第6章_吸附分離技術(shù)與理論

1、第第 六六 章章吸附分離技術(shù)和理論吸附分離技術(shù)和理論B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g生活中常見的吸附現(xiàn)象生活中常見的吸附現(xiàn)象 A A 冰箱除異味冰箱除異味B B 新裝修房子除異味新裝修房子除異味B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g定義：液相(氣相)固相應(yīng)用：吸附吸附劑劑吸附吸附質(zhì)質(zhì)脫附：吸附的逆過程脫附：吸附的逆過程B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gStep1Step2Step3Step4B I o s e p a

2、r a t I o n E n g I n e e r I n g常用于從稀溶液中將溶質(zhì)分常用于從稀溶液中將溶質(zhì)分離出來，由于受固體吸附劑離出來，由于受固體吸附劑的限制，處理能力較?。坏南拗?，處理能力較小；對(duì)溶質(zhì)的作用較小，這一點(diǎn)對(duì)溶質(zhì)的作用較小，這一點(diǎn)在蛋白質(zhì)分離中特別重要；在蛋白質(zhì)分離中特別重要；可直接從發(fā)酵液中分離所需可直接從發(fā)酵液中分離所需的產(chǎn)物，成為發(fā)酵與分離的的產(chǎn)物，成為發(fā)酵與分離的耦合過程，從而可消除某些耦合過程，從而可消除某些產(chǎn)物對(duì)微生物的抑制作用；產(chǎn)物對(duì)微生物的抑制作用；溶質(zhì)和吸附劑之間的相互作溶質(zhì)和吸附劑之間的相互作用及吸附平衡關(guān)系通常是非用及吸附平衡關(guān)系通常是非線性關(guān)系，

3、故設(shè)計(jì)比較復(fù)雜線性關(guān)系，故設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)的工作量較大。，實(shí)驗(yàn)的工作量較大。吸附法的特點(diǎn)吸附法的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：有機(jī)溶劑摻入少有機(jī)溶劑摻入少 操作簡便，安全，設(shè)備簡單操作簡便，安全，設(shè)備簡單 pHpH變化小，適于穩(wěn)定性差的物質(zhì)變化小，適于穩(wěn)定性差的物質(zhì)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：選擇性差選擇性差收率低收率低無機(jī)吸附劑性能不穩(wěn)定無機(jī)吸附劑性能不穩(wěn)定不能連續(xù)操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大不能連續(xù)操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大碳粉等吸附劑有粉塵污染碳粉等吸附劑有粉塵污染B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g吸附機(jī)理固體的表面性質(zhì)固體表面分子（或原子）所處的狀態(tài)與固體內(nèi)部分子（或原子）所處

4、的狀態(tài)不同界面固體表面分子(或原子)處于特殊的狀態(tài)。固體內(nèi)部分子所受的力是對(duì)稱的，故彼此處于平衡。但在界面分子的力場是不飽和的，即存在一種固體的表面力，它能從外界吸附分子、原子、或離子，并在吸附表面上形成多分子層或單分子層。B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g化學(xué)吸附化學(xué)吸附化學(xué)鍵力化學(xué)鍵力交換吸附交換吸附靜電引力靜電引力物理吸附物理吸附分子間力分子間力吸吸附附劑劑表表面面特征特征表面能降低，表面能降低，為放熱反應(yīng)；為放熱反應(yīng)；吸附無選擇性，吸附無選擇性，分子引力隨分分子引力隨分子量增大而增子量增大而增加；加；無化學(xué)反應(yīng)發(fā)無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生

5、。生。吸附類型與特性B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g 實(shí)際過程中物理和化學(xué)吸附是主要的，比較如下吸附性能吸附性能物理吸附物理吸附化學(xué)吸附化學(xué)吸附作用力作用力分子引力（范德華力）剩余化學(xué)鍵力選擇性選擇性沒有選擇性有選擇性吸附層吸附層單分子或多分子吸附層只能形成單分子吸附層吸附熱吸附熱較小， 41.9kj/mol較大，相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)熱，83.7-418.7kj/mol吸附速度吸附速度快，幾乎不要活化能較慢，需要活化能溫度溫度放熱過程，低溫有利于吸附溫度升高，吸附速度增加可逆性可逆性可逆，較易解析化學(xué)鍵大時(shí)，吸附不可逆B I o s e

