点或热敏性成分，以达到分离和纯化的目的。
21、超临界流体萃取的典型流程有：等温法、等压法和吸附法。P113
第六章 膜分离过程
1、膜分离过程：是用具有选择透过性的天然或合成薄膜为分离介质，在膜两侧的推动力（如压力差、浓度差、电位差、温度差等）作用下，原料液体混合物或气体混合物中的某个或某些组分选择地透过膜，使混合物达到分离、分级、提纯、富集和浓缩的过程。P120
2、膜的功能：①物质的识别与透过；②相界面；③反应场。
3、浓差极化：较高的压力和料液浓度以及缓慢的膜面流速可造成膜表面溶质浓度高于主体浓度，形成高浓度边界层，使料液侧膜面的渗透压升高，有效压差减小的现象。P127
4、凝胶极化：是指在膜分离的过程中，由于溶质受到膜的截留作用，不能完全通过膜，溶质在膜表面附近浓度升高，导致膜两侧的有效压差减少，膜的通透量降低，当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质析出，并在膜的表面形成凝胶层的过程。
5、超滤和微滤：是以膜两侧压力差为推动力，以微孔膜为过滤介质，当溶液流过膜表面时，主要利用筛分原理将溶液中的悬浮粒子或大分子物质截留，而使溶剂和小分子物质透过膜，以实现净化、分离与浓缩的膜分离过程。P132
微滤膜：一般为均质膜，膜阻力由总的膜厚度决定，微滤膜相比超滤膜来说孔径较大且孔径分布较均匀，膜孔径为0.05~10µm，截留对象是细菌、胶体以及气溶胶等悬浮粒子；超滤膜：一般为不对称结构，膜的传质阻力主要在表皮层，其厚度仅为1µm或更小，孔径大多在0.005~0.05µm，截留对象是相对分子质量为10³~10^6的溶质。
6、影响截留率的因素：
⑴溶质的分子量；
⑵分子特性：①球形＞带支链＞线性分子；
②对于荷电膜与膜相反电荷分子截留率低，若膜对溶质有吸附作用，截留率高；
③其他高分子溶质存在，使截留率增大；
④操作条件：当PH=PI时，蛋白质截留率Ro高；温度升高，Ro降低。
7、电渗析的基本原理：P139
注：自己看书结合图示总结
第七章 吸附与离子交换
1、吸附：是指溶质从液相或气相转移到固相的现象。P154
2、活性炭：是一种非极性吸附剂，在水中的吸附能力大于在有机溶剂中的吸附能力。针对不同类型的物质，具有一定的规律性：①对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物；②对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物；③对相对分子质量大的化合物的吸附能力大于相对分子质量小的化合物。P156
3、大孔网状吸附剂：是一种非离子型共聚物，是借助于范德华力从溶液中吸附各种有机化物质。具有选择性好、解析容易、机械强度高、使用寿命长、流体阻力较小、吸附质容易脱附、吸附速度快等优点。P157
4、离子交换剂的构成：网络骨架(具有三维空间立体结构)、活性基团和可交换的离子（与网络骨架带相反电荷）构成。P158
5、交换容量：是表征离子交换剂交换能力的主要的参数，是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（mmol）。P158
6、影响交换速度的因素：P164
⑴颗粒大小：颗粒减小无论对内部扩散控制或外部扩散控制的场合，都有利于交换速度的提高；
⑵交联度：交联度越低树脂越易膨胀，在树脂内部扩散越容易，当内扩散控制时，降低树脂交联度，能提高交换速度。树脂交联度大，树脂孔径小，离子运动阻力大，交换速度慢；
⑶温度：溶液温度提高，扩散速度加快，交换速度也增加；
⑷离子的化合价：离子化合价越高，离子和树脂骨架间的库仑力越大，扩散速度越小；
⑸离子的大小：小离子的交换速度比较快；
⑹搅拌速度：当液膜控制时，增加搅拌速度会使交换速度增加，但增大到一定程度后再继续增加转速，影响就比较小；
⑺溶液浓度：当溶液浓度为0.001mol/L时，一般为外扩散控制，当溶液浓度增加时，交换速度也按比例增加。当浓度达到0.01mol/L左右时，浓度再增加，交换速度增加的较慢。此时内扩散和外扩散同时起作用，当浓度继续增加，交换速度达到极限值后就不再增大，此时已转变为内扩散控制。
7、影响离子交换选择性的因素：P165
⑴水合离子半径：半径越小，亲和力越大；
⑵离子化合价：高价离子易于被吸附；
⑶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；
⑷离子强度：越低越好；
⑸有机溶剂：不利于吸附；
⑹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；
⑺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。
第八章 色谱分离技术
1、阻滞因素：又称迁移率，是指一定条件下，在相同的时间内某一组分在固定相移动的距离与流动相本身移动的距离之比值，常用Rf(Rf≤1)表示。P177
2、正向色谱：是指固定相的极性高于流动相的极性，在这种色谱过程中，非极性分子或极性小的分子比极性大的分子移动速度快，先从柱中流出来；
反向色谱：是指固定相的极性低于流动相的极性，在这种色谱过程中，极性大的分子比极性小的分子移动的速度快，而先从柱中流出。P179
3、色谱法的分类：根据分离原理的不同分类 P181
可以分为：吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、凝胶过滤色谱、亲和色谱等。
4、显色的方法：P189
⑴碘蒸气显色；⑵紫外线显色；⑶喷雾显色。
5根据载体多糖种类的不同，多糖基离子交换剂可分为：P197
①离子交换纤维素；②离子交换葡聚糖；③离子交换琼脂糖。
6、亲和色谱原理：P206
将一对能可逆结合和解离生物分子的一方作为配基(配体)，与具有大孔径、亲水性的固相载体相偶联、制成专一的亲和吸附剂，再用此亲和吸附剂填充色谱柱，当含有被分离物质的混合物随着流动相流经色谱柱时，亲和吸附剂上的配基就有选择地吸附能与其结合的物质，而其他的蛋白质及杂质不被吸附，从色谱柱中流出，使用适当的缓冲液使被分离物质及配基解吸附，即可获得纯化的目的产物。
7、蛋白质A来源于金黄色葡萄球菌，蛋白质G分离自G群链球菌。P208
8、辅酶和磷酸腺苷：某些酶（如脱氢酶和激酶）需要在辅酶存在的情况下才能表现出催化活性，即辅酶能与脱氢酶和激酶之间通过亲和作用相互结合，因此这些辅酶可用作脱氢酶和激酶的亲和配基。P208
9、活化：载体上的化学基团是不活泼的，不能与配基直接偶联，通过化学反应使介质上化学基团处于活化状态。P211
10、洗脱方法：⑴特异性洗脱；⑵非特异性洗脱。P219
第九章 离心技术
1、离心机的转子的类型：有甩出式水平转子、角转子、垂直转子、（区带转子、细胞洗脱转子、分析转子）等。P237
2、计算：
①悬浮微粒在重力场中重力沉淀速度Vg的计算公式：P233 9-4
②例题9-1
③料流量Q的计算公式：P244 9-19
④例题9-3
⑤注：ω=2πn／60
第十章 浓缩、结晶与干燥
1、蒸发浓缩：是利用加热的方法使溶液中的一部分溶剂（通常为水）汽化后除去，得到含较高浓度溶质的一种操作过程。P267
2、结晶：是溶液中的溶质在一定条件下因分子有规则的排列而结合成晶体的过程，它是溶质提纯和得到固体颗粒的一种方法。P281
3、结晶的一般步骤：
⑴过饱和溶液的形成；⑵晶核产生；⑶晶体生长。
4、二次成核：已被认为是晶核的主要来源，其中起决定作用的两种机理为：液体剪应力成核和接触成核。P283
5、喷雾干燥：是利用雾化器将料液(含水50％以上的溶液、悬浮液、浆状液等)喷成雾滴分散于热气流中，使水分迅速蒸发而成为粉粒状干燥制品的一种干燥方式。P302
6、冷冻干燥：又称升华干燥，是指将待干燥物快速冻结后，再在高真空条件下将其中的冰升华为水蒸气而去除的干燥方法。由于冰的升华带走热量使冻干整个过程保持低温冻结状态，有利于保留一些生物样品(如蛋白质)的活性。

