吸附原理及應(yīng)用.ppt

吸附 HANS 概述 吸附 定義 一種物質(zhì)從一相轉(zhuǎn)移到另外一相的現(xiàn)象稱為吸附 固 液界面上的吸附 吸附劑 具有吸附能力的固體物質(zhì) 吸附質(zhì) 被吸附的物質(zhì) 物質(zhì)從流體相濃縮到固體表面 待分離的料液通入吸附劑 吸附質(zhì)被吸附在吸附劑表面 料液流出 吸附質(zhì)解吸吸附劑再生 典型的吸附過程包括四個步驟 吸附 典型的表面現(xiàn)象 吸附劑 吸附質(zhì) 脫附 吸附的逆過程 概述 吸附的特點 1 不用或少用有機溶劑 2 操作簡便 安全 3 生產(chǎn)過程pH變化小 4 從稀溶液分離溶質(zhì) 5 吸附劑對溶質(zhì)的作用小 6 吸附平衡為非線性 7 選擇性差 吸附過程理論基礎(chǔ) 基本概念 吸附劑 表面上能發(fā)生吸附作用的固體吸附物 被吸附的物質(zhì)多孔吸附劑 外表面與內(nèi)表面組成非多孔吸附劑 比表面取決于外表面吸附作用 物質(zhì)從流體相濃縮到固體表面 吸附過程理論基礎(chǔ) 1 物理吸附 溶質(zhì)與吸附劑之間由于范德華力而產(chǎn)生的吸附 2 化學(xué)吸附 溶質(zhì)與吸附劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 形成牢固的吸附化學(xué)鍵和表面絡(luò)合物 3 交換吸附 溶質(zhì)的離子由于靜電引力作用聚集在吸附劑表面的帶電點上 并置換出原先固定在這些帶電點上的其他離子 吸附的分類 固體內(nèi)部分子所受分子間的作用力是對稱的 而固體表面分子所受力是不對稱的 向內(nèi)的一面受內(nèi)部分子的作用力較大 而表面向外一面所受的作用力較小 因而當(dāng)氣體分子或溶液中溶質(zhì)分子在運動過程中碰到固體表面時就會被吸引而停留在固體表面上 圖21 1界面上分子和內(nèi)部分子所受的力 吸附過程理論基礎(chǔ) 吸附的類型 1 物理吸附 放熱小 可逆 單分子層或多分子層 選擇性差 2 化學(xué)吸附 放熱量大 單分子層 選擇性強 3 交換吸附 吸附劑吸附后同時放出等量的離子到溶液中 吸附過程理論基礎(chǔ) 吸附過程理論基礎(chǔ) 物理吸附力的本質(zhì) 定向力極性分子的永久偶極靜電力誘導(dǎo)力極性分子與非極性分子之間的吸引力色散力非極性分子之間的引力 瞬間偶極 氫鍵力介于庫侖引力與范德華引力之間的特殊分子間定向作用力 非共價作用 吸附質(zhì)和吸附劑之間的作用力 范德華力 吸附過程理論基礎(chǔ) 吸附過程理論基礎(chǔ) 吸附過程理論基礎(chǔ) 氫鍵 兩種原子電負(fù)性越大 半徑越小 H鍵就越能形成 作用也就越大 越有利于吸附 一種特殊的分子間作用力 介于庫侖引力與范德華引力之間的特殊定向力 比誘導(dǎo)力 色散力都有大 吸附過程理論基礎(chǔ) 當(dāng)分子間距離減小時 范德華力增大 但當(dāng)分子間距離非常接近時 就明顯地表現(xiàn)出斥力 當(dāng)距離大于OB時 吸引力未表示出來 當(dāng)吸附表面和分子間的距離減小時 其吸引力的能量逐漸增加 當(dāng)距離減至分子半徑OA時 達到最大值 當(dāng)距離再減小時 推斥力急劇增加 物理吸附與化學(xué)吸附的比較 吸附過程理論基礎(chǔ) 吸附平衡 吸附速率 解吸速率 即V吸附 V解吸 即在單位時間內(nèi)吸附數(shù)量等于解吸的數(shù)量 則吸附質(zhì)在溶液中的濃度C與在吸附劑表面上的濃度都不再變時 即達到吸附平衡 此時吸附質(zhì)在溶液的濃度C叫平衡濃度 吸附過程理論基礎(chǔ) 吸附量q 達到吸附平衡時 單位重量的吸附劑 g 所吸附的吸附質(zhì)的重量 g 衡量吸附劑吸附能力的大小 吸附過程理論基礎(chǔ) 吸附等溫線 在一定T下 q隨平衡濃度C變化的曲線 q f C 叫吸附等溫線 費羅因德利希吸附等溫線 亨利吸附等溫線 蘭格謬爾吸附等溫線 BET吸附等溫線 多層吸附 類型 吸附等溫線 q KC 亨利吸附等溫線 吸附等溫線 費羅因德利希吸附等溫線 基本假設(shè) 