常用極性、非極性吸附劑

【求助】常用極性、非極性吸附劑!作者：wzhahassxmc收錄日期：2009-12-28發(fā)布日期：2009-12-28§§§Q吸附劑很多，請大家提供下常用的性能好的極性吸附劑有哪些、非極性吸附劑有哪些，微觀的吸附原理是什么？希望能把原理寫明白，謝謝！作者：li2004雖然吸附現(xiàn)象早已為人們發(fā)現(xiàn)和熟知，但是作為工業(yè)上應用則是近幾十年的事情。從理論上講，固體物質(zhì)的表面對于流體都具有一定的物理吸附作用，但要達到工業(yè)上的使用要求，還需要有一個選擇與評價的問題，這是吸附操作中首先要解決的問題。對工業(yè)吸附劑的要求要有巨大的內(nèi)表面積和大的孔隙率也就是說，吸附劑必須是具有高度疏松結(jié)構(gòu)和巨大暴露表面的多孔物質(zhì)。只有這樣，才能給吸附提供很大的表面。吸附劑的有效表面包括顆粒的外表面和內(nèi)表面，而內(nèi)表面總是比外表面大得多，例如硅膠的內(nèi)表面高達600m2/g，活性炭的內(nèi)表面可高達1000m2/g。這些內(nèi)部孔道通常都很小，有的寬度只有幾個分子的直徑，但數(shù)量極大，這是由吸附劑的孔隙率決定的。因此，要求吸附劑要有很大的孔隙率。除此之外，還要求吸附劑具有合適的孔隙和分布合理的孔徑，以便吸附質(zhì)分子能到達所有的內(nèi)表面而被吸附。對不同的氣體要具有選擇性的吸附作用工業(yè)上應用吸附劑的目的，就是為了對某些氣體組分有選擇地吸附，從而達到分離氣體混合物的目的。因此要求所選的吸附劑對所要吸附的氣體具有很高的選擇性。例如活性炭吸附二氧化硫(或氨)的能力，遠大于吸附空氣的能力，故活性炭能從空氣與二氧化硫(或氨)的混合氣體中優(yōu)先吸附二氧化硫(或氨)，達到凈化廢氣的目的。吸附容量要大吸附劑的吸附容量是指一定溫度下，對于一定的吸附質(zhì)濃度，單位質(zhì)量(或體積)的吸附劑所能吸附的最大吸附質(zhì)質(zhì)量。吸附容量大小的影響因素很多，它包括吸附劑的表面大小，孔隙率大小和孔徑分布的合理性，還與分子的極性以及吸附劑分子上官能團的性質(zhì)有關。要有足夠的機械強度和熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性吸附劑是在濕度、溫度和壓力條件變化的情況下工作的，這就要求吸附劑有足夠的機械強度和熱穩(wěn)定性，對于用來吸附腐蝕性氣體時，還要求吸附劑有較高的化學穩(wěn)定性。當采用流化床吸附裝置時，對吸附劑的機械強度要求更高，主要原因是在流化狀態(tài)下運行，吸附劑的磨損大。顆粒度要適中而且均勻用于固定床時，若顆粒太大且不均勻，易造成氣路短路和氣流分布不均，引起氣流返混，氣體在床層中停留時間短，降低吸附分離效果。如果顆粒太小，床層阻力過大，嚴重時會將吸附劑帶出器外。其他要求吸附劑有再生能力，以延長其使用壽命。另外，要求吸附劑易再生和活化，且制造簡便，價廉易得。常用工業(yè)吸附劑目前工業(yè)上常用的吸附劑主要有活性炭、活性氧化鋁、硅膠和分子篩等?；钚蕴炕钚蕴渴窃S多具有吸附性能的碳基物質(zhì)的總稱，木炭可以被認為是一種吸附能力很低的活性炭?；钚蕴康脑鲜菐缀跛械暮嘉镔|(zhì)。如煤、木材、骨頭、果核、堅硬的果殼以及廢紙漿、廢樹脂等，將這些含碳物質(zhì)在低于878K下進行炭化，再用水蒸氣或熱空氣進行活化處理。