第十五章吸附分离法.ppt

第一节第一节 吸附过程理论基础吸附过程理论基础当前1页，共45页，星期日第一页，共四十五页一、基本概念一、基本概念固体分为：多孔性和非多孔性两类固体分为：多孔性和非多孔性两类l非多孔性固体：非多孔性固体：具有很小的比表面；具有很小的比表面；l多孔性固体：多孔性固体：比表面很大，每克几百平方比表面很大，每克几百平方米米(存在颗粒内微孔存在颗粒内微孔)，内表面积比外表面积，内表面积比外表面积大几百倍，具有大几百倍，具有较高的吸附势较高的吸附势l应用多孔性吸附剂较有利应用多孔性吸附剂较有利当前2页，共45页，星期日第二页，共四十五页当前3页，共45页，星期日第三页，共四十五页当前4页，共45页，星期日第四页，共四十五页基本概念基本概念吸附作用：吸附作用：l物质物质(被吸附的产物被吸附的产物)从液体相浓缩到固体从液体相浓缩到固体(吸附剂吸附剂)表面从而达表面从而达到分离的过程到分离的过程l吸附剂吸附剂：在表面上能：在表面上能发生吸附作用的固体发生吸附作用的固体.l吸附物吸附物：被吸附的物：被吸附的物质当前5页，共45页，星期日第五页，共四十五页二、吸附的类型二、吸附的类型按作用力差别分：按作用力差别分：物理吸附（最常见的吸附现象）：物理吸附（最常见的吸附现象）：l吸附剂与吸附物通过分子力吸附剂与吸附物通过分子力(范德华力范德华力)产生的产生的吸附；吸附；l吸附不仅限于一些活性中心，而是整个自由界吸附不仅限于一些活性中心，而是整个自由界面；面；l物理吸附是可逆的，吸附和解吸同时存在；物理吸附是可逆的，吸附和解吸同时存在；l一种吸附剂可吸附多种物质，没有严格的选择一种吸附剂可吸附多种物质，没有严格的选择性（但吸附量有差别）；性（但吸附量有差别）；l与吸附剂的表面积、细孔分布、温度等有关。

与吸附剂的表面积、细孔分布、温度等有关当前6页，共45页，星期日第六页，共四十五页物理吸附物理吸附分子间作用力的吸附分子间作用力的吸附1 1）吸附区域为自由界面）吸附区域为自由界面2 2）吸附层数为多层或单层）吸附层数为多层或单层3 3）吸附可逆性）吸附可逆性可逆可逆4 4）吸附选择性）吸附选择性差差当前7页，共45页，星期日第七页，共四十五页吸附的类型吸附的类型化学吸附：化学吸附：l由于吸附剂与吸附物间的电子转移，由于吸附剂与吸附物间的电子转移，发生化发生化学反应学反应而产生的，需一定的活化能；而产生的，需一定的活化能；l选择性较强，一种吸附剂只对选择性较强，一种吸附剂只对某种或几种特某种或几种特定物质定物质有吸附作用；有吸附作用；l吸附为单分子层吸附，吸附后较稳定，不易吸附为单分子层吸附，吸附后较稳定，不易解吸；解吸；l与吸附剂的表面化学性质及吸附物的化学性与吸附剂的表面化学性质及吸附物的化学性质有关当前8页，共45页，星期日第八页，共四十五页化学吸附化学吸附化学键力的吸附化学键力的吸附1 1）吸附区域为未饱和的原子）吸附区域为未饱和的原子2 2）吸附层数为单层）吸附层数为单层3 3）吸附可逆性）吸附可逆性不可逆不可逆4 4）吸附选择性）吸附选择性很好很好当前9页，共45页，星期日。

