吸附原理及应用

吸附HANS概述吸附（定义）一种物质从一相转移到另外一相的现象称为吸附固—液界面上的吸附：吸附剂：具有吸附能力的固体物质。吸附质：被吸附的物质。物质从流体相浓缩到固体表面待分离的料液通入吸附剂吸附质被吸附在吸附剂表面料液流出吸附质解吸吸附剂再生典型的吸附过程包括四个步骤：吸附:典型的表面现象吸附剂吸附质脱附：吸附的逆过程概述吸附的特点：（1）不用或少用有机溶剂（2）操作简便，安全（3）生产过程pH变化小（4）从稀溶液分离溶质（5）吸附剂对溶质的作用小（6）吸附平衡为非线性（7）选择性差吸附过程理论基础基本概念吸附剂：表面上能发生吸附作用的固体吸附物：被吸附的物质多孔吸附剂：外表面与内表面组成非多孔吸附剂：比表面取决于外表面吸附作用：物质从流体相浓缩到固体表面吸附过程理论基础(1)物理吸附：溶质与吸附剂之间由于范德华力而产生的吸附。(2)化学吸附：溶质与吸附剂发生化学反应，形成牢固的吸附化学键和表面络合物。(3)交换吸附：溶质的离子由于静电引力作用聚集在吸附剂表面的带电点上，并置换出原先固定在这些带电点上的其他离子。吸附的分类固体内部分子所受分子间的作用力是对称的，而固体表面分子所受力是不对称的。向内的一面受内部分子的作用力较大，而表面向外一面所受的作用力较小，因而当气体分子或溶液中溶质分子在运动过程中碰到固体表面时就会被吸引而停留在固体表面上。图21-1界面上分子和内部分子所受的力吸附过程理论基础吸附的类型（1）物理吸附:放热小，可逆，单分子层或多分子层，选择性差（2）化学吸附:放热量大，单分子层，选择性强（3）交换吸附:吸附剂吸附后同时放出等量的离子到溶液中吸附过程理论基础吸附过程理论基础物理吸附力的本质定向力极性分子的永久偶极静电力诱导力极性分子与非极性分子之间的吸引力色散力非极性分子之间的引力（瞬间偶极）氢键力介于库仑引力与范德华引力之间的特殊分子间定向作用力非共价作用吸附质和吸附剂之间的作用力－范德华力吸附过程理论基础吸附过程理论基础吸附过程理论基础氢键两种原子电负性越大，半径越小，H键就越能形成，作用也就越大，越有利于吸附。一种特殊的分子间作用力，介于库仑引力与范德华引力之间的特殊定向力，比诱导力、色散力都有大吸附过程理论基础吸引力距离吸引力推斥力合力推斥力0AB•当分子间距离减小时，范德华力增大，但当分子间距离非常接近时，就明显地表现出斥力。•当距离大于OB时，吸引力未表示出来。•当吸附表面和分子间的距离减小时，其吸引力的能量逐渐增加，•当距离减至分子半径OA时，达到最大值。•当距离再减小时，推斥力急剧增加。物理吸附与化学吸附的比较理化指标物理吸附化学吸附吸附作用力范德华力化学键吸附热接近于液化热接近于化学反应热选择性低高吸附层单或多分子层单分子层吸附速率快，活化能小慢，活化能大可逆性可逆不可逆吸附过程理论基础吸附平衡吸附速率=解吸速率（即V吸附=V解吸），即在单位时间内吸附数量等于解吸的数量，则吸附质在溶液中的浓度C与在吸附剂表面上的浓度都不再变时，即达到吸附平衡，此时吸附质在溶液的浓度C叫平衡浓度。吸附过程理论基础吸附量q达到吸附平衡时，单位重量的吸附剂（g）所吸附的吸附质的重量（g）衡量吸附剂吸附能力的大小WCCVq)(0吸附过程理论基础吸附等温线在一定T下，q随平衡浓度C变化的曲线（q=f(C)）叫吸附等温线。费罗因德利希吸附等温线亨利吸附等温线兰格谬尔吸附等温线BET吸附等温线（多层吸附）类型吸附等温线q=KC亨利吸附等温线吸附等温线费罗因德利希吸附等温线nKCq/1基本假设：固相表面具有不同的吸附位置，需有不同的吸附能量常用于表面非常不均匀的吸附剂在一定浓度范围对单一溶质系统的等温吸附吸附等温线兰格谬尔吸附等温线基本假设：1.吸附位点在吸附剂表面，且每一位点可吸附一个分子，亦即被吸附成单一分子层，2.所有吸附地址，对被吸附分子具有相等的亲和力，3.被吸附分子并不影响其余吸附位点的吸附效应吸附等温线兰格谬尔吸附等温线吸附等温线吸附等温线BET吸附等温线（多层吸附）几种常用的吸附剂吸附剂必须满足下列要求：①吸附能力强；②吸附选择性好；③吸附平衡浓度低；④容易再生和再利用；⑤机械强度好；⑥化学性质稳定；⑦来源广；⑧价廉。