吸附分离技术与理论ppt演示课件.ppt

1、,吸附分离技术和实践,吸附现象,Arain damp(吸湿)B冰箱除异味C变色硅胶,内容提要：,1.吸附的一般过程。2.吸附的类型及主要特点。3.吸附平衡理论概述。4.吸附过程及工艺计算。5.亲和吸附剂的选择原则。6.离子交换树脂的分类及作用机理。,1 基本概念,定义：吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面，再用适当的洗脱剂将其解吸达到分离纯化的过程。液相(气相)固相 吸附剂、吸附物应用：广泛应用于原料脱色、脱臭，目标产物提取、浓缩和粗分离,脱附：吸附的逆过程,吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收

2、等四个过程。,常用于从稀溶液中将溶质分离出来，由于受固体吸附剂的限制，处理能力较小；对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特别重要；可直接从发酵液中分离所需的产物，成为发酵与分离的耦合过程，从而可消除某些产物对微生物的抑制作用；溶质和吸附剂之间的相互作用及吸附平衡关系通常是非线性关系，故设计比较复杂，实验的工作量较大。,吸附法的特点：,优点：有机溶剂掺入少 操作简便，安全，设备简单 pH变化小，适于稳定性差的物质,缺点：选择性差收率低无机吸附剂性能不稳定不能连续操作，劳动强度大碳粉等吸附剂有粉尘污染,吸附机理,固体的表面性质固体表面分子（或原子）所处的状态与固体内部分子（或原子）所处的状态不同

3、,固体表面分子(或原子)处于特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称的，故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。,吸附类型与特性,物理吸附化学吸附交换吸附,极性吸附,离子交换吸附,实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下,多孔型：活性炭、硅胶、硅藻土；大网格吸附剂：有机高分子材料，如聚苯乙烯，聚酯。凝胶型：纤维素凝胶，琼脂糖凝胶，匍聚糖凝胶等。,2 吸附分离介质,吸附剂通常应具备以下特征：（1）较高的选择性以达到一定的分离要求；（2）较大的吸附容量以减小用量；（3）较好的动力学及传递性质以实现

4、快速吸附；（4）较高的化学及热稳定性，不溶或极难溶于待处理流体以保证吸附剂的数量和性质；（5）较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀；（6）较好的流动性以便于装卸；（7）较高的抗污染能力以延长使用寿命；（8）较好的惰性以避免发生不期望的化学反应；（9）易再生；（10）价格便宜。,制造过程示意图,活化：把碳渣造成发达的多孔结构 主要有两种方法：（1）气体法；（2）药剂法。,一般来说，吸附量主要受小孔支配，但对于分子量（或分子直径）较大的吸附质，小孔几乎不起作用。所以，在实际应用中，应根据吸附质的直径大小和活性炭的孔径分布来选择合适的活性炭。,1）组成结构：由木屑、兽骨、兽血或煤屑等原料高温（800

5、）碳化而成的多孔网状结构,活性炭,粉末活性炭,锦纶活性炭,2）种类：粉末活性炭、颗粒活性炭、锦纶活性炭 吸附能力为粉末活性炭颗粒活性炭锦纶活性炭,活性炭纤维是用炭素纤维活化而制得的一种纤维状吸附剂，可做成毛毡状、纸片状、布料状、蜂巢状等。活性纤维的外表面积比颗粒活性炭大，吸附和解吸速度比颗粒状活性炭大，且阻力小，容易使气体或液体透过，近年来作为活性炭新品种正在推广应用。球形炭化树脂是采用球形大孔吸附树脂为原料，经炭化、高温裂解及活化制成的吸附剂。与其他形状活性炭相比，球形炭化树脂不易掉屑而污染被处理物系，且可与被处理气体或液体均匀接触，气体和液体通过球形吸附剂床层时的阻力小。通过控制聚合条件，

