第三章 吸附分离技术与理论

窄的孔径分布，可用于分离更小的气体分子，如从空气中分离N2。
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
（1） 饮用水水源之净化，包括水内含色、臭、合成洗涤剂 及农药等之去除
（2） 工业及产业用水之处理 （3） 家庭废水之处理及再利用 （4） 工业及产业废水之处理及再利用 （5） 垃圾渗出水处理
活性碳的再生
再生：指在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，用某种方法将被吸附的物质，
从吸附剂的细孔中除去，以达到能够重复使用的目的。
（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
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。
（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
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 ❖ 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。
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
——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
❖ 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。
1）加热再生法：分为高温再生和低温再生；一般采用高温再生。 2）脱水（活性炭与液体分离）－干燥（100－150度）－炭化（300－
700 度）－活化（用蒸汽）－冷却 3）药剂再生法：酸碱、有机溶剂 4）化学氧化法：湿式氧化、臭氧 5）生物再生法：利用微生物作用
活性氧化铝（Al2O3·nH2O）
是氢氧化铝胶体经加热脱水后制成的一种多孔大表面吸附剂。 通过控制氢氧化铝晶粒尺寸和堆积配位数可以控制氧化铝的孔容、孔 径和表面积。 由铝土矿加热脱水可制成天然活性氧化铝。氧化铝按品型可分为α、 γ、θ、δ、η、χ、κ、和ρ共8种。通常所说的“活性氧化铝”是 指γ-Al2O3或是γ、χ和η氧化铝的混和物。 活性氧化铝具有相当大的比表面积（200～400m2/g），且机械强度高 ，物化稳定性高，耐高温，抗腐蚀，但不宜在强酸、强碱条件下使用。 活性氧化铝表面的活性中心是羟基和路易斯酸中心，极性强，对水有 很强的亲和作用。活性氧化铝广泛应用于脱除气体中的水，也常用作色 谱柱填充材料。
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。
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
粉末活性炭
锦纶活性炭
活性炭纤维是用炭素纤维活化而制得的一种纤维状吸附剂，
可做成毛毡状、纸片状、布料状、蜂巢状等。活性纤维的外表面积 比颗粒活性炭大，吸附和解吸速度比颗粒状活性炭大，且阻力小， 容易使气体或液体透过，近年来作为活性炭新品种正在推广应用。
活性炭
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
Hale Waihona Puke 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。
✓碳粉等吸附剂有粉尘污染
吸附机理
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。
球形炭化树脂是采用球形大孔吸附树脂为原料，经炭化、高
温裂解及活化制成的吸附剂。与其他形状活性炭相比，球形炭化树 脂不易掉屑而污染被处理物系，且可与被处理气体或液体均匀接触 ，气体和液体通过球形吸附剂床层时的阻力小。通过控制聚合条件 ，改变原料配比等手段可得到不同孔结构和不同性能的炭化树脂。
炭分子筛（CMS）较活性炭具有更小的孔径（2～10Å）和更
吸附类型与特性
1. 物理吸附 2. 化学吸附 3. 交换吸附
极性吸附 离子交换吸附
实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下
2 吸附分离介质
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：
料液与吸 附剂混合
Step1
吸附质 被吸附
Step2
料液 流出
Step3
吸附质解 吸附
Step4
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
第三章 吸附分离技术和理论
吸附现象
A rain – damp(吸湿)
B 冰箱除异味 C 变色硅胶
内容提要：
❖ 1.吸附的一般过程。 ❖ 2.吸附的类型及主要特点。 ❖ 3.吸附平衡理论概述。 ❖ 4.吸附过程及工艺计算。 ❖ 5.亲和吸附剂的选择原则。 ❖ 6.离子交换树脂的分类及作用机理。
1 基本概念