吸附分離技術(shù)與理論

吸附分離技術(shù)與理論第一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附現(xiàn)象

A rain–damp(吸濕)

B 冰箱除異味C 變色硅膠第二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二內(nèi)容提要：1.吸附的一般過程。2.吸附的類型及主要特點。3.吸附平衡理論概述。4.吸附過程及工藝計算。5.親和吸附劑的選擇原則。6.離子交換樹脂的分類及作用機理。第三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二1基本概念定義：吸附是利用吸附劑對液體或氣體中某一組分具有選擇性吸附的能力，使其富集在吸附劑表面，再用適當?shù)南疵搫⑵浣馕_到分離純化的過程。液相(氣相)→固相——吸附劑、吸附物應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于原料脫色、脫臭，目標產(chǎn)物提取、濃縮和粗分離吸附劑吸附質(zhì)脫附：吸附的逆過程第四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附過程通常包括：待分離料液與吸附劑混合、吸附質(zhì)被吸附到吸附劑表面、料液流出、吸附質(zhì)解吸回收等四個過程。料液與吸附劑混合吸附質(zhì)被吸附料液流出吸附質(zhì)解吸附Step1Step2Step3Step4第五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二常用于從稀溶液中將溶質(zhì)分離出來，由于受固體吸附劑的限制，處理能力較小；對溶質(zhì)的作用較小，這一點在蛋白質(zhì)分離中特別重要；可直接從發(fā)酵液中分離所需的產(chǎn)物，成為發(fā)酵與分離的耦合過程，從而可消除某些產(chǎn)物對微生物的抑制作用；溶質(zhì)和吸附劑之間的相互作用及吸附平衡關(guān)系通常是非線性關(guān)系，故設(shè)計比較復(fù)雜，實驗的工作量較大。吸附法的特點：優(yōu)點：有機溶劑摻入少操作簡便，安全，設(shè)備簡單pH變化小，適于穩(wěn)定性差的物質(zhì)缺點：選擇性差收率低無機吸附劑性能不穩(wěn)定不能連續(xù)操作，勞動強度大碳粉等吸附劑有粉塵污染第六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附機理固體的表面性質(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。第七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附類型與特性物理吸附化學吸附交換吸附極性吸附離子交換吸附第八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二

實際過程中物理和化學吸附是主要的，比較如下吸附性能物理吸附化學吸附作用力分子引力（范德華力）剩余化學鍵力選擇性沒有選擇性有選擇性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較小，?41.9kj/mol較大，相當于化學反應(yīng)熱，83.7-418.7kj/mol吸附速度快，幾乎不要活化能較慢，需要活化能溫度放熱過程，低溫有利于吸附溫度升高，吸附速度增加可逆性可逆，較易解析化學鍵大時，吸附不可逆第九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二多孔型：活性炭、硅膠、硅藻土；大網(wǎng)格吸附劑：有機高分子材料，如聚苯乙烯，聚酯。凝膠型：纖維素凝膠，瓊脂糖凝膠，匍聚糖凝膠等。

2吸附分離介質(zhì)第十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附劑通常應(yīng)具備以下特征：（1）較高的選擇性以達到一定的分離要求；（2）較大的吸附容量以減小用量；（3）較好的動力學及傳遞性質(zhì)以實現(xiàn)快速吸附；（4）較高的化學及熱穩(wěn)定性，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)；（5）較高的硬度及機械強度以減小磨損和侵蝕；（6）較好的流動性以便于裝卸；（7）較高的抗污染能力以延長使用壽命；（8）較好的惰性以避免發(fā)生不期望的化學反應(yīng)；（9）易再生；（10）價格便宜。第十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二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活化：把碳渣造成發(fā)達的多孔結(jié)構(gòu)主要有兩種方法：（1）氣體法；（2）藥劑法。一般來說，吸附量主要受小孔支配，但對于分子量（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)活性炭第十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二第十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二活性炭種類顆粒大小表面積吸附力吸附量洗脫粉末活性炭小大大大難顆?；钚蕴枯^小較大較小較小難錦綸活性炭大小小小易粉末活性炭錦綸活性炭2）種類：粉末活性炭、顆粒活性炭、錦綸活性炭吸附能力為粉末活性炭＞顆粒活性炭＞錦綸活性炭第十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二活性炭纖維是用炭素纖維活化而制得的一種纖維狀吸附劑，可做成毛氈狀、紙片狀、布料狀、蜂巢狀等?；钚岳w維的外表面積比顆粒活性炭大，吸附和解吸速度比顆粒狀活性炭大，且阻力小，容易使氣體或液體透過，近年來作為活性炭新品種正在推廣應(yīng)用。

