第6章_吸附分离技术与理论
第06章_吸附法净化气态污染物
<1.9
（2）硅胶
硅胶的分子式通常用SiO2·nH2O表示。由H2 SiO3溶液经 过缩合、除盐、脱水等处理制得。比表面积达800 m2/g。 工业用的硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末状四种。 硅胶是亲水性的极性吸附剂，对不饱和烃、甲醇、水分等 有明显的选择性。主要用于气体和液体的干燥、溶液的脱 水。
活性氧化铝主要用于气体的干燥和液体的脱水，如汽油、 煤油、芳烃等化工产品的脱水；空气、氦、氢气、氯气、 氯化氢和二氧化硫等气体的干燥。
（4）分子筛
沸石分子筛也称为沸石，是硅铝酸金属盐的晶体， 它是一种强极性的吸附剂，对极性分子，特别是 对水有很大的亲和能力，一般比表面积可达750 m2/g，具有很强的选择性。常用于石油馏分的分 离、各种气体和液体的干燥等场合，如从混合二 甲苯中分离出对二甲苯，从空气中分离氧。
氧化铝 10X分子筛
树脂
活性炭
活性炭纤维
2）分类
吸附剂可分为两大类：天然（如硅藻土、白土、天 然沸石等）；人工（主要有活性炭、活性氧化铝、 硅胶、合成沸石分子筛、有机树脂吸附剂等）。
（1）活性炭
活性炭是最常用的非极性吸附剂。为疏水性和亲有 机物的吸附剂，具有很高的比表面积，活性炭的主 体是炭，表面上的官能团较少，极性较弱，对烃类 及衍生物的吸附能力强。
（3）通过微孔的扩散。利用气体在多孔固体中扩散速率的 差别可以将混合物分离。
（4）微孔中的凝聚。多数情况下毛细管上的可凝气体会在 小于其正常蒸气压的压力下在毛细管中凝聚。因此多孔固体 周围的可凝缩气体会在与其孔径对应的压力下在微孔中凝聚。
2）化学吸附：是吸附质和吸附剂分子间的化学键作用所引 起的吸附，也称为“活性吸附”。
化学稳定性好，抗酸耐碱，热稳性高，再生容易。 用于回收气体中的有机气体，脱除废水中的有机物， 脱除水溶液中的色素。
第六章气体膜分离ppt课件
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
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分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
应用阶段 ❖ 1940s：铀235的浓缩(第一个大规模应用) ❖ 1950年：富氧空气浓缩 ❖ 1954年：气体浓缩膜材料的改进
普及阶段 ❖ 1979年：Prism气体分离膜装置的成功
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气体分离膜材料及膜组件
（1）膜材料 有机膜：聚合物膜（便宜，常用） 无机膜：金属膜、陶瓷膜、分子筛膜
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描述气体通过高分子膜的主要参数
① 渗透率：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数：单位时间、单位膜面积、单位 推动力作用下所透过气体的量； ③ 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一 般将其定义为两种气体i，j渗透系数之比。
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第六章 层析技术
常用术语
固定相：是由层析基质组成的，其基质包括固体
物质（如吸附剂、离子交换剂）和液体物质（如固 定在纤维素或硅胶上的溶液），这些物质能与相关 的化合物进行可逆的吸附、溶解和交换作用。
流动相：在层析过程中推动固定相上的物质向 一定方向移动的液体或气体称为流动相。在柱层 析时，流动相又称洗脱液或洗涤剂。在薄层层析 时流动相又称展层剂。
几个概念
吸附剂 吸附剂的选择主要依据吸附剂本身和被吸附物
质的极性，为活性多孔固体，表面积大、颗粒均 匀、吸附选择性好、稳定性强和成本低廉等性能。
常用的吸附剂有活性炭、硅石、氧化铝、羟基 磷灰石等。
• 羟基磷灰石（HA）[Ca10(PO4)6.(OH)2]
表面有Ca2+和PO43-两种带电基团。酸性和中性蛋 白质可与Ca2+结合，碱性蛋白质可与PO43-结合。
*气体作为流动相
*吸附在固体上的液体为固定相
按两相所处的状态分为： 液相色谱 液-固层析 液-液层析 气相色谱 气-固层析 气-液层析
（2）按层析原理分类
吸附层析 分配层析 离子交换层析 凝胶排阻层析
（3）按操作形式不同分类：
柱层析
纸层析
薄层层析
Liquid Chromatography
突出贡献: 预测气相色谱(1952年应用);提出用细小颗粒 作填料,而两端可以加压(HPLC).
