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1、吸附分离技吸附分离技术和理和理论内容提要：内容提要：vv1.吸附的一般过程。vv2.吸附的类型及主要特点。vv3.吸附平衡理论概述。vv4.吸附过程及工艺计算。vv5.亲和吸附剂的选择原则。vv6.离子交换树脂的分类及作用机理。1 基本概念定义：吸附是利用吸附是利用吸附剂吸附剂对液对液体或气体中某一组分具有体或气体中某一组分具有选选择性吸附择性吸附的能力，使其富集的能力，使其富集在吸附剂表面，再用适当的在吸附剂表面，再用适当的洗脱剂将其解吸达到分离纯洗脱剂将其解吸达到分离纯化的过程。化的过程。液相(气相)固相 吸附剂、吸附物吸附剂、吸附物应用：广广泛泛应应用用于于原原料料脱脱色色、脱脱臭臭，目
2、目标标产产物物提提取取、浓浓缩缩和粗分离和粗分离吸附剂吸附剂吸附质吸附质脱附：吸附的逆过程脱附：吸附的逆过程vv吸附过程通常包括：吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂待分离料液与吸附剂混合混合、吸附质被吸附质被吸附吸附到吸附剂表面到吸附剂表面、料液料液流出流出、吸附吸附质质解吸回收解吸回收等四个过程等四个过程。料液与吸料液与吸料液与吸料液与吸附剂混合附剂混合附剂混合附剂混合吸附质吸附质吸附质吸附质被吸附被吸附被吸附被吸附料液料液料液料液流出流出流出流出吸附质解吸附质解吸附质解吸附质解吸附吸附吸附吸附Step1Step2Step3Step4常常用用于于从从稀稀溶溶液液中中将将溶溶质分分离离出出来
3、来，由由于于受受固固体体吸吸附附剂的限制，的限制，处理能力理能力较小；小；对溶溶质的的作作用用较小小，这一一点点在蛋白在蛋白质分离中特分离中特别重要；重要；可可直直接接从从发酵酵液液中中分分离离所所需需的的产物物，成成为发酵酵与与分分离离的的耦耦合合过程程，从从而而可可消消除除某某些些产物物对微生物的抑制作用；微生物的抑制作用；溶溶质和和吸吸附附剂之之间的的相相互互作作用用及及吸吸附附平平衡衡关关系系通通常常是是非非线性性关关系系，故故设计比比较复复杂，实验的的工作量工作量较大大。吸附法的特点吸附法的特点：优点点：有机溶有机溶剂掺入少入少 操作操作简便，安全，便，安全，设备简单 pH pH变化
4、小，适于化小，适于稳定性差的物定性差的物质缺点缺点：选择性差性差收率低收率低无机吸附无机吸附剂性能不性能不稳定定不能不能连续操作，操作，劳动强度大度大碳粉等吸附碳粉等吸附剂有粉有粉尘污染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。吸附类型与特性1.物理吸附2.化学吸附3.离子交换吸附 实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下多孔型多
5、孔型：活性炭、硅胶、活性炭、硅胶、硅藻土；大网格吸附硅藻土；大网格吸附剂：有机高分子材料，：有机高分子材料，如聚苯乙如聚苯乙烯，聚，聚酯。凝胶型凝胶型：纤维素凝胶，素凝胶，琼脂糖凝胶，匍聚糖脂糖凝胶，匍聚糖凝胶等。凝胶等。2 吸附分离介质粒状碳成品粉状碳成品活化洗涤捏合成型炭化炭化 破碎、造粒原料干燥筛分制造过程示意图制造过程示意图活化：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。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。1）组成结构：由木屑
