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吸附

吸附是指当流体与多孔固体接触时,流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄的现象。当流体与多孔固体接触时,流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄,此现象称为吸附。吸附也指物质(主要是固体物质)表面吸住周围介质(液体或气体)中的分子或离子现象。广义地讲,指固体表面对气体或液体的吸着现象。固体称为吸附剂,被吸附的物质称为吸附质

吸附:当流体与多孔固体接触时, 流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄, 此现象称为吸附。

吸附也指物质(主要是固体物质)表面吸住周围介质(液体或气体)中的分子或离子现象。

吸附属于一种传质过程,物质内部的分子和周围分子有互相吸引的引力,但物质表面的分子,其中相对物质外部的作用力没有充分发挥,所以液体或固体物质的表面可以吸附其他的液体或气体,尤其是表面面积很大的情况下,这种吸附力能产生很大的作用,所以工业上经常利用大面积的物质进行吸附,如活性炭、水膜等。

吸附物、吸附剂:在固体表面积蓄的组分称为吸附物或吸附质(adsorbate),多孔固体称为吸附剂(adsorbent)。

广义地讲,指固体表面对气体或液体的吸着现象。固体称为吸附剂,被吸附的物质称为吸附质。根据吸附质与吸附剂表面分子间结合力的性质,可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附由吸附质与吸附剂分子间引力所引起,结合力较弱,吸附热比较小,容易脱附,如活性炭对气体的吸附。化学吸附则由吸附质与吸附剂间的化学键所引起,犹如化学反应,吸附常是不可逆的,吸附热通常较大,如气相催化加氢中镍催化剂对氢的吸附。在化工生产中,吸附专指用固体吸附剂处理流体混合物,将其中所含的一种或几种组分吸附在固体表面上,从而使混合物组分分离,是一种属于传质分离过程的单元操作,所涉及的主要是物理吸附。吸附分离广泛应用于化工、石油、食品、轻工和环境保护等部门。

当液体或气体混合物与吸附剂长时间充分接触后,系统达到平衡,吸附质的平衡吸附量(单位质量吸附剂在达到吸附平衡时所吸附的吸附质量),首先取决于吸附剂的化学组成和物理结构,同时与系统的温度和压力以及该组分和其他组分的浓度或分压有关。对于只含一种吸附质的混合物,在一定温度下吸附质的平衡吸附量与其浓度或分压间的函数关系的图线,称为吸附等温线。对于压力不太高的气体混合物,惰性组分对吸附等温线基本无影响;而液体混合物的溶剂通常对吸附等温线有影响。同一体系的吸附等温线随温度而改变。温度愈高,平衡吸附量愈小。当混合物中含有几种吸附质时,各组分的平衡吸附量不同,被吸附的各组分浓度之比,一般不同于原混合物组成,即分离因子(见传质分离过程)不等于1。吸附剂的选择性愈好,愈有利于吸附分离。

分离只含一种吸附质的混合物时,过程最为简单。当原料中吸附质含量很低,而平衡吸附量又相当大时,混合物与吸附剂一次接触就可使吸附质完全被吸附。吸附剂经脱附再生后循环使用,并同时得到吸附质产品。但是工业上经常遇到的一些情况,是混合物料中含有几种吸附质,或是吸附剂的选择性不高,平衡吸附量不大,若混合物与吸附剂仅进行一次接触就不能满足分离要求,或吸附剂用量太大时,须用多级的或微分接触的传质设备

利用某些多孔固体有选择地吸附流体中的一个或几个组分,从而使混合物分离的方法称为吸附操作,它是分离和纯净气体和液体混合物的重要单元操作之一。

实际上,人们很早就发现并利用了吸附现象,如生活中用木炭脱湿和除臭等。随着新型吸附剂的开发及吸附分离工艺条件等方面的研究,吸附分离过程显示出节能、产品纯度高、可除去痕量物质、操作温度低等突出特点,使这一过程在化工、医药、食品、轻工、环保等行业得到了广泛的应用,例如:

