第一阶段 是吸附质通过吸附剂颗粒周围的液膜到颗粒的 表面,称为外部传递过程或外扩散(膜扩散)。
第二阶段 是从吸附剂颗粒表面传向颗粒孔隙内部,称为 孔内部传递过程或内扩散。
球型树脂(大孔、凝胶、大网) 离子交换纤维与吸附性纤维 无定型颗粒吸附剂
具有一定晶体结构的无机化合物,最典型的天然 无机吸附剂为沸石类(Zeolite),包括方沸石、菱沸 石、丝光沸石、交沸石、钠沸石等。其它天然的硅铝 酸盐如蒙脱土、绿砂以及长石类矿物(正长石、钠长 石、灰长石、钙长石)也可作为无机吸附剂使用。
活性氧化铝Al(OH)3由三水合铝或三水铝矿加热脱水制成。根据制造 工艺不同,氧化铝分为低温氧化铝和高温氧化铝。前者的活化温度低 于600℃,其不同形态的氧化化铝包括ρ、χ、η和γ型氧化铝;后者的 活化温度为900-1000℃,这中间还包括кθ和δ氧化铝。
炭质吸附剂 包括活性炭、活性炭纤维以及炭化树脂。其 中活性炭为微晶类碳系,微晶尺寸1-3nm。活性炭的整 体外观为无定形颗粒。
物理吸附(范德华引力、偶极-偶极作用、氢键) 化学吸附(通过形成化学键的吸附 离子键、配位 键(螯合树脂)、易裂解的共价键(高分子催化剂)) 亲和吸附(对目标物呈现专一性或高选择性。这种 吸附专一性或分子识别性能,来源于氢键、范德华引 力、偶极-偶极作用等多种键力的空间协同作用)
与其它吸附剂相比,活性炭具有巨大的比表面积, 通常可达500-1700m2/g,因而形成较为强大的吸 附能力。微孔的容积约为0.15-0.9mL/g,比表 面积占活性炭总比表面积的95%以上。过渡孔 的容积通常为0.02-0.1mL/g,比表面积一般不 超过总比表面积的5%;大孔的容积为0.20.5mL/g。
③变浓度吸附:液体混合物中的某些组分在环境条 件下选择性地吸附,然后用少量强吸附性液体解吸 再生。用在液态物体混合物的主体分离。
在固体对气体的吸附中,吸附量是温度和压力 的函数;在固体对液体的吸附中则为温度和溶液 中吸附质浓度的函数。
固定温度下,吸附量与浓度的关系为等温吸 附,通常用吸附等温线来描述所研究体系达到平 衡时吸附量与溶液中吸附质浓度的关系。
ACF有丰富的微孔结构和巨大的比表面积, 有多种形式的制成品,与粉末状和颗粒状吸 附材料相比,吸附和脱附速率更快;另外, ACF在震动下不产生装填松动和过分密实的 现象,克服了在操作的流程中形成沟槽和沉降 的问题。
对三废的适应能力强,吸附材料耐酸、耐碱、耐有机溶剂、 耐氧化,对微生物污染和放射性也有一定的耐受能力;
大的比表面积和合适的孔径 较高的强度和耐磨性 颗粒大小均匀 具有一定的吸附分离能力 具有一定的商业规模及合理的价格
物理吸附和化学吸附之间的区分并没有严格的界限。 在实际的吸附过程中,上述几类吸附往往同时存在。 物理吸附和化学吸附在一定条件下也能互相转化 的。同一物质,可能在较低温度下进行物理吸附,而 在较高温度下往往又是化学吸附。
吸附的基本理论 吸附过程、吸附热力学、吸附动力学、吸附作用力、影响吸 附的因素、吸附剂的再生
20世纪70年代以来,吸附分离技术作为一种低能 耗的固相萃取分离技术,在环境保护领域中受到广泛 关注。它是利用具有较强吸附能力的多孔性固体吸附 剂,选择性的将一种或一类物质吸附在固体表面,从 而实现流体混合物中不同组分的分离。吸附过程实质 上是通过相界面上的吸附作用以达到一种或数种组分 在固相吸附剂上的富集浓缩。
吸附剂的活性,吸附剂的活性是吸附剂附能力 的标志,常以吸附剂上所吸附的吸附质量与所 有吸附剂量比的百分数来表示,其物理意义是 单位吸附剂所能吸附的吸附质量.
吸附是一种表面现象,是指固体表面的分子或原子因受力不 均衡而具有剩余的表面能,当某些物质碰撞固体表面时,受 到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上,被吸附分子在 吸附剂表面浓度高于溶液本体相中浓度。具有一定吸附能力 的固体材料称为吸附剂,被吸附的物质称为吸附质。
操作条件,温度和压力对吸附有影响,适当升高 温度有利于化学吸附,低温有利于物理吸附,温 度对气相吸附的影响比对液相吸附的影响大. 对于气体吸附,压力增加有利于吸附,压力降低 有利于解吸.
吸附剂的性质,吸附剂的性质如孔隙率,孔径, 粒径等影响比表面积,进而影响吸附效果.