還有用氯化鋅、氯化鎂、氯化鈣、磷酸來代替熱蒸汽作活化劑的?；钚蕴拷?jīng)過活化處理，比表面積一般可達700?1000m2/g，具有優(yōu)異和廣泛的吸附能力。炭分子篩是新近開發(fā)的一種孔徑均一的分子篩型活性炭新品種，孔徑一般在100nm以下，具有良好的選擇吸附能力。普通活性炭又分為顆粒狀活性炭(粒炭)和粉狀活性炭(粉炭)，氣體吸附多用粒炭，因其阻力小，而粉炭多用于液體的脫色處理?；钚蕴渴且环N非極性吸附劑，具有疏水性和親有機物質(zhì)的性質(zhì)，它能吸附絕大部分有機氣體，如苯類，醛酮類、醇類、烴類等以及惡臭物質(zhì)，因此，活性炭常被用來吸附和回收有機溶劑和處理惡臭物質(zhì)。同時由于活性炭的孔徑范圍寬，即使對一些極性吸附質(zhì)和一些特大分子的有機物質(zhì)，仍然表現(xiàn)出它的優(yōu)良的吸附能力，如在SO2、NOx、Cl2、H2S、CO2等有害氣體治理中，有著廣泛的用途。因此，在吸附操作中，活性炭是一種首選的優(yōu)良吸附劑。近年來出現(xiàn)的纖維活性炭，是一種新型的高性能活性炭吸附材料。它是利用超細纖維如黏膠絲、酚醛纖維或腈綸纖維等制成氈狀、繩狀、布狀等，經(jīng)高溫(1200K以上)炭化，用水蒸氣活化后形成的。纖維活性炭的表面積大，有的可高達1700m2/g，密度小(5?15kg/m3)，微孔多而均勻。普通顆?；钚蕴靠讖讲痪?，除小孔外，還有0.01?0.川m的中孔和0.5?5^m的大孔，而纖維活性炭不但孔隙率較大，而且孔徑比較均一，絕大多數(shù)為0.0015?0.003pm的小孔和中孔，因而吸附容量大，而且，由于纖維活性炭的微孔直接通向外表面，吸附質(zhì)分子內(nèi)擴散距離較短，所以吸附和脫附速率高，殘留量少，因而使用壽命長。正是由于纖維活性炭具有這些結(jié)構(gòu)特征，對各種無機和有機氣體、水溶液中的有機物、重金屬離子等具有較大的吸附容量和較快的吸附速率，其吸附能力比一般的活性炭高出1?10倍，特別是對于一些惡臭物質(zhì)的吸附量比顆粒活性炭要高40倍左右?；钚匝趸X活性氧化鋁是將含水氧化鋁(如鋁土礦)在嚴格控制的加熱速率下于773K加熱制成的多孔結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)。根據(jù)結(jié)品構(gòu)造，氧化鋁可分為a型和y型。具有吸附活性的主要是Y型，尤其是含一定結(jié)品水的Y-氧化鋁，吸附活性很高。品格類型的形成主要取決于焙燒溫度，若三水鋁石在773?873K溫度下焙燒，所得氧化鋁即為含有結(jié)品水的Y型活性氧化鋁，溫度超過1173K，開始變成a型氧化鋁，吸附性能急劇下降。活性氧化鋁是一種極性吸附劑，無毒，對水的吸附容量很大，常用于高濕度氣體的吸濕和干燥。它還用于多種氣態(tài)污染物，如SO2、H2S、含氟廢氣、NOx以及氣態(tài)碳氫化合物等廢氣的凈化?；钚匝趸X機械強度好，可在移動床中使用，并可作催化劑的載體。而且它對多數(shù)氣體和蒸氣是穩(wěn)定的，浸入水或液體中不會溶脹或破碎。循環(huán)使用后其性能變化很小，因此使用壽命長?；钚匝趸X常用作催化劑的載體。硅膠將水玻璃(硅酸鈉)溶液用無機酸處理后所得凝膠，經(jīng)老化、水洗去鹽，于398?408K下干燥脫水，即得到堅硬多孔的固體顆粒硅膠。