(1)气体或液体的脱水及深度干燥,如将乙烯气体中的水分脱到痕量,再聚合。

(2)气体或溶液的脱臭、脱色及溶剂蒸气的回收,如在喷漆工业中,常有大量的有机溶剂逸出,采用活性炭处理排放的气体,既减少环境的污染,又可回收有价值的溶剂。

(3)气体中痕量物质的吸附分离,如纯氮、纯氧的制取。

(4)分离某些精馏难以分离的物系,如烷烃、烯烃、芳香烃馏分的分离。

(5)废气和废水的处理,如从高炉废气中回收一氧化碳和二氧化碳,从炼厂废水中脱除酚等有害物质

评价吸附分离的指标有:①吸附质的回收率(当吸附质是有价值的物料时)或吸附质的净化率(当吸附质是有害杂质时);②设备的操作强度,即单位设备体积所能处理的混合气体或溶液的流量;③能量消耗,包括输送物料和吸附剂的能耗,脱附时升温的热能消耗等。吸附剂的平衡吸附量和吸附选择性对吸附操作的上述指标都有决定性的影响,选用平衡吸附量大、吸附选择性高的吸附剂可以显著改善过程的经济性。此外,吸附剂的用量以及操作的温度和压力,对上述指标有重要影响,必须谨慎决定。

有以下类型:①吸附槽。用于吸附操作的搅拌槽,如在吸附槽中用活性白土精制油品或糖液。②固定床吸附设备。用于吸附操作的固定床传质设备,应用最广。③流化床吸附设备。吸附剂于流态化状态下进行吸附,如用流化床从硝酸厂尾气中脱除氮的氧化物。当要求吸附质回收率较高时,可采用多层流态化设备。流化床吸附容易连续操作,但物料返混及吸附剂磨损严重。④移动床吸附柱。又称超吸附柱,用于吸附中的移动床传质设备,曾用于分离烯烃的中间工厂。

物理吸附:也称为范德华吸附,它是吸附质和吸附剂以分子间作用力为主的吸附。

化学吸附:是吸附质和吸附剂以分子间的化学键为主的吸附。

物理吸附,

它的严格定义是某个组分在相界层区域的富及集。物理吸附的作用力是固体表面与气体分子之间,以及已被吸附分子与气体分子间的范德华引力,包括静电力诱导力和色散力。物理吸附过程不产生化学反应,不发生电子转移、原子重排及化学键的破坏与生成。由于分子间引力的作用比较弱,使得吸附质分子的结构变化很小。

在吸附过程中物质不改变原来的性质,因此吸附能小,被吸附的物质很容易再脱离,如用活性炭吸附气体,只要升高温度,就可以使被吸附的气体逐出活性炭表面。

化学吸附,是指吸附剂与吸附质之间发生化学作用,生成化学键引起的吸附,在吸附过程中不仅有引力,还运用化学键的力,因此吸附能较大,要逐出被吸附的物质需要较高的温度,而且被吸附的物质即使被逐出,也已经产生了化学变化,不再是原来的物质了,一般催化剂都是以这种吸附方式起作用。

还有一种可以进行连续操作的分子筛,物料连续进入填充床,分子筛可以只吸附固定体积的分子,再释放,而将体积过大的分子拦住,石油气天然气的分离经常采用这种方式。

物理吸附和化学吸附并不是孤立的,往往相伴发生。在污水处理技术中,大部分的吸附往往是几种吸附综合作用的结果。由于吸附质、吸附剂及其他因素的影响,可能某种吸附是起主导作用的。

吸附作用是催化、脱色、脱臭、防毒等工业应用中必不可少的单元操作。

在吸附的应用方面,通常在催化化学反应的进行方面应用较多,具体到工业上催化剂使用量都是很大的,多以吨计!

吸附操作中,吸附质在流体中的平衡浓度通常很小,吸附分离可以进行得十分完全。但由于固体吸附剂在输送、计量和控制等方面比较困难,所以仅宜于用来分离吸附质浓度很低的流体混合物。此外,也可以作为其他传质分离操作的补充,以达到组分十分完全分离的目的。对于组分挥发度很接近的料液,当精馏难以实现分离时,用吸附分离可能会经济些。目前,工业上的主要用途有:①气体和液体的深度干燥;②食品、药品、有机石油产品的脱色、脱臭;③有机异构物(如混合二甲苯)的分离;④空气分离以制取富氧空气;⑤从废水或废气中除去有害的物质等。随着新型高效吸附剂的研究和工艺过程的开发,吸附操作必将愈来愈广泛地应用于各工业生产部门。

叶振华、宋清著:《吸附及离子交换》(《化学工程手册》第17篇),化学工业出版社,北京,1985。

北川浩、铃木谦一郎著,鹿政理译:《吸附的基础与设计》,化学工业出版社,北京,1983。(北川浩、铃木谦一郎著:《吸着の基础と设计》,?店,东京,1977)。

大孔吸附树脂使用注意事项

该类树脂在通常的储存及使用条件下性质十分稳定,不溶于水、酸、碱及有机溶剂,也不与它们发生化学反应。

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