《吸附分离》ppt课件.ppt

第九章 吸附分离,吸附操作是一种古老的技术，早在两千多年前西汉古墓中就用木炭吸湿防潮，说明当时已了解到木炭有很强的吸湿作用20世纪50年代前，因吸附剂种类少，常用的只有酸性白土、硅藻土和活性炭等几种，选择吸附的能力低，只限于脱色、脱臭、吸湿、干燥等小型的操作过程20世纪60年代以来，随着性能优良的吸附剂的不断开发(如合成沸石、活性氧化铝、分子筛等)以及各行各业分离要求的不断提高，使吸附分离技术得到了迅速发展，成为完整的单元操作过程目前，吸附分离技术已经在轻工、炼油、化工、食品、环保等许多领域得到了广泛的应用一、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、吸附质解吸回收等四个过程 吸附剂——能够吸附其他物质的多孔性固体 吸附质——在吸附过程中，被吸附的物质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,1）物理吸附（范德华吸附）： 吸附质和吸附剂以分子间作用力为主的吸附，又称为范德华吸附 物理吸附分离在原理上有四种类型： 选择性吸附 、分子筛效应 、微孔的扩散和微孔中的凝聚 因为分子间引力普遍存在于吸附剂与吸附质之间，故一种吸附剂可以吸附多种吸附质，不具有选择性但吸附剂与吸附质的种类不同，分子间引力大小各异，因此吸附量可能相差悬殊2）化学吸附：吸附质和吸附剂分子间的化学键作用力所引起的吸附其结合力大，放热量与化学反应热数量级相当，过程往往不可逆化学吸附在催化中起重要作用，分离过程中较少使用 发生化学吸附时，被吸附的分子与吸附剂的表面分子之间发生了电子转移、原子重排或化学键的破坏与生成与物理吸附不同的是，化学吸附具有选择性，只有当吸附剂与吸附质的分子之间形成化学键时，才会发生化学吸附物理和化学吸附比较如下,物理吸附和化学吸附之间的区分并没有严格的界限在实际的吸附过程中，上述几类吸附往往同时存在。

物理吸附和化学吸附在一定条件下也是可以互相转化的同一物质，可能在较低温度下进行物理吸附，而在较高温度下往往又是化学吸附①变温吸附：通常在环境温度吸附，加热条件下解吸，利用温度的变化实现吸附和解吸再生循环操作常用于从气体或液体中分离少量杂质 ②变压吸附：在较高组分分压的条件下选择性吸附气体混合物中的某些组分，然后降低压力或抽真空使吸附剂解吸，利用压力的变化完成循环操作—般用于气体混合物的主体分离 ③变浓度吸附：液体混合物中的某些组分在环境条件下选择性地吸附，然后用少量强吸附性液体解吸再生用于液体混合物的主体分离四 三类吸附过程,五 常用吸附剂,吸附分离材料,,,按化学结构分类,,无机吸附剂,高分子吸附剂,炭质吸附剂,按吸附机理分类,化学吸附,物理吸附,亲和吸附,离子交换剂,螯合剂,可再生高分子试剂和催化剂,阳离子交换剂,阴离子交换剂,两性离子交换剂,按形态和孔结构分类,球型树脂（大孔、凝胶、大网）,离子交换纤维与吸附性纤维,无定型颗粒吸附剂,免疫吸附剂,仿生吸附剂,,,,,,,,,,,,,,,,,非极性吸附剂 中极性吸附剂 极性吸附剂,,,,,,,,,,,,,,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。

具有一定晶体结构的无机化合物，最典型的天然无机吸附剂为沸石类（Zeolite),包括方沸石、菱沸石、丝光沸石、交沸石、钠沸石等其它天然的硅铝酸盐如蒙脱土、绿砂以及长石类矿物（正长石、钠长石、灰长石、钙长石）也可作为无机吸附剂使用 人工合成的无机吸附剂有合成沸石、分子筛、活性氧化铝、硅胶、磷酸锆等1、无机吸附剂,(1) 硅胶,,硅胶有天然的，也有人工合成的天然的多孔SiO2通常称为硅藻土，人工合成的称为硅胶，用水玻璃制取用硫酸处理硅酸钠水玻璃便生成硅胶，其主要成分为SiO2•nH2O 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量的羟基，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、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1）硅胶（SiO2·nH2O）,硅胶吸附剂的性质,(2) 活性氧化铝,活性氧化铝：活性氧化铝对水有较强的亲合力，因此工业上常将其用作气（液）体的干燥剂。

