《分离技术概论》第8章吸附分离.ppt

1、分离技术吸附、离子交换、色谱浙江大学材料与化工学院陈欢林教授、张林博士吸附与离子交换的基本要素吸附剂吸附剂大大多多数数固固体体能能吸吸附附气气体体和和液液体体，但但没没有有选选择择性性，只只有有少量的物质具有选择性吸附能力。少量的物质具有选择性吸附能力。对对气气体体或或液液体体混混合合物物中中某某一一组组分分具具有有选选择择性性吸吸附附并并且且吸附能力较大的物质称为吸附剂。吸附能力较大的物质称为吸附剂。吸吸附附剂剂的的一一个个重重要要特特征征:多多孔孔结结构构，比比表表面面很很大大，在在3001200m2之之间间。根根据据国国际际纯纯化化学学与与应应用用学学会会（IUPAC）的的孔孔大大小小的

2、的定定义义，微微孔孔小小于于2.0nm，介介孔孔在在2.050.0nm，大孔则指大于大孔则指大于50.0nm。吸吸附附剂剂有有各各种种形形状状，如如细细粒粒、柱柱形形、球球形形、薄薄片片形形或或粒粒度度在在50m 1.2cm 的的粉粉末末。吸吸附附剂剂的的平平均均孔孔径径大大致致在在1.010.0 nm、空隙率在空隙率在3085之间。之间。商用多孔吸附剂的基本特性商用多孔吸附剂的基本特性 吸附剂吸附剂表面特性表面特性平平均均孔孔径径 nm空隙率空隙率p颗颗粒粒密密度度g/cm3表面积表面积m2/g吸吸附附水水蒸蒸 气气 (wt)%活性氧化铝活性氧化铝亲水，无定型亲水，无定型1.0-7.50.4

3、0.50.91.251503207硅硅 胶胶：小孔小孔大孔大孔亲亲水水、疏疏水水、无定型无定型2.2-2.610.0-15.00.40.50.50.710.81.30.621.09650-850200-35011活活性性碳碳：小小孔孔 大孔大孔疏水、无定型疏水、无定型1.0-2.53.00.40.60.5-1.00.6-0.8400-1500200-7001碳分子筛碳分子筛疏水疏水0.22.00.350.41 0.91.1400550沸石分子筛沸石分子筛极性极性-亲水亲水0.29-1.00.2-0.50.91.3400-75020-25聚聚合合物物吸吸附附剂剂亲亲-疏水两性疏水两性4.025.

4、00.4-0.5580-700A A型沸石分子筛的性质和应用型沸石分子筛的性质和应用 分子筛规格分子筛规格阳阳 离离子子分分子子筛筛笼笼孔孔结结构构的的分分子子式式孔孔 径径 nm典型应用实例典型应用实例3AKK12(AlO2)12(SiO2)120.29反应气体的干燥反应气体的干燥4ANaNa12(AlO2)12(SiO2)120.38水水分分子子、CO2的的去去除除；空气分离空气分离5ACa2Ca5Na2(AlO2)12(SiO2)120.44空空气气分分离离、线线性性烷烷烃烃分离分离10ACa2Ca43(AlO2)86(SiO2)860.80空气分离；硫醇去除空气分离；硫醇去除13ANa

5、Na86(AlO2)86(SiO2)860.83空气分离；硫醇去除空气分离；硫醇去除 活性炭吸附空气中溶剂蒸气的吸附平衡活性炭吸附空气中溶剂蒸气的吸附平衡 1.-CCl 2.醋酸乙酯醋酸乙酯 3.苯苯 4.乙醚乙醚 5.乙醇乙醇 6.氯甲烷氯甲烷 7.丙酮丙酮 （20）具有不同表面结构的离子交换树脂具有不同表面结构的离子交换树脂 (a)(b)(c)(d)(e)(a)普通型普通型 (b)凝胶型凝胶型 (c)大孔型大孔型(d)膜状型膜状型 （e）薄壳型薄壳型 在吸附剂上的吸着与离子交换机理在吸附剂上的吸着与离子交换机理(a)可可塑塑物物质质对对染染料料分分子子的的吸吸着着(b)多多孔孔聚聚合合物物

6、吸吸着着剂剂中中的的吸吸附附(c)阳阳离离子子交交换换剂剂网网状结构中的离子交换状结构中的离子交换螯合型离子交换树脂功能基团及其选螯合型离子交换树脂功能基团及其选择性择性功能基团功能基团基团结构式基团结构式选择性大小次序选择性大小次序亚氨二乙酸亚氨二乙酸N(CH2COOH)2Hg2Cu2UO22Pb2Fe3Al3Cr3Ni2Zn3AgCo2Cd2Fe2Mn2Ba2Ca2Sr2Mg2Na聚聚胺胺（含含聚聚乙乙烯烯亚胺）亚胺）（NHCH2）n NH2Au2Hg2Pt2Pd2Fe3Cu2Zn2Cd2Ni2Co2AgMn2Ca2,Mn2,Na磷酸磷酸PO3H2Th4U4UO22Fe3Be2稀稀土土类类