6、p a r a t I o n E n g I n e e r I n g多孔型多孔型：活性炭、硅膠、活性炭、硅膠、硅藻土；大網(wǎng)格吸附硅藻土；大網(wǎng)格吸附劑：有機(jī)高分子材料，劑：有機(jī)高分子材料，如聚苯乙烯，聚酯。如聚苯乙烯，聚酯。凝膠型凝膠型：纖維素凝膠，纖維素凝膠，瓊脂糖凝膠，匍聚糖瓊脂糖凝膠，匍聚糖凝膠等。凝膠等。 B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g（1 1）較高的選擇性較高的選擇性以達(dá)到一定的分離要求；以達(dá)到一定的分離要求；（2 2）較大的吸附容量較大的吸附容量以減小用量；以減小用量；（3 3）較好的動(dòng)力學(xué)及傳遞性質(zhì)較好的動(dòng)力學(xué)及

7、傳遞性質(zhì)以實(shí)現(xiàn)快速吸附；以實(shí)現(xiàn)快速吸附；（4 4）較高的化學(xué)及熱穩(wěn)定性較高的化學(xué)及熱穩(wěn)定性，不溶或極難溶于待，不溶或極難溶于待處理流體以保證吸附劑的數(shù)量和性質(zhì)；處理流體以保證吸附劑的數(shù)量和性質(zhì)；（5 5）較高的硬度及機(jī)械強(qiáng)度較高的硬度及機(jī)械強(qiáng)度以減小磨損和侵蝕；以減小磨損和侵蝕；（6 6）較好的流動(dòng)性較好的流動(dòng)性以便于裝卸；以便于裝卸；（7 7）較高的抗污染能力較高的抗污染能力以延長使用壽命；以延長使用壽命；（8 8）較好的惰性較好的惰性以避免發(fā)生不期望的化學(xué)反應(yīng)；以避免發(fā)生不期望的化學(xué)反應(yīng)；（9 9）易再生易再生；（1010）價(jià)格便宜價(jià)格便宜。B I o s e p a r a t I o

8、n E n g I n e e r I n gn疏水或非極性吸附劑n活性炭是疏水性的物質(zhì)、它最適宜從極性溶媒，尤其是水溶液中吸附非極性物質(zhì)。吸附芳香族化合物的能力大于無環(huán)化合物。n由于活性炭作為吸附劑的選擇件差。故應(yīng)用抗生素的提取和精制時(shí)，單級(jí)吸附不能使抗生素純度提高很多，只是用于抗生素的初步提煉，除去溶液中的色素。B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g粒狀碳成品粉狀碳成品活化洗滌捏合成型炭化炭化 破碎、造粒原料干燥篩分制造過程示意圖制造過程示意圖活化：把碳渣造成發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu) 主要有兩種方法：（1）氣體法； （2）藥劑法。 一般來說，吸

9、附量主要受小孔支配，但對(duì)于分子量（或分子直徑）較大的吸附質(zhì)，小孔幾乎不起作用。 所以，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)吸附質(zhì)的直徑大小和活性炭的孔徑分布來選擇合適的活性炭。1）組成結(jié)構(gòu)：由木屑、獸骨、獸血或煤屑等原料高溫（800）碳化而成的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)活性炭B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g2）種類：粉末活性炭、顆?；钚蕴?、錦綸活性炭 吸附能力為粉末活性炭顆粒活性炭錦綸活性炭B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gB I o s e p a r a t I o n E n g I n e e

