吸附分離技術(shù)

1、教學(xué)目標(biāo)和要求：通過教學(xué)，了解吸附分離的概念、原理、影響因素，理解各種吸附劑的吸 附原理和選擇依據(jù)。 了解離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)、 分類、 性能和應(yīng)用， 多糖離子交換劑的類型、 特點(diǎn)；掌握離子交換的分離原理、操作方法。第五章 吸附分離技術(shù)一、吸附分離技術(shù)概論 1吸附：是指物質(zhì)從氣體或液體濃縮到固體表面從而達(dá)到分離的過程。2. 吸附的機(jī)理3. 吸附技術(shù)的應(yīng)用（ 1 ）在食品的應(yīng)用a 工業(yè)糖液的脫色、脫臭；b 制氮用于果蔬的儲(chǔ)藏：是當(dāng)前世界上一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。原理是果蔬在高氮低氧環(huán)境下，呼 吸作用被抑制，新陳代謝減緩從而大大延緩腐爛過程?？墒构弑３衷袪I養(yǎng)成分，接近采 摘的新鮮狀態(tài)。蒜苗儲(chǔ)存 3個(gè)月出庫

2、時(shí)仍新鮮飽滿，無萎爛現(xiàn)象。N2還可用于釀造啤酒時(shí)的密封及壓送啤酒。與先用的 CO比，因在啤酒中溶解度小而可提高啤酒質(zhì)量。（2）在空氣凈化上的應(yīng)用a .空氣干燥：空氣中通常含有一定水分，而這種水分在很多場合是有害的，必須被除去。 吸附法是除去空氣中水分最常用的方法之一。硅膠和活性氧化鋁是通用的干燥劑。b .脫除無機(jī)污染物：工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的CQ SO和NQ等酸性有害氣體，它們會(huì)引起溫室效應(yīng)、酸雨等現(xiàn)象，破壞地球和人們的生活環(huán)境。隨著工業(yè)化發(fā)展，這些氣體的危害程度 越來越大，因此人們在致力于開發(fā)各種方法來治理這些有害氣體。其中吸附分離的方法是有 效的治理方法之一?；钚蕴恳?SO;分子篩、硅膠、活

3、性炭一 NOx通入熱空氣（空氣與蒸汽 的混合物）可回收。c 天然氣：為了使天然氣能夠達(dá)到客輸標(biāo)準(zhǔn)，必須將其中的水分含量降低至一定水平。d .化學(xué)工業(yè)：制氧、制氮提純 CO CQ （重要化工原料）等。*CO用于羰基合成醋酸、醋酐、甲酸等的生產(chǎn)，也用于電子工業(yè)。CO是一種用途十分廣泛的需求量很大的重要化工產(chǎn)品。約 40%用作生產(chǎn)尿素、甲醇、水楊酸等化工產(chǎn)品的原料，35%用于提高石油采收率， 10%用于制冷， 5%用于碳酸飲料碳酸化， 其它占 10%（超臨界流體萃?。?。 CO可從廢氣中用吸附法提取，如煙道廢氣含CO2約10%-18%e 冶金工業(yè)：如在有色金屬冶煉過程中，用富氧代替普通空氣可以強(qiáng)化生

4、產(chǎn)、降低消耗、 治理環(huán)境污染、增加經(jīng)濟(jì)效益。另外，H2是冶金工業(yè)的重要保護(hù)氣，以往鋼廠主要由水電解法提供，能耗很高，而富含 Ha的煉焦煤氣，僅僅燒掉。采用吸附法從焦煤氣制氫有很好的經(jīng) 濟(jì)效益。f 廢水處理：利用臭氧對污水進(jìn)行高效處理是常用的污水處理技術(shù)之一?？梢云鸬矫撋?、 脫臭、滅菌（注入少量臭氧可達(dá)到與氯同等的滅菌效果，而且只要幾分鐘，后者需15min 以上）、去除有機(jī)物等作用。富氧還可以用于處理城市垃圾，目前城市垃圾主要采用空氣燃燒 法，產(chǎn)生了大量有毒廢氣，如果采用從空氣中富集氧氣代替空氣處理城市垃圾，則大大降低 了有毒廢氣的排放量。* 空氣分離方法主要有三種：深冷法、吸附法和膜分離法。深