球形炭化樹脂是采用球形大孔吸附樹脂為原料，經(jīng)炭化、高溫裂解及活化制成的吸附劑。與其他形狀活性炭相比，球形炭化樹脂不易掉屑而污染被處理物系，且可與被處理氣體或液體均勻接觸，氣體和液體通過球形吸附劑床層時的阻力小。通過控制聚合條件，改變原料配比等手段可得到不同孔結(jié)構(gòu)和不同性能的炭化樹脂。

炭分子篩（CMS）較活性炭具有更小的孔徑（2～10?）和更窄的孔徑分布，可用于分離更小的氣體分子，如從空氣中分離N2。第十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二活性炭對物質(zhì)的吸附規(guī)律非極性吸附劑，在極性介質(zhì)中，對非極性物質(zhì)具有較強的吸附，因此在水中吸附能力大于有機溶劑中的吸附能力。針對不同的物質(zhì)，活性炭的吸附遵循以下規(guī)律：（1）對極性基團多的化合物的吸附力大于極性基團少的化合物（2）對芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物（3）對相對分子量大的化合物的吸附力大于相對分子量小的化合物（4）pH值的影響堿性中性吸附酸性洗脫酸性中性吸附堿性洗脫（5）溫度未平衡前隨溫度升高而增加第十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二活性碳凈水處理活性碳應(yīng)用于工業(yè)廢水，主要為有機物、氯氣及微量不純物之去除，其亦常與離子交換樹脂組合以制造超純水。用于廢水處理，主要是去除一般難處理之有機化合物、鹵化物、酚類、水銀及一些無機金屬離子，如：Sb,As,Bi,Cr及Sn等?；钚蕴嫉倪x擇依處理的水別及目的其也各不相同。（1）飲用水水源之凈化，包括水內(nèi)含色、臭、合成洗滌劑及農(nóng)藥等之去除（2）工業(yè)及產(chǎn)業(yè)用水之處理

（3）家庭廢水之處理及再利用（4）工業(yè)及產(chǎn)業(yè)廢水之處理及再利用（5）垃圾滲出水處理第十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二再生：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)，從吸附劑的細孔中除去，以達到能夠重復(fù)使用的目的。