6、、果壳、兽骨、兽血或煤屑等原料高温（800）碳化而成的多孔网状结构活性炭粉末活性炭粉末活性炭锦纶活性炭锦纶活性炭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 活活性性炭炭纤纤维维是是用用炭炭素素纤纤维维活活化化而而制制得得的的一一种种纤纤维维状状吸吸附附剂剂，可可做做成成毛毛毡毡状状、纸纸片片状状、布布料料状状、蜂蜂巢巢状状等等。活活性性纤纤维维的的外外表表面面积积比比颗颗粒粒活活性性炭炭大大，吸吸附附和和解解吸吸速速度度比比颗颗粒粒状状活活性性炭炭大大，且且阻阻力力小小，容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。易使气体或液体透过，
7、近年来作为活性炭新品种正在推广应用。球球形形炭炭化化树树脂脂是是采采用用球球形形大大孔孔吸吸附附树树脂脂为为原原料料，经经炭炭化化、高高温温裂裂解解及及活活化化制制成成的的吸吸附附剂剂。与与其其他他形形状状活活性性炭炭相相比比，球球形形炭炭化化树树脂脂不不易易掉掉屑屑而而污污染染被被处处理理物物系系，且且可可与与被被处处理理气气体体或或液液体体均均匀匀接接触触，气气体体和和液液体体通通过过球球形形吸吸附附剂剂床床层层时时的的阻阻力力小小。通通过过控控制制聚聚合合条条件件，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。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。炭炭分分子子
8、筛筛（CMSCMS）较较活活性性炭炭具具有有更更小小的的孔孔径径（2 21010）和和更更窄窄的孔径分布的孔径分布，可用于分离更小的气体分子，如从空气中分离，可用于分离更小的气体分子，如从空气中分离N N2 2。活性炭对物质的吸附规律vv非极性非极性吸附剂，在极性介质中，对非极性物质具有吸附剂，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。的吸附能力。vv针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：（1 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）对极性基团多
9、的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物（2 2）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物（3 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）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 4）pH pH 值的影响值的影响 碱性碱性 中性吸附中性吸附 酸性洗脱酸性洗脱 酸性酸性 中性吸附中性吸附 碱性洗脱碱性洗脱（5 5）温度）温度 未平衡前未平衡前 随温度升高而增加随温度升高而增加吸附过程的影响因素1.吸附剂的特性（组成结构、容量、稳定性）2.吸附物的性质（熔点、缔合、离解、氢键等）3.溶剂（单、混合）1）温度2）pH值3）盐
10、的浓度吸附剂的性能表征吸附剂的性能表征v化学成分化学成分v材料材料结构构v比表面比表面积：单位位质量物体所具有的表面量物体所具有的表面积(m(m2 2/g)/g)测量方法：量方法：BETBET法法 一般采用B.E.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮温度下(-196C)，用吸附剂吸附氮气，在吸附剂表面形成单分子吸附层，测定氮气的吸附体积vm(cm3/g)，计算比表面积a(cm2/g):N-阿弗加德罗常数，s-被吸附分子的横截面积，在-19610-15 cm2。v平均平均孔径孔径、及其分布，孔隙率、及其分布，孔隙率 测量方法：量方法：常用测定方法有常用测定方法有压汞法压汞