1952年：马丁，辛格对分配层析的研究和发现， 诺贝尔化学奖
1952年，马丁同詹姆斯(James)一起，把分配层析应 用在分离气体上。各种气体或蒸汽的混合物可以利用氮 或氦一类情性载气的气流通过吸收性固体的表面。混合 的气体通过后，在另一端实现分离。
洗脱体积（Ve）：
是指某一成分从柱顶部到底部的洗脱液中出现浓度 达到最大值时的流动相体积。
吸附分离的原理
吸附分离的原理
吸附分离是一种物质分离的常用方法，其原理是通过物质在吸附剂上的不同吸附性质，实现目标物的分离纯化。
吸附剂通常是一种多孔固体材料，具有大量的微观孔隙结构。
这些微孔能够提供大表面积，以增加目标物与吸附剂之间的接触面积。
吸附剂可以选择性地吸附目标物，使其他组分通过，实现目标物的分离。
不同的吸附剂对目标物的选择性吸附是基于物质间的相互作用力。
吸附分离的原理可以归结为两种主要类型：物理吸附和化学吸附。
物理吸附是指目标物与吸附剂之间的非化学吸附，主要通过范德华力、静电力和疏水作用来实现。
物理吸附的主要特点是吸附剂与目标物之间的吸附力较弱，可以通过改变温度和压力等条件来实现目标物的解吸。
化学吸附是指目标物与吸附剂之间发生化学键的吸附，吸附剂与目标物之间形成比较稳定的化学络合物。
化学吸附的主要特点是吸附力较强，不易被改变的外界条件所影响。
在吸附分离的实际应用中，通常需要考虑多种因素，包括吸附剂的选择、操作条件的优化以及吸附剂的再生等。
此外，也可以将不同类型的吸附剂进行组合，以提高分离效果。
总之，吸附分离是一种基于物质在吸附剂上的不同吸附性质实
现目标物分离纯化的方法。
通过选择适当的吸附剂和调节操作条件，可以高效地实现物质的分离纯化。
分离工程绪论
1.2.2 速率分离过程
(1) 定义
是在某种推动力（浓度差，压力差，温度差，电位差
等）的作用下，有时在选择性透过膜的作用下，利用各
组分扩散速率的差异实现组分的分离。
(2) 特征
这类过程所处理的原料和产品通常属于同一形态，仅有组 成上的差异。
(3) 典型分离单元操作
膜分离-①超滤 ②反渗透 ③渗析 ④电渗析 ⑤气体渗透分离 ⑥液膜分离 热扩散 32
（4） 萃取 精馏
气体和液 体
溶剂改变 原溶液组 分的相对 挥发度
以苯酚作溶 剂由沸点相 近的非芳烃 中分离甲苯
27
1.2.1 平衡分离过程
（8）共沸精馏
名称
简图
原料 相态
分离媒介
产生相态或 MSA的相态
分离原理
工业应用实例
（ 8） 共沸精馏
汽、 液或 汽液 混合 物
液体共沸 剂（MSA） 和热量 （ESA）
平衡分离
均相混合物
速率分离
变成两相系统
原料与产品同一相， 仅组成不同 膜分离，超滤，反渗透， 渗析，电渗析,场分离
蒸发、精馏、吸收、萃取、结晶
本课程仅讨论传质分离过程。
21
1.2.1 平衡分离过程
能量媒介( ESA，energy separation agent ) - 热，功； 物质媒介（ MSA, matter separation agent）- 吸收剂，萃取剂。
原料：石脑油
沸程120～230 ℃
加氢重整后得到：轻油 非芳烃
苯 甲苯 二甲苯
高级芳烃 邻二甲苯 沸点℃ 144.411 间二甲苯 139.104
目的产物为 对二甲苯
对二甲苯 138.351
分离答案第六章
第六章高效薄层色谱1．薄层色谱与高效液相色谱比较有那些优点？TLC的优点：1.能同时分离多个样品2.固定相和移动相选择和变换具有较大灵活性3.不需要特殊设备、投资少，可以手工操作 4.省溶剂、省材料、省时间、经济 5.未知组分分离后可制备，用于定性 6.可以作为HPLC条件选择预实验2. 解释比移值和分离度。
(1) 比移值（Rf）：溶质移动距离与流动相移动距离之比。
R=2d/(w1+w2)3. 高效薄层色谱电眼点样方法。
点样方法(1) 定量毛细管（玻璃，铂－铱毛细管）(2)自动点样（CAMAG公司Nanomat点样器）(3)接触点样（contact spoting）第七章高效毛细管电泳和毛细管电色谱1．什么是高效毛细管电泳？及其特点（与HPLC比较）。
高效毛细管电泳是以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度或分配行为上的差异而实现分离的一类液相分离技术。
（与传统电泳技术和高效液相色谱比较）◆∙∙∙∙∙ 仪器简单，操作方便，容易实现自动化。
◆∙∙∙∙∙ 分离效率高，分析速度快。
(>105-106，3.1 min分离36种无机及有机阴离子)◆∙∙∙∙∙ 操作模式多，分析方法开发容易。
◆∙∙∙∙∙ 实验成本低，消耗少。
（1-50 nL）◆∙∙∙∙∙ 实验成本低，消耗少。
（1-50 nL）◆∙∙∙∙∙ 分离在水相介质中进行。
◆∙∙∙∙∙ 应用范围极广。
