第十五章吸附分離法

第十五章吸附分離法第一節(jié)吸附過程理論基礎一、基本概念固體分為：多孔性和非多孔性兩類。非多孔性固體：具有很小的比表面；多孔性固體：比表面很大，每克幾百平方米(存在顆粒內微孔)，內表面積比外表面積大幾百倍，具有較高的吸附勢。應用多孔性吸附劑較有利?；靖拍钗阶饔茫何镔|(被吸附的產(chǎn)物)從液體相濃縮到固體(吸附劑)表面從而達到分離的過程。吸附劑：在表面上能發(fā)生吸附作用的固體.吸附物：被吸附的物質。二、吸附的類型按作用力差別分：物理吸附（最常見的吸附現(xiàn)象）：吸附劑與吸附物通過分子力(范德華力)產(chǎn)生的吸附；吸附不僅限于一些活性中心，而是整個自由界面；物理吸附是可逆的，吸附和解吸同時存在；一種吸附劑可吸附多種物質，沒有嚴格的選擇性（但吸附量有差別）；與吸附劑的表面積、細孔分布、溫度等有關。物理吸附——分子間作用力的吸附1）吸附區(qū)域為自由界面2）吸附層數(shù)為多層或單層3）吸附可逆性—可逆4）吸附選擇性—差吸附的類型化學吸附：由于吸附劑與吸附物間的電子轉移，發(fā)生化學反應而產(chǎn)生的，需一定的活化能；選擇性較強，一種吸附劑只對某種或幾種特定物質有吸附作用；吸附為單分子層吸附，吸附后較穩(wěn)定，不易解吸；與吸附劑的表面化學性質及吸附物的化學性質有關?；瘜W吸附—化學鍵力的吸附1）吸附區(qū)域為未飽和的原子2）吸附層數(shù)為單層3）吸附可逆性—不可逆4）吸附選擇性—很好物理吸附與化學吸附的比較項目物理吸附化學吸附作用力吸附熱選擇性吸附速度吸附分子層范德華力較小，接近液化熱幾乎沒有較快,需要活化能很小單分子或多分子層化學鍵力較大，接近反應熱有選擇性慢,需要一定活化能單分子吸附的類型交換吸附：吸附劑表面為極性分子或離子組成，則會吸引溶液中帶相反電荷的離子形成雙電層（極性吸附）；離子的電荷是交換吸附的決定因素；離子所帶電荷越多，在吸附劑表面的相反電荷點上的吸附力越強；電荷相同的離子其水化半徑越小，越易被吸附。交換吸附——靜電力的吸附1）吸附區(qū)域為極性分子或離子2）吸附層數(shù)為單層或多層3）吸附可逆性—可逆4）吸附選擇性—較好固體自溶液中的吸附往往是幾種吸附力同時作用，較復雜，造成各種類型的吸附之間沒有明顯的界線。三、吸附力的本質吸附作用的根本因素是吸附物和吸附劑間的作用力（范德華力）：范德華力是一組分子引力的總稱：定向力、誘導力、色散力；范德華力只表現(xiàn)為互相吸引。分子引力的總能量：U范德華力=U定向+U誘導+U色散各種吸附力定向力：極性分子間產(chǎn)生的作用力；誘導力：極性分子與非極性分子間的吸引力；色散力：非極性分子間的引力；上述各力大小，對于各種物質是不一樣的，取決于吸附物的性質。氫鍵力：介于庫侖引力與范德華力間的特殊定向力，比誘導力、色散力大。四、吸附等溫線固體從溶液中的吸附，是溶質和溶劑分子爭奪表面的凈結果；不考慮溶劑吸附，當固體吸附劑與溶質達平衡時，吸附量應與溶質的濃度和溫度有關。當溫度一定時，吸附量只和濃度有關，這個函數(shù)關系稱為吸附等溫線（常見的）。表示平衡吸附量，可用來推斷吸附劑結構、吸附熱和其他理化特性。蘭繆爾（Langnuir）公式1）二個假設：吸附活性中心間各自獨立每一個吸附活性中心只吸附一個分子2）推導：