10、r I n g活性碳活性碳凈水凈水處處理理n活性碳活性碳應(yīng)用于工業(yè)廢水應(yīng)用于工業(yè)廢水，主要，主要為有機(jī)物為有機(jī)物、氯氣及微量不純物之去除，、氯氣及微量不純物之去除，其亦常其亦常與離子交換樹脂組合與離子交換樹脂組合以以制造超純水制造超純水。用。用于廢水處理于廢水處理，主要是去，主要是去除一般除一般難處理難處理之之有機(jī)有機(jī)化合物、鹵化物、酚化合物、鹵化物、酚類、類、水銀及水銀及一些一些無機(jī)金屬離無機(jī)金屬離子子，如：，如：SbSb, As, Bi, Cr, As, Bi, Cr及及SnSn等?；钚蕴嫉牡取；钚蕴嫉倪x擇選擇依依處理處理的水的水別別及目的及目的其也各不相同其也各不相同。（1 1） 飲用飲

11、用水水源之水水源之凈化凈化，包括水內(nèi)含色、臭、合成，包括水內(nèi)含色、臭、合成洗滌劑洗滌劑及及農(nóng)藥農(nóng)藥等之去除等之去除 （2 2） 工工業(yè)及業(yè)及產(chǎn)業(yè)產(chǎn)業(yè)用水之用水之處理處理 （3 3） 家庭家庭廢水廢水之之處理處理及再利用及再利用 （4 4） 工業(yè)工業(yè)及及產(chǎn)業(yè)廢水產(chǎn)業(yè)廢水之之處理處理及再利用及再利用 （5 5） 垃圾垃圾滲出滲出水水處理處理B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g再生：再生：指在吸附劑本身結(jié)構(gòu)不發(fā)生或極少發(fā)生變化的情況下，用某種方法將被吸附的物質(zhì)，從吸附劑的細(xì)孔中除去，以達(dá)到能夠重復(fù)使用的目的。 1 1）加熱再生法：）加熱再生法

12、：分為高溫再生和低溫再生；一般采用高溫再生。 2 2）脫水（活性炭與液體分離）干燥（100150度）炭化（300700 度）活化（用蒸汽）冷卻 3 3）藥劑再生法：）藥劑再生法：酸堿、有機(jī)溶劑 4 4）化學(xué)氧化法：）化學(xué)氧化法：濕式氧化、臭氧 5 5）生物再生法：）生物再生法：利用微生物作用活性碳的再生活性碳的再生B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gn親水或極性吸附劑 適用于非極性或極性較小的溶媒。如硅膠、氧化鋁，活性土皆屬此類。 另外，吸附劑可以是中性、酸性或堿性。碳化鈣、硫酸鎂等屬中性吸附劑。氧化鋁、氧化鎂等屬堿性吸附劑。酸性硅膠、

13、鋁硅酸屬酸性吸附劑。 堿性的吸附劑適宜于吸附酸性的物質(zhì)，而酸性的吸附劑適宜干吸附堿性的物質(zhì)。氧化鋁及某些活性土為兩性化合物，因?yàn)榻?jīng)酸或堿處理后很容易獲得另外的性質(zhì)。B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g n是氫氧化鋁膠體經(jīng)加熱脫水后制成的一種多是氫氧化鋁膠體經(jīng)加熱脫水后制成的一種多孔大表面吸附劑?？状蟊砻嫖絼?。n活性氧化鋁具有相當(dāng)大的比表面積（活性氧化鋁具有相當(dāng)大的比表面積（200200400m400m2 2/g/g），且機(jī)械強(qiáng)度高，物化穩(wěn)定性高，），且機(jī)械強(qiáng)度高，物化穩(wěn)定性高，耐高溫，抗腐蝕，但不宜在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿條件下耐高溫，抗腐蝕，但

14、不宜在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿條件下使用。使用。活性氧化鋁（活性氧化鋁（AlAl2 2O O3 3nHnH2 2O O）B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gn是用是用NaNa2 2SiOSiO3 3與無機(jī)酸反應(yīng)生成與無機(jī)酸反應(yīng)生成H H2 2SiOSiO3 3，其水合物在適，其水合物在適宜的條件下聚合、縮合而成為硅氧四面體的多聚物，宜的條件下聚合、縮合而成為硅氧四面體的多聚物，即硅溶膠，硅溶膠經(jīng)凝膠化、洗鹽和脫水成為硅膠。即硅溶膠，硅溶膠經(jīng)凝膠化、洗鹽和脫水成為硅膠。n硅膠的表面保留著大約硅膠的表面保留著大約5wt5wt的羥基，是硅膠的吸附的羥基，是

