吸附作用的應(yīng)用研究綜述

1、吸附作用的應(yīng)用研究綜述報告摘要：吸附應(yīng)用最早可以追溯到遠古時代，那時人類用木炭來防水吸潮。近現(xiàn)代隨著科技的高速發(fā)展，吸附技術(shù)廣泛應(yīng)用于包括化工、輕工、煉油、冶金和環(huán)保等眾多領(lǐng)域。根據(jù)吸附機理不同，可以分為化學(xué)吸附和物理吸附，而目前工業(yè)上常用的吸附劑主要有活性炭，活性氧化鋁，硅膠，分子篩等。本文介紹了吸附的一些基礎(chǔ)概念，并列舉了吸附作用在廢水凈化、有機物回收、環(huán)保、醫(yī)療等方面的研究進展，并且預(yù)測了吸附技術(shù)的以后發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：吸附;活性炭;活性氧化鋁;硅膠;分子篩ABSTRACT: The adsorption application can be traced back to ancient

2、 times, the early humans use charcoal to be absorb moisture. With the rapid development of science and technology in modern times, the adsorption technology is widely applied in many fields including chemical industry, light industry, oil refining, metallurgy and environmental protection, etc. Based

3、 on the different mechanisms of adsorption, it can be divided into two parts, chemical adsorption and physical adsorption. Besides, at present, common adsorbents in industry are activated carbon, activated alumina, silica gel, molecular sieve, etc. In this paper, it introduces some basic concepts ab

4、out adsorption, and lists the research progress of adsorption application on wastewater purification, organic compounds recycling, environmental protection, medical treatment, and forecasts the developing trends of adsorption technology in future.KEY WORDS: adsorption; activated carbon; activated al

5、umina; silica gel; molecular sieve1前言人類對吸附的認識和應(yīng)用可以追溯到遠古時代,馬王堆古墓出土文物中就發(fā)現(xiàn)有木炭用來防水吸潮。在近代工業(yè)中, 人們對吸附的知識還停留在直接開發(fā)使用,如空氣和工業(yè)廢氣的凈化,防毒面具里活性炭吸附有毒氣體,硬水軟化用到離子交換樹脂等,吸附技術(shù)一直以輔助的作用出現(xiàn)在化工單元操作中。近30年來,新型吸附劑的開發(fā)為吸附技術(shù)的進一步應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。首先,Milto發(fā)明了合成沸石分子篩,它對空氣中的氮具有優(yōu)先吸附的特征,因此被用于開發(fā)、分離空氣的工藝過程;接著,Skarstrom發(fā)明吸附循環(huán)分離技術(shù);然后,經(jīng)過一系列的改進和完善,變壓吸附技

6、術(shù)用于大規(guī)模氣體分離場合的成功開發(fā),在吸附領(lǐng)域取得突破性的進展,吸附循環(huán)分離技術(shù)的成功開發(fā),使吸附技術(shù)成為化學(xué)工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)中重要的分離過程,奠定了吸附技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的重要地位。12 吸附的概念固體物質(zhì)表面對氣體或液體分子的吸著現(xiàn)象稱為吸附，其中被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)，固體物質(zhì)稱為吸附劑。 吸附在廣義地講是指固體表面對氣體或液體的吸著現(xiàn)象。固體稱為吸附劑，被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。根據(jù)吸附質(zhì)與吸附劑表面分子間結(jié)合力的性質(zhì)，可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附由吸附質(zhì)與吸附劑分子間引力所引起，結(jié)合力較弱，吸附熱比較小，容易脫附，如活性炭對氣體的吸附?；瘜W(xué)吸附則由吸附質(zhì)與吸附劑間的化學(xué)鍵所引起,

