吸附原理及應用

1、吸附,HANS,概述,吸附（定義）,一種物質從一相轉移到另外一相的現(xiàn)象稱為吸附,固液界面上的吸附： 吸附劑：具有吸附能力的固體物質。 吸附質：被吸附的物質。,物質從流體相濃縮到固體表面,待分離的料液 通入吸附劑,吸附質被吸附 在吸附劑表面,料液流出,吸附質解吸 吸附劑再生,典型的吸附過程包括四個步驟：,吸附: 典型的表面現(xiàn)象,吸附劑,吸附質,脫附：吸附的逆過程,概述,吸附的特點： （1） 不用或少用有機溶劑 （2） 操作簡便，安全 （3） 生產過程pH變化小 （4） 從稀溶液分離溶質 （5）吸附劑對溶質的作用小 （6）吸附平衡為非線性 （7）選擇性差,吸附過程理論基礎,基本概念,吸附劑：表面上

2、能發(fā)生吸附作用的固體 吸附物：被吸附的物質 多孔吸附劑：外表面與內表面組成 非多孔吸附劑：比表面取決于外表面 吸附作用：物質從流體相濃縮到固體表面,吸附過程理論基礎,(1)物理吸附：溶質與吸附劑之間由于范德華力而產生的吸附。 (2)化學吸附：溶質與吸附劑發(fā)生化學反應，形成牢固的吸附化學鍵和表面絡合物。 (3)交換吸附：溶質的離子由于靜電引力作用聚集在吸附劑表面的帶電點上，并置換出原先固定在這些帶電點上的其他離子。,吸附的分類,固體內部分子所受分子間的作用力是對稱的，而固體表面分子所受力是不對稱的。向內的一面受內部分子的作用力較大，而表面向外一面所受的作用力較小， 因而當氣體分子或溶液中溶質分子

3、在運動過程中碰到固體表面時就會被吸引而停留在固體表面上。,圖21-1界面上分子和內部分子所受的力,吸附過程理論基礎,吸附的類型,（1） 物理吸附: 放熱小，可逆，單分子層或多分子層，選擇性差 （2） 化學吸附: 放熱量大，單分子層，選擇性強 （3） 交換吸附: 吸附劑吸附后同時放出等量的離子到溶液中,吸附過程理論基礎,吸附過程理論基礎,物理吸附力的本質,定向力 極性分子的永久偶極靜電力 誘導力 極性分子與非極性分子之間的吸引力 色散力 非極性分子之間的引力（瞬間偶極） 氫鍵力 介于庫侖引力與范德華引力之間的特殊分子間定向作用力,非共價作用,吸附質和吸附劑之間的作用力范德華力,吸附過程理論基礎,

4、吸附過程理論基礎,吸附過程理論基礎,氫 鍵,兩種原子電負性越大，半徑越小，H鍵就越能形成，作用也就越大，越有利于吸附。,一種特殊的分子間作用力，介于庫侖引力與范德華引力 之間的特殊定向力，比誘導力、色散力都有大,吸附過程理論基礎,當分子間距離減小時，范德華力增大，但當分子間距離非常接近時，就明顯地表現(xiàn)出斥力。 當距離大于OB時，吸引力未表示出來。 當吸附表面和分子間的距離減小時，其吸引力的能量逐漸增加， 當距離減至分子半徑OA時，達到最大值。 當距離再減小時，推斥力急劇增加。,物理吸附與化學吸附的比較,吸附過程理論基礎,吸附平衡,吸附速率=解吸速率（即V吸附=V解吸）， 即在單位時間內吸附數(shù)量

5、等于解吸的數(shù)量，則吸附質在溶液中的濃度C與在吸附劑表面上的濃度都不再變時，即達到吸附平衡，此時吸附質在溶液的濃度C叫平衡濃度。,吸附過程理論基礎,吸附量q,達到吸附平衡時，單位重量的吸附劑（g）所吸附的吸附質的重量（g）,衡量吸附劑吸附能力的大小,吸附過程理論基礎,吸附等溫線,在一定T下，q隨平衡濃度C變化的曲線（q=f(C)）叫吸附等溫線。,費羅因德利希吸附等溫線,亨利吸附等溫線,蘭格謬爾吸附等溫線,BET吸附等溫線（多層吸附）,類型,吸附等溫線,q= K C,亨利吸附等溫線,吸附等溫線,費羅因德利希吸附等溫線,基本假設： 固相表面具有同的吸附位置，需有同的吸附能量,常用于表面非常均勻的吸附

