第8章液体吸附与离子交换575 略不计，则可将该液体吸附看做单组分吸附，如糖液和植物油的脱色吸附。 对于稀溶液，参照享利定律，可以推得固相浓度与液相浓度之间成线性关 系，即： 0=k·c* (8-1) 式中：为吸附质在固相中的质量分数，kgkg；k为与温度有关的吸附常数， m3kg;c”为吸附质与固相浓度成平衡的液相质量浓度，kgm3。 另外工业上还常用弗罗因德利希方程(Freundlich)解释吸附现象。 w=kc为 (8-2) CH5COOH浓度c 式中为与吸附剂性质、吸附温度有关的常 0.05 0.10 0.1s 数，一般在2~10之间易吸附，小于0.5时， 吸附有困难，吸附质溶解度越小，吸附越容 易， 吸附温度越高，吸附吸附能力越小。 图8-1为活性炭在25℃下分别从水溶 液中吸附醋酸和从苯溶液中吸附苯甲酸时 的吸附等温线，基本符合弗罗因德利希方 2 程，在双对数坐标图中该方程为一直线， CH,COOH浓度c· 斜率为，截距为nk。 1.醋酸水溶液2.苯甲酸的苯溶液 图81单组分体系的吸附平衡 实际生产中，总的吸附量不能直接测 （25℃活性炭吸附) 定，所以，常用表观吸附量表示吸附剂的 1.0 线 吸附量。设质量为m的吸附剂与体积为、浓度 0.8 为co的溶液平衡后溶液浓度降为c·，忽略吸附前 后溶液体积的减少，则表观吸附量为： 0.4 m,=升(c0-c） (8-3) 0.2 (2)双组分吸附当吸附剂对溶剂的吸附不可 00.20.40.60.81.0 忽略时，即按双组分吸附的情况处理，设液体中溶 中 质的体积分数为中x,固体中溶质的体积分数为中， 图8-2双组分体系的 以中x一中y曲线表示其平衡关系，如图8-2所示。 吸附平衡 其中中，为吸附剂细孔中液体的平均浓度，细孔中 的液体可分为两部分， 一部分是被吸附剂吸附住的，其浓度大于中、，一部分是
576食品工程原理 游离的，其浓度等于中x,两者的平均浓度为中y。 为了表示吸附剂的选择性，引入分离系数α。其物理意义为：固相细孔内液 体中两组分的浓度比和液相中两组分的浓度比之比，即： a=克=，- 中 中(1-中v) (8-4) 1-中x 若吸附剂对两组分的吸附亲和力相同，即中x=中y,则。=1，这种情况称为 恒比吸附。 (3)吸附机理从表观分析，吸附过程可以分为3步。①外扩散过程：即吸 附质从液相向吸附剂外表面扩散；②内扩散过程：吸附质经固体内部细孔扩散到 吸附剂的内表面，简称内扩散过程；③吸附过程：吸附质在吸附剂内表面被吸 附。 物理吸附阻力小、速度快、吸附热小，一般不能使体系温度有明显提高，故 可作等温吸附处理。 1.2.2吸附速率 吸附速率是指单位时间内，单位体积吸附剂吸附的吸附质的量。由于吸附过 程是一个非定态过程，吸附速率可表示为： u=p.股 (8-5) 式中：Pa为吸附剂松密度，kgm3;u为吸附速率，kg/(m3·s)；t为时间，so 根据吸附过程可将吸附分为外扩散速率和内扩散速率。 (1)外扩散速率 uo=kLa(c-ci) (8-6) 式中：u。为外扩散速率，kg/(m3·s)；kL为液相传质系数，m/s；a为单位体 积吸附剂的表面积，称为比表面积mm3；c为液相中吸附质的质量浓度，kg m3;c:为液固界面上液相中吸附质的质量浓度，kgm3。 联立式(8-5)和(8-6)得： A=Lua(c-c） (8-7)