11、法和和氮气解吸法氮气解吸法 压汞法适用于测定大孔径（压汞法适用于测定大孔径（100100）吸附剂的孔径分布；）吸附剂的孔径分布；氮气解吸法适用于孔径为氮气解吸法适用于孔径为1515250250范范围围内的孔径分布内的孔径分布；孔径孔径1590%90%；vv机械强度：机械强度：90%90%；vv含水量：含水量：0.30.7g/g 0.30.7g/g 树脂；树脂；vv交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量或称表观交换容量（在某一条件下）；容量或称表观交换容量（在某一条件下）；vv稳定性：化学稳定性、热稳定性；稳定性：化学稳定性、热稳定性；v
12、v膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子的性质、介质的性质和浓度、骨架结构；的性质、介质的性质和浓度、骨架结构；vv湿真密度：单位体积湿树脂的重量；湿真密度：单位体积湿树脂的重量；vv孔度、孔径、比表面积孔度、孔径、比表面积离子交换过程vv离子交换过程是可逆多相化学反应离子交换过程是可逆多相化学反应 式中式中 A1 A1，A2A2液相中的离子液相中的离子 吸附的离子吸附的离子 Z1 Z1，Z2 A1Z2 A1，A2A2的价数的价数 液相和树脂相中的溶剂液相和树脂相中的溶剂 ns ns 离子交换时，溶剂从树脂移入液相的毫摩尔数离子交换时，溶剂
13、从树脂移入液相的毫摩尔数离子交换机理A A+自溶液中扩散到树脂表面自溶液中扩散到树脂表面A A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心从树脂表面进入树脂内部的活性中心A A+与与RBRB在活性中心上发生复分解反应在活性中心上发生复分解反应解吸附离子解吸附离子B+B+自树脂内部扩散至树脂表面自树脂内部扩散至树脂表面B B+离子从树脂表面扩散到溶液中离子从树脂表面扩散到溶液中交换速度的控制步骤是交换速度的控制步骤是扩散速度扩散速度，不同的，不同的分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制vv树脂预处理树脂预处理vv离子交换吸附离子交换吸附vv洗脱洗脱离子交换操作方法离子交换
14、操作方法vv静态：操作简单、但是分批操作，交换不完静态：操作简单、但是分批操作，交换不完全全vv动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，适宜多组份分离适宜多组份分离 柱式固定床（柱式固定床（FixedFixedBedBed）模拟移动床（模拟移动床（SMBSMB）离子交换操作方式离子交换操作方式树脂预处理vv物理处理：物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒；水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒；vv化学处理：化学处理：转型（氢型或钠型）转型（氢型或钠型）阳离子树脂阳离子树脂 酸酸碱碱酸酸 阴离子树脂阴离子树脂 碱碱酸酸碱碱 最后以去离子水或
15、缓冲液平衡最后以去离子水或缓冲液平衡洗脱方式vv离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法溶液的方法vv洗脱方法洗脱方法（1 1）改变溶液）改变溶液pHpH值值（2 2）改变溶液离子强度）改变溶液离子强度树脂再生vv是指使离子交换树脂重新具有交换能力是指使离子交换树脂重新具有交换能力的过程的过程vv酸性阳离子树脂酸性阳离子树脂 酸酸-碱碱-酸酸-缓冲溶液淋缓冲溶液淋洗洗vv碱性阴离子树脂碱性阴离子树脂 碱碱-酸酸-碱碱-缓冲溶液淋缓冲溶液淋洗洗vv方式有：顺流再生和逆流再生方式有：顺流再生和逆流再生3 吸附平衡理论 一一定定条条件件下下，流流体体