6、劑在一定濃度范圍對單一溶質系統(tǒng)的等溫吸附,吸附等溫線,蘭格謬爾吸附等溫線,基本假設：,吸附位點在吸附劑表面，且每一位點可吸附一個分子，亦即被吸附成單一分子層， 所有吸附地址，對被吸附分子具有相等的親和， 被吸附分子并影響其余吸附位點的吸附效應,吸附等溫線,蘭格謬爾吸附等溫線,吸附等溫線,吸附等溫線,BET吸附等溫線（多層吸附）,幾種常用的吸附劑,吸附劑必須滿足下列要求：吸附能力強；吸附選擇性好；吸附平衡濃度低；容易再生和再利用；機械強度好；化學性質穩(wěn)定；來源廣；價廉。 一般工業(yè)吸附劑難于同時滿足這八個方面的要求，因此，應根據(jù)不同的場合選用。,吸附劑通常應具備以下特征： 表面積大、顆粒均勻、 對

7、被分離的物質具有較強的吸附能力 有較高的吸附選擇性 機械強度高 再生容易、性能穩(wěn)定 價格低廉。,常用的吸附劑有極性的和非極性的兩種。,幾種常用的吸附劑,有機吸附劑有活性炭、球性炭化樹脂、聚酰胺、纖維素、大孔樹脂等； 無機吸附劑有硅膠、活性氧化鋁、硅藻土、分子篩等。,活性氧化鋁（Al2O3nH2O）,按其化學結構可分為有 有機吸附劑 無機吸附劑,幾種常用的吸附劑,活性炭,高溫炭化 活化,800900 木材、煤、果殼 炭渣 活性炭 隔絕空氣，600 活化劑：ZnCl2,解吸： 從活性炭柱上洗脫被吸附物質時，溶劑的洗 脫能力將隨溶劑極性的降低而增強。,幾種常用的吸附劑,活性炭吸附非極性有機物,脫色，

8、去熱原,幾種常用的吸附劑,硅膠（SiO2nH2O）,硅膠的表面保留著羥基，是硅膠的吸附活性中心 在200以上羥基會脫去，失去活性,應用,吸附大極性有機物,| | O O | | SiOSiOH | | O O | |,幾種常用的吸附劑,極性強，對水有很強的親和作用,活性氧化鋁（Al2O3nH2O）,幾種常用的吸附劑,篩分：將比其孔徑小的分子吸附到空穴內部，而把比孔徑大的分子排斥在其空穴外，起到篩分分子的作用 吸附：,分子篩 結晶鋁硅酸金屬鹽的水合物，其化學通式為：Mx/m(AlO2)x(SiO2)yzH2O。,分子篩是一種具有網狀晶體結構的硅鋁酸鹽 ，具有均勻的晶穴，孔徑分布非常均一，具有選擇

9、篩分分子作用,（a）A 型 （b）X 型 兩種常用沸石分子篩的結構,溶劑的極性:與介電常數(shù)大小一致 環(huán)己烷 1.88 苯 2.29 無水乙醚 4.47 氯仿 5.20 乙酸乙酯 6.11 乙醇 26.0 甲醇 31.2 水 81.0,極性遞增,幾種常用的吸附劑,大孔吸附樹脂,不含交換基團的, 具有大孔結構的高分子吸附劑。,（1） 選擇性好 （2） 解吸容易 （3） 機械強度好 （4） 流體阻力小 （5） 反復使 用 （6） 可適用于各種產品,優(yōu)點,大孔吸附樹脂,非極性大孔吸附樹脂 中等極性大孔吸附樹脂 極性大孔吸附樹脂,分類,大孔吸附樹脂,非極性大孔吸附樹脂,苯乙烯-二乙烯苯,交聯(lián)、聚合,大孔

10、吸附樹脂,中極性大孔吸附樹脂,甲基丙烯酸酯,單體,大孔吸附樹脂,極性大孔吸附樹脂,酰胺基團 硫氧基團 N-O基團,(硫氧基、酰胺、N-O基、磺酸基),大孔吸附樹脂,吸附性原理 樹脂本身具有吸附性 吸附力是范德華力或氫鍵作用的結果 篩選性原理 樹脂為多孔性結構，具有分子篩的作用 有機化合物根據(jù)吸附力的不同及分子量的大小，在樹脂的吸附機理和篩分原理作用下實現(xiàn)分離。,大孔吸附樹脂,應用范圍廣 整個過程PH值不變，適于對PH值敏感的物質 能從存在大量無機鹽的發(fā)酵液中分離提取抗菌素等物質 理化性質穩(wěn)定 穩(wěn)定性高，機械強度好，耐用 避免溶劑法對環(huán)境的污染及離子交換法對設備的腐蝕 分離性能優(yōu)良 選擇性好，分