1）加熱再生法：分為高溫再生和低溫再生；一般采用高溫再生。

2）脫水（活性炭與液體分離）－干燥（100－150度）－炭化（300－700

度）－活化（用蒸汽）－冷卻

3）藥劑再生法：酸堿、有機溶劑

4）化學氧化法：濕式氧化、臭氧

5）生物再生法：利用微生物作用

活性碳的再生第十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二

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。通過控制氫氧化鋁晶粒尺寸和堆積配位數(shù)可以控制氧化鋁的孔容、孔徑和表面積。由鋁土礦加熱脫水可制成天然活性氧化鋁。氧化鋁按品型可分為α、γ、θ、δ、η、χ、κ、和ρ共8種。通常所說的“活性氧化鋁”是指γ-Al2O3或是γ、χ和η氧化鋁的混和物?；钚匝趸X具有相當大的比表面積（200～400m2/g），且機械強度高，物化穩(wěn)定性高，耐高溫，抗腐蝕，但不宜在強酸、強堿條件下使用?；钚匝趸X表面的活性中心是羥基和路易斯酸中心，極性強，對水有很強的親和作用。活性氧化鋁廣泛應(yīng)用于脫除氣體中的水，也常用作色譜柱填充材料。活性氧化鋁（Al2O3·nH2O）第十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二是用Na2SiO3與無機酸反應(yīng)生成H2SiO3，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，即硅溶膠，硅溶膠經(jīng)凝膠化、洗鹽和脫水成為硅膠。硅膠是SiO2微粒的堆積物，因此，通過控制膠團的尺寸和堆積配位數(shù)可以控制硅膠的孔容、孔徑和表面積。硅膠的表面保留著大約5wt％的羥基，是硅膠的吸附活性中心。在200℃以上羥基會脫去，所以硅膠的活化溫度應(yīng)低于200℃極性化合物如水、醇、醚、酮、酚、胺、吡啶等能與硅膠表面的羥基生成氫鍵，吸附力很強。對極性高的分子如芳香烴不飽和烴等的吸附能力次之。對飽和烴、環(huán)烷烴等只有色散力的作用，吸附力最弱。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，同時硅膠也是常用的色譜柱填充材料。硅膠（SiO2·nH2O）第二十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二是由硅藻類植物死亡后的硅酸鹽遺骸形成的，基本質(zhì)是含水的無定形SiO2，并含有少量Fe2O3、MgO、Al2O3及有機雜質(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。硅藻土第二十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二磷酸鈣凝膠1）組成結(jié)構(gòu)：Ca3（PO4）2

，多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)凝膠2）種類：磷酸鈣—Ca3（PO4）2

；磷酸氫鈣—CaHPO4.

2H2O；羥基磷酸鈣—Ca5（PO4）3.OH

3）吸附性質(zhì)：其中Ca2+與蛋白質(zhì)負電荷基團的靜電吸附作用第二十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二是結(jié)晶鋁硅酸金屬鹽的水合物，其化學通式為：Mx/m[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O。M代表陽離子，m表示其價態(tài)數(shù)，z表示水合數(shù)，x和y是整數(shù)。沸石分子篩活化后，水分子被除去，余下的原子形成籠形結(jié)構(gòu)，孔徑為3～10?。分子篩晶體中有許多一定大小的空穴，空穴之間有許多同直徑的孔（也稱“窗口”）相連。由于分子篩能將比其孔徑小的分子吸附到空穴內(nèi)部，而把比孔徑大的分子排斥在其空穴外，起到篩分分子的作用，故得名分子篩。沸石分子篩第二十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二（a）A型（b）X型兩種常用沸石分子篩的結(jié)構(gòu)第二十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二指的是一類高分子聚合物。常用的有聚苯乙烯樹脂和聚丙烯酸酯樹脂等。吸附樹脂品種很多，單體的變化和單體上官能團的變化可賦予樹脂以各種特殊的性能。吸附樹脂可分為非極性、中極性、極性及強極性四類。吸附樹脂可用于除去廢水中的有機物，糖液脫色，天然產(chǎn)物和生物化學制品的分離與精制等。吸附樹脂1)組成結(jié)構(gòu)：有機高分子聚合物的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)2)特點：選擇性好；解吸容易；機械強度好；流體阻力較?。粌r格高3）類型：非極性吸附劑——芳香族（苯乙烯等）中等極性吸附劑——脂肪族（甲基丙烯酸酯等）極性吸附劑——含硫氧、酰氨、氮氧等基團第二十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二

大孔吸附樹脂廣泛應(yīng)用于制藥及天然植物中活性成分如皂甙、黃酮、內(nèi)脂、生物堿等大分子化合物的提取分離。對人參皂甙、三七皂甙、絞股蘭皂甙、薯蕷皂甙、甜菊皂甙、甘草甜素、銀杏黃酮內(nèi)脂，山楂黃酮、黃芪皂甙、橙皮甙、淫羊藿黃酮、大豆異黃酮、茶多酚、洋地黃強心甙、麻黃精粉、柚甙、毛冬青黃酮甙、紅豆杉生物堿、多種天然色素、中藥復(fù)方藥物提取等以及生物化學制品的凈化、分離、回收都有良好的效果。并在抗生素、維生素、氨基酸、蛋白質(zhì)提純,生化制藥方面有很廣泛的應(yīng)用。第二十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附過程的影響因素1.吸附劑的特性（組成結(jié)構(gòu)、容量、穩(wěn)定性）2.吸附物的性質(zhì)（熔點、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）鹽的濃度第二十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附劑的性能表征化學成分材料結(jié)構(gòu)比表面積：單位質(zhì)量物體所具有的表面積(m2/g)