16、（气气体体或或液液体体）与与吸吸附附剂剂接接触触，流流体体中中的的吸吸附附质质被被吸吸附附剂剂吸吸附附，经经足足够够长长时时间间后后，吸吸附附质质在在两两相相中中的的含含量量不不再再改改变变，即即吸吸附附质质在在流流体体和和吸吸附附剂剂上上的的分分配配达达到到一一种种动动态态平平衡衡，称称为为吸附平衡吸附平衡。相相同同条条件件下下，流流体体中中吸吸附附质质的的浓浓度度高高于于平平衡衡浓浓度度时时，吸吸附附质质将将被被吸吸附附；反反之之，流流体体中中吸吸附附质质浓浓度度低低于于平平衡衡浓浓度度时时，吸吸附附剂剂上上已已吸吸附附的的吸吸附附质质将将解解吸吸进进入入流流体体相相，直直到到达达到到新新
17、的的吸吸附附平平衡衡。可可见见，吸吸附附平平衡衡关关系系决决定定着着吸吸附附过过程程的的方方向向和和极限极限，是吸附过程的基本依据是吸附过程的基本依据。吸附平衡的常用表示方法有两种：吸附平衡的常用表示方法有两种：（1 1）吸附质在流体中的）吸附质在流体中的浓度浓度（液体）（液体）或或分压分压（气体）；（气体）；（2 2）吸附剂上吸附的吸附质的量，）吸附剂上吸附的吸附质的量，克克（或或摩摩尔尔）吸吸附附质质克克（或或表表面积）吸附剂。面积）吸附剂。1.兰缪尔（Langnuir）公式1）二个假设：v吸附活性中心间各自独立v每一个吸附活性中心只吸附一个分子2）推导：吸附速度=K1（m m)C,解吸速
18、度=K2 m 当达到平衡时，K1（m m)C=K2m m b C K1 m=其中b=1+b C K2 m b C m=1+b Cv当溶液浓度很稀时，1+bC1，m=m bCv当溶液浓度很高时，1+bC bC，m=m v当溶液浓度适中时，m=K C 1/n 其中n 1 此为弗罗德利希（Freundlich）公式 目目前前尚尚没没有有成成熟熟的的理理论论来来估估计计流流体体固固体体之之间间的的吸吸附附平平衡衡关关系系。因因此此，需需要要对对特特定定的的物物系系实实验验测测定定一一定定温温度度下下的的吸吸附附平平衡衡数数据据，并并绘绘制制成成吸吸附附剂剂上上吸吸附附质质的的吸吸附附量量与与流流体体中
19、中吸吸附附质质浓浓度度或或分分压压的的关关系系曲线，这种曲线称为曲线，这种曲线称为吸附等温线吸附等温线。另外，。另外，在在等等压压情情况况下下，表表示示吸吸附附量量和和温温度度的的关关系系曲曲线线称称为为吸附等压线；吸附等压线；在在等等吸吸附附容容量量情情况况下下，表表示示温温度度和和压压力力的的关关系系曲曲线线称称为为吸吸附附等等容容线线。这这里里只只介介绍绍应应用用最最广广的的吸吸附附等等温温线。线。Langmuir 吸附等温线(I型)假设假设 表面处处均一表面处处均一 (所有吸附位点在能量上完全相同所有吸附位点在能量上完全相同)单分子层吸附单分子层吸附(没有多层吸附没有多层吸附)被吸附到
20、吸附剂上的分子之间没有相互作用被吸附到吸附剂上的分子之间没有相互作用Inadp/p0pQ Q4 吸附动力学与传质(1)(1)吸附机理吸附机理 吸附质在吸附剂多孔表面上被吸附的过程分为下吸附质在吸附剂多孔表面上被吸附的过程分为下列四步：列四步：1)1)吸附质从流体主体通过分子与对流扩散穿过薄膜吸附质从流体主体通过分子与对流扩散穿过薄膜或边界层传递到吸附剂的外表面，称之为或边界层传递到吸附剂的外表面，称之为外扩散外扩散过过程。程。2)2)吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的内表面，称为结构的内表面，称为内扩散内扩散过程。过程。3)3)吸附质沿孔