一般工业吸附剂难于同时满足这八个方面的要求，因此，应根据不同的场合选用。吸附剂通常应具备以下特征：表面积大、颗粒均匀、对被分离的物质具有较强的吸附能力有较高的吸附选择性机械强度高再生容易、性能稳定价格低廉。常用的吸附剂有极性的和非极性的两种。几种常用的吸附剂有机吸附剂有活性炭、球性炭化树脂、聚酰胺、纤维素、大孔树脂等；无机吸附剂有硅胶、活性氧化铝、硅藻土、分子筛等。活性氧化铝（Al2O3·nH2O）按其化学结构可分为有•有机吸附剂•无机吸附剂几种常用的吸附剂活性炭高温炭化活化,800~900℃木材、煤、果壳炭渣活性炭隔绝空气，600℃活化剂：ZnCl2解吸：从活性炭柱上洗脱被吸附物质时，溶剂的洗脱能力将随溶剂极性的降低而增强。几种常用的吸附剂活性炭吸附非极性有机物脱色，去热原几种常用的吸附剂硅胶（SiO2·nH2O）1.硅胶的表面保留着羟基，是硅胶的吸附活性中心2.在200℃以上羟基会脱去，失去活性应用吸附大极性有机物||OO||—Si—O—Si—OH||OO||几种常用的吸附剂极性强，对水有很强的亲和作用活性氧化铝（Al2O3·nH2O）几种常用的吸附剂筛分：将比其孔径小的分子吸附到空穴内部，而把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子的作用吸附：分子筛结晶铝硅酸金属盐的水合物，其化学通式为：Mx/m[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O。分子筛是一种具有网状晶体结构的硅铝酸盐，具有均匀的晶穴，孔径分布非常均一，具有选择筛分分子作用（a）A型（b）X型两种常用沸石分子筛的结构溶剂的极性:与介电常数大小一致环己烷1.88苯2.29无水乙醚4.47氯仿5.20乙酸乙酯6.11乙醇26.0甲醇31.2水81.0极性递增几种常用的吸附剂大孔吸附树脂不含交换基团的,具有大孔结构的高分子吸附剂。（1）选择性好（2）解吸容易（3）机械强度好（4）流体阻力小（5）反复使用（6）可适用于各种产品优点大孔吸附树脂1.非极性大孔吸附树脂2.中等极性大孔吸附树脂3.极性大孔吸附树脂分类大孔吸附树脂非极性大孔吸附树脂苯乙烯--------二乙烯苯交联、聚合大孔吸附树脂中极性大孔吸附树脂甲基丙烯酸酯单体大孔吸附树脂极性大孔吸附树脂酰胺基团硫氧基团N-O基团(硫氧基、酰胺、N-O基、磺酸基)大孔吸附树脂吸附性原理树脂本身具有吸附性吸附力是范德华力或氢键作用的结果筛选性原理树脂为多孔性结构，具有分子筛的作用有机化合物根据吸附力的不同及分子量的大小，在树脂的吸附机理和筛分原理作用下实现分离。大孔吸附树脂应用范围广整个过程PH值不变，适于对PH值敏感的物质能从存在大量无机盐的发酵液中分离提取抗菌素等物质理化性质稳定稳定性高，机械强度好，耐用避免溶剂法对环境的污染及离子交换法对设备的腐蚀分离性能优良选择性好，分离效能高大孔吸附树脂使用方便大孔树脂一般为小球状，流体阻力小于活性碳溶剂用量少只需要少量溶剂作为洗脱剂避免了溶剂法中的乳化现象可重复使用，降低成本用水、稀酸、稀碱或低浓度乙醇等反复清洗即可再生缺点树脂价格贵；品种有限，不能满足复杂要求；操作繁琐大网格吸附剂吸附条件选择1吸附剂的选择（相似互溶）：非极性吸附剂从极性溶剂中吸附非极性物质高极性吸附剂从非极性溶剂中吸附极性物质中等极性吸附剂对两种情况均有吸附能力孔径与比表面（孔径6倍于分子直径）吸附法提取的生化物质大多是弱极性或非极性，一般选非极性或中等极性。大网格吸附剂吸附条件选择2．无机盐的影响无机盐存在，对吸附不仅无干扰，还有促进作用（盐析）。3．吸附pH弱酸物质：pHpK弱碱物质：pHpK（呈分子状态）中性物质：pH无影响（不会电离）。例：林可、红霉素、SPM弱碱性，pH吸附量；赤霉素弱酸性，pH，吸附量；维生素B12中性，pH无影响，实验证实：XAD-2上吸附，pH3~7吸附量都一样；头孢菌素两性物质，应在什么条件下吸附？