吸附分离技术

教学目标和要求：通过教学，了解吸附分离的概念、原理、影响因素，理解各种吸附剂的吸附原理和选择依据。了解离子交换树脂的结构、分类、性能和应用，多糖离子交换剂的类型、特点；掌握离子交换的分离原理、操作方法。

第五章吸附分离技术

一、吸附分离技术概论1．吸附：是指物质从气体或液体浓缩到固体表面从而达到分离的过程。

2. 吸附的机理

3. 吸附技术的应用

（1 ）在食品的应用

a ?工业糖液的脱色、脱臭；

b ?制氮用于果蔬的储藏：是当前世界上一项先进技术。原理是果蔬在高氮低氧环境下，呼吸作用被抑制，新陈代谢减缓从而大大延缓腐烂过程。可使果蔬保持原有营养成分，接近采摘的新鲜状态。蒜苗储存3个月出库时仍新鲜饱满，无萎烂现象。N2还可用于酿造啤酒时的

密封及压送啤酒。与先用的CO比，因在啤酒中溶解度小而可提高啤酒质量。

（2）在空气净化上的应用

a .空气干燥：空气中通常含有一定水分，而这种水分在很多场合是有害的，必须被除去。吸附法是除去空气中水分最常用的方法之一。硅胶和活性氧化铝是通用的干燥剂。

b .脱除无机污染物：工业生产中产生大量的CQ SO和NQ等酸性有害气体，它们会引起温

室效应、酸雨等现象，破坏地球和人们的生活环境。随着工业化发展，这些气体的危害程度越来越大，因此人们在致力于开发各种方法来治理这些有害气体。其中吸附分离的方法是有效的治理方法之一。活性炭一SO;分子筛、硅胶、活性炭一NOx＞通入热空气（空气与蒸汽的混合物）可回收。

c ?天然气：为了使天然气能够达到客输标准，必须将其中的水分含量降低至一定水平。

d .化学工业：制氧、制氮提纯CO CQ （重要化工原料）等。

*CO用于羰基合成醋酸、醋酐、甲酸等的生产，也用于电子工业。CO是一种用途十分广泛的

需求量很大的重要化工产品。约40%用作生产尿素、甲醇、水杨酸等化工产品的原料，35% 用于提高石油采收率，10%用于制冷，5%用于碳酸饮料碳酸化，其它占10%（超临界流体萃取）。CO可从废气中用吸附法提取，如烟道废气含CO2约10%-18%

e ?冶金工业：如在有色金属冶炼过程中，用富氧代替普通空气可以强化生产、降低消耗、治理环境污染、增加经济效益。另外，H2是冶金工业的重要保护气，以往钢厂主要由水电解

法提供，能耗很高，而富含Ha的炼焦煤气，仅仅烧掉。采用吸附法从焦煤气制氢有很好的经济效益。

f ?废水处理：利用臭氧对污水进行高效处理是常用的污水处理技术之一。可以起到脱色、脱臭、灭菌（注入少量臭氧可达到与氯同等的灭菌效果，而且只要几分钟，后者需15min 以上）、去除有机物等作用。富氧还可以用于处理城市垃圾，目前城市垃圾主要采用空气燃烧法，产生了大量有毒废气，如果采用从空气中富集氧气代替空气处理城市垃圾，则大大降低了有毒废气的排放量。

** 空气分离方法主要有三种：深冷法、吸附法和膜分离法。深冷法投资高、劳动强度大，而且需设在用户相近的地方，O2、N2 等还需液化或充入钢瓶运输，但这种方法可制得纯度极高的气体，一般适用于规模较大的装置。后两种方法生产的气体纯度较低，但投资成本也低，一般适用于中小规模及对气体纯度要求不是特别高的领域。

4. 吸附的分类物理吸附：分子间力（范德华力）引起没有选择性、吸附速度快、解吸容易化学吸附：化学反应，形成牢固的化学键

有选择性、吸附慢、不易解吸

交换吸附：离子交换

离子所带电荷多少及其水化半径决定了吸附的难易度

5. 吸附分离技术的特点优点：可清除浓度很低的有害或无用组分吸附速度快，吸附作用可进行得相当完全

缺点：固体吸附剂的吸附容量小，处理量大时需耗用大量吸附剂，使分离设备体积庞大由于吸附剂是固体，在工业装置中固体的装料、卸料、运输及处理均较为不利，从而使设备结构复杂，给大型生产过程的连续化、自动化操作带来一定困难。