21、表面的吸附质沿孔表面的表面扩散表面扩散。4)4)吸附质被吸附质被吸附吸附在孔表面上。在孔表面上。外扩散传质过程 吸附质从流体主体对流扩散到吸附剂颗粒外表面吸附质从流体主体对流扩散到吸附剂颗粒外表面的传质速率方程为：的传质速率方程为：相应的传热方程为：相应的传热方程为：详细推导过程见教材详细推导过程见教材内扩散传质过程 吸附质在微孔中的扩散有两种形式吸附质在微孔中的扩散有两种形式-沿沿孔截面孔截面的扩的扩散和沿散和沿孔表面孔表面的表面扩散。前者根据孔径和吸附分的表面扩散。前者根据孔径和吸附分子平均自由程之间大小的关系又有三种情况：分子子平均自由程之间大小的关系又有三种情况：分子扩散、纽特逊扩散和
22、介于这两种情况之间的扩散。扩散、纽特逊扩散和介于这两种情况之间的扩散。当微孔表面吸附有吸附质时，沿孔口向里的表面上当微孔表面吸附有吸附质时，沿孔口向里的表面上存在着吸附质的浓度梯度，吸附质可以沿孔表面向存在着吸附质的浓度梯度，吸附质可以沿孔表面向颗粒内部扩散，称为表面扩散。颗粒内部扩散，称为表面扩散。在吸附剂颗粒的微孔中进行传质的数学模型很在吸附剂颗粒的微孔中进行传质的数学模型很类似于在多孔催化剂颗粒中的催化反应。类似于在多孔催化剂颗粒中的催化反应。(略略)5 吸附分离过程 根据待分离物系中各组分的性质和过程的分离要根据待分离物系中各组分的性质和过程的分离要求求(如纯度、回收率、能耗等如纯度、
23、回收率、能耗等)，在选择适当的吸附，在选择适当的吸附剂和解吸剂基础上，采用相应的工艺过程和设备。剂和解吸剂基础上，采用相应的工艺过程和设备。常用的吸附分离设备有：常用的吸附分离设备有：吸附搅拌釜吸附搅拌釜 固定床吸附器固定床吸附器 移动床移动床 流化床流化床 在在废水水处理中常用固定床吸理中常用固定床吸附装置。其构造与快附装置。其构造与快滤池大致相池大致相同。吸附同。吸附剂填充在装置内，吸附填充在装置内，吸附时固定不固定不动，水流穿，水流穿过吸附吸附剂层。根据水流方向可分根据水流方向可分为升流式和降升流式和降流式两种。流式两种。降流式固定床吸附出水水降流式固定床吸附出水水质好，好，但水但水头损
24、失失较大，特大，特别在在处理含理含悬浮浮物物较多的多的污水水时，需定期，需定期进行反冲洗，行反冲洗，有有时还需在吸附需在吸附剂层上部上部设表面冲洗表面冲洗设备。固定床吸附操作穿穿透透曲曲线：吸吸附附过程程中中吸吸附附塔塔出出口口溶溶质浓度的度的变化曲化曲线。穿穿透透点点：出出口口处溶溶质浓度度开开始始上上升升的的点点称称为穿透点。穿透点。穿穿透透时间：达达到到穿穿透透点所用的操作点所用的操作时间。n吸附吸附带(浓度波度波):):吸附柱吸附柱中液相中液相(或固相或固相)溶溶质浓度从度从c c0 0(或或q q0 0)到到0 0的分布的分布区域区域.n传质区区:吸附吸附带内溶内溶质浓度不断度不断变
25、化化,液固之液固之间尚尚未达到吸附平衡未达到吸附平衡,存在存在传质现象象,吸附吸附带所覆盖的所覆盖的区域区域.v恒定恒定图式式:吸附吸附带的的浓度波以一定的形状移度波以一定的形状移动,称此称此浓度分布度分布为恒定恒定图式式.恒定恒定图式吸附式吸附带只只有在有在优惠吸附惠吸附时才才发生生.v优惠吸附惠吸附:吸附等温吸附等温线上凸上凸,如如Langmuir Langmuir 或或FreundlichFreundlich型型)（1）固定床吸附器的优点是：结构简单，造价低，吸附剂磨损少。（2）固定床吸附器的缺点是：间歇操作，吸附和再生两过程必须周期性更换，这样不但需有备用设备，而且要较多的进、出口阀门