7、猶如化學(xué)反應(yīng)，吸附常是不可逆的,吸附熱通常較大，如氣相催化加氫中鎳催化劑對氫的吸附。在化工生產(chǎn)中,吸附專指用固體吸附劑處理流體混合物,將其中所含的一種或幾種組分吸附在固體表面上，從而使混合物組分分離，是一種屬于傳質(zhì)分離過程的單元操作，所涉及的主要是物理吸附。3 吸附原理當(dāng)液體或氣體混合物與吸附劑長時間充分接觸后，系統(tǒng)達到平衡，吸附質(zhì)的平衡吸附量（單位質(zhì)量吸附劑在達到吸附平衡時所吸附的吸附質(zhì)量），首先取決于吸附劑的化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)，同時與系統(tǒng)的溫度和壓力以及該組分和其他組分的濃度或分壓有關(guān)。對于只含一種吸附質(zhì)的混合物，在一定溫度下吸附質(zhì)的平衡吸附量與其濃度或分壓間的函數(shù)關(guān)系的圖線，稱為吸附等溫

8、線。對于壓力不太高的氣體混合物，惰性組分對吸附等溫線基本無影響；而液體混合物的溶劑通常對吸附等溫線有影響。同一體系的吸附等溫線隨溫度而改變。溫度愈高，平衡吸附量愈小。當(dāng)混合物中含有幾種吸附質(zhì)時，各組分的平衡吸附量不同，被吸附的各組分濃度之比，一般不同于原混合物組成，即分離因子（見傳質(zhì)分離過程）不等于1。吸附劑的選擇性愈好,愈有利于吸附分離。分離只含一種吸附質(zhì)的混合物時，過程最為簡單。當(dāng)原料中吸附質(zhì)含量很低,而平衡吸附量又相當(dāng)大時,混合物與吸附劑一次接觸就可使吸附質(zhì)完全被吸附。吸附劑經(jīng)脫附再生后循環(huán)使用，并同時得到吸附質(zhì)產(chǎn)品。但是工業(yè)上經(jīng)常遇到的一些情況，是混合物料中含有幾種吸附質(zhì),或是吸附劑的

9、選擇性不高，平衡吸附量不大,若混合物與吸附劑僅進行一次接觸就不能滿足分離要求，或吸附劑用量太大時，須用多級的或微分接觸的傳質(zhì)設(shè)備。24 吸附分類據(jù)吸附質(zhì)和吸附劑之間吸附力的不同，吸附分為物理吸附與化學(xué)吸附兩大類。3 物理吸附或稱范德華吸附：它是吸附劑分子與吸附質(zhì)分子間吸引力作用的結(jié)果，因其分子間結(jié)合力較弱，故容易脫附，如固體和氣體之間的分子引力大于氣體內(nèi)部分子之間的引力，氣體就會凝結(jié)在固體表面上，吸附過程達到平衡時，吸附在吸附劑上的吸附質(zhì)的蒸汽壓應(yīng)等于其在氣相中的分壓。   化學(xué)吸附：是由吸附質(zhì)與吸附劑分子間化學(xué)健的作用所引起，其間結(jié)合力比物理吸附大得多，放出的熱量也大得多，與化學(xué)反

10、應(yīng)熱數(shù)量級相當(dāng)，過程往往不可逆?；瘜W(xué)吸附在催化反應(yīng)中起重要作用。5 吸附劑的種類目前工業(yè)上常用的吸附劑主要有活性炭，活性氧化鋁，硅膠，分子篩等。4- 6 5.1活性炭吸附原理:依靠自身獨特的孔隙結(jié)構(gòu) 活性炭是一種主要由含碳材料制成的外觀呈黑色，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積大、吸附能力強的一類微晶質(zhì)碳素材料?；钚蕴坎牧现杏写罅咳庋劭床灰姷奈⒖祝?克活性炭材料中微孔，將其展開后表面積可高達8001500m2，特殊用途的更高。 分子之間相互吸附的作用力 ： 雖然分子運動速度受溫度和材質(zhì)等原因的影響，但它在微環(huán)境下始終是不停運動的。由于分子之間擁有相互吸引的作用力

