1、第九章吸附,程純?nèi)?2012年10月,91吸附分離adsorptionseperation9.1.1分離原理與分類1.吸附原理吸附過程:當(dāng)流體與多孔固體接觸時,流動相中的一種或多種溶質(zhì)向多孔固體顆粒表面選擇性被吸附和積累的過程。逆過程解吸過程吸附操作：用多孔固體有選擇地吸附流體中的一個或幾個組分，從而使混合物分離的操作方法。它是分離和純化氣體和液體混合物的重要單元操作之一。吸附質(zhì)和吸附劑(adsorbate-adsorbent）：在固體表面被吸附的組分稱吸附質(zhì)，多孔固體稱為吸附劑，具有很大比表面積的多孔結(jié)構(gòu)。,吸附法特點,1）從稀溶液中分離出溶質(zhì)，由于受固體吸附劑的限制，處理能力較?。?）操作

2、條件溫和，對溶質(zhì)的作用較小，適用于熱敏性物質(zhì)的分離，如蛋白質(zhì)分離；3）吸附是自發(fā)過程，吸附時放出熱量。4)溶質(zhì)和吸附劑間的吸附平衡關(guān)系通常是非線性關(guān)系。,2吸附的分類,1）物理吸附（范德華吸附）：吸附質(zhì)和吸附劑以分子間作用力為主的吸附。物理吸附分離在原理上有四種類型：選擇性吸附、分子篩效應(yīng)、微孔的擴散和微孔中的凝聚。2）化學(xué)吸附：吸附質(zhì)和吸附劑分子間的化學(xué)鍵作用力所引起的吸附。其結(jié)合力大，放熱量與化學(xué)反應(yīng)熱數(shù)量級相當(dāng)，過程往往不可逆。化學(xué)吸附在催化中起重要作用，分離過程中較少使用。,物理吸附與化學(xué)吸附的比較,3三類吸附過程,1）變溫吸附。吸附通常在室溫下進行，而解吸在直接或間接加熱吸附劑的條件

3、下完成，利用溫度的變化實現(xiàn)吸附和解吸再生循環(huán)操作。2）變壓吸附。在較高壓力下選擇性吸附氣體混合物中的某些組分，然后降低壓力使吸附劑解吸，利用壓力的變化完成循環(huán)操作。3）變濃度吸附。液體混合物中的某些組分在環(huán)境條件下選擇性的吸附，然后用少量強吸附性液體解吸再生。,4.吸附應(yīng)用,1）氣體或液體的脫水及深度干燥。2）氣體或溶液的脫臭、脫色及有機溶劑蒸氣的回收。3）氣體中痕量物質(zhì)的吸附分離，如純氮、純氧的制取。4）分離某些精餾難以分離的物系，如烷烴、烯烴、芳香烴餾分的分離。5）廢氣和廢水的處理。,4.吸附應(yīng)用,9.1.2吸附劑及其特性,1.工業(yè)吸附劑滿足要求1）具有較大的比表面吸附容量大；150150

4、0m2/g2）選擇性高吸附劑對不同的吸附質(zhì)具有不同的吸附能力（吸附量或吸附速率），其差異愈顯著，分離效果愈好；3）具有一定的機械強度,抗磨損；4）有良好的物理及化學(xué)穩(wěn)定性耐熱和耐腐蝕；5）容易再生；6）易得，價廉。,2工業(yè)用吸附劑,天然的吸附劑如硅藻土、白土、天然沸石等。人工制作的吸附劑活性炭、活性氧化鋁、硅膠、分子篩、有機樹脂吸附劑等。1）活性炭-非極性吸附劑。具有很高的比表面積，活性炭表面上的官能團較少，對烴類及衍生物的吸附能力強?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，抗酸耐堿，熱穩(wěn)性高，再生容易?；钚蕴康淖鳛槲絼?，在水溶液中最強，在有機溶劑中則較低弱。故水的洗脫能力最弱，而有機溶劑則較強。,活性炭,一般用稀鹽

5、酸、乙醇、水洗凈，在80干燥后即可用。,回收氣體中的有機氣體，脫除廢水中的有機物，脫除水溶液中的色素。,活性炭對芳香族化合物的吸附力大于脂肪族化合物，對大分子化合物的吸附力大于小分子化合物。利用吸附性的差別，可將水溶性芳香族物質(zhì)與脂肪族物質(zhì)分開，單糖與多糖分開，氨基酸與多肽分開。,硅膠,2）硅膠SiO2nH2O、親水性的酸性極性吸附劑，由H2SiO3溶液經(jīng)過縮合、除鹽、脫水等處理制得。比表面積達800m2/g。硅膠有球型、無定形、加工成型和粉末狀四種。硅膠的吸附力隨吸著的水分增加而降低。若含水量超過17，吸附力極弱不能用作為吸附劑。對不飽和烴、甲醇、水分等有明顯的選擇性。硅膠的活化，當(dāng)硅膠加熱