吸附速度=K1（m∞

－m)C,解吸速度=K2

m

當達到平衡時，K1（m∞

－m)C=K2m

m∞bCK1m=————其中b=—1+bCK2m∞bCm=————1+bC當溶液濃度很稀時，1+bC≈1，m=m∞bC當溶液濃度很高時，1+bC≈bC，m=m∞

當溶液濃度適中時，

m=KC1/n其中n＞1

此為弗羅德利希（Freundlich）公式

目前尚沒有成熟的理論來估計流體－固體之間的吸附平衡關系。因此，需要對特定的物系實驗測定一定溫度下的吸附平衡數(shù)據(jù)，并繪制成吸附劑上吸附質的吸附量與流體中吸附質濃度或分壓的關系曲線，這種曲線稱為吸附等溫線。另外，在等壓情況下，表示吸附量和溫度的關系曲線稱為吸附等壓線；在等吸附容量情況下，表示溫度和壓力的關系曲線稱為吸附等容線。這里只介紹應用最廣的吸附等溫線。純組分氣體吸附平衡Brunauer的五種類型的純氣體物理吸附等溫線Langmuir吸附等溫線(I型)假設表面處處均一

(所有吸附位點在能量上完全相同)

單分子層吸附(沒有多層吸附)

被吸附到吸附劑上的分子之間沒有相互作用Inadp/p0pQ親和吸附親和吸附原理：利用生物高分子物質對某些相對應物質具有專一的識別和可逆結合的能力（親和力）來實現(xiàn)。第二節(jié)幾種常見的吸附劑吸附劑的要求交換容量——結構（多孔、立體網(wǎng)狀）選擇性——組成穩(wěn)定性——結構、組成25常用吸附劑

⑴活性炭（ActivatedCarbon,AC)

是一種疏水性和親有機物的非極性吸附劑。

特點：比表面積大（在500～1500m2/g），吸附量大，抗酸耐堿，化學和熱穩(wěn)定性高，解吸容易。

制備：通常所有含碳的物料，如木材、木屑、果殼、褐煤等都可以加工成黑炭，經(jīng)活化制成活性炭。有顆粒、粉末或纖維狀（可進一步制成布狀）。

常用于溶劑回收，溶液脫色、除臭、凈制等。26微孔：直徑小于2nm中孔：直徑在2～50nm大孔：直徑大于50nm活性炭的孔結構27⑵硅膠(SilicaGel)

是一種堅硬無定形鏈狀和網(wǎng)狀結構的硅酸聚合物顆粒，屬極性吸附劑。比表面積在300～800m2／g左右。主要用于氣體的干燥脫水、烴類分離及作催化劑的載體等。

28⑶活性氧化鋁(ActivatedAlumina)

為無定形的多孔結構物質，一般由氧化鋁的水合物(以三水合物為主)加熱、脫水和活化制得?？讖郊s在20?到50?，比表面積在200～500m2/g。

對水具有很強的吸附能力，主要用于液體和氣體的干燥。29

⑷沸石分子篩(ZeoliteMolecularSieve)是人工合成的無機吸附劑,其組成與天然沸石相近,是鋁、硅酸鹽類的化合物。具有特定且均勻一致的孔徑，只允許比其微孔孔徑小的分子吸附上去，比其微孔大的分子則不能進入，故稱為分子篩。是極性吸附劑，對水具有很大的親和力。