2．什么电渗流，以及电渗流产生的原因？电渗流当在含有缓冲溶液的毛细管柱两端施加高电压时，管内可迁移的被水化的离子向阴极或阳极移动，使管内液体随迁移着的离子一道移动，形成一种液流，称之为电渗流（electroosmotic flow，EOF），电渗流产生的原因：毛细管柱内表面存在硅醇基, 当pH>3时，硅醇基Si-OH离子化，所产生的SiO-负离子使毛细管壁带负电荷。
缓冲溶液中的阳离子靠静电吸附和分子扩散在固液界面形成双电层，产生电势差。
第6章_ 相平衡
相平衡热力学性质计算包括两个部分： 1、确定平衡状态； 2、计算互成平衡状态下各个相的性质
6.1 相平衡基础
相平衡准则 非均相封闭系统是由若干个均相敞开系统组成， 当系统未达到平衡状态时，各敞开系统之间进行着 物质和能量的传递；当系统达到相平衡状态时，各 敞开系统间的物质和能量的传递达到了动态平衡， 此时，任何一个相都可以认为是均相封闭系统。
在对混合物相平衡进行计算时，需将混合物的相平 衡准则与反映混合物特征的模型(状态方程+混合规则或 活度系数模型)结合起来。 Gibbs-Duhem方程反映了混合物中各组分的偏摩尔性质 的约束关系，它不仅在检验偏摩尔性质模型时非常有用， ˆ i ，ln i 等，与混合物的相 而且因某些偏摩尔性质，例如 ln 平衡紧密联系，在相平衡数据的检验和推算中也有非常重 要的应用。
6.3 中、低压下的气液平衡
6.3.1 中低压下二元气液平衡相图
混合物的汽液相图中，由于增加了组 成变量，故需要复杂一些。考察系统相 变的过程时，采用相图可直观地表示系 统的温度，压力以及个相组成的关系。 常用的有p-t图，p-x-y图，t-x-y图， y-x图。
P
如图所示，AC1，BC2是纯组分1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P
C2 C L
与2的蒸汽压的曲线C1，C2分别
为纯组分1，2的临界点，环行 曲线MLCWN表示一定组成的二元 混合物的p-t关系。MLC线是泡 点线，NWC是露点线。如果混合
T B M N A
C
C1
Z
W
物的组成改变，环行曲线的位
置，形状将会改变。
T
图6-2a 纯物质的p-t图
b 二元系统的p-t图
可见，单组分与二元系统的p-t图是不同的，差异如下表所示
吸附分离原理
吸附分离原理
吸附分离是一种常用的分离技术，其原理基于物质在固体表面上的吸附作用。
在吸附分离过程中，固体材料通常被称为吸附剂，而待分离的物质则被称为吸附质。
吸附分离的基本原理是根据物质在固体表面与周围环境的相互作用力的不同来实现分离。
吸附剂通常具有一定的活性位点或孔隙结构，可以吸附吸附质分子。
吸附剂与吸附质之间的相互作用力可以是物理吸附或化学吸附。
物理吸附是由于吸附剂表面静电相互作用力、范德华力等引起的，通常是可逆的吸附过程。
化学吸附是由于吸附剂表面与吸附质之间发生化学反应而产生的吸附力，一般是不可逆的吸附过程。
在吸附分离过程中，吸附质在与吸附剂接触后会被吸附到吸附剂表面上，从而与其他物质分离开来。
分离的效果取决于吸附剂的选择以及吸附质与吸附剂之间的亲和力。
吸附分离技术在许多领域都有应用，包括化学工程、环境工程、生物技术等。
通过选择合适的吸附剂和调节吸附条件，可以实现对不同物质的分离纯化，提高产品的纯度和质量。
总之，吸附分离是一种基于物质在固体表面上的吸附作用实现分离的技术。
它在实际应用中具有广泛的用途，是一种有效的分离手段。
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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
制造过程示意图
炭化 →破碎、造粒
原料
捏合成型→炭化
活化→洗涤→
→干燥→筛分
粉状碳成品 粒状碳成品
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。
吸附类型与特性
BIoseparatIon EngIneerIng
吸 分子间力 附 剂 化学键力 表 面 静电引力
物理吸附 化学吸附 交换吸附
特征
表面能降低， 为放热反应；
吸附无选择性， 分子引力随分 子量增大而增 加；
无化学反应发 生。
BIoseparatIon EngIneerIng
实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下
吸附性能 作用力 选择性 吸附层 吸附热
吸附速度 温度
可逆性
物理吸附
分子引力（范德华力）
化学吸附
剩余化学键力
没有选择性 单分子或多分子吸附层
有选择性 只能形成单分子吸附层
较小，⋖41.9kj/mol 快，几乎不要活化能 放热过程，低温有利于吸附
较大，相当于化学反应热，83.7418.7kj/mol
较慢，需要活化能
——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