第九页，共四十五页物理吸附与化学吸附的比较物理吸附与化学吸附的比较项目项目物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附作用力作用力吸附热吸附热选择性选择性吸附速度吸附速度吸附分子层吸附分子层范德华力范德华力较小，接近液化热较小，接近液化热几乎没有几乎没有较快较快,需要活化能很小需要活化能很小单分子或多分子层单分子或多分子层化学键力化学键力较大，接近反应热较大，接近反应热有选择性有选择性慢慢,需要一定活化能需要一定活化能单分子单分子当前10页，共45页，星期日第十页，共四十五页吸附的类型吸附的类型交换吸附：交换吸附：l吸附剂表面为吸附剂表面为极性分子或离子极性分子或离子组成，则会吸引组成，则会吸引溶液中溶液中带相反电荷的离子带相反电荷的离子形成双电层（形成双电层（极性吸极性吸附附）；）；l离子的电荷离子的电荷是交换吸附的决定因素；是交换吸附的决定因素；l离子所带电荷越多，在吸附剂表面的相反电荷离子所带电荷越多，在吸附剂表面的相反电荷点上的吸附力越强；点上的吸附力越强；l电荷相同的离子其水化半径越小，越易被吸附电荷相同的离子其水化半径越小，越易被吸附当前11页，共45页，星期日第十一页，共四十五页交换吸附交换吸附静电力的吸附静电力的吸附1 1）吸附区域为极性分子或离子）吸附区域为极性分子或离子2 2）吸附层数为单层或多层）吸附层数为单层或多层3 3）吸附可逆性）吸附可逆性可逆可逆4 4）吸附选择性）吸附选择性较好较好当前12页，共45页，星期日。

第十二页，共四十五页固体自溶液中的吸附往往是固体自溶液中的吸附往往是几种吸附力几种吸附力同时作用同时作用，较复杂，造成各种类型的吸，较复杂，造成各种类型的吸附之间没有明显的界线附之间没有明显的界线当前13页，共45页，星期日第十三页，共四十五页三、吸附力的本质三、吸附力的本质吸附作用的根本因素是吸附作用的根本因素是吸附物和吸附剂吸附物和吸附剂间的作用力（范德华力）：间的作用力（范德华力）：l范德华力是一组分子引力的总称：定向力、范德华力是一组分子引力的总称：定向力、诱导力、色散力；诱导力、色散力；l范德华力只表现为互相吸引范德华力只表现为互相吸引l分子引力的总能量：分子引力的总能量： U范德华力范德华力=U定向定向+U诱导诱导+U色散色散当前14页，共45页，星期日第十四页，共四十五页各种吸附力各种吸附力定向力：定向力：极性分子间产生的作用力；极性分子间产生的作用力；诱导力：诱导力：极性分子与非极性分子间的吸极性分子与非极性分子间的吸引力；引力；色散力：色散力：非极性分子间的引力；非极性分子间的引力；上述各力大小，对于各种物质是不一样上述各力大小，对于各种物质是不一样的，取决于吸附物的性质。

的，取决于吸附物的性质氢键力：氢键力：介于库仑引力与范德华力间的介于库仑引力与范德华力间的特殊定向力，比诱导力、色散力大特殊定向力，比诱导力、色散力大当前15页，共45页，星期日第十五页，共四十五页四、吸附等温线四、吸附等温线固体从溶液中的吸附，是溶质和溶剂分子固体从溶液中的吸附，是溶质和溶剂分子争夺表面的净结果；争夺表面的净结果；不考虑溶剂吸附，当不考虑溶剂吸附，当固体吸附剂与溶质达平衡时，吸附量应与固体吸附剂与溶质达平衡时，吸附量应与溶质的浓度和温度有关溶质的浓度和温度有关当温度一定时，吸附量只和浓度有关，当温度一定时，吸附量只和浓度有关，这这个函数关系称为个函数关系称为吸附等温线（常见的）吸附等温线（常见的）表示平衡吸附量，可用来推断吸附剂结构、表示平衡吸附量，可用来推断吸附剂结构、吸附热和其他理化特性吸附热和其他理化特性当前16页，共45页，星期日第十六页，共四十五页兰缪尔兰缪尔（Langnuir）公式公式1 1）二个假设：二个假设：l吸附活性中心间各自独立吸附活性中心间各自独立l每一个吸附活性中心只吸附一个分子每一个吸附活性中心只吸附一个分子2 2）推导推导 ： 吸附速度吸附速度=K=K1 1（m m)C , )C , 解吸速度解吸速度=K=K2 2 m 当达到平衡时当达到平衡时，K K1 1（m m m)C =Km)C =K2 2m m m b C K K1 1 m = 其中其中b= 1 + b C K K2 2当前17页，共45页，星期日。