7、HAgCd2Zn2Cu2Ni2Co2Mn2Ca2Na氨基磷酸氨基磷酸NHCH2PO3H2Cu2Ca2Zn2Fe2Ni2Cd2Cr2Na2硫醇硫醇SHAgCu2Pd2Cd2Zn2Ni2Fe3Ca2二硫代氨基甲酸二硫代氨基甲酸NCS2HHg,Au3,Ag,Cr6偕胺肟偕胺肟C(NOH)NH2Cu2,Ru2,Au2,Rh2,V2,Pb2,U2,Pt2,Fe3,Mo2,对对以上元素有较大选择性以上元素有较大选择性Cu2Ni2Co2Zn2Mn2葡萄糖胺葡萄糖胺N(CH2(CHOH)5H)CH3对对BO32有特殊的吸附性有特殊的吸附性 吸附剂的选择原则吸附剂的选择原则 若若对对某某一一已已知知混混合合物物

8、体体系系需需通通过过吸吸附附分分离离来来实实现现其其产产物物的的提提取取与与纯纯化化、或或物物流流的的净净化化、或或毒毒物物的的去去除除等等目目的的，则则一一般般要要掌掌握握以以下下二个选择原则：二个选择原则：1.有尽可能大的比表面积，以增大其吸附能力；有尽可能大的比表面积，以增大其吸附能力；2.对组分有足够的选择性，以提高被分离组分的分离程度。对组分有足够的选择性，以提高被分离组分的分离程度。3.粒粒度度均均匀匀、适适中中，分分离离柱柱中中流流量量就就分分布布均均匀匀。粒粒度度小小，表表面面积积增增加加，对对分分离离有有利利，但但填填充充床床压压力力损损失失随随之之增增大大，操操作作压压力力

9、增增加加，从而增加了设备投资。从而增加了设备投资。4.吸吸附附剂剂对对吸吸附附物物易易脱脱附附，有有利利于于重重复复使使用用，寿寿命命长长。吸吸附附剂剂的的寿寿命命与与所所用用离离子子交交换换树树脂脂和和沸沸石石本本身身的的机机械械强强度度有有关关，此此外外还还与与操操作作条条件件，原原料料和和解解吸吸剂剂的的性性质质有有密密切切关关系系。操操作作压压力力、操操作作温温度度、原原料料中中的的杂杂质质、细细菌菌对对吸吸附附剂剂表表面面的的污污染染、原原料料或或脱脱附附剂剂对对吸吸附附剂的溶胀，以及化学作用都会影响吸附剂的寿命。剂的溶胀，以及化学作用都会影响吸附剂的寿命。脱附剂的选择脱附剂的选择

10、脱附剂也称清洗剂，在选取合适脱附剂时，不仅要考虑其粘度的大小对流动性的影响、其是否会与料液或吸附剂起化学反应、对料液的溶解度大小等，同时还需满足以下两个基本条件：1.其其选选择择系系数数应应尽尽可可能能接接近近于于1，以以便便脱脱附附剂剂和和待脱附组分之间进行可逆的吸附交换；待脱附组分之间进行可逆的吸附交换；2.脱脱附附剂剂易易与与被被脱脱附附组组分分分分离离。如如沸沸点点差差异异较较大可用简单蒸馏分开。大可用简单蒸馏分开。常常用用的的脱脱附附剂剂有有饱饱和和碳碳氢氢化化合合物物的的已已烷烷、庚庚烷烷、环环已已烷烷；芳芳烃烃的的苯苯、甲甲苯苯、卤卤化化物物的的四四氯氯化化碳碳、二二氯氯甲甲烷烷

11、、二二氯氯甲甲烷烷；醇醇类类的的甲甲醇醇、乙醇、丙醇、丁醇等。乙醇、丙醇、丁醇等。极性溶质分子在极性固定相上的冲洗次序极性溶质分子在极性固定相上的冲洗次序由溶质的分子官能基的极性大小而定，其由溶质的分子官能基的极性大小而定，其次序一般为次序一般为:-CO2H-OHNH-SH-CHO-C=O-CO2R-OCH3-CH=CH-对活性碳一类非极性固定相吸附剂，则次对活性碳一类非极性固定相吸附剂，则次序相反。序相反。吸附特征及效率优惠与非优惠吸附线优惠与非优惠吸附线 （a）优惠吸附优惠吸附(b)线性吸附线性吸附(c)非优惠吸附非优惠吸附（d）S型吸附型吸附优优惠惠吸吸附附等等温温线线：溶溶液液浓浓度度