6. 吸附分离的过程

（1）把待分离的液体（或气体）通入吸附剂中

（2）吸附质被吸附到吸附剂表面

（3）排出母液

（4）吸附质脱附回收，以使吸附剂再生

二、吸附剂

1.吸附剂的性能要求

高度的选择性

巨大的吸附面积和很高的吸附活性

一定的机械强度

良好的物理性质：吸附剂颗粒大小应均一

良好的稳定性

*根据要求，吸附剂可以制成片状、粒状或粉末状2．传统吸附剂：活性炭、硅胶、活性氧化铝、人造沸石

（1）活性炭活性炭是含碳有机物经干馏处理以增加其吸附表面，并通过活化处理除去孔隙中树胶物质而制成。

制备活性炭的含炭原料有木材、锯屑、泥煤、核桃壳、花生壳等植物性原料和骨骼等动物性原料。其命名常与原料有关，如木炭、骨炭等。

活性炭用于脱色时一般与硅藻土一起使用，这样便于过滤，而且硅藻土没有化学活性，不会与母液发生化学反应。广泛应用于工农业生产的各个方面，如水净化及污水处理、电厂水质处理、气体净化、脱色、黄金提取、香烟滤嘴、木地板防潮、吸味（可吸附苯、甲醛、甲苯等）等。

3

活性炭对各种气体的吸附能力（单位：ml/cm ） : H2—4.5 ; Q— 35; N2—11; Cl2—494; CO--97

活化：使用前应加热烘干，以除去大部分气体。对于一般的活性炭可在160C加热干燥4?5小时；锦纶活性炭受热易变形，可于100C干燥4?5小时。

（2 ）硅胶透明或乳白色粒状固体，具有开放的多孔结构，能吸附多种物质。如水分，吸湿量可达40%。如加入氯化钴（有毒），干燥时呈蓝色，吸水后呈红色，可再生反复使用。因其吸附力强，对人的皮肤能产生干燥作用，因此，操作时应穿戴好工作服，若进入眼中，需用大量水冲洗并尽快治疗。适用对象：

可用于萜类、固醇类、生物碱、酸性化合物、磷脂类、脂肪类、氨基酸类等的吸附

分离。

硅胶根据其孔径的大小分为：大孔硅胶、粗孔硅胶、 B 型硅胶、细孔硅胶。由于孔

隙结构的不同，因此它们的吸附性能各有特点。粗孔硅胶在相对湿度高的情况下有较高的吸附量，细孔硅胶则在相对湿度较低的情况下吸咐量高于粗孔硅胶，而 B 型硅胶

由于孔结构介于粗、细孔之间，其吸附量也介于粗、细孔之间。大孔硅胶一般用作催化剂载体、消光剂、牙膏磨料等。因此应根据不同的用途选择不同的品种。

活化：

硅胶一般于105?110C加热干燥1?2小时后使用。活化后的硅胶应马上使用，如当时不用，则要贮存在干燥器或密闭的瓶中，但时间不宜过长。

*吸附有机杂质后的硅胶的再生：①焙烧法，对于粗孔硅胶可放焙烧炉内升温至500-600 度，6-8h后胶粒呈白色或黄褐色即可。对细孔硅胶，不能超过200度。②漂洗法，放在饱和

水蒸气中吸附达到饱和后放热水中浸泡漂洗，并可结合使用洗涤剂以除去邮寄杂质，再经净水洗涤后烘干脱水。③根据其吸附有机物的种类，选用适当的溶剂将吸附质溶出，然后再将硅胶加热以脱除溶剂。

* 再生注意事项：注意逐渐提高温度，以免剧烈干燥引起胶粒炸裂，降低回收率。

（3）氧化铝

为无定形的多孔结构物质，一般由氧化铝的三水化合物加热、脱水、活化而得，孔径2-5nm，比表面200-500m 2/g，对水有很强的吸附能力，主要用于液体与气体的干燥。（红宝石、蓝宝石的主成份皆为氧化铝，因为其它杂质而呈现不同的色泽。红宝石含有氧化铬而呈红色，蓝宝石则含有氧化铁及氧化钛而呈蓝色）

适用对象：特别适用于亲脂性成分的分离，广泛应用在醇、酚、生物碱、染料、苷类、氨基酸、蛋白质以及维生素、抗生素等物质的分离。

种类：

活化：在使用前150C下加热干燥2小时，除去水分以使其活化。

（4）人造沸石（分子筛）：用于吸附阳离子，如NH4+

沸石最早发现于1756 年。瑞典的矿物学家克朗斯提发现有一类天然硅铝酸盐矿石在灼烧时会产生沸腾现象，因此命名为“沸石”。世界上已发现的天然沸石一般为浅灰色，有时为

肉红色。拿在手上明显感到比一般石头轻，这是因为沸石内部充满了细微的孔穴和通道，比蜂房要复杂得多。假如把沸石比作旅馆，那么 1 立方微米的这种“超级旅馆”内竟有100 万个“房间”！这些房间能根据“旅客”（分子和离子）的性别、高矮、胖瘦、嗜好的不同自动开门或挡驾，绝对不会让“胖子”到“瘦子”的房间去，也不会使高个子与矮个子同住一室。根据沸石的这一特性，人们用它来筛选分子，获得很好的效果。1932 年，McBain 提出了“分子筛”的概念。表示可以在分子水平上筛分物质的多孔材料。虽然沸石只是分子筛的一种，但是沸石在其中最具代表性，因此“沸石”和“分子筛”这两个词经常被混用。

水合铝硅酸的晶体，直到上世纪50 年代末地质学家发现沸石矿物是火山沉积的主要组分后，它才从博物馆的陈列品变成一种新型工业矿物，并引起了世界各国的关注。我国自197 年首次在浙江省发现天然沸石矿以来，在沸石开发应用方面取得了进展，其应用领域已从工农业各部门扩展到国防工业