6、至100110時，硅膠表面因氫鍵所吸附的水分即能被除去。主要用于氣體和液體的干燥、溶液的脫水。,活性氧化鋁,3）活性氧化鋁Al2O3nH2O、堿性極性吸附劑。活性氧化鋁表面上具有官能團，這些官能團為極性分子的吸附提供了活性中心。比表面積約為200500m2/g，對水分有很強的吸附能力，可脫至1*10-6。對于分離生物堿類的分離較為理想。但堿性氧化鋁不宜用于醛、酮、酯、內(nèi)酯等類型的化合物分離。不宜用于酸性成分分離用于氣體的干燥和液體的脫水，如芳烴等化工產(chǎn)品的脫水；空氣、氫氣、氯氣、氯化氫和二氧化硫等氣體的干燥。,分子篩,4）分子篩沸石分子篩-沸石，強極性的吸附劑。它是一種硅鋁酸金屬鹽的晶體，對極

7、性分子有很大的親和能力，比表面積可達750m2/g，具有很強的選擇性。工業(yè)上常用沸石有3A、10X、13X和ZSM5型。用于石油餾分的分離、各種氣體和液體的干燥，如分離二甲苯，空氣中分離氧氣。,分子篩結(jié)構(gòu)圖,吸附樹脂,5）吸附樹脂具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，常用的有聚苯乙烯樹脂和聚丙烯酸樹脂。吸附樹脂有強極性、弱極性、非極性、中極性4大類。用于廢水中的有機物處理、天然產(chǎn)物和生物化學(xué)品的分離與精制和溶液脫色。,樹脂結(jié)構(gòu),大孔樹脂吸附銀杏葉,ADS-15樹脂,3吸附劑的性能,1）密度填充密度B（體積密度）是指單位填充體積的吸附劑質(zhì)量。通常將烘干的吸附劑裝入量筒中，搖實至體積不變，此時吸附劑的質(zhì)量與

8、其所占的體積比稱為填充密度。表觀密度P（顆粒密度）單位體積吸附劑顆粒所具有的質(zhì)量。真實密度t是指扣除顆粒內(nèi)細(xì)孔體積后單位體積吸附劑的質(zhì)量。,3吸附劑的性能,2）比表面積：單位質(zhì)量的吸附劑所具有的吸附表面積，g。吸附劑孔隙的孔徑大小直接影響吸附劑的比表面積。吸附劑的比表面積以微孔提供的表面積為主，常采用氣相吸附法測定。3）吸附容量：單位質(zhì)量的吸附劑所能吸附吸附質(zhì)的質(zhì)量，它反映吸附劑吸附能力的大小。吸附量有平衡吸附量和動吸附量。吸附量可以通過吸附前后吸附質(zhì)質(zhì)量的變化確定。,常見吸附劑性能,9.1.3吸附平衡,平衡吸附量q：當(dāng)溫度、壓強一定時，吸附劑與流體長時間接觸，吸附的量不再增加，吸附相與流體達

9、到平衡時的吸附量。,9.1.3吸附平衡,1）氣體單組分吸附平衡單分子層物理吸附：吸附質(zhì)在吸附劑的表面只形成均勻的單分子層，則吸附量隨吸附質(zhì)分壓的增加平緩接近平衡吸附量。蘭格繆爾(Langmuir)等溫線方程吸附是在吸附劑的活性中心上進行的；這些活性中心具有均勻的能量，且相隔較遠，吸附物分子間無相互作用力；每一個活性中心只能吸附一個分子，即形成單分于吸附層。q、qm分別為吸附量和單分子吸附量，g/g;b為與溫度有關(guān)的常數(shù)；p為氣體分壓。Freundlich等溫線方程,K為與溫度有關(guān)的常數(shù)，10n1,Langmuir吸附等溫線,吸附等溫線：在一定的溫度下，平衡吸附量與吸附質(zhì)分壓或濃度的關(guān)系曲線。,

10、多組分和液相吸附平衡,2）氣體多組分吸附平衡方程3）液相吸附平衡Langmuir等溫線和Freundlich等溫線同樣適用于低濃度溶液的吸附，當(dāng)用于液體時，壓力p用濃度c代替，即：如丙腈水溶液在25oC用活性炭吸附的等溫線,或,或,9.1.4吸附動力學(xué)過程與吸附速率,1吸附速率：當(dāng)流體與吸附劑接觸時，單位時間內(nèi)吸附的吸附質(zhì)的量。吸附速率是設(shè)計吸附裝置的重要依據(jù)。吸附速率與物系、操作條件及濃度有關(guān)。2吸附機理：非穩(wěn)態(tài)的擴散傳質(zhì)過程1）外擴散過程：吸附質(zhì)從流體主體通過分子擴散和對流擴散的形式傳遞到固體吸附劑的外表面的過程。2）內(nèi)擴散過程：吸附質(zhì)從吸附劑的外表面進入吸附劑的微孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面的過程。3