12、增增高高，等等温温线线的的斜斜率率减减小小，浓浓度度波波前前沿沿中中高高浓浓度度一一端端比比低低浓浓度度一一端端移移动动得得快快。随随着着时时间间得得增增加加，浓浓度度波波前前沿沿变变窄窄，最最后后达达到到以以恒恒定定波形向前移动；波形向前移动；非非优优惠惠等等温温线线：则则相相反反，前前沿沿中中高高浓浓度度一一端端比比低低浓浓度度一一端端移移动动慢慢，最最后后以以变变坦坦前前沿沿向向前前推推进进；而而对对线线性性等等温温线线，由由于于其其斜斜率率为为定定值值，浓浓度度波波前前沿沿图图形形不不随随时时间而变。间而变。残余吸附量残余吸附量（a）吸附后床层的负荷曲线；（吸附后床层的负荷曲线；（b）

13、再生后床层的残余再生后床层的残余状态；（状态；（c）再吸附容量的差值再吸附容量的差值 残余吸附量指经再生后吸附剂中残余吸附负荷，其与吸附残余吸附量指经再生后吸附剂中残余吸附负荷，其与吸附阶段床层末端处吸附剂的状态、吸附和解吸阶段的吸附容量阶段床层末端处吸附剂的状态、吸附和解吸阶段的吸附容量之差有关。之差有关。吸附剂劣化原因吸附剂劣化原因其中：其中：I.I.为半熔融状态造成毛细孔结构上的劣化；为半熔融状态造成毛细孔结构上的劣化；II.是炭沉积使微孔入口堵塞造成的劣化；是炭沉积使微孔入口堵塞造成的劣化；III.是化学反应劣化，气或溶液中含稀酸或稀碱对合成沸石或活性氧化铝的是化学反应劣化，气或溶液中

14、含稀酸或稀碱对合成沸石或活性氧化铝的结构或无定形物质的部分破坏，导致吸附性能下降。结构或无定形物质的部分破坏，导致吸附性能下降。吸附剂再生加热温度的最高限吸附剂再生加热温度的最高限为使吸附剂的结构不致破坏，微孔不致融合，为使吸附剂的结构不致破坏，微孔不致融合，再生时加热温度的最高限为：再生时加热温度的最高限为：活性炭活性炭 约约900 分子筛分子筛 475 硅胶硅胶 310 活性氧化铝活性氧化铝 175300 铝胶铝胶 670 色谱的种类色谱分离色谱分离色谱是利用不同组分在固定相和流色谱是利用不同组分在固定相和流动相中具有不同的平衡分配系数动相中具有不同的平衡分配系数（或溶解度），当两相作相对

15、运动（或溶解度），当两相作相对运动时，这些组分在两相中进行反复多时，这些组分在两相中进行反复多次分配，从而使分配系数相差微小次分配，从而使分配系数相差微小的组分能产生很好的分离效果。的组分能产生很好的分离效果。色谱的分类色谱的分类1.按流动相态：按流动相态：气相色谱、液相色谱气相色谱、液相色谱2.按分离过程原理：按分离过程原理：吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、亲和吸附色谱、分配色谱、离子交换色谱、亲和 色谱、色谱、凝胶色谱凝胶色谱工业规模的色谱技术已在产物提取、分离、净化与提工业规模的色谱技术已在产物提取、分离、净化与提纯方面得到广泛的应用。纯方面得到广泛的应用。大型冲洗色谱、置换色谱的色谱

16、柱达到大型冲洗色谱、置换色谱的色谱柱达到1米以上，在米以上，在制糖工业中有柱达制糖工业中有柱达4米直径的色谱在运行，米直径的色谱在运行，美国美国UOP公司开发的公司开发的Sorbex工艺从烷基碳氢化合物工艺从烷基碳氢化合物中分离芳烃。中分离芳烃。我国在工业色谱技术开发方面：已开发成功出紫杉酵我国在工业色谱技术开发方面：已开发成功出紫杉酵制备、制备、型天然维生素型天然维生素E吸附提纯的工业色谱。吸附提纯的工业色谱。精馏与色谱分离的适用范围比较精馏与色谱分离的适用范围比较 凡是精馏和萃取凡是精馏和萃取精馏可分离的体系精馏可分离的体系都可以采用气液色都可以采用气液色谱分离，对分离因谱分离，对分离因子子1.3的易分离体的易分离体系，气系，气-液色谱的液色谱的生产率低于精馏；生产率低于精馏；精馏与色谱分离的比较精馏与色谱分离的比较对分离因子对分离因子1.3的分离体系的分离体系 精馏分离的回流比需加大，能耗增精馏分离的回流比需加大，能耗增加；或塔板数增加，设备投资费上加；或塔板数增加，设备投资费上升。升。色谱过程适用于难分离体系，如同色谱过程适用于难分离体系，如同分异构体，近沸混合物等得分离。分异