6、改变原料配比等手段可得到不同孔结构和不同性能的炭化树脂。炭分子筛（CMS）较活性炭具有更小的孔径（210）和更窄的孔径分布，可用于分离更小的气体分子，如从空气中分离N2。,活性炭对物质的吸附规律,非极性吸附剂，在极性介质中，对非极性物质具有较强的吸附，因此在水中吸附能力大于有机溶剂中的吸附能力。针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：（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）对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的化合物（4）pH 值的影响 碱性 中性吸附 酸性洗脱 酸性 中性吸附 碱性洗脱（5）温度 未平衡前 随温度

7、升高而增加,活性碳净水处理,活性碳应用于工业废水，主要为有机物、氯气及微量不纯物之去除，其亦常与离子交换树脂组合以制造超纯水。用于废水处理，主要是去除一般难处理之有机化合物、卤化物、酚类、水银及一些无机金属离子，如：Sb,As,Bi,Cr及Sn等。活性碳的选择依处理的水別及目的其也各不相同。（1）饮用水水源之净化，包括水内含色、臭、合成洗涤剂 及农药等之去除（2）工业及产业用水之处理（3）家庭废水之处理及再利用（4）工业及产业废水之处理及再利用（5）垃圾渗出水处理,再生：指在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去，以达到能够重复使用的目的。1

8、）加热再生法：分为高温再生和低温再生；一般采用高温再生。2）脱水（活性炭与液体分离）干燥（100150度）炭化（300700 度）活化（用蒸汽）冷却 3）药剂再生法：酸碱、有机溶剂 4）化学氧化法：湿式氧化、臭氧 5）生物再生法：利用微生物作用,活性碳的再生,是氢氧化铝胶体经加热脱水后制成的一种多孔大表面吸附剂。通过控制氢氧化铝晶粒尺寸和堆积配位数可以控制氧化铝的孔容、孔径和表面积。由铝土矿加热脱水可制成天然活性氧化铝。氧化铝按品型可分为、和共8种。通常所说的“活性氧化铝”是指-Al2O3或是、和氧化铝的混和物。活性氧化铝具有相当大的比表面积（200400m2/g），且机械强度高，物化稳定性高

9、，耐高温，抗腐蚀，但不宜在强酸、强碱条件下使用。活性氧化铝表面的活性中心是羟基和路易斯酸中心，极性强，对水有很强的亲和作用。活性氧化铝广泛应用于脱除气体中的水，也常用作色谱柱填充材料。,活性氧化铝（Al2O3nH2O）,是用Na2SiO3与无机酸反应生成H2SiO3，其水合物在适宜的条件 下聚合、缩合而成为硅氧四面体的多聚物，即硅溶胶，硅溶胶 经凝胶化、洗盐和脱水成为硅胶。硅胶是SiO2微粒的堆积物，因此，通过控制胶团的尺寸和堆积 配位数可以控制硅胶的孔容、孔径和表面积。硅胶的表面保留着大约5wt的羟基，是硅胶的吸附活性中心。在200以上羟基会脱去，所以硅胶的活化温度应低于200极性化合物如水

10、、醇、醚、酮、酚、胺、吡啶等能与硅胶表 面的羟基生成氢键，吸附力很强。对极性高的分子如芳香烃 不饱和烃等的吸附能力次之。对饱和烃、环烷烃等只有色散 力的作用，吸附力最弱。硅胶常作为干燥剂用于气体或液体的干燥脱水，也可用于分离 烷烃与烯烃、烷烃与芳烃，同时硅胶也是常用的色谱柱填充 材料。,硅胶（SiO2nH2O）,是由硅藻类植物死亡后的硅酸盐遗骸形成的，基本质是含水的无定形SiO2，并含有少量Fe2O3、MgO、Al2O3及有机杂质，外观一般呈浅黄色或浅灰色，优质的呈白色，质软，多孔而轻。硅藻土的多孔结构使它成为一种良好吸附剂，在食品、化工生产中常用来作助滤剂及脱色剂。,硅藻土,磷酸钙凝胶1）组