Ⅲ 复试考制药分离工程的学校

天津大学。
掌握制药分离工程单元操作的基本概念、基本原理和计算方法，能够运用所学理论知识合理选定单元操作和进行相关的设计计算。对制药分离过程中的某些现象进行分析，并根据具体情况对操作进行优化。具有扎实的专业基础知识、能灵活应用所学知识分析并解决实际问题的能力。
考试的内容及比例：制药分离过程、蒸馏与精馏、萃取和浸取、结晶、吸附和离子交换、色谱分离法、膜分离、非均一系的分离。考试试卷主要包括以下题型：选择填空、名词解释、简答题、计算题，各类题型的比例为：选择填空占30—40%、名词解释占10%、简答题占20—30%、计算题占10—20%。

Ⅳ 离子交换树脂的工作交换容量怎么计算

离子交换树脂的交换容量如何计算？

1.阳树脂工作交换回容量计算公式答：Qa=(A+S)V/VR

Qa：阳树脂的工作交换容量，单位为mol/m³

A：阳床平均进水碱度，单位为mmol/l

S:阳床平均出水酸度，单位为mmol/l

V:周期制水总量,单位为m³

VR：床内树脂体积（逆流再生则不含压脂层体积），单位为m³

2.阴树脂工作交换容量计算公式：Qk=（S+〔CO2〕+〔SiO2〕）V/VR

Qk：阴树脂工作交换容量，

〔CO2〕：阴床进水平均CO2浓度，单位为mmol/l;

〔SiO2〕：阴床进水平均SiO2浓度，单位为mmol/l;

S、V、VR同阳树脂工作交换容量公式；

Ⅳ 生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作

全书共十章，包括发酵液的预处理、细胞的分离、沉淀、萃取、膜技术、吸附与离子交换、色谱技术、离心、生物产品的浓缩结晶与干燥等生物产品分离纯化过程所涉及的全部技术内容。本书通俗易懂、深入浅出，可读性较强。