而它的再生温度又比分子筛低得多可用活性氧化铝干燥的部分工业气体包括：Ar、He、H2、氟利昂、氟氯烷等另外，活性氧化铝还可用作催化剂载体活性氧化铝Al(OH)3由三水合铝或三水铝矿加热脱水制成的一种多孔大表面吸附剂根据制造工艺不同，氧化铝分为低温氧化铝和高温氧化铝前者的活化温度低于600℃，其不同形态的氧化化铝包括ρ、χ、η和γ型氧化铝；后者的活化温度为900-1000℃活性氧化铝具有相当大的比表面积（200～400m2/g），且机械强度高，物化稳定性高，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，也常用作催化剂和色谱柱填充材料2）活性氧化铝（Al2O3·nH2O）,活性氧化铝性质,由硅藻类植物死亡后的硅酸盐遗骸形成的，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，多孔而轻在80~100 ℃下，将天然白土用浓度为20~40%的硫酸处理后，即得活性白土 活性白土的化学组成随所用粘土原料和活化条件不同而有很大的差异，但一般认为其吸附能力与化学组成无关。

市售活性白土有粉末状和颗粒状两种规格 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3）硅藻土,（4）羟基磷灰石（磷酸钙）,在无机吸附剂中，磷酸钙是唯一的适用于生物活性高分子物质（如蛋白质、核酸）的分离的吸附剂 羟基磷灰石主要适用于蛋白质的层析分离，也适用于较小的核酸，如转移RNA的分离 用0.5mol/L CaCl2加 0.5mol/L磷酸二钠盐，在室温下反应，得到满意的流速的磷酸钙CaHPO4.2H2O在pH 7以上，慢慢变为羟基磷灰石，即Ca5(PO4)3OH放出H3PO4 吸附性质：Ca2+与蛋白质负电荷基团的静电吸附作用沸石分子筛是一种人工合成的高选择性吸附剂，其主要成分为SiO2和Al2O3等组成的结晶硅铝酸盐 分子筛的晶体中有许多空穴，空穴之间有许多直径相同的微孔相连吸附时，比孔径小的分子，可通过微孔进入孔穴，并吸附于孔穴的内表面上；而比孔径大的分子则不能进入微孔，从而将分子直径大小不同的混合物分离开来，起到筛分分子的目的，故称为分子筛 分子筛具有按分子大小选择吸附的优点，因而在制药化工生产中常用它来分离混合物5）沸石分子筛,目前所使用的分子筛品种达100多种,工业上最常用的分子筛有A型、X型、Y型、L型、丝光沸石和ZSM系列沸石。

孔径为0.3~1.0nm，比表面积为600~1000m2/g 分子筛的特性是优先吸附不饱和分子、极性分子以及易极化分子;对极性分子如H2O、CO2、H2S和其他类似物质有很强的亲和力,而与有机物的亲和力较弱在吸附质浓度很低或湿度较高的情况下仍具有很强的吸附能力 广泛应用于气体和液体的干燥、脱水、净化、分离和回收等分子筛产品,2、炭质吸附剂,炭质吸附剂 包括活性炭、活性炭纤维以及炭化树脂其中活性炭为微晶类碳系，微晶尺寸1-3nm活性炭的整 体外观为无定形颗粒活性炭是一种非极性吸附剂，是由含碳为主的物质作原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂其外观为暗黑色，有粒状和粉状、锦纶3种 活性炭主要成分除碳以外，还有少量的氧、氢、硫等元素，以及含有水分、灰分它具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎制造过程示意图,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℃）碳化而成的多孔网状结构,（1）活性炭,(1) 活性炭,与其它吸附剂相比，活性炭具有巨大的比表面积，通常可达500-1700m2/g，因而形成强大的吸附能力微孔的容积约为0.15-0.9mL/g，比表面积占活性炭总比表面积的95%以上过渡孔的容积通常为0.02-0.1mL/g，比表面积一般不超过总比表面积的5%；大孔的容积为0.2-0.5mL/g在气相吸附中，吸附容量在很大程度上决定于微孔，而在液相吸附中，过渡孔则起主要作用粉末活性炭,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,活性炭对物质的吸附规律,它具有物理吸附和化学吸附的双重特性,是非极性吸附剂，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 在酸性条件吸附能力大，pH6.8 吸附能力较差 （5）温度 未平衡前 随温度升高而增加,活性炭产品的应用方向及领域 1石化行业 无碱脱臭（精制脱硫醇）——重催的精制装置 乙烯脱盐水（精制填料）——乙烯装置 催化剂载体（钯、铂、铑等）——苯乙烯、连续重整装置 水净化及污水处理——上水及下水的深度处理 2电力行业 电厂水质处理及保护——锅炉装置 3化工行业 化工催化剂及载体、气体净化、溶剂回收、及油脂等的脱色、精制 4食品行业 饮料、酒类、味精母液及食品的精制、脱色 5黄金行业 黄金提取——适用炭浆法、堆浸法提金工艺 尾液回收——金矿的废物利用及环境保护 6环保行业 用于污水处理、废气及有害气体的治理、气体净化 7相关行业 香烟滤嘴、木地板防潮、吸味、汽车汽油蒸发污染控制，各种浸 渍剂液的制备等,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。