11、成结构：Ca3（PO4）2，多孔网状结构凝胶2）种类：磷酸钙 Ca3（PO4）2；磷酸氢钙 CaHPO4.2H2O；羟基磷酸钙Ca5（PO4）3.OH 3）吸附性质：其中Ca2+与蛋白质负电荷基团的静电吸附作用,是结晶铝硅酸金属盐的水合物，其化学通式为：Mx/m(AlO2)x(SiO2)yzH2O。M代表阳离子，m表示其价态数，z表示水合数，x和y是整数。沸石分子筛活化后，水分子被除去，余下的原子形成笼形结构，孔径为310。分子筛晶体中有许多一定大小的空穴，空穴之间有许多同直径的孔（也称“窗口”）相连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附到空穴内部，而把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子

12、的作用，故得名分子筛。,沸石分子筛,（a）A 型（b）X 型两种常用沸石分子筛的结构,指的是一类高分子聚合物。常用的有聚苯乙烯树脂和聚丙烯酸酯树脂等。吸附树脂品种很多，单体的变化和单体上官能团的变化可赋予树脂以各种特殊的性能。吸附树脂可分为非极性、中极性、极性及强极性四类。吸附树脂可用于除去废水中的有机物，糖液脱色，天然产物和生物化学制品的分离与精制等。,吸附树脂,1)组成结构：有机高分子聚合物的多孔网状结构2)特点：选择性好；解吸容易；机械强度好；流体阻力较小；价格高3）类型：非极性吸附剂芳香族（苯乙烯等）中等极性吸附剂脂肪族（甲基丙烯酸酯等）极性吸附剂含硫氧、酰氨、氮氧等基团,吸附过程的影

13、响因素,1.吸附剂的特性（组成结构、容量、稳定性）2.吸附物的性质（熔点、缔合、离解、氢键等）3.溶剂（单、混合）4.吸附操作条件1）温度2）pH值3）盐的浓度,吸附剂的性能表征,化学成分材料结构比表面积：单位质量物体所具有的表面积(m2/g)测量方法：BET法 一般采用B.E.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮温度下(-196C)，用吸附剂吸附氮气，在吸附剂表面形成单分子吸附层，测定氮气的吸附体积vm(cm3/g)，计算比表面积a(cm2/g):N-阿弗加德罗常数，s-被吸附分子的横截面积，在-196 氮气分子的s=1.6210-15 cm2。,平均孔径、及其分布，

14、孔隙率 测量方法：常用测定方法有压汞法和氮气解吸法 压汞法适用于测定大孔径（100）吸附剂的孔径分布；氮气解吸法适用于孔径为15250范围内的孔径分布；孔径15时，可用分子筛法测定压汞法吸附剂的孔径及分布可采用水银压入法，利用汞孔度计测定。当压力升高时，水银可进入到细孔中，压力p与孔径d的关系为-水银的表面张力(0.48N/m2)，-水银与细孔壁的接触角(=140)通过测定水银体积与压力之间的关系即可求出孔径的分布情况。,孔径分布常用孔径与孔容之间的关系来表示,几种吸附剂的孔径分布曲线,Type of Pores,通常将孔半径大于0.1m的称为大孔，210-30.1m的称为过渡孔，而小于210

15、-3的称为微孔。大部分吸附表面积由微孔提供。,A simple pore structure made of 1300 pores 700 nodes and simple cylindrical geometry,A more complex simulation of 11000 pores,7500 nodes and large internal voids,吸附剂孔结构,离子交换,离子交换的分类：按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂(cation exchange)（含酸性基团）和阴离子交换树脂(anion exchange)（含碱性基团）。具体又可以分为：强阳、弱阳 强阴、弱阴,离

16、子交换的一般过程,常用的离子交换树脂,强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH,-OCH2COOH,C6H5OH等弱酸性基团；强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-羟基乙基胺基；弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；,新型离子交换树脂,大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换树脂,大孔离子交换树脂的优点,通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现象，从而强化了离子交换的功能；减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机污染”现象（大分子不易洗脱）；可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶剂 长链醇（碳4-10）煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯,主要的多糖基离子交换树脂,离子交换纤维素 树脂骨架为纤维素，根据活性基团的性质可分为阳离子