硅膠是一種無定形鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸聚合物，其分子式為SiO2?nH2O。硅膠的孔徑分布均勻，親水性極強，吸收空氣中的水分可達自身質(zhì)量的50%，同時放出大量的熱，使其容易破碎。硅膠在應用上有很大一部分是用作吸濕劑(干燥劑)，在用作干燥劑時常加入氯化鉆或漠化銅，以指示吸濕程度。硅膠是一種極性吸附劑，可以用來吸附SO2、NOx等氣體，但難于吸附非極性的有機物。硅膠還可用作催化劑的載體。其主要物理性質(zhì)見表15—1。沸石分子篩分子篩自1756年從自然界發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)36種之多。這種天然分子篩是一種結(jié)品的鋁硅酸鹽，因?qū)⑵浼訜崛廴跁r可起泡“沸騰”，因此又稱沸石或泡沸石，又因其內(nèi)部微孔能篩分大小不一的分子，故又名分子篩或沸石分子篩。目前人工合成的沸石分子篩已超過百種。最常用的有A型、X型、Y型、M型和ZSM型等。沸石分子篩具有多孔骨架結(jié)構(gòu)，其化學通式為，其中Me主要是K+、Na+、Ca2+等金屬陽離子，x/n為價數(shù)為n的可交換金屬陽離子Me的個數(shù)，m是結(jié)品水的分子數(shù)。分子篩在結(jié)構(gòu)上有許多孔徑均勻的孔道與排列整齊的洞穴，這些洞穴由孔道連接。洞穴不但提供了很大的比表面積，而且它只允許直徑比其孔徑小的分子進入，從而對大小及形狀不同的分子進行篩分。根據(jù)孔徑大小不同和SiO2與A12O3分子比不同，分子篩有不同的型號。如3A（鉀A型）、4A（鈉A型）、5A（鈣A型）、10X（鈣X型）、13X（鈉X型）、Y（鈉Y型）、鈉絲光滑石型等。分子篩與其他吸附劑相比有以下優(yōu)點。吸附選擇性強。這是由于分子篩的孔徑大小整齊均一，又是一種離子型吸附劑。因此它能根據(jù)分子的大小及極性的不同進行選擇性吸附。如它可有效地從飽和碳氫化合物中把乙烯、丙烯除去，還可有效地把乙炔從乙烯中除去，這一點是由它的強極性決定的。吸附能力強。即使氣體的組成濃度很低，仍然具有較大的吸附能力。在較高的溫度下仍有較大的吸附能力，而其他吸附劑卻受溫度的影響很大，因而在相同溫度條件下，分子篩的吸附容量大。正是由于上述優(yōu)點，分子篩成為一種十分優(yōu)良的吸附劑，廣泛用于基本有機化工、石油化工的生產(chǎn)上，在有害氣體的治理上，也常用于SO2、NOx、CO、CO2，NH3，CC14、水蒸氣和氣態(tài)碳氫化合物廢氣的凈化。（5） 其他吸附劑除去上述主要的吸附劑外，還有漂白土和活性白土、焦炭粒和白云石粉、腐殖酸類吸附劑、蚯蚓糞、吸附樹脂等常見的吸附劑。（6） 吸附劑浸漬這是提高吸附劑吸附能力（容量）和選擇性的一種有效方法。其處理方法是將吸附劑預先在某些特定物質(zhì)的溶液中進行浸漬，再把吸附了這些特定物質(zhì)的吸附劑進行干燥，然后再去吸附某些氣態(tài)物質(zhì)，使這些氣態(tài)物質(zhì)與預先吸附在吸附劑表面上的特定物質(zhì)發(fā)生化學反應。對于同一種吸附劑，可根據(jù)吸附處理有害氣體中污染物的種類、選擇浸漬一些特定物質(zhì)，以提高吸附的選擇性影響氣體吸附的因素影響氣體吸附的因素很多，主要有吸附劑的性質(zhì)、吸附質(zhì)的性質(zhì)與濃度、吸附器的設計和吸附的條件。除此之外，還包括一些其他的因素，諸如其他氣體的存在，吸附劑的脫附情況等。