本书可作为高等院校相关专业本科生的教材，也可供从事生物分离工程工作及研究的有关人员参考。

前言

第一章 绪论

第一节 生物分离工程的性质、内容与分类

一、生物分离工程的性质

二、生物分离工程的研究内容

三、生物分离过程的分类

第二节 生物分离工程的一般流程

一、发酵液的预处理

二、产物的提取

三、产物的精制

四、成品的加工处理

五、生物分离纯化工艺过程的选择依据

第三节 生物分离过程的特点

一、生物分离过程的体系特殊

二、生物分离过程的工艺流程特殊

三、生物分离过程的成本特殊

第四节 生物分离工程的发展趋势

一、生物分离工程的发展趋势

二、生物分离工程研究应注意的问题

思考题

第二章 发酵液的预处理

第一节 发酵液预处理的方法

一、发酵液的一般特征

二、发酵液预处理的目的和要求

三、发酵液预处理的方法

第二节 发酵液的过滤，

一、发酵液过滤的目的

二、影响发酵液过滤的因素

三、发酵液过滤的方法

四、提高过滤性能的方法

五、过滤介质的选择

六、过滤操作条件优化

七、过滤设备

思考题

第三章 细胞分离技术

第一节 细胞分离

一、过滤

二、离心沉降

第二节 细胞破碎

一、细胞壁的结构

二、细胞破碎动力学

三、细胞破碎的方法

第三节 胞内产物的溶解及复性

一、包含体及其形成

二、包含体的分离和溶解

三、蛋白质复性

思考题

第四章 沉淀技术

第一节 概述

第二节 蛋白质表面性质

一、蛋白质表面的亲水性和疏水性

二、蛋白质表面的电荷

三、蛋白质胶体的稳定性

第三节 蛋白质沉淀方法

一、盐析法

二、有机溶剂沉淀法

三、等电点沉淀法

四、非离子多聚物沉淀法

五、变性沉淀

六、生成盐类复合物的沉淀

七、亲和沉淀

八、SIS聚合物与亲和沉淀

第四节 沉淀技术应用

一、蛋白质

二、多糖

三、茶皂甙纯化工艺研究

四、杜仲水提液中氯原酸的提取

思考题

第五章 萃取技术

第一节 基本概念

一、萃取的概念、特点及分类

二、分配定律

三、分配系数、相比、分离系数

第二节 液液萃取的基本理论与过程

一、液液萃取的基本原理

二、液液萃取类型及工艺计算

第三节 有机溶剂萃取

一、有机溶剂萃取分配平衡

二、影响有机溶剂萃取的因素

三、有机溶剂萃取的设备及工艺过程

第四节 双水相萃取

一、双水相体系的形成

二、相图

三、双水相中的分配平衡

四、影响双水相分配系数的主要因素

五、双水相萃取的设备及工艺过程

第五节 液膜萃取

一、液膜及其分类

二、液膜萃取机理

三、液膜分离操作

四、乳化液膜分离技术的工艺流程

五、液膜分离过程潜在问题

六、液膜分离技术的应用

第六节 反胶团萃取

一、胶团与反胶团

二、反胶团萃取

三、反胶团制备

四、反胶团萃取的应用

第七节 液固萃取

一、液固萃取过程

二、液固萃取类型

三、浸取的影响因素

四、浸取的其他问题

五、浸取的工业应用

第八节 超临界流体萃取

一、超临界流体

二、超临界流体萃取

三、超临界萃取的实验装置与萃取方式

四、超临界流体萃取条件的选择

五、超临界流体萃取的基本过程

六、超临界流体萃取的应用实例

第九节 萃取技术应用及研究进展

一、双水相萃取技术应用及研究进展

二、液膜萃取技术应用及研究进展

三、反胶团萃取技术应用及研究进展

四、超临界流体萃取技术应用及研究进展

思考题

第六章 膜分离过程

第一节 概述

一、膜分离过程的概念和特征

二、膜过程分类

三、分离膜

第二节 压力驱动膜过程

一、反渗透和纳滤

二、超滤和微滤

第三节 电推动膜过程——电渗析

一、电渗析的基本原理

二、电渗析传递过程及影响因素

三、电渗析膜

四、应用

第四节 膜接触器——膜萃取

一、膜萃取的基本原理

二、膜萃取的传质过程

三、膜萃取过程影响因素

四、应用

第五节 其他膜分离过程

一、浓差推动膜过程——渗透蒸发

二、温差推动膜过程——膜蒸馏

第六节 膜分离过程装置

一、滤筒式膜组件

二、板框式膜组件

三、螺旋卷式膜组件

四、管式膜组件

五、毛细管式膜组件

六、中空纤维式膜组件

思考题

第七章 吸附与离子交换

第一节 概述

一、吸附过程

二、吸附与离子交换的特点

第二节 吸附分离介质

一、吸附剂

二、离子交换剂

第三节 吸附与离子交换的基本理论

一、吸附平衡理论

二、影响吸附的主要因素

三、离子交换平衡理论

第四节 基本设备与操作

一、固定床吸附操作

二、移动床吸附器

三、膨胀床吸附操作

四、流化床吸附操作

五、吸附器净化效率的计算与选择

思考题

第八章 色谱分离技术

第一节 色谱分离技术概述

一、色谱技术的基本概念

二、色谱法的分类

三、色谱系统的操作方法

第二节 吸附色谱法

一、吸附色谱基本原理

二、吸附薄层色谱法

三、吸附柱色谱法

第三节 分配色谱法

一、基本原理

二、分配色谱条件

三、分配色谱基本操作

四、分配色谱法的应用

第四节 离子交换色谱法

一、离子交换色谱技术的基本原理

二、离子交换剂的类型与结构

三、离子交换剂的理化性能

四、离子交换色谱基本操作

五、离子交换色谱的应用

第五节 亲和色谱

一、亲和色谱概述

二、亲和色谱原理

三、亲和色谱介质

四、亲和色谱介质的制备

五、亲和色谱的操作过程

六、影响亲和色谱的因素

第六节 色谱分离技术的应用

一、亲和色谱的应用

二、离子交换色谱的应用

三、吸附色谱的应用

四、分配色谱的应用

五、多种色谱技术的组合应用

思考题

第九章 离心技术

第一节 离心分离原理

一、离心沉降原理

二、离心过滤原理

第二节 离心分离设备

一、离心分离设备概述

二、离心沉降设备

三、离心过滤设备

四、离心分离设备的放大

第三节 超离心技术

一、超速离心技术原理

二、超速离心技术分类

三、超速离心设备

第四节 离心技术在生物分离中的应用

一、离心技术在生物分离应用中的注意事项

二、离心分离的优缺点

三、离心机的选择

四、离心在生物分离中的应用

思考题

第十章 浓缩、结晶与干燥

第一节 蒸发浓缩工艺原理与设备

一、蒸发浓缩工艺

二、蒸发浓缩设备

第二节 结晶工艺原理和设备

一、结晶操作工艺原理

二、结晶设备

第三节 干燥工艺原理与设备

一、干燥工艺原理

二、干燥设备

思考题

Ⅵ 现代分离技术的图书目录

第1章 绪论
1.1 分离过程的演变历程
1.1.1 分离工程的起源
1.1.2 分离工程的发展