15、硅膠的吸附活性中心。在活性中心。在200200以上羥基會(huì)脫去，所以硅膠的活化以上羥基會(huì)脫去，所以硅膠的活化溫度應(yīng)低于溫度應(yīng)低于200200n硅膠常作為干燥劑用于氣體或液體的干燥脫水，也硅膠常作為干燥劑用于氣體或液體的干燥脫水，也可用于分離烷烴與烯烴、烷烴與芳烴，同時(shí)硅膠也是可用于分離烷烴與烯烴、烷烴與芳烴，同時(shí)硅膠也是常用的色譜柱填充材料。常用的色譜柱填充材料。硅膠（硅膠（SiOSiO2 2nHnH2 2O O）B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g 是由硅藻類植物死亡后的硅酸鹽遺骸形成的，基本是由硅藻類植物死亡后的硅酸鹽遺骸形成的，基本

16、質(zhì)是含水的無定形質(zhì)是含水的無定形SiOSiO2 2，并含有少量，并含有少量FeFe2 2O O3 3、MgOMgO、AlAl2 2O O3 3及有機(jī)雜質(zhì)，外觀一般呈淺黃色或淺灰色，優(yōu)質(zhì)的呈及有機(jī)雜質(zhì)，外觀一般呈淺黃色或淺灰色，優(yōu)質(zhì)的呈白色，質(zhì)軟，多孔而輕。硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)使它成為白色，質(zhì)軟，多孔而輕。硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)使它成為一種良好吸附劑，在食品、化工生產(chǎn)中常用來作助濾一種良好吸附劑，在食品、化工生產(chǎn)中常用來作助濾劑及脫色劑。劑及脫色劑。硅藻土硅藻土B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g吸附過程的影響因素1. 吸附劑的特性（組成結(jié)構(gòu)、容量

17、、穩(wěn)定性 ）2. 吸附物的性質(zhì)（熔點(diǎn)、締合、離解、氫鍵等）3. 溶劑（單、混合）4.吸附操作條件1）溫度2）pH值3）鹽的濃度B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g吸附劑的性能表征n比表面積：比表面積：單位質(zhì)量物體所具有的表面單位質(zhì)量物體所具有的表面積積(m(m2 2/g)/g) 測(cè)量方法：測(cè)量方法：BETBET法法 一般采用B.E.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮溫度下(-196C)，用吸附劑吸附氮?dú)猓谖絼┍砻嫘纬蓡畏肿游綄?，測(cè)定氮?dú)獾奈襟w積vm(cm3/g)，計(jì)算比表面積a(cm2/g):N-阿弗加

18、德羅常數(shù)， s-被吸附分子的橫截面積，在-196 氮?dú)夥肿拥膕 = 1.6210-15 cm2。B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gn平均孔徑、及其分布，孔隙率平均孔徑、及其分布，孔隙率 測(cè)量方法：測(cè)量方法：常用測(cè)定方法有常用測(cè)定方法有壓汞法壓汞法和和氮?dú)饨馕ǖ獨(dú)饨馕▔汗▔汗ㄎ絼┑目讖郊胺植伎刹捎盟y壓入法，利用汞孔度計(jì)測(cè)定。當(dāng)壓力升高時(shí)，水銀可進(jìn)入到細(xì)孔中，壓力p與孔徑d的關(guān)系為 -水銀的表面張力(0.48N/m2)， -水銀與細(xì)孔壁的接觸角(=140) 通過測(cè)定水銀體積與壓力之間的關(guān)系即可求出孔徑的分布情況。B I o s

19、 e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gType of PoresDead endClosedInter-connectedPassing通常將孔半徑大于通常將孔半徑大于0.1m0.1m的稱為大孔，的稱為大孔，2 21010-3-30.1m0.1m的稱為過渡孔，而的稱為過渡孔，而小于小于2 21010-3-3的稱的稱為微孔。大部分吸為微孔。大部分吸附表面積由微孔提附表面積由微孔提供。供。B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gA simple pore structure made of 1300 p