5、冷法投資高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而 且需設(shè)在用戶相近的地方， O2、N2 等還需液化或充入鋼瓶運(yùn)輸，但這種方法可制得純度極高 的氣體，一般適用于規(guī)模較大的裝置。后兩種方法生產(chǎn)的氣體純度較低，但投資成本也低， 一般適用于中小規(guī)模及對氣體純度要求不是特別高的領(lǐng)域。4. 吸附的分類 物理吸附：分子間力 （ 范德華力 ）引起 沒有選擇性、吸附速度快、解吸容易 化學(xué)吸附：化學(xué)反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵有選擇性、吸附慢、不易解吸交換吸附：離子交換離子所帶電荷多少及其水化半徑?jīng)Q定了吸附的難易度5. 吸附分離技術(shù)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：可清除濃度很低的有害或無用組分 吸附速度快，吸附作用可進(jìn)行得相當(dāng)完全缺點(diǎn)：固體吸附劑的吸附容量小

6、，處理量大時(shí)需耗用大量吸附劑，使分離設(shè)備體積龐大 由于吸附劑是固體，在工業(yè)裝置中固體的裝料、卸料、運(yùn)輸及處理均較為不利，從而 使設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給大型生產(chǎn)過程的連續(xù)化、自動(dòng)化操作帶來一定困難。6. 吸附分離的過程（1）把待分離的液體（或氣體）通入吸附劑中（ 2）吸附質(zhì)被吸附到吸附劑表面（3）排出母液（4）吸附質(zhì)脫附回收，以使吸附劑再生二、吸附劑1. 吸附劑的性能要求高度的選擇性巨大的吸附面積和很高的吸附活性一定的機(jī)械強(qiáng)度良好的物理性質(zhì)：吸附劑顆粒大小應(yīng)均一良好的穩(wěn)定性*根據(jù)要求，吸附劑可以制成片狀、粒狀或粉末狀 2傳統(tǒng)吸附劑：活性炭、硅膠、活性氧化鋁、人造沸石（1）活性炭 活性炭是含碳有機(jī)物經(jīng)干

7、餾處理以增加其吸附表面，并通過活化處理除去孔隙中樹膠物質(zhì) 而制成。制備活性炭的含炭原料有木材、鋸屑、泥煤、核桃殼、花生殼等植物性原料和骨骼等動(dòng)物 性原料。其命名常與原料有關(guān)，如木炭、骨炭等。活性炭用于脫色時(shí)一般與硅藻土一起使用，這樣便于過濾，而且硅藻土沒有化學(xué)活性，不 會(huì)與母液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，如水凈化及污水處理、電廠水 質(zhì)處理、氣體凈化、脫色、黃金提取、香煙濾嘴、木地板防潮、吸味（可吸附苯、甲醛、甲 苯等）等。3活性炭對各種氣體的吸附能力（單位：ml/cm ） : H24.5 ; Q 35; N211; Cl2 494; CO-97活化：使用前應(yīng)加熱烘干， 以除去

8、大部分氣體。 對于一般的活性炭可在 160C加熱干燥4 5小時(shí)；錦綸活性炭受熱易變形，可于100C干燥45小時(shí)。（ 2 ）硅膠 透明或乳白色粒狀固體，具有開放的多孔結(jié)構(gòu)，能吸附多種物質(zhì)。如水分，吸濕量可達(dá) 40%。如加入氯化鈷（有毒），干燥時(shí)呈藍(lán)色，吸水后呈紅色，可再生反復(fù)使用。因其吸附 力強(qiáng)，對人的皮膚能產(chǎn)生干燥作用，因此，操作時(shí)應(yīng)穿戴好工作服，若進(jìn)入眼中，需用大量 水沖洗并盡快治療。適用對象：可用于萜類、固醇類、生物堿、酸性化合物、磷脂類、脂肪類、氨基酸類等的吸附分離。硅膠根據(jù)其孔徑的大小分為：大孔硅膠、粗孔硅膠、B 型硅膠、細(xì)孔硅膠。由于孔隙結(jié)構(gòu)的不同，因此它們的吸附性能各有特點(diǎn)。粗孔硅

9、膠在相對濕度高的情況下有較 高的吸附量，細(xì)孔硅膠則在相對濕度較低的情況下吸咐量高于粗孔硅膠，而B 型硅膠由于孔結(jié)構(gòu)介于粗、細(xì)孔之間，其吸附量也介于粗、細(xì)孔之間。大孔硅膠一般用作催 化劑載體、消光劑、牙膏磨料等。因此應(yīng)根據(jù)不同的用途選擇不同的品種?；罨汗枘z一般于105110C加熱干燥12小時(shí)后使用?；罨蟮墓枘z應(yīng)馬上使用，如當(dāng)時(shí)不用，則要貯存在干燥器或密閉的瓶中，但時(shí)間不宜過長。*吸附有機(jī)雜質(zhì)后的硅膠的再生：焙燒法，對于粗孔硅膠可放焙燒爐內(nèi)升溫至500-600度，6-8h后膠粒呈白色或黃褐色即可。對細(xì)孔硅膠，不能超過200度。漂洗法，放在飽和水蒸氣中吸附達(dá)到飽和后放熱水中浸泡漂洗，并可結(jié)合使用