吸附 剂
吸附 质
脱附：吸附的逆过程
BIoseparatIon EngIneerIng
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。
料液与吸 附剂混合
Step1
第六章 吸附分离技术和理论
生活中常见的吸附现象
BIoseparatIon EngIneerIng
A 冰箱除异味 B 新装修房子除异味
1 基本概念
BIoseparatIon EngIneerIng
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
酸性 中性吸附 碱性洗脱 （5）温度 未平衡前 随温度升高而增加
活性碳净水处理
BIoseparatIon EngIneerIng
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， 其亦常与离子交换树脂组合以制造超纯水。用于废水处理，主要是去 除一般难处理之有机化合物、卤化物、酚类、水银及一些无机金属离 子，如：Sb, As, Bi, Cr及Sn等。活性碳的选择依处理的水別及目的 其也各不相同。
在蛋白质分离中特别重要；
③ 可直接从发酵液中分离所需
的产物，成为发酵与分离的 缺点：
耦合过程，从而可消除某些 产物对微生物的抑制作用； ④ 溶质和吸附剂之间的相互作
✓选择性差 ✓收率低
用及吸附平衡关系通常是非
✓无机吸附剂性能不稳定
线性关系，故设计比较复杂
✓不能连续操作，劳动强度大
，实验的工作量较大。
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。
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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
活性炭种类 颗粒大小 表面积 吸附力 吸附量
粉末活性炭
小
大
大
大
颗粒活性炭 较小
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。
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较大 较小 较小
锦纶活性炭
大
小
小
小
洗脱 难 难 易
粉末活性炭
锦纶活性炭
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活性炭对物质的吸附规律
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 碱性 中性吸附 酸性洗脱
吸附质 被吸附
Step2
料液 流出
Step3
吸附质解 吸附
Step4
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吸附法的特点：
优点：
① 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；
② 对溶质的作用较小，这一点
✓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
✓碳粉等吸附剂有粉尘污染
吸附机理
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固体的表面性质——固体表面分子（或原子）所处的状
态与固体内部分子（或原子）所处的状态不同
界面
固体表面分子(或原 子)处于特殊的状态。 固体内部分子所受的 力是对称的，故彼此 处于平衡。但在界面 分子的力场是不饱和 的，即存在一种固体 的表面力，它能从外 界吸附分子、原子、 或离子，并在吸附表 面上形成多分子层或 单分子层。
疏水或非极性吸附剂
活性炭是疏水性的物质、它最适宜从极性溶媒， 尤其是水溶液中吸附非极性物质。吸附芳香族化 合物的能力大于无环化合物。
由于活性炭作为吸附剂的选择件差。故应用抗生 素的提取和精制时，单级吸附不能使抗生素纯度 提高很多，只是用于抗生素的初步提炼，除去溶 液中的色素。
活性炭
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温度升高，吸附速度增加
可逆，较易解析
化学键大时，吸附不可逆
ห้องสมุดไป่ตู้
2 吸附分离介质
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多孔型：活性炭、硅胶、 硅藻土；大网格吸附 剂：有机高分子材料， 如聚苯乙烯，聚酯。
凝胶型：纤维素凝胶， 琼脂糖凝胶，匍聚糖 凝胶等。
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