固相表面具有 同的吸附位置 需有 同的吸附能量 常用于表面非常 均勻的吸附劑在一定濃度范圍對單一溶質(zhì)系統(tǒng)的等溫吸附 吸附等溫線 蘭格謬爾吸附等溫線 基本假設(shè) 吸附位點在吸附劑表面 且每一位點可吸附一個分子 亦即被吸附成單一分子層 所有吸附地址 對被吸附分子具有相等的親和 被吸附分子并 影響其余吸附位點的吸附效應(yīng) 吸附等溫線 蘭格謬爾吸附等溫線 吸附等溫線 吸附等溫線 BET吸附等溫線 多層吸附 幾種常用的吸附劑 吸附劑必須滿足下列要求 吸附能力強 吸附選擇性好 吸附平衡濃度低 容易再生和再利用 機械強度好 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 來源廣 價廉 一般工業(yè)吸附劑難于同時滿足這八個方面的要求 因此 應(yīng)根據(jù)不同的場合選用 吸附劑通常應(yīng)具備以下特征 表面積大 顆粒均勻 對被分離的物質(zhì)具有較強的吸附能力有較高的吸附選擇性機械強度高再生容易 性能穩(wěn)定價格低廉 常用的吸附劑有極性的和非極性的兩種 幾種常用的吸附劑 有機吸附劑有活性炭 球性炭化樹脂 聚酰胺 纖維素 大孔樹脂等 無機吸附劑有硅膠 活性氧化鋁 硅藻土 分子篩等 活性氧化鋁 Al2O3 nH2O 按其化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為有有機吸附劑無機吸附劑 幾種常用的吸附劑 活性炭 高溫炭化活化 800 900 木材 煤 果殼炭渣活性炭隔絕空氣 600 活化劑 ZnCl2 解吸 從活性炭柱上洗脫被吸附物質(zhì)時 溶劑的洗脫能力將隨溶劑極性的降低而增強 幾種常用的吸附劑 活性炭吸附非極性有機物 脫色 去熱原 幾種常用的吸附劑 硅膠 SiO2 nH2O 硅膠的表面保留著羥基 是硅膠的吸附活性中心在200 以上羥基會脫去 失去活性 應(yīng)用 吸附大極性有機物 OO Si O Si OH OO 幾種常用的吸附劑 極性強 對水有很強的親和作用 活性氧化鋁 Al2O3 nH2O 幾種常用的吸附劑 篩分 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吸附 分子篩結(jié)晶鋁硅酸金屬鹽的水合物 其化學(xué)通式為 Mx m AlO2 x SiO2 y zH2O 分子篩是一種具有網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽 具有均勻的晶穴 孔徑分布非常均一 具有選擇篩分分子作用 a A型 b X型兩種常用沸石分子篩的結(jié)構(gòu) 溶劑的極性 與介電常數(shù)大小一致環(huán)己烷1 88苯2 29無水乙醚4 47氯仿5 20乙酸乙酯6 11乙醇26 0甲醇31 2水81 0 極性遞增 幾種常用的吸附劑 大孔吸附樹脂 不含交換基團的 具有大孔結(jié)構(gòu)的高分子吸附劑 1 選擇性好 2 解吸容易 3 機械強度好 4 流體阻力小 5 反復(fù)使用 6 可適用于各種產(chǎn)品 優(yōu)點 大孔吸附樹脂 非極性大孔吸附樹脂中等極性大孔吸附樹脂極性大孔吸附樹脂 分類 大孔吸附樹脂 非極性大孔吸附樹脂 苯乙烯 二乙烯苯 交聯(lián) 聚合 大孔吸附樹脂 中極性大孔吸附樹脂 甲基丙烯酸酯 單體 大孔吸附樹脂 極性大孔吸附樹脂 酰胺基團硫氧基團N O基團 硫氧基 酰胺 N O基 磺酸基 大孔吸附樹脂 吸附性原理樹脂本身具有吸附性吸附力是范德華力或氫鍵作用的結(jié)果篩選性原理樹脂為多孔性結(jié)構(gòu) 具有分子篩的作用有機化合物根據(jù)吸附力的不同及分子量的大小 在樹脂的吸附機理和篩分原理作用下實現(xiàn)分離 大孔吸附樹脂 應(yīng)用范圍廣整個過程PH值不變 適于對PH值敏感的物質(zhì)能從存在大量無機鹽的發(fā)酵液中分離提取抗菌素等物質(zhì)理化性質(zhì)穩(wěn)定穩(wěn)定性高 機械強度好 耐用避免溶劑法對環(huán)境的污染及離子交換法對設(shè)備的腐蝕分離性能優(yōu)良選擇性好 分離效能高 大孔吸附樹脂 