26、，操作十分麻烦，为大型化，自动化带来困难。即使实现操作自动化，控制的程序也是比较复杂的。其次，在吸附器内为了保证产品的质量，床层要有一定的富余，需要放置多于实际需要的吸附剂，使吸附剂耗用量增加。除此之外，再生时需加热升温，吸附时放出吸附热，不但热量不能利用，而且由于静止的吸附床层导热性差，对床层的热量输入和导出均不容易，因此容易出现床层局部过热现象而影响吸附。加热再生后还需冷却也延长了再生时间。固定床吸附器的特点是：非定态传质过程。流化床吸附操作固固定定床床：吸附颗粒确定以后，床层的膨胀与通过床层液体的表观流速U有关。当U不大时，颗粒之间仍保持静止并互相接触为固定床。流流化化床床：当流体通过床
27、层的速度逐渐提高到某值时，颗粒出现松动，颗粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。如果再进一步提高流体速度，床层将不能维持固定状态。此时，颗粒全部悬浮于流体中，显示出相当不规则的运动。随着流速的提高，颗粒的运动愈加剧烈，床层的膨胀也随之增大，但是颗粒仍逗留在床层内而不被流体带出。床层的这种状态和液体相似称为流化床。优优点点：A压力小，可处理高黏度或固体颗粒的粗料液；B 不需要特殊吸附剂，设备操作简单。膨胀床吸附操作固固定定床床优优点点：流体在介质层中基本上呈平推流，返混小，柱效率高。缺缺点点：无法处理含颗粒的料液，因会堵塞床层，造成压力降增大而最终使操作无法进行。流流化化床床缺缺点点：存在严重的返混，
28、特别是高径比很小的流化床，使床层理论塔板数降低，吸附剂的利用率低。1)1)、膨胀床、膨胀床综合固定床和流化床的优点，使吸附颗粒按自身的物理性质相对稳定地处在床层中的一定层次上实现稳定分级，而流体保持以平推流的形式流过床层，同时吸附颗粒间有较大的空隙，使料液中的固体颗粒能顺利通过床层(见图)。膨胀床吸附v流化床：床内吸附粒子呈流化状态v膨胀床：是液固相返混程度较低的液固流化床膨胀床是发展中的吸附分离技术在蛋白质类生物大分子的单步纯化分离过程有着诱人的开发潜力v兼有固定床和流化床的优点流化的固相介质基本可以悬浮在床内的固定位置流体流动状态以平推流的方式流经床层v集料液澄清，目标产物浓缩和分离纯化为
29、一体的生物集成分离技术特点v固相分级特性 膨胀床中固相介质按各自终端速率的不同沿膨胀床的轴向方向会出现一定的分布.终端速度大(或高密度)的大粒子,主要集中在床层的底部,终端速度小的小粒径粒子,主要集中在床层的顶部.这种规律性分级是固定床稳定的基础.膨胀床吸附介质v磁性粒子磁性粒子 具有一定的密度分布和粒径分布的吸附具有一定的密度分布和粒径分布的吸附剂固定床吸附介固定床吸附介质应满足足:1.1.吸附吸附剂的尺寸和密度的尺寸和密度应保保证其其终端速率与料端速率与料液中需除去的固形液中需除去的固形颗粒粒间有明有明显的差异的差异.2.2.应具有良好的孔道具有良好的孔道结构构,不易被料液中的脂不易被料液
30、中的脂类,核酸和蛋白核酸和蛋白质等生物物等生物物质污染染.3.3.应具有活性基具有活性基团,可以修可以修饰吸附目吸附目标产物的配物的配基基,并并对目目标产物具有物具有较高的吸附容量高的吸附容量.4.具有具有较高的化学高的化学稳定性和良好的机械定性和良好的机械强度度,保保证其可以承受苛刻的原位清洗其可以承受苛刻的原位清洗,使用寿命使用寿命长.5.5.具有良好的具有良好的传质性能性能,在在较高的流速下高的流速下,可以可以保持保持较高的吸附容量高的吸附容量.发展展趋势:高密度高密度,小粒径介小粒径介质膨胀床设备v流体分布器:保证床截面的流速分布均匀,减少沟流等不规则流动;保证料液中固形粒子自由通过,
31、并对吸附剂有截流作用;v高度调节器v膨胀床柱:第四第四节 吸附法的吸附法的应用用 在废水处理中，吸附法处理的主要对象是废水中用生化法难于降解的有机物或用一般氧化法难于氧化的溶解性有机物。包括木质素、氯或硝基取代的芳烃化合物、杂环化合物、洗涤剂、合成染料、除莠剂、DDT等。当用活性炭对这类废水进行处理时，它不但能够吸附这些难分解的有机物，降低COD，还能使废水脱色、脱臭，把废水处理到可重复利用的程度。所以 吸附法在废水的深度处理中得到了广泛的应用。在处理流程上，吸附法可与其他物理化学法联合，组成所谓物化流程,也可与生化法联合，如向曝气池投加粉状活性炭；利用粒状吸附剂作为微生物的生长载体或作为生物