11、，當(dāng)一個分子被活性炭內(nèi)孔捕捉進入到活性炭內(nèi)孔隙中后，由于分子之間相互吸引的原因，會導(dǎo)致更多的分子不斷被吸引，直到添滿活性炭內(nèi)孔隙為止。 活性炭的應(yīng)用:常用于溶劑回收，溶液脫色、除臭、凈制等過程。是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的吸附劑。活性炭的制備：通常所有含碳的物料，如木材，果殼，褐煤等都可以加工成黑炭，經(jīng)活化制成活性炭。活化方法主要有兩種：即藥品活化和氣體活化。藥品活化是在原料中加入藥品，如ZnCl2、H3PO4等，在非活性氣體中加熱，進行干餾和活化。氣體活化是通入水蒸汽、CO2、空氣等在7001100下反應(yīng)，使之活化。炭中含水會降低其活性。一般活性炭的活化表面約6001700m2/g。5.2

12、硅膠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，是一種親水性極性吸附劑。因其是多孔結(jié)構(gòu)比表面積可達350m2g左右。工業(yè)上用的硅膠有球型、無定型、加工成型及粉末狀四種。主要用于氣體的干燥脫水，催化劑載體及烴類分離等過程。硅膠吸附劑是粉末狀多孔固體，其起到吸附作用的基團是硅醇基上的羥基(吸附中心)，這些羥基所處的形態(tài)不同，其吸附能力也不同。5.3 活性氧化鋁活性氧化鋁為無定形的多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)，一般由氧化鋁的水合物(以三水合物為主)加熱，脫水和活化制得，其活化溫度隨氧化鋁水合物種類不同而不同，一般為250500,孔徑約從20Å到50Å,典型的比表面積為200500m2/g

13、。活性氧化鋁具有良好的機械強度，可在移動床中使用。對水具有很強的吸附能力，故主要用于液體和氣體的干燥。5.4 分子篩分子篩是一種具有立方晶格的硅鋁酸鹽化合物。分子篩具有均勻的微孔結(jié)構(gòu)，它的孔穴直徑大小均勻，這些孔穴能把比其直徑小的分子吸附到孔腔的內(nèi)部，并對極性分子和不飽和分子具有優(yōu)先吸附能力，因而能把極性程度不同，飽和程度不同，分子大小不同及沸點不同的分子分離開來，即具有“篩分”分子的作用。分子篩(合成沸石)一般可用Mn/2·Al2O3·mSiO2·pH2O,式表示的含水硅酸鹽。其中M表示金屬離子，多數(shù)為鈉、鉀、鈣，也可以是有機胺或復(fù)合離子。n表示復(fù)合離子的價數(shù)，

14、y和w分別表示SiO2和H2O的分子數(shù)，y又稱為硅鋁比，硅鋁比為2左右的稱為A型分子篩，3左右的稱為X型分子篩，3以上稱為Y型分子篩。6 吸附作用的應(yīng)用6.1廢水凈化V.M.Mabel等7研究了多種金屬離子共存，以及在有機物存在時，墨西哥斜發(fā)沸石對工業(yè)廢水中金屬離子的吸附去除能力。實驗結(jié)果表明，斜發(fā)沸石能對Pb（pH在8.0左右）、Cd(Ph<10.0)進行有效吸附，去除率均能達到95%以上；當(dāng)有Cr()存在時，Pb和Cd的去除率大大降低，由于它們在與鉻酸根反應(yīng)形成了化合物，降低了與沸石發(fā)生離子交換的親和力。Duran 等8 采用60 Co2合成了不同單體 AM 共聚組成的聚丙烯酸2丙烯

15、酰胺水凝膠 ( PAAAM),并將其應(yīng)用于染料Janus藍 B (JGB)、Congo紅 (CR)的吸附分離 ,結(jié)果表明 :流體進入水凝膠的擴散過程服從非費克 ( non2Fick)擴散機理。對 JGB的吸附量較高 ,而對 CR不能吸附 ; PAAAM水凝膠能成功地用于包含某些紡織染料廢水的純化分離 。6.2 有機物回收Serbezov A等 9采用四步真空變壓吸附工藝分離回收丙烯/丙烷，將體積分數(shù)為48%的丙烯和52%的丙烷于常壓常溫下送入吸附柱 ,恒壓吸附 ,降壓吹掃 ,真空吹掃脫附。吸附時氣體負荷為96.6 L/(h·kg) ,吸附劑為13X沸石 ,可回收體積分數(shù)99%以上的丙