和尖端科技。

在自然条件下，由于温度、压力较低，且土壤溶液仅略带碱性，沸石的生成速度缓慢。除了天然沸石外，还有合成沸石和人造沸石。以往合成沸石主要利用Al（OH）3 等工业原料，价格昂贵，不易形成规模生产。人造沸石是利用氢氧化钠等碱性溶液处理火电厂的废弃物——粉煤灰而制成。粉煤灰是粉煤燃烧后的细粒分散状残余物，主要来源于电厂粉煤炉以及沸腾炉。我国仍以煤碳为主要能源，随着经济建设的飞速发展，粉煤灰的排放量与日俱增，其中只有极少部分被再利用于水泥和混凝土等建材中，剩余的大量粉煤灰被作为固体废弃物就地堆放或填埋，不仅占用大量的土地，而且造成严重的环境污染。每吨粉煤灰的售价约为几十元，但合成沸石后其售价即可达到上千元。

补充：

目是表示颗粒物料的大小特征的单位

如：500 目=25 ^m , 50 目=270 ^m

1.目是指每平方英寸筛网上的空眼数目，50 目就是指每平方英吋上的孔眼是50 个，500 目就是500 个，目数越高，孔眼越多。除了表示筛网的孔眼外，它同时用于表示能够通过筛网的粒子的粒径，目数越高，粒径越小。

2.粉体颗粒大小称颗粒粒度。由于颗粒形状很复杂，通常有筛分粒度、沉降粒度、等效体积粒度、等效表面积粒度等几种表示方法。筛分粒度就是颗粒可以通过筛网的筛孔尺寸，以1 英寸（2.54cm ）宽度的筛网内的筛孔数表示，因而称之为“目数”。

三、大孔吸附树脂

大孔吸附树脂是一种具有多孔立体结构人工合成的聚合物吸附剂，是在离子交换剂和其它吸附剂应用基础上发展起来的一类新型吸附剂，是依靠它和被吸附的分子（吸附质）之间的范德华引力，通过它巨大的比表面进行物理吸附而工作的。在实际应用中对一些与其骨架结构相近的分子具很强的吸附能力。

大孔吸附树脂吸附技术最早用于废水处理、医药工业、化学工业、分析化学、临床检定和治疗等领域，近年来在我国已广泛用于中草药有效成分的提取、分离、纯化工作中。与中药制剂传统工艺比较，应用大孔吸附树脂技术所得提取物体积小、不吸潮、易制成外型美观的各种剂型，特别适用于颗粒剂、胶囊剂和片剂，改变了传统中

药制剂的粗、黑、大现象，有利于中药制剂剂型的升级换代，促进了中药现代化研究

的发展。将大孔吸附树脂用于银杏叶的提取，提取物中银杏黄酮含量稳定在26% 以上。（1）大孔吸附树脂的特点：选择性好，解吸容易，机械强度好，可反复使用和流体阻力小；其孔隙大小、骨架结构和极性，可按照需要，选择不同的原料和合成条件而改变，因此可适用于各种有机化合物；

使用时无需考虑盐类的存在。

（2）大孔吸附树脂的类型非极性大孔吸附树脂、中等极性大孔吸附树脂、极性大孔吸附树脂

（3）大孔吸附树脂的选择：

吸附物的极性非极性吸附剂易吸附非极性物质（从极性溶剂如水中）；极性吸附剂易吸附极性物质（从非极性溶剂中）；中等极性的吸附剂则对上述两种情况都具有吸附能力三、影响吸附的因素

1. 吸附剂的性质（1）比表面积：与吸附容量有关

（2）孔径：与吸附速度有关

（3）极性大小：与吸附力的强弱有关

表面具含氧官能团如—COOH —0H等，有助于对极性分子的吸附。

2.吸附质的性质（1）溶质从较易溶解的溶剂中被吸附时，吸附量较少。所以极性物质适宜在非极性溶剂中被吸附，非极性物质适宜在极性溶剂中被吸附。

3.操作条件的影响温度

PH值

离子浓度补充：蛋白质在长碳链疏水基材上的吸附为吸热反应，推测其为熵驱动反应；而在短碳链的吸附基材上的吸附为放热反应，其为部分熵，部分焓驱动。

4.溶剂的影响

单溶剂中比在混合溶剂中易被吸附（溶解度变大）补充：常用作混合溶剂的有水、乙醇、甘油、丙二醇、聚乙二醇，二甲基亚砜等。药物在混合溶剂中的溶解度通常是在各溶剂中溶解度相加的平均值。药物在混合溶剂中的溶解度，除与混合溶剂的种类有关外，还与溶剂在混合溶剂中的比例有关。这些都可通过实验加以确定。药物在单溶剂中溶解能力差，但在混合溶剂中比单一溶剂更易溶解的现象称为潜溶，这种混合溶剂称为潜溶剂。这种现象可认为是由于两种溶剂对药物分子不同部位作用的结果。