【正文】 化工分離過程 Chemical Separation Processes 第七章 其它分離技術(shù)和分離過程的選擇 2 ? 膜分離技術(shù) 分離用膜和膜分離設(shè)備 反滲透 超濾 電滲析 氣體膜分離 液膜分離 ? 吸附分離 ? 反應(yīng)精餾 ? 超臨界流體萃取 ? 第七章 其它分離技術(shù)和分離過程的選擇 ? ? 3 吸附分離 （ Adsorption Separation） 吸附 是指流體 （ 氣體或液體 ） 與固體多孔物質(zhì)接觸時(shí) ， 流體中的一種或多種組分傳遞到多孔物質(zhì)外表面和微孔內(nèi)表面并附著在這些表面上形成單分子層或多分子層的過程 。 吸附分離 4 吸附分離 （ Adsorption Separation） ? 吸附操作是通過多孔固體物質(zhì)與某一混合組分體系（ 氣體或液體 ）接觸，有選擇地使體系中的一種或多種組分附著于固體表面，從而實(shí)現(xiàn)特定組分分離的操作過程。 ? 被吸附到固體表面的組分 ——稱為吸附質(zhì) ? 吸附吸附質(zhì)的多孔固體 ——稱為吸附劑 ? 吸附質(zhì)附著到吸附劑表面的過程 ——稱為吸附 ? 吸附質(zhì)從吸附劑表面逃逸到另一相的過程 ——稱為解吸 ? 吸附過程發(fā)生在 ——“氣－固 ” 或 “ 液－固 ” 非均相界面 吸附分離操作的基本概念 5 吸附分離 （ Adsorption Separation） 吸附過程通常包括： 待分離料液與吸附劑混合、吸附質(zhì)被吸附到吸附劑表面 、 料液流出 、 吸附質(zhì)解吸回收 等四個(gè)過程。 料液與吸附劑混合 吸附質(zhì)被吸附 料液流出 吸附質(zhì)解吸附 Step1 Step2 Step3 Step4 吸附過程 6 吸附分離 （ Adsorption Separation） 吸附分離操作 吸附劑 吸附質(zhì) 脫附：吸附的逆過程 吸附 7 吸附分離 （ Adsorption Separation） 按 作用力性質(zhì) 分類：分 物理吸附和化學(xué)吸附 物理吸附： 吸附質(zhì)分子與吸附劑表面分子間存在的范德華力所引起的 ， 也稱為范德華吸附 。 ① 吸附熱較小 （ 放熱過程 ， 吸附熱在數(shù)值上與冷凝熱相當(dāng) ） ， 可在低溫下進(jìn)行； ② 過程是可逆的 ， 易解吸； ③ 相對沒有選擇性 ， 可吸附多種吸附質(zhì)； ④ 分子量越大 ， 分子引力越大 ， 吸附量越大； ⑤ 可形成單分子吸附層或多分子吸附層 。 吸附分離操作的分類 8 吸附分離 （ Adsorption Separation） 化學(xué)吸附： 又稱活性吸附，是由吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的，其強(qiáng)弱取決于兩種分子之間化學(xué)鍵力的大小。 ① 如石灰吸附 CO2 → CaCO 3 ② 吸附熱大，一般在較高溫下進(jìn)行； ③ 具有選擇性，單分子層吸附； ④ 化學(xué)鍵力大時(shí)，吸附不可逆 。 吸附分離操作的分類 9 吸附分離 （ Adsorption Separation） 物理吸附和化學(xué)吸附的比較 吸附性能 物理吸附 化學(xué)吸附 作用力 分子引力（范德華力） 剩余化學(xué)鍵力 選擇性 沒有選擇性 有選擇性 吸附層 單分子或多分子吸附層 只能形成單分子吸附層 吸附熱 較小，＜ ，相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)熱，吸附速度 快，幾乎不要活化能 較慢，需要活化能 溫度 放熱過程，低溫有利于吸附 溫度升高，吸附速度增加 可逆性 可逆，較易解析 化學(xué)鍵大時(shí)，吸附不可逆 10 吸附分離 （ Adsorption Separation） 按 作用力性質(zhì) 分類：分物理吸附和化學(xué)吸附 按 吸附劑再生方法 分類：變溫吸附和變壓吸附 按 原料組成 分類：大吸附量分離和雜質(zhì)去除 按 分離機(jī)理 分類：位阻效應(yīng)、動力學(xué)效應(yīng)和平衡效應(yīng) 吸附分離操作的分類 11 吸附分離 （ Adsorption Separation） ? 