測量方法：BET法

一般采用B.E.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮溫度下(-196°C)，用吸附劑吸附氮氣，在吸附劑表面形成單分子吸附層，測定氮氣的吸附體積vm(cm3/g)，計算比表面積a(cm2/g):

N-阿弗加德羅常數(shù)，

s-被吸附分子的橫截面積，在-196℃

氮氣分子的s=1.6210-15cm2。第二十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二平均孔徑、及其分布，孔隙率測量方法：常用測定方法有壓汞法和氮氣解吸法壓汞法適用于測定大孔徑（>100?）吸附劑的孔徑分布；氮氣解吸法適用于孔徑為15～250?范圍內(nèi)的孔徑分布；孔徑<15?時，可用分子篩法測定壓汞法

吸附劑的孔徑及分布可采用水銀壓入法，利用汞孔度計測定。當壓力升高時，水銀可進入到細孔中，壓力p與孔徑d的關(guān)系為

-水銀的表面張力(0.48N/m2)，-水銀與細孔壁的接觸角(=140°)

通過測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。第二十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二孔徑分布常用孔徑與孔容之間的關(guān)系來表示幾種吸附劑的孔徑分布曲線第三十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二TypeofPoresDeadendClosedInter-connectedPassing通常將孔半徑大于0.1μm的稱為大孔，2×10-3～0.1μm的稱為過渡孔，而小于2×10-3的稱為微孔。大部分吸附表面積由微孔提供。第三十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二Asimpleporestructuremadeof1300pores700nodesandsimplecylindricalgeometry第三十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二Amorecomplexsimulationof11000pores,7500nodesandlargeinternalvoids

第三十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附劑孔結(jié)構(gòu)第三十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二離子交換離子交換的分類：按活性基團分類，可分為陽離子交換樹脂(cationexchange)（含酸性基團）和陰離子交換樹脂(anionexchange)（含堿性基團）。具體又可以分為：強陽、弱陽強陰、弱陰第三十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二離子交換的一般過程第三十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二常用的離子交換樹脂強酸性陽離子交換樹脂：活性基團是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性陽離子交換樹脂：活性基團有-COOH,

-OCH2COOH,C6H5OH等弱酸性基團；強堿性陰離子交換樹脂：活性基團為季銨基團，如三甲胺基或二甲基-?-羥基乙基胺基；弱堿性陰離子交換樹脂：活性基團為伯胺或仲胺，堿性較弱；第三十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二新型離子交換樹脂大孔離子交換樹脂大孔離子交換樹脂具有和大孔吸附劑相同的骨架結(jié)構(gòu)，在大孔吸附劑合成后（加入致孔劑），再引入化學功能基團，便可得到大孔離子交換樹脂第三十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二大孔離子交換樹脂的優(yōu)點通過在合成時加入惰性致孔劑，克服了普通凝膠樹脂由于溶脹現(xiàn)象，產(chǎn)生的“暫時孔”現(xiàn)象，從而強化了離子交換的功能；減少了凝膠樹脂在離子交換過程中的“有機污染”現(xiàn)象（大分子不易洗脫）；可以通過致孔劑選擇調(diào)整孔徑大小、樹脂的比表面積，以適應(yīng)不同的分離要求。常用的致孔劑有：良溶劑（能與單體互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶劑長鏈醇（碳4-10）煤油；高分子聚合物聚苯乙烯、聚丙烯酸酯第三十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二主要的多糖基離子交換樹脂離子交換纖維素