第8章液体吸附与离子交换577 (2)内扩散速率 ui=ksa(;-) (8-8) 式中：4：为内扩散速率，kg/(m3·s)；k。为吸附剂内扩散传质系数，kg/八(2s)； a为单位体积吸附剂的表面积，m2/m3；w;为液固两相界面上的吸附量，kgkg; 0为吸附剂内部的吸附量，kgkg。 联立式(8-5)和式(8-8)得： p.e=ka(@,-@) (8-9) (3)总传质速率稀溶液中，忽略界面上的吸附阻力，固相和液相的平衡关 系分别为： wi=kci w=kc州 将以上两式代入式(89)得： aonk (8-10) 由式(8-7)得： es du=c-ci (8-11) kLa dt 将式(8-10)和式(8-11)两式相加并整理得： a 1（c-c*) (8-12) kk+ 令1 1 则式(8-12)为： d-KLa(e-c) (8-13)
578食品工程原理 式中：KL为总传质系数，ms:k为固相传质阻力，s:a为液相传质阻 力，s;Ka为吸附传质总阻力，s0 液相传质阻力和固相传质阻力，何者是影响吸附的主导因素，取决于两者之 比ro 浩-茶治 (8-14) 式中：D:为内扩散系数，m/s;d。为颗粒直径，mo 当，<0.01时，内扩散阻力为主导因素； r>10,外扩散阻力为主导因素。 由于吸附是一个复杂的传质过程，上述理论一般只用作定性分析，其中外扩 散传质系数k与液体的物理性质、颗粒形状、两相相对运动状态、温度和压强 等因素有关，可通过一些经验公式计算。内扩散系数k。与吸附剂的微孔结构 吸附质的物理性质及吸附时间等因素有关，k。必须通过实验获取。 1.3吸附操作 1.3.1吸附操作步骤 ①使溶液与吸附剂接触，完成吸附； ②分离吸附剂和吸附后的溶液； ③吸附剂再生或更换吸附剂。 1.3.2吸附剂的选择 首先根据液相性质选择合适的吸附剂，一般用于水溶液的吸附剂应具有憎水 性，用于有机溶液的吸附剂则应具有显著的亲水性，其次要根据吸附要求考虑吸附 能力及其持液量，另外还要考虑经济性，以决定是否选择具有再生能力的吸附剂。 1.3.3吸附操作装置类型 1.3.3.1接触式吸附操作装置 接触式吸附操作装置如图83所示。该种设备为间歇式操作设备，主要有混
第8章液体吸附与离子交换579 合桶、料泵、压滤机、贮桶四部分组成。首先原料液与吸附剂于混合桶中在搅抖 状态下充分接触，达到吸附终点后，用泵打人压滤机压滤，滤液送入贮桶储存，如 需多级吸附处理，可将贮液再打回混合桶进行多次吸附，否则可作为成品储存。 1.混合桶2.料系3.压滤机4.贮桶 图8-3接触式过滤吸附设备 吸附速率在一定温度范围内，随着温度的升高而加快， 这是由于温度升高，液相分子布朗运动加快，分子间作用力 胜 降低，溶液粘度降低，有利于扩散吸附。但是，高温对吸附 平衡有不良影响，此不良影响通常可被增加的速率抵消。 1.3.3.2固定床吸附操作装置 固定床吸附操作装置如图84所示。主要有吸附柱 和过滤器两部分组成，吸附柱一般长6一10m,直径0.6 1.2m,内装满吸附剂。类似于填料吸收塔，不同之处在 于吸收塔中的填料只为汽液接触提供接触表面，本身不参 与传质，而吸附柱中的吸附剂本身参与传质。料液一般由 柱上方以一定压力加入，加料管往往联接若干带阀门的支 管，可分别加入不同浓度的料液，以充分利用吸附剂的吸 附能力。吸附结束后，料液由下方排出，通过一个过滤器， 1.吸附柱2.吸附剂加人口 以滤去被料液带走的吸附剂。吸附剂饱和后，由吸附柱下 3.料液进人4.支承 5.吸附剂卸出6.过滤器 方卸出，再重新装填，开始下一个操作循环。因此这种吸 图8-4固定床吸附 附实际上是一个不稳定的半连续操作。 操作设备