常用于從稀溶液中將溶質(zhì)分離出來 ， 由于受固體吸附劑的限制 ， 處理能力較?。? ? 對溶質(zhì)的作用較小 ， 這一點(diǎn)在蛋白質(zhì)分離中特別重要； ? 可直接從發(fā)酵液中分離所需的產(chǎn)物 ， 成為發(fā)酵與分離的耦合過程 ， 從而可消除某些產(chǎn)物對微生物的抑制作用； ? 溶質(zhì)和吸附劑之間的相互作用及吸附平衡關(guān)系通常是非線性關(guān)系 ， 故設(shè)計(jì)比較復(fù)雜 ， 實(shí)驗(yàn)的工作量較大 。 吸附法的特點(diǎn) 12 吸附分離 （ Adsorption Separation） 優(yōu)點(diǎn) ： ? pH變化 小，適于穩(wěn)定性差的物質(zhì) ? 操作簡便，安全，設(shè)備簡單 ? 有機(jī)溶劑摻入少 缺點(diǎn) ： ?選擇性差 ?無機(jī)吸附劑性能不穩(wěn)定 ?收率低 ?不能連續(xù)操作，勞動強(qiáng)度大 ?碳粉等吸附劑有粉塵污染 吸附法的特點(diǎn) 13 吸附分離 （ Adsorption Separation） 一般地 ， 固體表面層的物質(zhì)粒子受到指向內(nèi)部的拉力 ， 這種不平衡力場的存在導(dǎo)致表面 Gibbs焓的產(chǎn)生 。 固體物質(zhì)不能像液體那樣可通過收縮表面來降低系統(tǒng)的表面Gibbs焓 ， 但它可利用表面上的剩余力 ， 從周圍介質(zhì)中捕獲其它物質(zhì)粒子 ， 使其不平衡力場得到某種程度的補(bǔ)償 ，從而導(dǎo)致表面 Gibbs焓的降低 。 為提高吸附量 ， 應(yīng)盡可能的增加吸附劑的比表面 ， 許多粉狀或多孔性物質(zhì) ， 往往都具有良好的吸附性能 。 吸附產(chǎn)生的原因 14 吸附分離 （ Adsorption Separation） 吸附主要發(fā)生在吸附劑內(nèi)孔表面 15 吸附分離 （ Adsorption Separation） 吸附容量大： 由于吸附過程發(fā)生在吸附劑表面 ， 所以吸附容量取決于吸附劑表面積的大小 。 選擇性高： 對要分離的目的組分有較大的選擇性 。 穩(wěn)定性好： 吸附劑應(yīng)具有較好的熱穩(wěn)定性 ， 在較高溫度下解吸再生其結(jié)構(gòu)不會發(fā)生太大的變化 。 同時(shí) ， 還應(yīng)具有耐酸堿的良好化學(xué)穩(wěn)定性 。 適當(dāng)?shù)奈锢硖匦裕?適當(dāng)?shù)亩逊e密度和強(qiáng)度 ， 廉價(jià)易得 。 具有一定吸附能力的多孔物質(zhì)都可以作吸附劑 吸附劑的主要特性 16 吸附分離 （ Adsorption Separation） 吸附劑孔結(jié)構(gòu) 17 吸附分離 （ Adsorption Separation） （ 1） 較高的選擇性 以達(dá)到一定的分離要求； （ 2） 較大的吸附容量 以減小用量； （ 3） 較好的動力學(xué)及傳遞性質(zhì) 以實(shí)現(xiàn)快速吸附； （ 4） 較高的化學(xué)及熱穩(wěn)定性 不溶或極難溶于待處理流體以保 證吸附劑的數(shù)量和性質(zhì)； （ 5） 較高的硬度及機(jī)械強(qiáng)度 以減小磨損和侵蝕； （ 6） 較好的流動性 以便于裝卸； 吸附劑主要特征 18 吸附分離 （ Adsorption Separation） （ 7） 較高的抗污染能力 以延長使用壽命； （ 8） 較好的惰性 以避免發(fā)生不期望的化學(xué)反應(yīng)； （ 9） 易再生 ； （ 10） 價(jià)格便宜 。 