11、）表面吸附過程：吸附質(zhì)在固體內(nèi)表面上被吸附劑所吸附的過程。,吸附機理-控制步驟,3外擴散控制的吸附：當(dāng)外擴散速率小于內(nèi)擴散速率時，總吸附速率由外擴散速率決定。外擴散可用線性推動力速率方程描述4內(nèi)擴散控制的吸附：當(dāng)內(nèi)擴散速率小于外擴散速率時，此吸附為內(nèi)擴散控制的吸附。球形顆粒內(nèi)孔擴散和吸附的數(shù)學(xué)表達式為為孔內(nèi)溶質(zhì)的質(zhì)量濃度，De為表觀擴散系數(shù)，與孔徑、分子大小和物性有關(guān)，10-810-3cm2/s。,C*,c,9.1.5吸附操作,吸附分離過程包括吸附過程和解吸過程。吸附操作有多種形式與需處理的流體濃度、性質(zhì)及要求吸附的程度有關(guān)。常用吸附分離設(shè)備:攪拌槽、固定床吸附器、移動床和流化床吸附塔。,一、

12、槽式吸附操作（接觸過濾式）,過程：把要處理的液體和吸附劑一起加入到帶有攪拌器的吸附槽中，使吸附劑與溶液充分接觸，溶液中的吸附質(zhì)被吸附劑吸附，經(jīng)過一段時間，吸附劑達到飽和，將料漿送到過濾機中分離出吸附劑，吸附劑經(jīng)適當(dāng)?shù)慕馕?，可回收利用?設(shè)備：釜式或槽式，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作容易。,槽式吸附操作,槽式吸附操作適用于外擴散控制的吸附傳質(zhì)過程。使用攪拌使溶液呈湍流狀態(tài)，顆粒外表面的膜阻力較少。,用于液體的精制，如脫水、脫色和脫臭等。,吸附劑用量S確定:,物料平衡,吸附相平衡,L：一批投入的液體量l，Co、c：分別為液體中開始和終止時吸附質(zhì)的濃度kg/l,S：所需投入的平衡吸附劑量，kg。,Co,C,t

13、=0,t=t,槽式吸附操作,動力學(xué)特征：槽式吸附過程是非穩(wěn)態(tài)的，溶液中吸附質(zhì)的濃度隨時間變化。,槽式吸附操作,吸附時間t的確定動力學(xué)模型液膜擴散為控制步驟，傳質(zhì)過程的表達式：,:單位液體體積中吸附劑顆粒的外表面積m2/m3;:與吸附劑吸附量平衡的液相質(zhì)量濃度kg/m3;:傳質(zhì)系數(shù)m/s，c:與時間t對應(yīng)的質(zhì)量濃度。,槽式吸附操作,若吸附等溫線為線性,則時間與濃度的關(guān)系為：,固定床吸附操作,二、固定床吸附操作方法：把吸附劑均勻堆放在吸附塔中的多孔支承板上，含吸附質(zhì)的流體可以自上而下流動，也可自下而上流過吸附劑。在吸附過程中，吸附劑不動。,固定床吸附操作,特點：1）固定床吸附塔結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，

14、操作方便靈活，吸附劑不易磨損，物料的返混少，分離效率高，回收效果好。2）固定床吸附操作的傳熱性能差，當(dāng)吸附劑顆粒較小時，流體通過床層的壓降較大，吸附、再生及冷卻等操作需要一定的時間，生產(chǎn)效率較低。固定床吸附操作用于氣體中溶劑的回收、氣體干燥和溶劑脫水等方面。,固定床吸附放大過程模型,固定床吸附放大過程模型可用三個方程描述：1)溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量平衡方程,液相內(nèi)溶質(zhì)的積累,為流入與流出微元體溶質(zhì)量之差,為床層內(nèi)的軸向擴散,為被吸附劑吸附的溶質(zhì)量,固定床吸附放大過程模型,為床層孔隙率；u為液體在床層中的表觀速度；D為軸向擴散系數(shù)；z為床層高度。,2)被吸附溶質(zhì)的吸附速率方程,3)吸附平衡方程：等溫線Freundlich公式,固定床吸附動力學(xué)是非線性的而且互相關(guān)聯(lián)，只能用數(shù)值計算的方法求解。,吸附過程實驗解,當(dāng)含吸附質(zhì)的流體自上而下連續(xù)流過床層時，由于實際吸附過程存在傳質(zhì)阻力，因而吸附平衡不可能瞬間達成，將在床層的入口處形成如圖所示的傳質(zhì)區(qū)。在吸附傳質(zhì)區(qū)內(nèi)，吸附質(zhì)濃度由初始濃度C0沿流動方向而逐漸