1.2 分离工程学科
1.2.1 分离工程学科的构架
1.2.2 分离工程学科与其他学科的关系
1.3 分离过程的分类
1.3.1 有相产生或添加的分离过程
1.3.2 有分离介质的分离过程
1.3.3 采用固体分离剂的分离过程
1.3.4 有外加场的分离过程
参考文献
第2章 料液的预处理与固液分离
2.1 预处理
2.Ll加热
2.1.2 凝聚和絮凝
2.1.3 其他预处理方法
2.2 固液分离
2.2.1 影响固液分离的因素
2.2.2 沉降
2.2.3 离心
2.2.4 过滤
习题
参考文献
第3章 多组分精馏
3.1 设计变量的确定
3.1.1 单元的设计变量
3.1.2 设备的设计变量
3.2 多组分物系泡点和露点的计算
3.2.1 多组分系统的泡点计算
3.2.2 多组分系统的露点计算
3.3 多组分精馏的简捷计算
3.3.1 多组分精馏过程分析
3.3.2 最小回流比
3.3.3 最少理论塔板数和组分分配
3.3.4 实际回流比和理论板数
3.3.5 多组分精馏塔的简捷计算方法
3.4 多组分精馏的严格计算
3.4.1 平衡级的理论模型
3.4.2 三对角线矩阵法
3.5 气液传质设备的效率
3.5.1 气液传质设备处理能力的影响因素
3.5.2 气液传质设备的效率及其影响因素
3.5.3 气液传质设备效率的估算方法
习题
参考文献
第4章 特殊精馏技术
4.1 共沸精馏
4.1.1 共沸物的特性和共沸组成的计算
4.1.2 共沸精馏共沸剂的选择
4.1.3 分离共沸物的双压精馏过程
4.1.4 共沸精馏流程
4.1.5 共沸精馏计算简介
4.2 萃取精馏
4.2.1 萃取精馏基本概念
4.2.2 萃取精馏溶剂选择
4.2.3 萃取精馏流程及举例
4.2.4 萃取精馏计算简介
4.3 加盐精馏
4.3.1 气液平衡的盐效应及溶盐选择
4.3.2 溶盐精馏
4.3.3 加盐精馏
4.4 反应精馏
4.4.1 反应精馏类型
4.4.2 反应精馏过程
习题
参考文献
第5章 新型萃取技术
5.1 双水相萃取
5.1.1 双水相体系
5.1.2 大分子和颗粒在双水相体系中的分配
5.1.3 双水相萃取在生物技术中的应用
5.1.4 双水相萃取过程及设备
5.2 超临界流体萃取
5.2.1 超临界流体及其性质
5.2.2 超临界流体萃取的工艺和设备
5.2.3 超临界流体的应用
习题
参考文献
第6章 吸附与离子交换
6.1 吸附现象与吸附剂
6.1.1 吸附现象
6.1.2 吸附剂
6.2 吸附平衡与速率
6.2.1 吸附等温线
6.2.2 单组分气体(或蒸气)的吸附平衡
6.2.3 双组分气体(或蒸气)的吸附平衡
6.2.4 液相吸附平衡
6.2.5 吸附速率
6.3 固定床吸附过程
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 固定床吸附器的设计计算
6.4 变压吸附过程
6.4.1 变压吸附操作原理
6.4.2 变压吸附循环流程
6.4.3 变压吸附过程计算和工艺条件
6.5 离子交换过程
6.5.1 离子交换树脂
6.5.2 离子交换原理
6.5.3 离子交换树脂的选用
6.5.4 离子交换过程设备与操作
6.5.5 离子交换过程计算
习题
参考文献
第7章 膜分离过程
7.1 反渗透
7.1.1 反渗透的原理
7.1.2 描述反渗透过程的数学模型
7.1.3 反渗透工艺
7.1.4 反渗透的应用
7.2 纳滤
7.2.1 纳滤过程
7.2.2 纳滤分离机理和分离规律
7.2.3 纳滤过程的数学描述
7.2.4 NF膜的种类
7.3 微滤和超滤
7.3.1 过程特征和膜
7.3.2 浓差极化和膜污染
7.3.3 预测渗透通量的数学模型
7.3.4 微滤和超滤的组件和工艺
7.3.5 工业应用
7.4 电渗析
7.4.1 电渗析过程
7.4.2 电渗析中的传递
7.4.3 电渗析工艺
7.4.4 电渗析的应用
7.5 渗透汽化
7.5.1 渗透汽化过程
7.5.2 渗透汽化中的传质
7.5.3 渗透汽化模型和计算
7.5.4 渗透汽化的应用
习题
参考文献
第8章 薄层色谱、柱色谱和纸色谱
8.1 薄层色谱法
8.1.1 吸附剂
8.1.2 铺层及活化
8.1.3 点样
8.1.4 展开
8.1.5 显色
8.1.6 比移值
8.2 纸色谱法
8.2.1 点样
8.2.2 展开
8.3 柱色谱法
8.3.1 吸附剂
8.3.2 溶剂
8.3.3 装柱
习题
参考文献
第9章 结晶
9.1 结晶过程的原理
9.2 晶核形成与晶体生长
9.2.1 初级成核
9.2.2 二次成核
9.2.3 晶体的生长
9.3 工业结晶过程
9.3.1 常用的工业起晶方法
9.3.2 过饱和度的形成与维持
9.3.3 简单结晶过程的计算
9.4 晶体的质量控制
9.4.1 晶体质量的内容及影响因素
9.4.2 产品的结块
9.4.3 重结晶
9.5 结晶设备
9.5.1 冷却结晶器
9.5.2 蒸发结晶器
9.5.3 真空结晶器
9.5.4 盐析与反应结晶器
9.5.5 结晶器的选择
习题
参考文献
第10章 综合实例
10.1 工业实例1:乙二醇的生产
10.1.1 概述
10.1.2 乙二醇的生产方法概述
10.1.3 乙二醇的直接水合法生产流程
10.1.4 流程中涉及的分离过程
10.1.5 安全、能耗和环保问题
10.2 工业实例2:头孢菌素C的分离与提纯
10.2.1 CPC的物化性质
10.2.2 CPC盐生产工艺
10.2.3 CPC的生产环节
10.2.4 工艺特点
习题
参考文献
第11章 Aspen Plus在化工分离计算中的应用
11.1 Aspen Plus简介
11.1.1 Aspen Plus的主要功能和特点
11.1.2 Aspen Plus的物性数据库
11.1.3 Aspen Plus的热力学模型
11.1.4 Aspen Plus的物性分析工具
11.1.5 Aspen Plus的单元模型库
11.2 Aspen Plus基本操作
11.2.1 Aspen Plus的启动
11.2.2 Aspen Plus的流程设置
11.2.3 物流数据及其他数据的输入
11.2.4 结果的输出
11.2.5 灵敏度分析和设计规定
11.2.6 物性分析和物性估算
11.2.7 物性数据回归
11.3 Aspen Plus塔设备计算中的单元模块
11.3.1 DSTWU模块
11.3.2 RadFrac模块
11.4 Aspen Plus应用实例
11.4.1 二元混合物连续精馏的计算
11.4.2 三元混合物连续精馏的计算
11.4.3 乙醇－水－苯恒沸精馏的计算
习题
参考文献