樹脂骨架為纖維素，根據(jù)活性基團的性質(zhì)可分為陽離子交換纖維素和陰離子交換纖維素兩類

特點：骨架松散、親水性強、表面積大、交換容量大、吸附力弱、交換和洗脫條件溫和、分辨率高常用的離子交換纖維素有：

甲基磺酸纖維素、羧甲基纖維素、二乙基氨基乙基纖維素

第四十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二葡聚糖凝膠離子交換樹脂骨架為葡聚糖凝膠，如sepharose、sephadex，根據(jù)功能基團的不同，亦可分為陽離子交換和陰離子交換樹脂命名方法：交換活性基團+骨架+原骨架編號特點：除了具有離子交換功能以外，兼有分子篩的功能，提高了分離的效率常用的葡聚糖凝膠離子交換樹脂：CM-sephadexC-25、DEAE-sephadexA-25等第四十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二DEAEanionexchanger第四十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二離子交換樹脂的理化性能外觀：球形、淺色為宜，粒度大小為16~60目>90%；機械強度：>90%；含水量：0.3~0.7g/g樹脂；交換容量：重量交換容量、體積交換容量、工作交換容量或稱表觀交換容量（在某一條件下）；穩(wěn)定性：化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性；膨脹度：交聯(lián)度、活性基團的性質(zhì)與數(shù)量、活性離子的性質(zhì)、介質(zhì)的性質(zhì)和濃度、骨架結(jié)構(gòu)；濕真密度：單位體積濕樹脂的重量；孔度、孔徑、比表面積第四十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二離子交換過程離子交換過程是可逆多相化學反應(yīng)式中A1，A2——液相中的離子

——吸附的離子

Z1，Z2——A1，A2的價數(shù)

——液相和樹脂相中的溶劑

ns——離子交換時，溶劑從樹脂移入液相的毫摩爾數(shù)第四十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二離子交換機理A+自溶液中擴散到樹脂表面A+從樹脂表面進入樹脂內(nèi)部的活性中心A+與RB在活性中心上發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)解吸附離子B+自樹脂內(nèi)部擴散至樹脂表面B+離子從樹脂表面擴散到溶液中交換速度的控制步驟是擴散速度，不同的分離體系可能由內(nèi)部擴散或外部擴散控制第四十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二樹脂預(yù)處理離子交換吸附洗脫離子交換操作方法靜態(tài)：操作簡單、但是分批操作，交換不完全動態(tài)：離子交換柱，操作連續(xù)、交換完全，適宜多組份分離 柱式固定床（Fixed－Bed） 模擬移動床（SMB）離子交換操作方式第四十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二樹脂預(yù)處理物理處理：水洗、過篩，去雜，以獲得粒度均勻的樹脂顆粒；化學處理：轉(zhuǎn)型（氫型或鈉型）陽離子樹脂酸—堿—酸陰離子樹脂堿—酸—堿最后以去離子水或緩沖液平衡第四十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二洗脫方式離子交換完成后，將樹脂吸附的物質(zhì)重新轉(zhuǎn)入溶液的方法洗脫方法（1）改變?nèi)芤簆H值（2）改變?nèi)芤弘x子強度第四十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二樹脂再生是指使離子交換樹脂重新具有交換能力的過程酸性陽離子樹脂酸-堿-酸-緩沖溶液淋洗堿性陰離子樹脂堿-酸-堿-緩沖溶液淋洗方式有：順流再生和逆流再生第四十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二硬水軟化第五十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二3吸附平衡理論

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)在流體和吸附劑上的分配達到一種動態(tài)平衡，稱為吸附平衡。

相同條件下，流體中吸附質(zhì)的濃度高于平衡濃度時，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，吸附劑上已吸附的吸附質(zhì)將解吸進入流體相，直到達到新的吸附平衡?？梢?，吸附平衡關(guān)系決定著吸附過程的方向和極限，是吸附過程的基本依據(jù)。第五十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附平衡的常用表示方法有兩種：（1）吸附質(zhì)在流體中的濃度（液體）或分壓（氣體）；（2）吸附劑上吸附的吸附質(zhì)的量，克（或摩爾）吸附質(zhì)／克（或表面積）吸附劑。第五十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二1.蘭繆爾（Langnuir）公式1）二個假設(shè)：吸附活性中心間各自獨立每一個吸附活性中心只吸附一個分子2）推導：