比表面積在400～1000m2/g。主要用于各種氣體和液體的干燥，芳烴、烷烴的分離及用作催化劑及催化劑載體等。30球形分子篩顆粒31常用沸石分子篩型號

孔徑大小(?)典型化學組成

SiO2與Al203比3A

(鉀型）～32/3K20·1/3Na20·Al203·2SiO224A

(鈉型）～4Na20·Al203·2SiO25A

(鈣型）～50.7Ca0·0.3Na20·Al203·2SiO210X(鈣型）8～90.8Ca0·0.2Na20·Al203·2.5SiO22.513X

(鈉型）9～10Na20·Al203·2.5SiO2Y

(鈉型）9～10Na20·Al203·5SiO25鈉絲光沸石

～5Na20·Al203·10SiO2

1032沸石分子篩中的原子形成籠形結構，其空穴大小決定了所能吸附分子的大小。A型分子篩33A型分子篩34X型分子篩35X型分子篩36

（5）吸附樹脂（Resin）是一種網(wǎng)狀結構的有機高聚物，如南開和成公司的ADS系列、美國Rohm&Haas公司的XAD系列樹脂是苯乙烯與二乙烯苯的共聚物，可根據(jù)需要制成不同孔徑、不同比表面積、極性或非極性的吸附劑。比表面積一般在200～700m2／g左右。主要用于廢水中有機物的吸附、天然產(chǎn)物與生化產(chǎn)品的分離等。

37樹脂第三節(jié)影響吸附過程的因素吸附劑的性質：理化性質對吸附影響很大，要求吸附容量大、吸附速度快、機械強度好。吸附容量主要與比表面積有關；吸附速度主要與顆粒度和孔徑分布有關；機械強度影響其使用壽命。影響吸附過程的因素吸附物的性質：能使表面張力降低的物質，易為表面所吸附；溶質從較易溶解的溶劑中吸附時，吸附量較少；極性吸附劑易吸附極性物質，非極性吸附劑易吸附非極性物質；對于同系列物質，吸附量變化有規(guī)律；影響吸附過程的因素溶液pH的影響：影響某些化合物的離解度（常通過實驗決定）溫度的影響：吸附熱越大，溫度對吸附的影響越大。其他組分的影響：對混合物的吸附較純溶質的吸附為差。第四節(jié)大網(wǎng)格聚合物吸附劑大網(wǎng)格聚合物吸附劑：大網(wǎng)格離子交換樹脂去其官能團，保留多孔骨架，其性質與活性炭、硅膠等吸附劑相似。特點：選擇性好，解吸容易，機械強度好，可反復使用，流體阻力較小?？砂葱枰x擇不同原料和合成條件改變其孔隙度、骨架結構、極性，用于吸附各種有機化合物。一、大網(wǎng)格吸附劑的類型和結構按骨架的極性強弱分為：非極性吸附劑：由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成；中等極性吸附劑：具有甲基丙烯酸酯的結構；極性吸附劑：帶有極性很強的官能團——酰胺、N-O基、磺酸等二、大網(wǎng)格吸附劑的吸附機制“類似物容易吸附類似物”原則非極性吸附劑適宜于從極性溶劑中吸附非極性物質；高極性吸附劑適宜于從非極性溶劑中吸附極性物質；中等極性吸附劑則對上述兩種情況都具有吸附能力。三、大網(wǎng)格聚合物吸附劑應用吸附能力與樹脂化學結構和物理性能有關、與溶質及溶液性質有關。大網(wǎng)格吸附劑提取有機物，可不必考慮鹽類的存在；宜根據(jù)吸附物的極性和分子大小，選擇具有適當極性、孔徑和表面積的吸附劑；溶液pH影響弱電解質的離解程度，也影響其吸附量。大網(wǎng)格吸附劑的解吸最常用的是以低級醇、酮或其水溶液解吸；溶劑應能使大網(wǎng)格聚合物吸附劑溶脹，減弱溶質與吸附劑間的吸附力；溶劑應容易溶解吸附物。對弱酸性物質可用堿來解吸；大網(wǎng)格離子交換樹脂與凝膠樹脂相比有下列優(yōu)點：有較好的化學和物理穩(wěn)定性；孔徑大