pK1=2.6(羧基)；pK2=3.3(羧基)；pK3=9.8(氨基)大孔吸附剂解吸条件1.选择洗脱剂原则a.洗脱剂应容易溶胀大网格吸附剂。–溶质对聚合物的溶胀能力可用溶解度参数δ来表征。溶剂2-丁酮2-丙酮丁醇丙醇乙醇甲醇水δ19.020.423.324.325.929.647.3溶剂的解吸能力逐渐降低溶剂的溶解度参数和聚合物的溶解度参数接近时，溶剂愈易溶胀聚合物。（洗聚）大孔吸附剂解吸条件b.洗脱剂对被吸附物有较大的溶解度。例赤霉素(920)：吸附时选XAD-2树脂（聚苯乙烯型）聚18.4洗脱剂选乙酯∵①乙＝18.6，溶解度参数接近，易溶胀XAD-2树脂；②易溶于乙酯中。洗脱容易，洗脱峰很集中。大孔吸附剂解吸条件2.流速（空间速度，线速度）洗脱液的流速务必恰当控制。如果太快，洗脱物在两相中的平衡过程不完全；如果太慢，洗脱物会扩散。几种常用的吸附剂分子筛分子筛是一种具有网状晶体结构的硅铝酸盐，具有均匀的晶穴，孔径分布非常均一，具有选择筛分分子作用影响吸附的因素（一）吸附剂结构1．比表面积吸附剂的粒径越小，或是微孔越发达，其比表面积越大。吸附剂的比表面积越大，则吸附能越强。影响吸附的因素（一）吸附剂结构2．孔结构吸附剂的孔结构如图7-6所示。吸附剂内孔的大小和分布对吸附性能影响很大。孔径太大，比表面积小，吸附能力差；孔径太小，则不利于吸附质扩散，并对直径较大的分子起屏蔽作用，影响吸附的因素3．表面化学性质（一）吸附剂结构吸附剂在制造过程中会形成一定量的不均匀表面氧化物，其成分和数量随原料和活化工艺不同而异。表面氧化物成为选择性的吸附中心，使吸附剂只有类似化学吸附的能力，影响吸附的因素（二）吸附质的性质对于一定的吸附剂，由于吸附质性质的差异，吸附效果也不一样。（三）操作条件吸附是放热过程，低温有利于吸附，升温有利于脱附.吸附工艺和设备操作方式连续式间歇式将料液和吸附剂放在容器内搅拌，平衡后排出吸余液固定床移动床流化床吸附剂固定填放在吸附柱(或塔)中在操作过程中定期地将接近饱和的一部分吸附剂从吸附柱中排出，并同时将等量的新鲜吸附剂加入柱中吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态，悬浮于由下而上的水流中吸附工艺一、间歇吸附吸附过程计算X0X1BAY0Y1YX－L/WX0Y1X1Y0W图13－3单级吸附操作流程0110()()WYYLXXL—吸附剂的质量，kg;W—溶液中溶剂的质量，kg吸附工艺固定床吸附固定床是最常用得吸附分离设备，属间歇操作。吸附剂在床中是固定的，料液自上而下流过吸附剂。吸附工艺固定床吸附以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标，以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线。穿透曲线吸附带指正在发生吸附作用的那段填充层吸附工艺出水浓度Cb为(0.90-0.95)Co时所对应的出水总体积的穿透曲线上的那一点。吸附终点固定床吸附C=0交界层C=C001.0C/C0L吸附冲洗洗脱时间/体积y吸附冲洗洗脱固定床内的浓度分布曲线时间y床层长度yF0l0时间q=f(y)指正在发生吸附作用的那段填充层，吸附区和平衡区yyF吸附区平衡区00l床层长度1.穿透曲线（1）吸附带：指正在发生吸附作用的那段填充层，在吸附带下部的填充层几乎没有发生吸附作用，而在吸附带上部的填充层已达到饱和状态，不再起吸附作用。（2）穿透曲线：以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标，以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线。（3）穿透点：当出水吸附质浓度Ca为(0.05-0.10)Co时所对应的出水总体积或吸附时间的穿透曲线上的那一点。（4）