20、ores 700 nodes and simple cylindrical geometryB I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g吸附劑孔結(jié)構(gòu)吸附劑孔結(jié)構(gòu)B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g離子交換離子交換(ion exchange) n概念：利用概念：利用離子交換樹脂作為吸附劑離子交換樹脂作為吸附劑，將溶液中的待分離組分，依據(jù)其將溶液中的待分離組分，依據(jù)其電荷電荷差異差異，依靠，依靠庫侖力庫侖力吸附在樹脂上，然吸附在樹脂上，然后利用合適的洗脫劑將吸附質(zhì)從樹脂后利用合適的洗脫劑將吸

21、附質(zhì)從樹脂上洗脫下來，達(dá)到分離的目的。上洗脫下來，達(dá)到分離的目的。B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g離子交換樹脂的構(gòu)成離子交換樹脂的構(gòu)成n具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架n聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)聯(lián)接在骨架上的活性基團(tuán)n活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子（可活性基團(tuán)所帶的相反電荷的活性離子（可交換離子）交換離子）B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gB I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gB I o s

22、 e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gB I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g吸附劑與離子交換劑吸附劑與離子交換劑- -常用的離子交換劑常用的離子交換劑n生物小分子的回收生物小分子的回收 種類：苯乙烯種類：苯乙烯-二乙烯基苯型，丙烯酸二乙烯基苯型，丙烯酸-二乙烯苯型，二乙烯苯型，多乙烯多胺多乙烯多胺-環(huán)氧氯丙烷型樹脂環(huán)氧氯丙烷型樹脂 特點(diǎn)：疏水性高、交聯(lián)度大、孔隙率小及電荷密度高特點(diǎn)：疏水性高、交聯(lián)度大、孔隙率小及電荷密度高n生物大分子的回收生物大分子的回收種類：葡聚糖凝膠，瓊脂糖凝膠，醋酸纖維素凝

23、膠：種類：葡聚糖凝膠，瓊脂糖凝膠，醋酸纖維素凝膠：特點(diǎn)：特點(diǎn)：親水性好、非特異性吸附小親水性好、非特異性吸附小 B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g吸附劑與離子交換劑吸附劑與離子交換劑- -離子交換劑之交換容量離子交換劑之交換容量n定義定義 交換容量是單位質(zhì)量的干燥離子交換劑或單位體交換容量是單位質(zhì)量的干燥離子交換劑或單位體積的濕離子交換劑所能吸附的一價(jià)離子的毫摩爾數(shù)。積的濕離子交換劑所能吸附的一價(jià)離子的毫摩爾數(shù)。 吸附容量是表征離子交換能力的主要參數(shù)吸附容量是表征離子交換能力的主要參數(shù) n交換容量的測(cè)定交換容量的測(cè)定 陽離子交換劑陽離

24、子交換劑 轉(zhuǎn)化為氫型轉(zhuǎn)化為氫型 陰離子交換劑陰離子交換劑 轉(zhuǎn)化為氯型轉(zhuǎn)化為氯型 B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gB I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gB I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gB I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gB I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gB I o s e p a r a t I o n

25、 E n g I n e e r I n gB I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gB I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g3 吸附平衡理論 一定條件下，流體（氣體或液體）與吸附劑接觸，一定條件下，流體（氣體或液體）與吸附劑接觸，流體中的吸附質(zhì)被吸附劑吸附，經(jīng)足夠長時(shí)間后，吸附流體中的吸附質(zhì)被吸附劑吸附，經(jīng)足夠長時(shí)間后，吸附質(zhì)在兩相中的含量不再改變，即吸附質(zhì)在流體和吸附劑質(zhì)在兩相中的含量不再改變，即吸附質(zhì)在流體和吸附劑上的分配達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡，稱為上的分配達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡，稱為吸附平衡吸