10、洗滌劑以除去郵寄雜質(zhì)，再經(jīng)凈 水洗滌后烘干脫水。根據(jù)其吸附有機(jī)物的種類，選用適當(dāng)?shù)娜軇⑽劫|(zhì)溶出，然后再將 硅膠加熱以脫除溶劑。* 再生注意事項(xiàng)：注意逐漸提高溫度，以免劇烈干燥引起膠粒炸裂，降低回收率。（ 3）氧化鋁為無定形的多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)， 一般由氧化鋁的三水化合物加熱、 脫水、活化而得， 孔徑 2-5nm， 比表面200-500m 2/g，對水有很強(qiáng)的吸附能力，主要用于液體與氣體的干燥。（紅寶石、 藍(lán)寶石的主成份皆為氧化鋁，因?yàn)槠渌s質(zhì)而呈現(xiàn)不同的色澤。紅寶石含有氧化鉻而 呈紅色，藍(lán)寶石則含有氧化鐵及氧化鈦而呈藍(lán)色）適用對象：特別適用于親脂性成分的分離，廣泛應(yīng)用在醇、酚、生物堿、染料、苷類

11、、氨 基酸、蛋白質(zhì)以及維生素、抗生素等物質(zhì)的分離。種類：活化：在使用前150C下加熱干燥2小時(shí)，除去水分以使其活化。（ 4）人造沸石（分子篩）：用于吸附陽離子，如NH4+沸石最早發(fā)現(xiàn)于 1756 年。瑞典的礦物學(xué)家克朗斯提發(fā)現(xiàn)有一類天然硅鋁酸鹽礦石在灼燒 時(shí)會(huì)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，因此命名為“沸石”。世界上已發(fā)現(xiàn)的天然沸石一般為淺灰色，有時(shí)為肉紅色。拿在手上明顯感到比一般石頭輕，這是因?yàn)榉惺瘍?nèi)部充滿了細(xì)微的孔穴和通道，比 蜂房要復(fù)雜得多。假如把沸石比作旅館，那么1 立方微米的這種“超級(jí)旅館”內(nèi)竟有100 萬個(gè)“房間”！這些房間能根據(jù)“旅客”（分子和離子）的性別、高矮、胖瘦、嗜好的不同自 動(dòng)開門或擋駕，

12、絕對不會(huì)讓“胖子”到“瘦子”的房間去，也不會(huì)使高個(gè)子與矮個(gè)子同住一 室。根據(jù)沸石的這一特性，人們用它來篩選分子，獲得很好的效果。 1932 年， McBain 提出 了“分子篩”的概念。表示可以在分子水平上篩分物質(zhì)的多孔材料。雖然沸石只是分子篩的 一種，但是沸石在其中最具代表性，因此“沸石”和“分子篩”這兩個(gè)詞經(jīng)常被混用。水合鋁硅酸的晶體，直到上世紀(jì) 50 年代末地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)沸石礦物是火山沉積的主要組分 后，它才從博物館的陳列品變成一種新型工業(yè)礦物，并引起了世界各國的關(guān)注。我國自 197 年首次在浙江省發(fā)現(xiàn)天然沸石礦以來，在沸石開發(fā)應(yīng)用方面取得了進(jìn)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已從工 農(nóng)業(yè)各部門擴(kuò)展到國防工業(yè)

13、和尖端科技。在自然條件下，由于溫度、壓力較低，且土壤溶液僅略帶堿性，沸石的生成速度緩慢。除 了天然沸石外，還有合成沸石和人造沸石。以往合成沸石主要利用 Al（OH）3 等工業(yè)原料，價(jià) 格昂貴，不易形成規(guī)模生產(chǎn)。人造沸石是利用氫氧化鈉等堿性溶液處理火電廠的廢棄物 粉煤灰而制成。粉煤灰是粉煤燃燒后的細(xì)粒分散狀殘余物，主要來源于電廠粉煤爐以及沸騰 爐。我國仍以煤碳為主要能源，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，粉煤灰的排放量與日俱增，其中 只有極少部分被再利用于水泥和混凝土等建材中，剩余的大量粉煤灰被作為固體廢棄物就地 堆放或填埋，不僅占用大量的土地，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。每噸粉煤灰的售價(jià)約為幾十 元，但合成