使用方便大孔樹脂一般為小球狀 流體阻力小于活性碳溶劑用量少只需要少量溶劑作為洗脫劑避免了溶劑法中的乳化現(xiàn)象可重復(fù)使用 降低成本用水 稀酸 稀堿或低濃度乙醇等反復(fù)清洗即可再生缺點樹脂價格貴 品種有限 不能滿足復(fù)雜要求 操作繁瑣 大網(wǎng)格吸附劑吸附條件選擇 1吸附劑的選擇 相似互溶 非極性吸附劑從極性溶劑中吸附非極性物質(zhì)高極性吸附劑從非極性溶劑中吸附極性物質(zhì)中等極性吸附劑對兩種情況均有吸附能力孔徑與比表面 孔徑6倍于分子直徑 吸附法提取的生化物質(zhì)大多是弱極性或非極性 一般選非極性或中等極性 大網(wǎng)格吸附劑吸附條件選擇 2 無機鹽的影響無機鹽存在 對吸附不僅無干擾 還有促進作用 鹽析 3 吸附pH弱酸物質(zhì) pHpK 呈分子狀態(tài) 中性物質(zhì) pH無影響 不會電離 例 林可 紅霉素 SPM 弱堿性 pH 吸附量 赤霉素 弱酸性 pH 吸附量 維生素B12 中性 pH無影響 實驗證實 XAD 2上吸附 pH3 7吸附量都一樣 頭孢菌素 兩性物質(zhì) 應(yīng)在什么條件下吸附 pK1 2 6 羧基 pK2 3 3 羧基 pK3 9 8 氨基 大孔吸附劑解吸條件 1 選擇洗脫劑原則 a 洗脫劑應(yīng)容易溶脹大網(wǎng)格吸附劑 溶質(zhì)對聚合物的溶脹能力可用溶解度參數(shù) 來表征 溶劑的解吸能力逐漸降低 溶劑的溶解度參數(shù)和聚合物的溶解度參數(shù)接近時 溶劑愈易溶脹聚合物 洗 聚 大孔吸附劑解吸條件 b 洗脫劑對被吸附物有較大的溶解度 例赤霉素 920 吸附時選XAD 2樹脂 聚苯乙烯型 聚18 4洗脫劑選乙酯 乙 18 6 溶解度參數(shù)接近 易溶脹XAD 2樹脂 易溶于乙酯中 洗脫容易 洗脫峰很集中 大孔吸附劑解吸條件 2 流速 空間速度 線速度 洗脫液的流速務(wù)必恰當(dāng)控制 如果太快 洗脫物在兩相中的平衡過程不完全 如果太慢 洗脫物會擴散 幾種常用的吸附劑 分子篩 分子篩是一種具有網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽 具有均勻的晶穴 孔徑分布非常均一 具有選擇篩分分子作用 影響吸附的因素 一 吸附劑結(jié)構(gòu) 1 比表面積 吸附劑的粒徑越小 或是微孔越發(fā)達 其比表面積越大 吸附劑的比表面積越大 則吸附能越強 影響吸附的因素 一 吸附劑結(jié)構(gòu) 2 孔結(jié)構(gòu) 吸附劑的孔結(jié)構(gòu)如圖7 6所示 吸附劑內(nèi)孔的大小和分布對吸附性能影響很大 孔徑太大 比表面積小 吸附能力差 孔徑太小 則不利于吸附質(zhì)擴散 并對直徑較大的分子起屏蔽作用 影響吸附的因素 3 表面化學(xué)性質(zhì) 一 吸附劑結(jié)構(gòu) 吸附劑在制造過程中會形成一定量的不均勻表面氧化物 其成分和數(shù)量隨原料和活化工藝不同而異 表面氧化物成為選擇性的吸附中心 使吸附劑只有類似化學(xué)吸附的能力 影響吸附的因素 二 吸附質(zhì)的性質(zhì)對于一定的吸附劑 由于吸附質(zhì)性質(zhì)的差異 吸附效果也不一樣 三 操作條件 吸附是放熱過程 低溫有利于吸附 升溫有利于脫附 吸附工藝和設(shè)備 操作方式 連續(xù)式 吸附工藝 一 間歇吸附 吸附過程計算 L 吸附劑的質(zhì)量 kg W 溶液中溶劑的質(zhì)量 kg 吸附工藝 固定床吸附 固定床是最常用得吸附分離設(shè)備 屬間歇操作 吸附劑在床中是固定的 料液自上而下流過吸附劑 吸附工藝 固定床吸附 以吸附時間或吸附柱出水總體積為橫坐標(biāo) 以出水吸附質(zhì)濃度為縱坐標(biāo)所繪制出的曲線 穿透曲線 吸附帶 指正在發(fā)生吸附作用的那段填充層 吸附工藝 出水濃度Cb為 0 90 0 95 Co時所對應(yīng)的出水總體積的穿透曲線上的那一點 吸附終點 固定床吸附 吸附?jīng)_洗洗脫 時間 體積 y 吸附 沖洗 洗脫 固定床內(nèi)的濃度分布曲線 時間 y 床層長度 yF 0 l 0 時間 q f y 指