11、離效能高,大孔吸附樹脂,使用方便 大孔樹脂一般為小球狀，流體阻力小于活性碳 溶劑用量少 只需要少量溶劑作為洗脫劑 避免了溶劑法中的乳化現(xiàn)象 可重復使用，降低成本 用水、稀酸、稀堿或低濃度乙醇等反復清洗即可再生 缺點 樹脂價格貴；品種有限，不能滿足復雜要求；操作繁瑣,大網格吸附劑吸附條件選擇,1 吸附劑的選擇（相似互溶）： 非極性吸附劑從極性溶劑中吸附非極性物質 高極性吸附劑從非極性溶劑中吸附極性物質 中等極性吸附劑對兩種情況均有吸附能力 孔徑與比表面（孔徑6倍于分子直徑）,吸附法提取的生化物質大多是弱極性或非極性，一般選非極性或中等極性。,大網格吸附劑吸附條件選擇,2無機鹽的影響 無機鹽存在，

12、對吸附不僅無干擾，還有促進作用（鹽析）。 3吸附pH 弱酸物質：pHpK （呈分子狀態(tài)） 中性物質：pH無影響（不會電離）。,例： 林可、紅霉素、SPM 弱堿性， pH 吸附量； 赤霉素弱酸性， pH，吸附量； 維生素B12 中性， pH無影響， 實驗證實： XAD-2上吸附，pH37吸附量都一樣； 頭孢菌素 兩性物質，應在什么條件下吸附？ pK1=2.6(羧基)；pK2=3.3 (羧基) ；pK3=9.8 (氨基),大孔吸附劑解吸條件,1. 選擇洗脫劑原則,a. 洗脫劑應容易溶脹大網格吸附劑。,溶質對聚合物的溶脹能力可用溶解度參數(shù)來表征。,溶 劑 的 解 吸 能 力 逐 漸 降 低,溶劑的溶

13、解度參數(shù)和聚合物的溶解度參數(shù)接近時，溶劑愈易溶脹聚合物。 （洗 聚）,大孔吸附劑解吸條件,b. 洗脫劑對被吸附物有較大的溶解度。,例 赤霉素(920)：吸附時選XAD-2樹脂（聚苯乙烯型）聚18.4 洗脫劑選乙酯 乙18.6，溶解度參數(shù)接近，易溶脹XAD-2樹脂； 易溶于乙酯中。 洗脫容易，洗脫峰很集中。,大孔吸附劑解吸條件,2. 流速 （空間速度，線速度）洗脫液的流速務必恰當控制。如果太快，洗脫物在兩相中的平衡過程不完全；如果太慢，洗脫物會擴散。,幾種常用的吸附劑,分子篩,分子篩是一種具有網狀晶體結構的硅鋁酸鹽 ，具有均勻的晶穴，孔徑分布非常均一，具有選擇篩分分子作用,影響吸附的因素,（一）

14、吸附劑結構,1比表面積,吸附劑的粒徑越小，或是微孔越發(fā)達，其比表面積越大。吸附劑的比表面積越大，則吸附能越強。,影響吸附的因素,（一）吸附劑結構,2孔結構,吸附劑的孔結構如圖7-6所示。吸附劑內孔的大小和分布對吸附性能影響很大?？讖教?，比表面積小，吸附能力差；孔徑太小，則不利于吸附質擴散，并對直徑較大的分子起屏蔽作用，,影響吸附的因素,3表面化學性質,（一）吸附劑結構,吸附劑在制造過程中會形成一定量的不均勻表面氧化物，其成分和數(shù)量隨原料和活化工藝不同而異。,表面氧化物成為選擇性的吸附中心，使吸附劑只有類似化學吸附的能力，,影響吸附的因素,（二）吸附質的性質 對于一定的吸附劑，由于吸附質性質的

15、差異，吸附效果也不一樣。 （三）操作條件,吸附是放熱過程，低溫有利于吸附，升溫有利于脫附.,吸附工藝和設備,操作方式,連續(xù)式,吸附工藝,一、間歇吸附,吸附過程計算,L吸附劑的質量，kg;,W溶液中溶劑的質量，kg,吸附工藝,固定床吸附,固定床是最常用得吸附分離設備，屬間歇操作。,吸附劑在床中是固定的，料液自上而下流過吸附劑。,吸附工藝,固定床吸附,以吸附時間或吸附柱出水總體積為橫坐標，以出水吸附質濃度為縱坐標所繪制出的曲線。,穿透曲線,吸附帶,指正在發(fā)生吸附作用的那段填充層,吸附工藝,出水濃度Cb為(0.90-0.95)Co時所對應的出水總體積的穿透曲線上的那一點。,吸附終點,固定床吸附,吸附 沖洗 洗脫,時間/體積,y,吸附,沖洗,洗脫,固定床內的濃度分布曲線,時間,y,床層長度,yF,0,l,0,時間,q = f (y),指正在