1.吸附劑性質(zhì)的影響實踐證明，被吸附氣體的總量，隨吸附劑表面積的增加而增加，同等體積（或質(zhì)量）的吸附劑吸附的氣體量越大，證明該吸附劑的比表面積越大。吸附劑比表面積大小與它的孔隙率、孔徑、顆粒度等因素有關。確定吸附劑吸附能力的一個重要概念是“有效表面積”，即吸附質(zhì)分子能進入的表面。根據(jù)微孔尺寸分布數(shù)據(jù)，主要起吸附作用是直徑與被吸附分子大小相等的微孔。通常假設，由于位阻效應，一個分子不易滲入比某一最小直徑還要小的微孔，這個最小直徑即所謂臨界直徑，它代表了吸附質(zhì)的特性且與吸附質(zhì)分子的直徑有關。表15—3列出了某些常見分子的臨界直徑。因此，吸附劑的有效表面只存在于吸附分子能夠進入的微孔中。如前所述，分子篩的孔徑單一、均勻，如5分子篩的孔徑為5，就只能吸附直徑為5以下的分子?；钚蕴康目讖椒植己軐?，可以從20?1000，所以它既能吸附直徑小的分子，也能吸附直徑大的有機物分子。在選擇吸附劑時，應使其孔徑分布與吸附質(zhì)分子的大小相適應(1=10—10m)。吸附劑的極性對吸附過程影響也很大。一般來說，對于具有極性的吸附劑，尤其是分子篩，由于其對吸附質(zhì)的吸附靠靜電引力，因此，它對極性吸附質(zhì)吸附量就大；對于不具有極性的活性炭，它就能夠大量吸附非極性的有機分子。吸附質(zhì)性質(zhì)和濃度的影響吸附質(zhì)的性質(zhì)和濃度也影響著吸附過程和吸附量。除上述吸附分子的臨界直徑外，吸附質(zhì)的相對分子質(zhì)量、沸點和飽和性，都影響吸附量。當用同一種活性炭作吸附劑時，對于結(jié)構(gòu)類似的有機物，其相對分子質(zhì)量愈大、沸點愈高，則被吸附得愈多。對結(jié)構(gòu)和相對分子質(zhì)量都相近的有機物，不飽和性愈大，則愈易被吸附。吸附質(zhì)在氣相中的濃度愈大，吸附量愈大。下一節(jié)將要介紹的吸附等溫線可以明顯證明這一點。但濃度增加必然使同樣的吸附劑較早達到飽和，則需較多的吸附劑，并使再生頻繁，操作麻煩。因而吸附法不宜用于凈化吸附質(zhì)濃度高的氣體。對于濃度高的氣體，一般先采取其他凈化方法，如吸收法。當其他方法不能滿足排放標準的要求時，再在其他方法之后加設吸附裝置。所以，吸附法較為適宜處理污染物濃度低，排放標準要求很嚴的廢氣。吸附操作條件的影響吸附是一種放熱過程，因此操作時首先要考慮溫度的影響。對物理吸附，低溫是有利的，所以總希望在低溫下進行。對于化學吸附，由于提高溫度會加速化學反應的速率，因而希望適當提高系統(tǒng)的溫度，以增大吸附速率和吸附量。其次要考慮的是操作壓力，增大氣相主體的壓力，從而增大了吸附質(zhì)的分壓，對吸附有利。但增大壓力不僅會增加能耗，而且還會給吸附設備和吸附操作帶來特殊要求，因此一般不為此而設增壓設備。吸附操作中氣流的速率對氣體吸附影響也很大。氣流速率要保持適中，若速率太大，不僅增大了壓力損失，而且會使氣體分子與吸附劑接觸時間過短，不利于氣體的吸附，因而降低吸附速率。氣體流速過低，又會使設備增大。因此，吸附器的氣流速率要控制在一定的范圍之內(nèi)。如通過固定床吸附器的氣流速率一般應控制在0.2?0.6m/s的范圍內(nèi)。吸附器設計的影響為了進行有效吸附，對吸附器的設計提出以下基本要求。