14、沸石后其售價(jià)即可達(dá)到上千元。補(bǔ)充：目是表示顆粒物料的大小特征的單位如：500 目=25 m , 50 目=270 m1. 目是指每平方英寸篩網(wǎng)上的空眼數(shù)目， 50 目就是指每平方英吋上的孔眼是 50 個(gè)， 500 目就是 500 個(gè)，目數(shù)越高，孔眼越多。除了表示篩網(wǎng)的孔眼外，它同時(shí)用于表示能夠通過篩 網(wǎng)的粒子的粒徑，目數(shù)越高，粒徑越小。2. 粉體顆粒大小稱顆粒粒度。由于顆粒形狀很復(fù)雜，通常有篩分粒度、沉降粒度、等效體 積粒度、等效表面積粒度等幾種表示方法。篩分粒度就是顆粒可以通過篩網(wǎng)的篩孔尺寸，以 1 英寸（ 2.54cm ）寬度的篩網(wǎng)內(nèi)的篩孔數(shù)表示，因而稱之為 “目數(shù) ”。三、大孔吸附樹脂大

15、孔吸附樹脂是一種具有多孔立體結(jié)構(gòu)人工合成的聚合物吸附劑，是在離子交換劑 和其它吸附劑應(yīng)用基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類新型吸附劑，是依靠它和被吸附的分子（吸附質(zhì)） 之間的范德華引力，通過它巨大的比表面進(jìn)行物理吸附而工作的。在實(shí)際應(yīng)用中對一些與其 骨架結(jié)構(gòu)相近的分子具很強(qiáng)的吸附能力。大孔吸附樹脂吸附技術(shù)最早用于廢水處理、醫(yī)藥工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、分析化學(xué)、臨 床檢定和治療等領(lǐng)域，近年來在我國已廣泛用于中草藥有效成分的提取、分離、純化 工作中。與中藥制劑傳統(tǒng)工藝比較，應(yīng)用大孔吸附樹脂技術(shù)所得提取物體積小、不吸 潮、易制成外型美觀的各種劑型，特別適用于顆粒劑、膠囊劑和片劑，改變了傳統(tǒng)中藥制劑的粗、黑、大現(xiàn)象，有利于

16、中藥制劑劑型的升級(jí)換代，促進(jìn)了中藥現(xiàn)代化研究的發(fā)展。 將大孔吸附樹脂用于銀杏葉的提取， 提取物中銀杏黃酮含量穩(wěn)定在 26% 以上。 （ 1）大孔吸附樹脂的特點(diǎn)： 選擇性好，解吸容易，機(jī)械強(qiáng)度好，可反復(fù)使用和流體阻力??； 其孔隙大小、骨架結(jié)構(gòu)和極性，可按照需要，選擇不同的原料和合成條件而改變，因此可適 用于各種有機(jī)化合物；使用時(shí)無需考慮鹽類的存在。（2）大孔吸附樹脂的類型 非極性大孔吸附樹脂、中等極性大孔吸附樹脂、極性大孔吸附樹脂（3）大孔吸附樹脂的選擇：吸附物的極性 非極性吸附劑易吸附非極性物質(zhì)（從極性溶劑如水中）；極性吸附劑易吸附極性物 質(zhì)（從非極性溶劑中）；中等極性的吸附劑則對上述兩種情況都具有吸附能力 三、影響吸附的因素1. 吸附劑的性質(zhì) （1）比表面積：與吸附容量有關(guān)（2）孔徑：與吸附速度有關(guān)（3）極性大?。号c吸附力的強(qiáng)弱有關(guān)表面具含氧官能團(tuán)如COOH 0H等，有助于對極性分子的吸附。2. 吸附質(zhì)的性質(zhì) （1）溶質(zhì)從較易溶解的溶劑中被吸附時(shí)，吸附量較少。所以極性物質(zhì)適宜在非極性溶劑中 被吸附，非極性物質(zhì)適宜在極性溶劑中被吸附。3. 操作條件的影響 溫度PH值離子濃度 補(bǔ)充：蛋白質(zhì)在長碳鏈?zhǔn)杷纳系奈綖槲鼰岱磻?yīng)，推測其為熵驅(qū)動(dòng)反應(yīng)；而在短碳鏈