Ⅶ 吸附法和离子交换法

以各类阴、阳离子交换树脂为固定相的离子交换法，以萃淋树脂为固定专相的萃淋法，以螯合树属脂、螯合纤维、活性炭、聚氨酯泡沫塑料、巯基棉及黄原脂棉等固定相的螯合-吸附法以广泛用于贵金属的分离与富集。

在HCl介质中，贵金属氯配阴离子与阴离子交换树脂相互作用的强度决定于配阴离子的电荷数，其中双电荷的［PtCl₄］^2-、［PdCl₄］^2-、［PtCl₆］^2-、［IrCl₆］^2-、［RuCl₆］^2-、［OsCl₆］^2-牢固地吸附于树脂上，而三电荷的［IrCl₆］^3-、［RhCl₆］^3-、［RuCl₆］^3-仅有很弱的亲和力。铑、钌的配合物。由于其配合物在溶液中电荷的可变性，因此它们的吸附强度也随其电荷数而变化。在实际应用中应考虑这一特性。

Ⅷ 阳离子交换质量作用方程

（一）阳离子吸附亲合力

就特定的固相物质而言，阳离子吸附亲合力是不同的。影响阳离子吸附亲合力的因素主要是；（1）同价离子，其吸附亲合力随离子半径及离子水化程度而差异，一般来说，它随离子半径的增加而增加，随水化程度的增加而降低；离子半径越小，水化程度越高。例如Na⁺、K⁺、NH₄＋的离子半径分别为0.98、1.33和1.43Å，其水化半径分别为7.9、5.37和5.32Å；他们的亲合力顺序为NH₄＋>K⁺>Na⁺。（2）一般来说，高价离子的吸附亲合力高于低价离子的吸附亲合力。