16、烯產(chǎn)品。日本Bell公司10采用變壓吸附分離凈化乙醇-水雙組分體系取得良好的效果,他們將水與乙醇分壓分別為44676 Pa和1679 Pa的雙組分與混合氣送入活性炭吸附床 ,在加壓/常溫條件下吸附 ,然后經(jīng)第一次減壓 ,脫附富水蒸氣 ;再經(jīng)第二次減壓 ,脫附用PSA方法從含有異丁烷的廢氣中分離回收高純度乙醇蒸氣 ,將第二次解吸氣體冷卻到 -20,就可回收到純度達 98%的乙醇產(chǎn)品。將這種方法與去除生物質(zhì)發(fā)酵酒精中的其他雜質(zhì)包括醋酸乙酯、異戊醇和正丙醇等的分離凈化方法結(jié)合起來應(yīng)用,可將發(fā)酵酒精凈化濃縮傳統(tǒng)工藝的能耗減少50% 。天津大學(xué)徐林剛等11以ZSM-5、MCM-41分子篩為載體，采用離子

17、交換法制備了一系列用于汽油脫硫的負載金屬離子的改性分子篩吸附劑。結(jié)果表明，不同吸附劑對噻吩的吸附效果不同，CuY的效果較為明顯，并得出適宜的吸附條件：常溫，常壓，劑油質(zhì)量比為0.15。6.3環(huán)保方面的應(yīng)用邢娜等12在常壓下研究了多種分子篩上NO和NO2的吸附和脫附情況。結(jié)果表明 ,有O2存在時,O2與NO生成的NO2可與NO共吸附在分子篩上 ,顯著促進了NO在分子篩特別是Na型分子篩上的吸附。在所研究的ZSM-5 ,13X ,SAPO , Y, 和 A 分子篩中 ,H分子篩在無氧條件下對NO的吸附能力最強; 13X分子篩在有氧條件下對NO的吸附能力最強 ,且對 NO的吸附性能具有很好的重復(fù)性

18、。Yong Z等13研究了用ASRT 5分子篩吸附除去太空艙中的CO2 ，實驗結(jié)果見表1，溫度升高到175時，吸附量只有25時的24。表1 不同溫度下CO2在ASRT 5A分子篩上的吸附量R.T.Yang等14采用Y型分子篩為載體，通過Cu交換，在室溫和常壓下可使汽油中硫質(zhì)量分數(shù)由5×10-4左右降低至2×10-7左右，脫硫后的汽油可以直接作為燃料電池的燃料。北京北大先鋒科技有限公司李騰蛟等15采用該公司的變壓吸附技術(shù)分離河南順達化工科技有限公司200kt/a醋酸裝置的高壓尾氣中的CO,設(shè)計流程圖如圖1。結(jié)果表明，采用變壓吸附技術(shù)不僅實現(xiàn)了CO的低成本回收，醋酸尾氣中CHO

19、H和CHI再利用，降低了醋酸的生產(chǎn)成本，而且有利于環(huán)境保護。 圖1 工藝流程框圖6.4 醫(yī)療方面應(yīng)用李國華等16利用大孔吸附樹脂對廣譜抗腫瘤抗生素鹽酸阿霉素進行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明HA-01、HA-02樹脂具有良好的吸附能力，可望作為體外血液消除阿霉素中毒的解毒吸附劑。7 總結(jié)現(xiàn)代吸附分離廣泛應(yīng)用于化工、輕工、煉油、冶金和環(huán)保等領(lǐng)域。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，分子篩等。吸附分離在廢水凈化、有機物回收、環(huán)保、醫(yī)療等方面應(yīng)用研究屢見于文獻中。最后，吸附技術(shù)同其他的先進技術(shù)相結(jié)合，從而達到高效分離的效果，將是以后研究的重點。參考文獻1 古共偉,陳健,魏璽群.吸附分離

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