吸附劑主要特征 19 吸附分離 （ Adsorption Separation） ? 多孔型 ： 活性炭 、硅膠 、 硅藻土；大網(wǎng)格吸附劑 ， 有機(jī)高分子材料 ， 如聚苯乙烯 ，聚酯 。 ? 凝膠型 ： 纖維素凝膠 ， 瓊脂糖凝膠 ， 匍聚糖凝膠等 。 吸附分離介質(zhì) 20 吸附分離 （ Adsorption Separation） 活性炭 是應(yīng)用最為廣泛的吸附劑 。 是由煤或木質(zhì)原料加工得到的產(chǎn)品 ， 通常一切含碳的物料 ， 如煤 、 木材 、 果核 、秸稈等都可以加工成黑炭 ， 經(jīng)活化后制成活性炭 。 炭化： 把原料熱解成炭渣 ， 溫度： 200－ 600度 。 活化： 形成發(fā)達(dá)的細(xì)孔 ， 有兩種辦法 : 氣體法：通入水蒸氣 ， 溫度在 800－ 1000度； 藥劑法：加入氯化鋅 、 硫酸 、 磷酸等 比表面積： 500－ 1700 m2/g 活性炭 21 吸附分離 （ Adsorption Separation） a. 比表面積越大 ， 吸附量越大 。 但應(yīng)注意對一些大分子 ， 微孔所提供的比表面積基本上不起作用 。 活性炭細(xì)孔分布情況： ? 微孔： 2 nm， 占總比表面 95％ ， 主要支配吸附量 ? 過渡孔： 2100nm， 5％ ， 起通道和吸附作用 ? 大孔： 10010000 nm， 不足 1％ ， 主要起通道作用 ，影響吸附速度 。 活性炭 22 吸附分離 （ Adsorption Separation） 粒狀碳成品 粉狀碳成品 活化 → 洗滌 → 捏合成型 → 炭化 炭化 → 破碎、造粒 原料 → 干燥 → 篩分 制造過程 一般來說 ， 吸附量主要受小孔支配 ， 但對于分子量（ 或分子直徑 ） 較大的吸附質(zhì) ， 小孔幾乎不起作用 。 所以 ， 在實(shí)際應(yīng)用中 ， 應(yīng)根據(jù)吸附質(zhì)的直徑大小和活性炭的孔徑分布來選擇合適的活性炭 。 活性炭 1） 組成結(jié)構(gòu) ：由木屑 、 獸骨 、 獸血或煤屑等原料高溫 （ 800℃ ） 碳化而成的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 。 23 吸附分離 （ Adsorption Separation） 活性炭種類 顆粒大小 表面積 吸附力 吸附量 洗脫 粉末活性炭 小 大 大 大 難 顆粒活性炭 較小 較大 較小 較小 難 錦綸活性炭 大 小 小 小 易 粉末活性炭 錦綸活性炭 2） 種類 ：粉末活性炭、顆?；钚蕴?、錦綸活性炭 吸附能力為粉末活性炭＞顆?；钚蕴浚惧\綸活性炭 24 吸附分離 （ Adsorption Separation） ： 活性炭本身是非極性的，但由于表面共價(jià)健不飽和易與其它元素如氧、氫結(jié)合，生成各種含氧官能團(tuán)。 目前已證實(shí)的含氧官能團(tuán)有： － OH基、－ COOH基 由于這種微弱極性，使極性溶質(zhì)競爭吸附加強(qiáng) 。 活性炭 25 吸附分離 （ Adsorption Separation） 活性炭對物質(zhì)的吸附規(guī)律 非極性吸附劑在極性介質(zhì)中對非極性物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附 ，因此在水中吸附能力大于有