按各元素吸附亲合力的排序如下：

水文地球化学基础

上述排序中，H⁺是一个例外，它虽然是一价阳离子，但它具有两价或三价阳离子一样的吸附亲合力。

值得注意的是，上述排序并不是绝对的，因为阳离子交换服从质量作用定律，所以吸附亲合力很弱的离子，只要浓度足够大，也可以交换吸附亲合力很强而浓度较小的离子。

（二）阳离子交换质量作用方程

按质量作用定律，阳离子交换反应可表示为：

水文地球化学基础

式中，K_A-B为阳离子交换平衡常数，A和B为水中的离子，A_x和B_x为吸附在固体颗表面的离子，方括弧表示活度。

以Na-Ca交换为例，其交换反应方程为：

水文地球化学基础

（1.146）式表明，交换反应是等当量交换，是个可逆过程；两个钠离子交换一个钙离子。如果水中的Na⁺交换已被吸附在固体颗粒表面的Ca²⁺（即Cax），则反应向右进行；反之，则向左进行。如反应向右进行，那么，就钙离子而言，是个解吸过程；就钠离子而言，是个吸附过程。所以，阳离子交换反应，实际上是一个吸附－解吸过程。

在地下水系统中，Na-Ca交换是一种进行得最广泛的阳离子交换。例如，当海水入侵到淡水含水层时，由于海水Na⁺远高于淡水，而且淡水含水层颗粒表面可交换性的阳离子主要是Ca²⁺，因此产生海水中的Na⁺与颗粒表面的Ca²⁺产生交换，形成Na⁺被吸附而Ca²⁺被解吸，方程（1.146）向右进行。又如，如果在某个地质历史里，淡水渗入海相地层，按上述类似的机理判断，则产生Na⁺被解吸Ca²⁺被吸附的过程，方程（1.146）向左进行。

Na-Ca交换反应方向的判断，以及对地下水化学成分的影响，仍至对土壤环境的影响，是水文地球化学及土壤学中一个很重要的问题，后面将作更详细的介绍。

上述（1.145）式中都使用活度，水中的A和B离子活度可以按第一节所提供的方法求得，但如何求得被吸附的阳离子（A_x和B_x）的活度，目前还没有太满意的解决办法。万赛罗（Vanselow,1932）^〔7〕提出，规定被吸附离子的摩尔分数等于其活度。

摩尔分数的定义为：某溶质的摩尔分数等于某溶质的摩尔数与溶液中所有溶质摩尔数和溶剂摩尔数总和之比。其数学表达式如下

水文地球化学基础

式中，x_B为B组分的摩尔分数，无量纲；m_A为溶剂的摩尔数（mol/L）;m_B、m_C、m_D、……为溶质B、C、D……的摩尔数（mol/L）。就水溶液而言，溶剂是水，1mol H₂O=18g,lL H₂O=1000g，所以l升溶剂（H₂O）的摩尔数＝1000/18=55.56mol/L。

按照上述摩尔分数的定义，A_x和B_x的摩尔分数的数学表达式为：

水文地球化学基础

式中，N_A和N_B分别为被吸附离子A和B的摩尔分数；（A_x）和（B_x）分别为被吸附离子A和B的摩尔数（mol/kg）。

以摩尔分数代替被吸附离子A和B的活度。则（2.145）的交换平衡表达式可写成：

水文地球化学基础

式中，

称为选择系数，其他符号含义同前。选择系数已为许多学者所应用。从理论上讲，该方程（1.150式）提供了一个预测阳离子交换反应对地下水阳离子浓度影响的有效方法。

从理论上讲，

基本上是一个常数，但随水的离子强度的改变，稍有变化。它的数值的大小，能说明各种离子在竞争吸附中，优先吸附何种离子。如

说明B离子比A离子更易被吸附；反之，则相反。选择系数方面的信息在文献中已很普遍。就

来说，在（Mgx）/（Cax）和水中离子强度变化比较大的范围内，

在0.6—0.9间，变化很小。

值的范围说明，Ca²⁺比Mg²⁺更易被吸附。

在研究阳离子交换反应时，人们关心的问题是，在地下水渗流过程中，从补给区流到排泄区，由于阳离子交换反应，地下水中的阳离子浓度将会产生何种变化？为了简化问题起见，假定其他反应对阳离子浓度的变化都可忽略，那么从理论上讲，地下水从原来的地段进入一个具有明显交换能力的新地段后，必然会破坏其原有的阳离子交换平衡，而调整到一个新的交换平衡条件。达到新的平衡后，其阳离子浓度的变化主要取决于：（1）新地段固体颗粒表面各种交换性阳离子的浓度，以及它们互相间的比值；（2）进入新地段地下水的原有化学成分，特别是阳离子浓度。随着地下水的不断向前流动，阳离子交换平衡不断被打破，又不断地建立新的平衡。其结果是，不但水的阳离子浓度变化了，含水层固体颗粒表面有关的交换性阳离子浓度也改变了。为了定量地说明上述理论上的判断，特列举下列例题的计算。

例题1.8

在某一地下水流动系统中，有一段具有明显阳离子交换能力且含有大量粘土矿物的地段，试利用阳离子交换质量平衡方程（2.150），计算地下水达到新的交换平衡后，水中Ca²⁺和Mg²⁺浓度的变化，含水层粘土矿物颗粒表面交换性阳离子（被吸附的阳离子）浓度的变化。