吸附速度=K1（m∞

－m)C,解吸速度=K2

m

當達到平衡時，K1（m∞

－m)C=K2m

m∞bCK1m=————其中b=—1+bCK2第五十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二

m∞bCm=————1+bC當溶液濃度很稀時，1+bC≈1，m=m∞bC當溶液濃度很高時，1+bC≈bC，m=m∞

當溶液濃度適中時，

m=KC1/n其中n＞1

此為弗羅德利希（Freundlich）公式第五十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二

目前尚沒有成熟的理論來估計流體－固體之間的吸附平衡關(guān)系。因此，需要對特定的物系實驗測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。這里只介紹應(yīng)用最廣的吸附等溫線。第五十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二純組分氣體吸附平衡Brunauer的五種類型的純氣體物理吸附等溫線第五十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二Langmuir吸附等溫線(I型)假設(shè)表面處處均一(所有吸附位點在能量上完全相同)單分子層吸附(沒有多層吸附)被吸附到吸附劑上的分子之間沒有相互作用Inadp/p0pQ第五十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二第五十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二4吸附動力學與傳質(zhì)(1)吸附機理

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：

1)吸附質(zhì)從流體主體通過分子與對流擴散穿過薄膜或邊界層傳遞到吸附劑的外表面，稱之為外擴散過程。

2)吸附質(zhì)通過孔擴散從吸附劑的外表面?zhèn)鬟f到微孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面，稱為內(nèi)擴散過程。

3)吸附質(zhì)沿孔表面的表面擴散。

4)吸附質(zhì)被吸附在孔表面上。第五十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附機理第六十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附解吸多孔吸附劑中流體的濃度分布和溫度分布第六十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二外擴散傳質(zhì)過程吸附質(zhì)從流體主體對流擴散到吸附劑顆粒外表面的傳質(zhì)速率方程為：相應(yīng)的傳熱方程為：詳細推導過程見教材第六十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二內(nèi)擴散傳質(zhì)過程吸附質(zhì)在微孔中的擴散有兩種形式-沿孔截面的擴散和沿孔表面的表面擴散。前者根據(jù)孔徑和吸附分子平均自由程之間大小的關(guān)系又有三種情況：分子擴散、紐特遜擴散和介于這兩種情況之間的擴散。當微孔表面吸附有吸附質(zhì)時，沿孔口向里的表面上存在著吸附質(zhì)的濃度梯度，吸附質(zhì)可以沿孔表面向顆粒內(nèi)部擴散，稱為表面擴散。在吸附劑顆粒的微孔中進行傳質(zhì)的數(shù)學模型很類似于在多孔催化劑顆粒中的催化反應(yīng)。(略)第六十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二5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(如純度、回收率、能耗等)，在選擇適當?shù)奈絼┖徒馕鼊┗A(chǔ)上，采用相應(yīng)的工藝過程和設(shè)備。常用的吸附分離設(shè)備有：

吸附攪拌釜固定床吸附器移動床流化床第六十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二固定床吸附固定床吸附是吸附分離操作中常采用的設(shè)備.固定床吸附設(shè)備第六十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二

在廢水處理中常用固定床吸附裝置。其構(gòu)造與快濾池大致相同。吸附劑填充在裝置內(nèi)，吸附時固定不動，水流穿過吸附劑層。根據(jù)水流方向可分為升流式和降流式兩種。