吸附等温线是描述吸附平衡行为的基本工具,可 用于比较吸附剂的基本吸附性能。由于吸附机理在很 大程度上决定了吸附等温线的形状,因而对吸附等温 线分类有助于诊断吸附过程。
曲线的形状反映吸附的难易,低浓度下曲线向 下弯,如I、II、IV的初始表示分子容易被吸附; 如不易被吸附则向上弯,如III、V。
硅胶有天然的,也有人工合 成的。天然的多孔SiO2通常 称为硅藻土,人工合成的称 为硅胶,用水玻璃制取。
活性氧化铝:活性氧化铝对水 有较强的亲合力,因此工业上 常将其用作气(液)体的干燥 剂。而它的再生温度又比分子 筛低得多。可用活性氧化铝干 燥的部分工业气体包括:Ar、 He、H2、氟利昂、氟氯烷等。 另外,活性氧化铝还可用作催 化剂载体。
另一类吸附过程是化学吸附,以化学键结合,一般为 不可逆过程,工业应用少,分析化学中有。
利用巯基乙酸与棉花纤维上的羟基的酯化反应, 将巯基接到纤维素大分子上。利用巯基与不同元素 离子的反应进行分离富集。
脱酯棉与氢氧化钠作用生成碱纤维,再与二硫化 碳进行酯化反应,把黄原酸基团固定在棉纤维上。 利用黄原酸基团的作用进行分离富集。
吸附树脂就是树 脂吸附剂,是利 用树脂能发生吸 附-解吸作用, 以达到物质的分 离、净化目的的 一类能反复使 用的树脂。
当有机物分子量增大,在水中溶解度减小时,熵 的增加就越大,也就越容易被树脂吸附。如果有机物 完全溶解于水里,遇到吸附树脂时也没有熵的增加, 吸附就不能进行。
吸附树脂由溶剂里吸附溶质,其实就是吸附质与 吸附树脂及溶剂间作用力平衡的结果,要求吸附质与 树脂的作用力大于与溶剂的作用力,这可用溶质分子 由溶液跑到树脂表面产生的自由能减少(-△G)来衡量, 故当△G吸附 =△G(溶质-树脂)-△G(溶质-溶剂) 0,吸附能够自发进行。
溶质向固体颗粒表面选择性传递,被吸附和积累于 固体吸附剂微孔表面的过程。 吸附分离原理大体可分为以下四种类型:
①表面选择性吸附:范德华力 ②分子筛效应:多孔固体中的微孔孔径均一,与 分子尺寸相当。尺寸小于孔径的分子能进入而被 吸附,比孔径大的分子则被排斥在外。 ③通过微孔的扩散: 利用扩散速率的差别分离。 ④微孔中的凝聚: 多孔固体周围的可凝气体在 与其孔径对应的压力下在微孔中凝聚。 表面吸附是基本的,其它是伴随发生.
活性炭是一种非极性吸附剂,是由含碳为主的物质作原 料,经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。其外观为 暗黑色,有粒状和粉状两种。活性炭主要成分除碳以外, 还有少量的氧、氢、硫等元素,以及含有水分、灰分。 它拥有非常良好的吸附性能和稳定的化学性质,可以耐强酸、 强碱,能经受水浸、高温、高压作用,不易破碎。
树脂吸附有机物的熵变△S(Entropy)、自由能 变△G( Free energy) 可作为吸附的推动力来说 明吸附是否自动发生。 若△G吸附 =△G(溶质-树脂)-△G(溶质-溶剂) 0,吸 附能够自发进行。 吸附热△H (Enthalpy)的大小直接反应了吸附剂 与吸附质分子之间的作用力的性质。
在化学中,可以把熵看作体系的混乱度,任何作 用的进行都要求混乱度的增加。有机物不完全溶解于 水,在水中能够说是熵的减少,在遇到吸附树脂时, 由于树脂对有机物分子结合力较大,有机分子就冲破 水分子的包围,体系的混乱性增大,也就是熵增加。 吸附作用能自动进行,而熵的增加成为吸附进行的推 动力。
显然,溶质在水中溶解度越小, △G(溶质-溶剂) 的降低也越小, △G吸附就越大,越有利于吸附。酸 碱、盐的存在会减少有机物在水里的溶解度,故对吸 附有利。
分子间引力是吸附作用的根本因素, 进一步探索对探索吸附树脂的应用、树 脂结构的设计及操作条件的选择都有 很大意义。
在气相吸附中,吸附容量在很大程度上决定于微 孔,而在液相吸附中,过渡孔则起主要作用。
根据生产中前驱体的不同,目前实现工业 化生产的活性炭纤维产品大致上可以分为粘胶基 ACF、酚醛基ACF、聚丙稀腈基ACF(PANACF)、沥青基ACF(pitch-ACF)等。
适用范围宽,废水中有机物浓度从几个到几万mg/L、从 极性有机物到非极性有机物均可用此法进行处理;
①变温吸附:通常在环境和温度吸附,加热条件下解 吸,利用温度的变化实现吸附和解吸再生循环操作。 常用于从气体或液体中分离少量杂质。
②变压吸附:在较高组分分压的条件下选择性吸附 气体混合物中的某些组分,然后降低压力或抽真空 使吸附剂解吸,利用压力的变化完成循环操作。— 般用于气体混合物的主体分离。