假定：（1）含粘土矿物地段的阳离子交换容量为100meq/100g，交换性阳离子只有Ca²⁺和Mg²⁺，且Cax=Mgx，即Cax=Mgx=50meq/100g;（2）进入该地段前，地下水中的Ca²⁺和Mg²⁺浓度也相等，即Ca²⁺=Mg²⁺=1×10^-3mol/L;（3）该含水层地段的有关参数：孔隙度n=0.33；固体颗粒密度ρ=2.65g/cm³;（4）地下水与该地段粘土矿物颗粒相互作用后，达到平衡时，选择系数

计算步骤：

（1）求新的地下水进入该地段前的N_Ca和N_Mg

按题意所给，Cax=Mgx=50meq/100g。把它们换算为以mol/g表示，则Cax=Mgx=0.25×10^-8mol/g；将此数据代入（1.149）式，则

N_Ca=N_Mg=0.5

（2）求新的地下水刚进入该地段时，起始状态的

值

按质量作用定律，Ca-Mg交换方程为：

水文地球化学基础

交换平衡后，虽然各自的摩尔分数有所增减，但其总数仍然不变，即N_Ca+N_Mg=1。

设达到新交换平衡时，N_Ca=Y，那么，N_Mg=1-Y。

把上述假设代入（1.151）式，则

水文地球化学基础

因达到新的交换平衡时，

把它代入（1.152）式，经整理后，得：

水文地球化学基础

因达到新交换平衡时，Cax和Mgx虽然有变化，那其总和仍然不变，即Cax+Mgx=0.5。设那时的Cax=Z，那么：

水文地球化学基础

把（1.154）式代入（1.153）式，得：

水文地球化学基础

由于达到交换平衡前后，固相中的交换性钙离子（Cax）和液相中的溶解钙离子的总和不变。就一升水及其所接触的岩土而论，达到交换平衡前，一升水的Ca²⁺为1mmol；岩土中的Cax=0.25mmol/g，－升水所占据的岩土体积＝5379.5g。达交换平衡后，一升水的Ca²⁺摩尔数为x，岩土中交换性钙离子（Cax）浓度为Z。那么，其均衡方程为：

水文地球化学基础

式的左边，为交换平衡前固液相中钙离子总量（mmol）；式的右边，为交换平衡后固液相中钙离子总量（mmol）。

整理（1.156）式，得：

水文地球化学基础

把（1.157）式代入（1.155）式，整理后得：

水文地球化学基础

解方程（1.158），得：

Z=0.250046，即交换平衡后，Cax=0.250046mmol/g

那么，Mgx=0.5-0.250046=0.249954mmol/L

按上述计算摩尔分数的方法，得：

N_Ca=0.50009,N_Mg=0.49991

把所算得的Z值代入（1.157），得：

x=0.7525，即交换平衡后，〔Ca²⁺〕＝0.7525mmol/L

那么，〔Mg²⁺〕＝2-0.7525=1.2475mmol/L

上述计算结果说明，当新的地下水通过交换地段，达到交换平衡时，吸附的阳离子（Ca²⁺和Mg²⁺）的浓度或摩尔分数的比值变化极小；相比之下，地下水中Ca²⁺和Mg²⁺的浓度变化很大，〔Mg²⁺〕/〔Ca²⁺〕从1约增至1.7。如果随后进入该地段的地下水〔Mg²⁺〕/（Ca^2＋）仍然是1的话，地下水再次破坏了刚建立起来的交换平衡，交换反应又继续进行，直至N_Mg/N_Ca=O.6为止。此时，新流入地下水的Ca²⁺和Mg²⁺的浓度才不会改变。然而，要达到此种状态，必需通过无数个孔隙体积的水，甚至要几百万年时间才能完成。

上述计算还说明，阳离子的交换方向，从左向右进行（2.151式），水中的Ca²⁺被吸附，而固相表面所吸附的Mg²⁺不断被解吸。交换反应方向不仅取决于水中两种离子的浓度比，同时也取决于吸附离子的摩尔分数比。如若交换的起始条件为N_Mg=0.375和N_Ca=0.625，流入的水，其钙镁活度比为1，那么流过该地段的地下水，其Ca²⁺和Mg²⁺的浓度就没有变化了。如若交换的起始条件为N_Mg/N_Ca＜0.6，其交换方向则与上述相反，从右向左进行（2.151式）。

（三）地下水系统中的Na-Ca交换

地下水中Na-Ca交换在地下水化学成分形成和演变过程中，是一个很重要的阳离子交换过程，它无论在深层地下水形成和演变，或者在浅层潜水水化学成分的改变，特别是硬度升高等方面，都具有重要意义；在土壤科学中，它对盐碱土的形成，也有重要作用。

地下水系统中，固液相间的Na-Ca交换也服从质量作用定律，但其质量作用方程的表达形式不同。其交换反应如下：

水文地球化学基础

（2.159）反应最常用的质量作用方程是Gappn方程：

水文地球化学基础

在Gapon方程的基础上，又有许多学者提出类似于此方程的各种表达式。例如，美国盐实验室^〔17〕在研究灌溉水与土壤间的Na-Ca交换时，提出类似于Gapon方程的表达式：

水文地球化学基础

式中，Nax为达到交换平衡时土壤的交换性钠量（meq/100g）;CEC为土壤的阳离子交换容量（meq/100g）;Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺是达交换平衡时水中这些离子的浓度（meq/L）;K为平衡常数。