26、附平衡。 相同條件下，流體中吸附質(zhì)的濃度高于平衡濃度時(shí)相同條件下，流體中吸附質(zhì)的濃度高于平衡濃度時(shí)，吸附質(zhì)將被吸附；反之，流體中吸附質(zhì)濃度低于平衡，吸附質(zhì)將被吸附；反之，流體中吸附質(zhì)濃度低于平衡濃度時(shí)，吸附劑上已吸附的吸附質(zhì)將解吸進(jìn)入流體相，濃度時(shí)，吸附劑上已吸附的吸附質(zhì)將解吸進(jìn)入流體相，直到達(dá)到新的吸附平衡?？梢?，直到達(dá)到新的吸附平衡?？梢?，吸附平衡關(guān)系決定著吸吸附平衡關(guān)系決定著吸附過程的方向和極限附過程的方向和極限，是吸附過程的基本依據(jù)。，是吸附過程的基本依據(jù)。B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g 吸附平衡n當(dāng)吸附速度脫附速度時(shí)，吸

27、附平衡，此時(shí)吸附量達(dá)到極限值n極限吸附量受氣體壓力和溫度的影響n吸附等溫線 NH3在活性炭上的吸附等溫線在活性炭上的吸附等溫線B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g 吸附平衡的常用表示方法有兩種：吸附平衡的常用表示方法有兩種：（1 1）吸附質(zhì)在流體中的濃度（液體）吸附質(zhì)在流體中的濃度（液體） 或分壓（氣體）；或分壓（氣體）；（2 2）吸附劑上吸附的吸附質(zhì)的量，）吸附劑上吸附的吸附質(zhì)的量， 克（或摩爾）吸附質(zhì)克（或表克（或摩爾）吸附質(zhì)克（或表面積）吸附劑。面積）吸附劑。B I o s e p a r a t I o n E n g I n

28、e e r I n g 目前尚沒有成熟的理論來估計(jì)流體固體之間的吸附平衡關(guān)系。因此，需要對(duì)特定的物系實(shí)驗(yàn)測(cè)定一定溫度下的吸附平衡數(shù)據(jù)，并繪制成吸附劑上吸附質(zhì)的吸附量與流體中吸附質(zhì)濃度或分壓的關(guān)系曲線，這種曲線稱為吸附等溫線。另外，在等壓情況下，表示吸附量和溫度的關(guān)系曲線稱為吸附等壓線；在等吸附容量情況下，表示溫度和壓力的關(guān)系曲線稱為吸附等容線。B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g 吸附等溫線B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g4 吸附動(dòng)力學(xué)與傳質(zhì)吸附機(jī)理吸附機(jī)理 吸附質(zhì)在吸附劑多

29、孔表面上被吸附的過程分為下吸附質(zhì)在吸附劑多孔表面上被吸附的過程分為下列四步：列四步： 1)1)吸附質(zhì)從流體主體通過分子與對(duì)流擴(kuò)散穿過薄吸附質(zhì)從流體主體通過分子與對(duì)流擴(kuò)散穿過薄膜或邊界層傳遞到吸附劑的外表面，稱之為膜或邊界層傳遞到吸附劑的外表面，稱之為外擴(kuò)散外擴(kuò)散過程。過程。 2)2)吸附質(zhì)通過孔擴(kuò)散從吸附劑的外表面?zhèn)鬟f到微吸附質(zhì)通過孔擴(kuò)散從吸附劑的外表面?zhèn)鬟f到微孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面，稱為孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面，稱為內(nèi)擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散過程。過程。 3)3)吸附質(zhì)沿孔表面的吸附質(zhì)沿孔表面的表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散。 4)4)吸附質(zhì)被吸附質(zhì)被吸附吸附在孔表面上。在孔表面上。B I o s e p a r a t I o n E

30、 n g I n e e r I n g吸附機(jī)理B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g5 吸附分離過程 根據(jù)待分離物系中各組分的性質(zhì)和過程的分離要求根據(jù)待分離物系中各組分的性質(zhì)和過程的分離要求( (如純度、回收率、能耗等如純度、回收率、能耗等) )，在選擇適當(dāng)?shù)奈絼┖徒?，在選擇適當(dāng)?shù)奈絼┖徒馕鼊┗A(chǔ)上，采用相應(yīng)的工藝過程和設(shè)備進(jìn)行分離。吸劑基礎(chǔ)上，采用相應(yīng)的工藝過程和設(shè)備進(jìn)行分離。常用的吸附分離設(shè)備有：常用的吸附分離設(shè)備有： 固定床吸附器固定床吸附器 膨脹床膨脹床 移動(dòng)床移動(dòng)床 B I o s e p a r a t I o n E