要具有足夠的氣體流通面積和停留時間，它們都是吸附器尺寸的函數(shù)；要保證氣流分布均勻，以全所有的過氣斷面都能得到充分利用；對于影響吸附過程的其他物質(zhì)如粉塵、水蒸氣等要設預處理裝置，以除去入口氣體中能污染吸附劑的雜質(zhì)；采用其他較為經(jīng)濟有效的工藝，預先除去人口氣體中的部分組分，以減輕吸附系統(tǒng)的負荷，這一點主要是對處理污染物濃度較高的氣體而言；要能夠有效地控制和調(diào)節(jié)吸附操作溫度；要易于更換吸附劑。其他因素的影響吸附劑浸漬的影響有些吸附操作不能達到要求，往往采取吸附劑浸漬處理，以提高吸附劑的選擇性和增大吸附容量。脫附的影響脫附是回收吸附質(zhì)使吸附劑獲得再生的過程，因此希望吸附質(zhì)脫附得越干凈越好。但由于工藝條件和吸附劑本身的限制，往往不能使吸附質(zhì)從吸附劑上完全脫附出來，因而也就相應地影響了下一步的吸附操作。作者：li2004吸附劑一般有以下特點一、 概述能有效地從氣體或液體中吸附其中某些成分的固體物質(zhì)。吸附劑一般有以下特點：大的比表面、適宜的自動餾程孔結(jié)構(gòu)及表面結(jié)構(gòu)；對吸附質(zhì)有強烈的吸附能力；一般不與吸附質(zhì)和介質(zhì)發(fā)生化學反應;制造方便，容易再生；有良好的機械強度等。吸附劑可按孔徑大小、顆粒形狀、化學成分、表面極性等分類，如粗孔和細孔吸附劑，粉狀、粒狀、條狀吸附劑，碳質(zhì)和氧化物吸附劑，極性和非極性吸附劑等。常用的吸附劑有以碳質(zhì)為原料的各種活性炭吸附劑和金屬、非金屬氧化物類吸附劑(如硅膠、氧化鋁、分子篩、天然黏土等)。衡量吸附劑的主要指標有：對不同氣體雜質(zhì)的吸附容量、磨耗率、松裝堆積密度、比表面積、抗壓碎強度等。用于濾除毒氣，精煉石油和植物油，防止病毒和霉菌，回收天然氣中的汽油漠價以及食糖和其他帶色物質(zhì)脫色等。二、 吸附劑的種類工業(yè)上常用的吸附劑有：硅膠、活性氧化鋁、活性炭、分子篩等，另外還有針對某種組分選擇性吸附而研制的吸附材料。氣體吸附分離成功與否，極大程度上依賴于吸附劑的性能，因此選擇吸附劑是確定吸附操作的首要問題。硅膠是一種堅硬、無定形鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸聚合物顆粒，分子式為SiO2.nH2O，為一種親水性的極性吸附劑。它是用硫酸處理硅酸鈉的水溶液，生成凝膠，并將其水洗除去硫酸鈉后經(jīng)干燥，便得到玻璃狀的硅膠，它主要用于干燥、氣體混合物及石油組分的分離等。工業(yè)上用的硅膠分成粗孔和細孔兩種。粗孔硅膠在相對壓力變送器濕度飽和的條件下，吸附量可達吸附劑重量的80%以上，而在低濕度條件下，吸附量大大低于細孔硅膠?；钚匝趸X是由鋁的水合物加熱脫水制成，它的性質(zhì)取決于最初氫氧化物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，一般都不是純粹的A12O3,多次開關機即可使被磁化的金屬部件消磁，而是部分水合無定形的多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)，其中不僅有無定形的凝膠，還有氫氧化物的品體。由于它的毛細孔通道表面具有較高的活性，故又稱活性氧化鋁。它對水有較強的親和力，是一種對微量水深度干燥用的吸附劑。在一定操作條件下，它的十燥深度可達露點-70T以下?；钚蕴渴菍⒛咎?、果殼、煤等含碳原料經(jīng)炭化、活化后制成的。