32、流化床的介质；或在生物处理之后进行吸附深度处理等。吸附：溶质从液相或气相转移到固相的现象。吸附机制：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。多孔类吸附剂的表面是由“外表面”和“内表面”所组成，内表面积可比外表面积大几百倍。由于颗粒内微孔的存在，比表面很大，可达每克几百平方米，有较高的吸附势。化学吸取附是吸附剂表面活性位点与溶质之间发生化学键合、产生电子转移的现象。此过程释放大量的吸附热，一般需要采用破坏化学键的洗脱剂洗脱。吸附
33、剂和吸附物通过分子间力(范德华力)产生的吸附称为物理吸附。这是一种最常见的吸附现象，其特点是吸附不仅限于一些活性中心，而是整个自由界面。吸附剂表面如为极性分子所组成，则会吸引溶液中相反极性的物质或离子而形成双电层，这种吸附称为极性吸附。离子交换:在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，它同时要放出等当量的离子至溶液中。吸附等温线：当吸附剂与溶液中的溶质达到平衡时，其吸附量同溶液中溶质的平衡与温度有关。当温度一定时，吸附量只和浓度有关形成吸附等温线。生物分离中至少有四种等温吸附线:Henry type,Freundlich type,Langmuir type,Rectangle ty
34、pe。阳离子交换树脂包含强酸性和弱酸性阳离子交换剂。阴离子交换树脂包含强碱性和弱碱性阴离子交换剂。交换容量指单位质量的干燥离子交换剂或单位体积的湿离子交换剂所能吸附的一价离子的毫摩尔数，是表征交换剂离子交换能力的主要参数。交换容量的测定对于阳离子交换剂：用HCl将其处理成氢型，称重并测定其含水量；称数克交换剂，加入到过量已知浓度的NaOH溶液，发生交换反应。待反应达到平衡后(强酸性的需要静置24h，弱酸性的需静置数日)，测定剩余的NaOH摩尔数，就可求得阳离子交换剂的交换容量。对于阴离子交换剂：将阴离子交换剂转换成Cl型后，取一定量的Cl型交换剂，通入Na2SO4,用铬酸钾作指示剂，用硝酸银滴
35、定流出液的Cl-，根据Cl-量计算交换容量。蛋白质的交换容量比小分子化合物要小的多。吸附穿透时间:一般为出口浓度达到入口浓度的5%-10%的时间。固定床：吸附颗粒确定以后，床层的膨胀与通过床层液体的表观流速有关。当表观流速不大时，颗粒之间仍保持静止并互相接触为固定床。固定床优点：流体在介质层中基本上呈平推流，返混小，柱效率高。缺点：无法处理含颗粒的料液，因会堵塞床层，造成压力降增大而最终使操作无法进行。流化床：当流体通过床层的速度逐渐提高到某值时，颗粒出现松动，颗粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。如果再进一步提高流体速度，床层将不能维持固定状态。此时，颗粒全部悬浮于流体中，显示出相当不规则的运动。随着流速的提高，颗粒的运动愈加剧烈，床层的膨胀也随之增大，但是颗粒仍逗留在床层内而不被流体带出。床层的这种状态和液体相似称为流化床。流化床缺点：存在严重的返混，特别是高径比很小的流化床，使床层理论塔板数降低，吸附剂的利用率低。膨胀床：综合固定床和流化床的优点，使吸附颗粒按自身的物理性质相对稳定地处在床层中的一定层次上实现稳定分级，而流体保持以平推流的形式流过床层，同时吸附颗粒间有较大的空隙，使料液中的固体颗粒能顺利通过床层。吸附操作中固相可连续输入和排出吸附塔，与料液逆流接触流动，可实现连续稳态的吸附操作称为移动床，由吸附床和再生床构成。