31、n g I n e e r I n g固定床吸附操作固定床吸附操作 -學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)n識(shí)記：穿透曲線、穿透點(diǎn)和穿透時(shí)間等概念識(shí)記：穿透曲線、穿透點(diǎn)和穿透時(shí)間等概念 n理解：固定床吸附過程理論基礎(chǔ)理解：固定床吸附過程理論基礎(chǔ) n應(yīng)用：掌握固定床操作過程以及多床串聯(lián)吸應(yīng)用：掌握固定床操作過程以及多床串聯(lián)吸附操作的優(yōu)缺點(diǎn)附操作的優(yōu)缺點(diǎn) B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g固定床吸附操作固定床吸附操作 -吸附操作模式吸附操作模式 n間歇攪拌槽間歇攪拌槽 一級(jí)吸附平衡，效率低，用于吸附動(dòng)一級(jí)吸附平衡，效率低，用于吸附動(dòng)力學(xué)和機(jī)理研究力學(xué)和機(jī)理研

32、究 n固定床吸附塔固定床吸附塔 多級(jí)吸附平衡，分離效率高多級(jí)吸附平衡，分離效率高 B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g固定床吸附n固定床吸附是吸固定床吸附是吸附分離操作中常附分離操作中常采用的設(shè)備采用的設(shè)備. .n固定床吸附設(shè)備固定床吸附設(shè)備B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g 在廢水處理中常用固定在廢水處理中常用固定床吸附裝置。其構(gòu)造與快濾床吸附裝置。其構(gòu)造與快濾池大致相同。吸附劑填充在池大致相同。吸附劑填充在裝置內(nèi)，吸附時(shí)固定不動(dòng)，裝置內(nèi)，吸附時(shí)固定不動(dòng)，水流穿過吸附劑層。根

33、據(jù)水水流穿過吸附劑層。根據(jù)水流方向可分為升流式和降流流方向可分為升流式和降流式兩種。式兩種。 B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g固定床吸附操作穿透曲線：吸附過程穿透曲線：吸附過程中吸附塔出口溶質(zhì)中吸附塔出口溶質(zhì)濃度的變化曲線。濃度的變化曲線。穿透點(diǎn)：出口處溶質(zhì)穿透點(diǎn)：出口處溶質(zhì)濃度開始上升的點(diǎn)濃度開始上升的點(diǎn)稱為穿透點(diǎn)。稱為穿透點(diǎn)。穿透時(shí)間：達(dá)到穿透穿透時(shí)間：達(dá)到穿透點(diǎn)所用的操作時(shí)間點(diǎn)所用的操作時(shí)間。B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g固定床吸附過程固定床吸附器 右圖是典型的兩

34、個(gè)吸附器輪流操作的流程圖。它是一個(gè)原料氣的干燥過程，當(dāng)干燥器A在操作時(shí)，原料氣由下方通入(通干燥器B的閥關(guān)閉)，經(jīng)干燥后的原料氣從頂部出口排出。與此同時(shí)，干燥器B處于再生階段。再生用氣體經(jīng)加熱器加熱至要求的溫度。從頂部進(jìn)入干燥器B(通干燥器A的閥關(guān)閉)，再生氣攜帶從吸附劑上脫附的水分從干燥器底部排出，經(jīng)冷卻器使再生氣降溫，水氣結(jié)成水分離出去，再生氣可循環(huán)使用。 固定床吸附器流程示意圖B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g（1）固定床吸附器的優(yōu)點(diǎn)是： 結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，吸附劑磨損少。（2）固定床吸附器的缺點(diǎn)是： 間歇操作，吸附和再生兩過程必