活化方法可分為兩大類，即藥劑活化法和氣體活化法。藥劑活化法就是在原料里加入氯化鋅、硫化鉀等化學藥品，在非活性氣氛中差壓變送器加熱進行炭化和活化。氣體活化法是把活性炭原料在非活性氣氛中加熱，通常在700°C以下除去揮發(fā)組分以后，通入水蒸氣、二氧化碳、煙道氣、空氣等，并在700?1200C溫度范圍內(nèi)進行反應使其活化?；钚蕴亢泻芏嗝毧讟?gòu)造所以具有優(yōu)異的吸附能力。因而它用途遍及水處理、脫色、氣體吸附等各個方面。沸石分子篩又稱合成沸石或分子篩，其化學組成通式為：[M2(I)M(II)]O.Al2O3.nSiO2.mH2O式中M2(I)和M(II)分別為為一價和二價金屬離子，多半是鈉和鈣，n稱為沸石的硅鋁比，硅主要來自于硅酸鈉和硅膠，鋁則來自于鋁酸鈉和Al(HO)3等，它們與氫氧化鈉水溶液反應制得的膠體物，經(jīng)干燥后便成沸石，一般n=2?10,m=0?9。沸石的特點是具有分子篩的作用，它有均勻的孔稱重傳感器徑，如3A0、4A0、5A0、10A0細孔。有4A0孔徑的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三個碳以上的正烷烴。它已廣泛用于氣體吸附分離、氣體和液體干燥以及正異烷烴的分離。碳分子篩實際上也是一種活性炭，它與一般的碳質(zhì)吸附劑不同之處，在于其微孔孔徑均勻地分布在一狹窄的范圍內(nèi)，微孔孔徑大小與被分離的氣體分子直徑相當，微孔的比表面積一般占碳分子篩所有表面積的90%以上。碳分子篩的孔結(jié)構(gòu)主要分布形式為：大孔直徑與碳粒的外表面相通，過渡孔從大孔分支出來，微孔又從過渡孔分支出來。在分離過程中，大孔主要起運輸通道作用，微孔則起分子篩的作用。以煤為原料制取碳分子篩的方法有碳化法、氣體活化法、碳沉積法和浸漬法。其中炭化法最為簡單，但要制取高質(zhì)量的碳分子篩必須綜合使用這幾種方法。碳分子篩在空氣分離制取氮氣領域已獲得了成功，在其它氣體分離方面也有廣闊的前景。三、吸附劑的物理性質(zhì)吸附劑的良好吸附性能是由于它具有密集的細孔構(gòu)造。與吸附劑細孔有關的物理性能有：孔容(VP):吸附劑中微孔的容積稱為孔容，通常超聲波液位計以單位重量吸附劑中吸附劑微孔的容積來表示(cm3/g).孔容是吸附劑的有效體積，它是用飽和吸附量推算出來的值，也就是吸附劑能容納吸附質(zhì)的體積，所以孔容以大為好。吸附劑的孔體積(Vk)不一定等于孔容(VP)，吸附劑中的微孔才有吸附作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的體積，一般要比VP大。比表面積：即單位重量吸附劑所具有的表面積，常用單位是m2/g。吸附劑表面積每克有數(shù)百至千余平方米。吸附劑的表面積主要是微孔孔壁的表面，吸附劑外表面是很小的?？讖脚c孔徑分布：在吸附劑內(nèi)，孔的形狀極不規(guī)則，孔隙大小也各不相同，來減小管殼程間介質(zhì)的壓差。直徑在數(shù)埃(A0)全數(shù)十埃的孔稱為細孔，直徑在數(shù)百埃以上的孔稱為粗孔。細孔愈多，則孔容愈大，比表面超凈工作臺也大，有利于吸附質(zhì)的吸附。粗孔的作用是提供吸附質(zhì)分子進入吸附劑的通路。粗孔和細孔的關系就象大街和小巷一樣，外來分子通過粗孔才能迅速到達吸附劑的深處。所以粗孔也應占有適當?shù)谋壤??；钚蕴亢凸枘z之類的吸附劑中粗孔和細孔是在制造