降流式固定床吸附出水水質(zhì)好，但水頭損失較大，特別在處理含懸浮物較多的污水時，需定期進行反沖洗，有時還需在吸附劑層上部設(shè)表面沖洗設(shè)備。第六十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二固定床吸附操作穿透曲線：吸附過程中吸附塔出口溶質(zhì)濃度的變化曲線。穿透點：出口處溶質(zhì)濃度開始上升的點稱為穿透點。穿透時間：達到穿透點所用的操作時間。第六十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附帶(濃度波):吸附柱中液相(或固相)溶質(zhì)濃度從c0(或q0)到0的分布區(qū)域.傳質(zhì)區(qū):吸附帶內(nèi)溶質(zhì)濃度不斷變化,液固之間尚未達到吸附平衡,存在傳質(zhì)現(xiàn)象,吸附帶所覆蓋的區(qū)域.第六十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二恒定圖式:吸附帶的濃度波以一定的形狀移動,稱此濃度分布為恒定圖式.恒定圖式吸附帶只有在優(yōu)惠吸附時才發(fā)生.優(yōu)惠吸附:吸附等溫線上凸,如Langmuir或Freundlich型)第六十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二第三節(jié)固定床吸附過程3—1固定床吸附器、吸附負荷線和透過曲線一、固定床吸附器右圖是典型的兩個吸附器輪流操作的流程圖。它是一個原料氣的干燥過程，當干燥器A在操作時，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，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第七十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二二、固定床吸附器的經(jīng)驗計算法1、吸附劑用量2、D、H三、吸附負荷曲線和透過曲線吸附負荷曲線與穿透曲線成鏡面相似，即從穿透曲線的形狀可以推知吸附負荷曲線。對吸附速度高而吸附傳質(zhì)區(qū)短的吸附過程，其吸附荷曲線與穿透曲線均陡些。第七十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二橫坐標：床層距進口操作時間端的距離縱坐標：床層吸附劑流出物中吸附的負荷質(zhì)的濃度吸附操作分析分析吸附劑分析流出物吸附負荷線透過曲線xzcdba(1)利用率(2)阻力=0，速率=無窮大，傳質(zhì)速率阻力利用率達到破點的時間第七十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二（1）固定床吸附器的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，造價低，吸附劑磨損少。（2）固定床吸附器的缺點是：

間歇操作，吸附和再生兩過程必須周期性更換，這樣不但需有備用設(shè)備，而且要較多的進、出口閥門，操作十分麻煩，為大型化，自動化帶來困難。即使實現(xiàn)操作自動化，控制的程序也是比較復(fù)雜的。其次，在吸附器內(nèi)為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，床層要有一定的富余，需要放置多于實際需要的吸附劑，使吸附劑耗用量增加。除此之外，再生時需加熱升溫，吸附時放出吸附熱，不但熱量不能利用，而且由于靜止的吸附床層導熱性差，對床層的熱量輸入和導出均不容易，因此容易出現(xiàn)床層局部過熱現(xiàn)象而影響吸附。加熱再生后還需冷卻也延長了再生時間。固定床吸附器的特點是：非定態(tài)傳質(zhì)過程。第七十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二多柱串聯(lián)吸附操作第七十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二固定床吸附過程理論穿透曲線的預(yù)測是固定床吸附過程設(shè)計與操作的基礎(chǔ).軸向擴散模型:理想的平推流流動+軸向反混.反混程度用Dz(軸向擴散系數(shù))表示.第七十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二軸向擴散摸型:假設(shè):1.在與流體流動方向垂直的每一截面上,具有均勻的徑向濃度2.在每一截面及流體流動的方向上,流速和軸向擴散系數(shù)均為恒定值3.溶質(zhì)濃度為軸向距離的連續(xù)函數(shù)第七十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二軸向擴散模型Dz為軸向擴散系數(shù),可用文獻中的關(guān)聯(lián)式計算.H為柱內(nèi)固液體積比.TR為傳質(zhì)速率,可具有各種不同表達式,因此該理論模型可派生出各種不同的傳質(zhì)速率模型.第七十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二固定床吸附過程理論液相中溶質(zhì)吸附到固體吸附劑的速率TR的影響因素:1.吸附劑外表面液膜內(nèi)擴散傳質(zhì)2.吸附劑內(nèi)孔擴散3.吸附溶質(zhì)的表面擴散4.溶質(zhì)的表面吸附第七十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二表面吸附速率控制液膜擴散速率控制內(nèi)擴散速率控制簡化的速率方程動力學速率方程線性推動力方程第七十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二固定床吸附過程理論恒定圖式假設(shè):濃度波為恒定圖式時,吸附過程的設(shè)計計算可大大簡化.以線性推動力速率方程為例,闡述該假設(shè)的應(yīng)用.設(shè)吸附平衡為Langmuir型,則有:第八十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二第八十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附,沖洗和洗脫時間/體積y吸附?jīng)_洗洗脫第八十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二固定床內(nèi)的濃度分布曲線時間y床層長度yF0l0時間q=f(y)第八十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二吸附區(qū)和平衡區(qū)yyF吸附區(qū)平衡區(qū)00l床層長度第八十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二RegenerationQ:Inadditiontosteam,whatelsecanweuse?Q:Typicallyonly30~40%oftheequilibriumisothermisused.Whyisthat?第八十五頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二Fluidized-BedAdsorptionSystem第八十六頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二變溫吸附循環(huán)操作在兩個平行的固定床吸附器中進行。其中一個在環(huán)境溫度附近吸附溶質(zhì)，而另一個在較高溫度下解吸吸附質(zhì)，使吸附劑床層再生。第八十七頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二膨脹床吸附流化床：床內(nèi)吸附粒子呈流化狀態(tài)．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．第八十八頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二兼有固定床和流化床的優(yōu)點．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狀態(tài)以平推流的方式流經(jīng)床層．集料液澄清，目標產(chǎn)物濃縮和分離純化為一體的生物集成分離技術(shù)．特點固相分級特性