35、須周期性更換，這樣不但需有備用設(shè)備，而且要較多的進(jìn)、出口閥門，操作十分麻煩，為大型化，自動(dòng)化帶來困難。即使實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化，控制的程序也是比較復(fù)雜的。 再生時(shí)需加熱升溫，吸附時(shí)放出吸附熱，不但熱量不能利用，而且由于靜止的吸附床層導(dǎo)熱性差，對(duì)床層的熱量輸入和導(dǎo)出均不容易，因此容易出現(xiàn)床層局部過熱現(xiàn)象而影響吸附。B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gn多柱串聯(lián)吸附操作B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g固定床吸附操作固定床吸附操作 -吸附帶概念吸附帶概念 在吸附過程中，當(dāng)吸附塔內(nèi)某處溶質(zhì)

36、達(dá)到吸在吸附過程中，當(dāng)吸附塔內(nèi)某處溶質(zhì)達(dá)到吸附飽和后，該位置處固液兩相的濃度均不再附飽和后，該位置處固液兩相的濃度均不再改變。而在其下游區(qū)域仍然存在著溶質(zhì)濃度改變。而在其下游區(qū)域仍然存在著溶質(zhì)濃度從從c0到到0的變化區(qū)域。一般將吸附塔中液相的變化區(qū)域。一般將吸附塔中液相（或固相）溶質(zhì)濃度從（或固相）溶質(zhì)濃度從c0（或（或q0）到）到0的分布的分布區(qū)域稱為濃度波或吸收帶區(qū)域稱為濃度波或吸收帶 B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g固定床吸附操作固定床吸附操作 -恒定圖式概念恒定圖式概念p225 恒定圖式吸附帶是指吸附帶的濃度分布（濃恒定圖式

37、吸附帶是指吸附帶的濃度分布（濃度波）以一定的形狀移動(dòng)，則稱為此濃度分度波）以一定的形狀移動(dòng)，則稱為此濃度分布為恒定圖式分布布為恒定圖式分布 恒定圖式一般發(fā)生在優(yōu)惠吸附中恒定圖式一般發(fā)生在優(yōu)惠吸附中 B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g固定床吸附過程理論基礎(chǔ)固定床吸附過程理論基礎(chǔ) -軸向擴(kuò)散模型假設(shè)軸向擴(kuò)散模型假設(shè)(p214)n在與流體流動(dòng)方向垂直的每一截面上，具有在與流體流動(dòng)方向垂直的每一截面上，具有均勻的徑向分布均勻的徑向分布 n在每一截面及流體流動(dòng)方向上，流體速率和在每一截面及流體流動(dòng)方向上，流體速率和軸向擴(kuò)散系數(shù)均為恒定值軸向擴(kuò)散

38、系數(shù)均為恒定值 n溶質(zhì)濃度為流動(dòng)距離的連續(xù)函數(shù)溶質(zhì)濃度為流動(dòng)距離的連續(xù)函數(shù) B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g膨脹床吸附操作膨脹床吸附操作-學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn) n識(shí)記：膨脹床的優(yōu)缺點(diǎn)識(shí)記：膨脹床的優(yōu)缺點(diǎn) n理解：膨脹床的形成理解：膨脹床的形成 n應(yīng)用：了解應(yīng)用：了解膨脹床的吸附操膨脹床的吸附操作和實(shí)際應(yīng)用作和實(shí)際應(yīng)用 B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n g膨脹床吸附n流化床：床內(nèi)吸附粒子呈流化狀態(tài)n膨脹床：是液固相返混程度較低的液固流化床膨脹床是發(fā)展中的吸附分離技術(shù)在蛋白質(zhì)類生物大分子的單步純化分離過程有著誘人的開發(fā)潛力B I o s e p a r a t I o n E n g I n e e r I n gn流化的固相介質(zhì)基本可以懸浮在床內(nèi)的固定位置流體流動(dòng)狀態(tài)以平推流的方式流經(jīng)床層n集料液澄清，目標(biāo)產(chǎn)物濃縮和分離純化為一體的生物集成分離技術(shù)特點(diǎn)n固相分級(jí)特性終端速度大(或高密度)的大粒子,主要集中在床層的底部；終端速度小的小粒徑粒子,主要集中在床層的頂部.這種規(guī)律