（1.161）式左边项表示为：

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式中的ESR称为“交换性钠比”。

（1.16l）式右边项表示为：

水文地球化学基础

式中的“SAR”称为钠吸附比，它是Na-Ca交换中一个很重要的参数。（1.161）式可改写成：

水文地球化学基础

（1.164）式说明，ESR与SAR线性相关，水中的SAR越高，岩土中的ESR值也越大，岩土中的Nax也越高。许多学者通过岩土的Na-Ca交换试验，得出了有关回归方程，列于表1.20。

表1.20Na-Ca交换的回归方程

表1.20中的Na-Ca交换方程是实验方程，应用起来当然有其局限性。其中，美国盐实验室的回归方程是用美国西部12个土壤剖面59个土样试验得出的，所以其代表性较好。尽管有其局限性，但是，应用此类方程判断Na-Ca交换的方向，定量化计算其交换量，还是比较有效的。表1.21的数据充分说明这一推断。

表1.21Na-Ca试验中某些参数的变化^〔2〕

表1.21中是一组Na-Ca交换试验数据，其中包括实测值与计算值的对比。表中的数据可说明以下几点；

（1）Na-Ca交换反应方向取决于水中的起始SAR值，及岩土中的起始ESR值。例如，用SAR值分别为0.73和9.81的水淋滤ESR值为0.046的同一种土壤时，淋滤后，前者的（Cax+Mgx）从8.56增至8.76meq/100g，水中的Ca²⁺和Mg²⁺被吸附，而固体颗粒表面的交换性Na⁺解吸到水中，按（1.159）式，其交换反应方向朝左进行；相反，后者的（Cax+Mgx）从8.56减至7.52meq/100g，水中的Na⁺被吸附，而固体颗粒表面的交换性Ca²⁺和Mg²⁺解吸进入水中，按（1.159）式，其交换反应向右进行。如果起始条件已知，即水中的SAR值及岩土中的ESR值已知，也可判断其反应方向。例如，把表1.21中的SAR值0.73和9.81分别代入表1.20中的3号方程，ESR值的计算值分别为0.038和0.1379。前者的ESR计算值（0.038）小于土壤的起始ESR值（0.046，见表1.21），反应按（1.159）式向左进行；后者的SER计算值（0.1379）明显大于土壤的起始ESR值（0.046），反应按（1.159）式向右进行。也就是说；如果ESR计算值小于岩土的ESR值，反应向左进行；反之，则相反。当然，如果土壤的起始ESR值为0.038，与S₄R值为0.73的水相互作用时，Na-Ca交换处于平衡状态，水中的Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺浓度不会改变。表1.22是现场试验结果，结果说明，SAR值越高，固体表面解吸出来的Ca²⁺和Mg²⁺就越多，水的硬度增加就越大。这些数据充分证明了上述理论。

表1.22SAR值不同的污水现场试验结果^〔2〕

注：硬度以CaCO₃计（mg/L）。

（2）把Na-Ca交换方程应用于实际是比较可靠的。表1.21中（Cax+Mgx）的实测值及计算值相差很小，说明了这一点。其计算方法如下：以计算SAR=0.73的水为例，将0.73代入表1.20中的方程3，求得ESR=0.038；将此值及CEC值（8.96）代入（1.162）式，求得Nax=0.328meq/100g；将CEC值减去Nax值，即为（Cax+Mgx）值（因为土中吸附的阳离子主要是Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺），其值为8.63meq/100g。

SAR值不仅在研究Na-Ca交换反应中是重要的，而且它是灌溉水质的一个重要参数。前面谈到，SAR高的水，在水岩作用过程中，引起水中的Na⁺被吸附到固相颗粒表面上，2个Na⁺交换一个Ca²⁺或Mg²⁺（等当量交换）。因为2个Na₂＋的大小比一个Ca²⁺或Mg²⁺大，因而引起土壤的透气性减小，产生板结及盐碱化。有关SAR值的灌溉水质标准可参考有关文献。本书不详述。

Ⅸ 环保类的中级专业技术资格考试（职称考试）有计算题吗

2013北京中级职称考试真题 环境污染与防治专业 水污染防治方向 第一部分：基础理论 ¾ 判断题（10题10分）：水循环的理解、固废的分类、固废的定义、粉尘的密 度、一些主要概念的理解…… ¾ 单选题（10题10分）：固体废物全过程管理的等级顺序、除尘器的分类…… ¾ 多选题（10题20分）：膜技术的种类、过滤常见的颗粒介质、氧化塘的类型、 粉尘的流动性指标、催化剂失活、固废处置基本要求、固废的预处理方法…… ¾ 简答题（2题10分）：我国低浓度二氧化硫的主要来源及控制方法；固体废 弃物管理的基本原则及其含义。 ¾ 计算题（1题5分）：污泥负荷的计算
第二部分：专业理论 ¾ 判断题（10题10分）：涉及氧化、沉淀、上浮、离子交换、吸附、过滤中和 等方法或概念的理解…… ¾ 单选题（5题5分）：接触氧化的填料、厌氧微生物对氮磷营养物的要求、2 道有关活性污泥微生物…… ¾ 多选题（5题10分）：污泥厌氧消化的种类、生物脱氮的原理过程、表面曝 气的种类、城市污泥的最终处置方法、SBR工艺种类。 ¾ 简答题（3题15分）：序批式活性污泥法的运行模式；厌氧生物法的优点； A/A/O工艺流程及各个池体的作用。 ¾ 计算题（1题5分）：根据容积负荷求曝气池容积、根据含水率求污泥浓缩前 后的体积比。