第十七页，共四十五页 m b C m = 1 + b C当溶液浓度很稀时当溶液浓度很稀时，1+bC11+bC1， m= mm= m bC bC当溶液浓度很高时当溶液浓度很高时，1+bC bC 1+bC bC ，m= mm= m 当溶液浓度适中时当溶液浓度适中时， m = K C 1/n 其中其中n 1 此为弗罗德利希（此为弗罗德利希（Freundlich）公式）公式当前18页，共45页，星期日第十八页，共四十五页 目前尚没有成熟的理论来估计流体固体之间的吸附平衡关系因此，需要对特定的物系实验测定一定温度下的吸附平衡数据，并绘制成吸附剂上吸附质的吸附量与流体中吸附质浓度或分压的关系曲线，这种曲线称为吸吸附附等等温温线线另外，在等压情况下，表示吸附量和温度的关系曲线称为吸附等压线；在等吸附容量情况下，表示温度和压力的关系曲线称为吸附等容线这里只介绍应用最广的吸附等温线 当前19页，共45页，星期日第十九页，共四十五页纯组分气体吸附平衡Brunauer的五种类型的纯气体物理吸附等温线当前20页，共45页，星期日第二十页，共四十五页Langmuir Langmuir 吸附等温线吸附等温线 (I(I型型) )假设 表面处处均一 (所有吸附位点在能量上完全相同) 单分子层吸附 (没有多层吸附) 被吸附到吸附剂上的分子之间没有相互作用Inadp/p0pQ当前21页，共45页，星期日。

第二十一页，共四十五页亲和吸附亲和吸附亲和吸附原理：亲和吸附原理：利用生物高分利用生物高分子物质对某些子物质对某些相对应物质具相对应物质具有专一的识别有专一的识别和可逆结合的和可逆结合的能力（亲和力）能力（亲和力）来实现当前22页，共45页，星期日第二十二页，共四十五页第二节第二节 几种常见的吸附剂几种常见的吸附剂吸附剂的要求吸附剂的要求交换容量交换容量结构结构（多孔、立体网状）（多孔、立体网状）选择性选择性组成组成稳定性稳定性结构、组成结构、组成当前23页，共45页，星期日第二十三页，共四十五页常用吸附剂常用吸附剂 活性炭活性炭（Activated Carbon, AC)Activated Carbon, AC) 是一种疏水性和亲有机物的是一种疏水性和亲有机物的非极性吸附剂非极性吸附剂 特点特点：比表面积大（在比表面积大（在 5001500m2/g），）， 吸附量大，抗酸耐碱，吸附量大，抗酸耐碱，化学和热稳定性高，解吸容易化学和热稳定性高，解吸容易 制备制备：通常所有含碳的物料，如木材、木屑、果壳、褐煤等都可以：通常所有含碳的物料，如木材、木屑、果壳、褐煤等都可以加工成黑炭，经活化制成活性炭。

加工成黑炭，经活化制成活性炭 有颗粒、粉末或纤维状（可进一步制成布状）有颗粒、粉末或纤维状（可进一步制成布状） 常用于溶剂回收，溶液脱色、除臭、净制等常用于溶剂回收，溶液脱色、除臭、净制等24当前24页，共45页，星期日第二十四页，共四十五页微孔微孔：直径小于：直径小于2nm中孔中孔：直径在：直径在250nm大孔大孔：直径大于：直径大于50nm活性炭的孔结构活性炭的孔结构25当前25页，共45页，星期日第二十五页，共四十五页 硅胶硅胶(Silica Gel)(Silica Gel) 是一种坚硬无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，属是一种坚硬无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，属极极性吸附剂性吸附剂 比表面积在比表面积在300 800 m2g左右 主要用于气体的干燥脱水、烃类分离及作催化剂的载体等主要用于气体的干燥脱水、烃类分离及作催化剂的载体等 26当前26页，共45页，星期日第二十六页，共四十五页 活性氧化铝活性氧化铝(Activated Alumina)(Activated Alumina) 为无定形的多孔结构物质，一般由氧化铝的水合物为无定形的多孔结构物质，一般由氧化铝的水合物(以三水合物以三水合物为主为主)加热、脱水和活化制得。

加热、脱水和活化制得 孔径约在孔径约在20到到50，比表面积在，比表面积在200500 m2/g 对水具有很强的吸附能力对水具有很强的吸附能力，主要用于液体和气体的干燥主要用于液体和气体的干燥27当前27页，共45页，星期日第二十七页，共四十五页 沸石分子筛沸石分子筛 (Zeolite Molecular Sieve)(Zeolite Molecular Sieve) 是人工合成的无机吸附剂是人。