膨脹床中固相介質(zhì)按各自終端速率的不同沿膨脹床的軸向方向會出現(xiàn)一定的分布.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)律性分級是固定床穩(wěn)定的基礎(chǔ).第八十九頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二膨脹床吸附介質(zhì)磁性粒子具有一定的密度分布和粒徑分布的吸附劑固定床吸附介質(zhì)應(yīng)滿足:1.吸附劑的尺寸和密度應(yīng)保證其終端速率與料液中需除去的固形顆粒間有明顯的差異.2.應(yīng)具有良好的孔道結(jié)構(gòu),不易被料液中的脂類,核酸和蛋白質(zhì)等生物物質(zhì)污染.3.應(yīng)具有活性基團,可以修飾吸附目標產(chǎn)物的配基,并對目標產(chǎn)物具有較高的吸附容量.4.具有較高的化學穩(wěn)定性和良好的機械強度,保證其可以承受苛刻的原位清洗,使用壽命長.5.具有良好的傳質(zhì)性能,在較高的流速下,可以保持較高的吸附容量.發(fā)展趨勢:高密度,小粒徑介質(zhì)第九十頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二第九十一頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二膨脹床設(shè)備流體分布器:保證床截面的流速分布均勻,減少溝流等不規(guī)則流動;保證料液中固形粒子自由通過,并對吸附劑有截流作用;高度調(diào)節(jié)器膨脹床柱:第九十二頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二流化床吸附

原水由底部升流式通過床層，吸附劑由上部向下移動。由于吸附劑保持流化狀態(tài)，與水的接觸面積增大，因此設(shè)備小而生產(chǎn)能力大，基建費用低。

流化床操作控制要求高，為防止吸附劑全塔混層，以充分利用吸附容量并保證處理效果，塔內(nèi)吸附劑采用分層流化。所需層數(shù)根據(jù)吸附劑的靜活性、原水水質(zhì)水量等決定。第九十三頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二膨脹床吸附操作和應(yīng)用應(yīng)用:利用STREAMLINEDEAE為吸附劑,從酵母細胞勻漿液純化葡萄糖-6-磷酸脫氫酶第九十四頁，共一百頁，編輯于2023年，星期二

1.穿透曲線（1）吸附帶：指正在發(fā)生吸附作用的那段填充層，在吸附帶下部的填充層幾乎沒有發(fā)生吸附作用，而在吸附帶上部的填充層已達到飽和狀態(tài)，不再起吸附作用。（2）穿透曲線：以吸附時間或吸附柱出水總體積為橫坐標，以出水吸附質(zhì)濃度為縱坐標所繪制出的曲線。（3）穿透點：當出水吸附質(zhì)濃度Ca為(0.05-0.10)Co時所對應(yīng)的出水總體積或吸附時間的