分离过程第6章吸附liupingle课件.ppt

1、传质传质 分分 离离 过过 程程均相混合物分离方法均相混合物分离方法 利用两种物质的高亲和性，例如抗体和利用两种物质的高亲和性，例如抗体和抗原的特异识别，来纯化出想要的物质抗原的特异识别，来纯化出想要的物质 采用密闭采用密闭体，取少体，取少量样品，量样品，在带压状在带压状态下加热态下加热使样品溶使样品溶液沸腾，液沸腾，蒸馏出样蒸馏出样品品 第第6 6章章 气固、液固传质分离过程气固、液固传质分离过程6.1 6.1 吸附分离过程吸附分离过程主要内容及要求：主要内容及要求：学习并掌握吸附的基本原理、吸附平衡、吸附学习并掌握吸附的基本原理、吸附平衡、吸附动力学、吸附过程计算及设备。动力学、吸附过程计

2、算及设备。吸附分离概述吸附分离概述吸附分离原理及其分类吸附分离原理及其分类常用吸附剂常用吸附剂吸附平衡：吸附等温线吸附平衡：吸附等温线吸附动力学吸附动力学吸附设备吸附设备吸附过程计算吸附过程计算吸吸 附附6.1.1吸附原理和吸附剂吸附原理和吸附剂一、吸附过程一、吸附过程 吸附吸附是指流体（气体或液体）是指流体（气体或液体）与固体多孔物质接触时，流体中与固体多孔物质接触时，流体中的一种或多种组分传递到多孔物的一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内表面并附着在质外表面和微孔内表面并附着在这些表面上形成单分子层或多分这些表面上形成单分子层或多分子层的过程。子层的过程。放热过程？放热过程？被吸附的

3、流体称为被吸附的流体称为吸附质吸附质，多孔固体颗粒称为多孔固体颗粒称为吸附剂吸附剂。吸附。吸附达到平衡时，吸附剂内的流体称达到平衡时，吸附剂内的流体称为为吸附相吸附相，剩余的流体本体相称，剩余的流体本体相称为为吸余相吸余相 由于吸附质和吸附剂的物理化学性由于吸附质和吸附剂的物理化学性质不同，吸附剂对不同吸附质的吸附能质不同，吸附剂对不同吸附质的吸附能力也不同，力也不同，因此当流体与吸附剂接触因此当流体与吸附剂接触时，吸附剂对流体中的某个或某些组分时，吸附剂对流体中的某个或某些组分相对其他组分具有较高的吸附选择性，相对其他组分具有较高的吸附选择性，吸附相和吸余相的组分可被富集，从而吸附相和吸余相

4、的组分可被富集，从而实现物质的分离。实现物质的分离。吸附吸附:典型的表面现象典型的表面现象吸附剂吸附剂吸附质吸附质脱附：吸附的逆过程脱附：吸附的逆过程 固体表面上的原子或分子的力场和液体表面一样也是不均衡的，因此，也有自发降低表面能的倾向。由于固体表面难于收缩，所以只能靠降低界面张力的方法来降低表面能，这也是固体表面能产生吸附作用的根本原因。物理吸附分离原理物理吸附分离原理 选择性吸附选择性吸附 利用固体表面的原子或基团利用固体表面的原子或基团与外来分子间的吸附力的不同实现分离。吸与外来分子间的吸附力的不同实现分离。吸附力的大小与表面和分子两者的性质有关。附力的大小与表面和分子两者的性质有关。

5、对同一表面而言，吸附力大的分子在吸附相对同一表面而言，吸附力大的分子在吸附相的浓度高。实例：用硅胶、活性氧化铝或沸的浓度高。实例：用硅胶、活性氧化铝或沸石脱除气石脱除气(液液)体中的水分，用活性碳脱除水体中的水分，用活性碳脱除水中的有机物等。中的有机物等。物理吸附分离原理物理吸附分离原理 分子筛效应分子筛效应 有些多孔固体中的微孔孔径有些多孔固体中的微孔孔径是均一的，而且与分子尺寸相当。尺寸小于是均一的，而且与分子尺寸相当。尺寸小于微孔孔径的分子可以进入微孔而被吸附，比微孔孔径的分子可以进入微孔而被吸附，比孔径大的分子则被排斥在外。由于多原子分孔径大的分子则被排斥在外。由于多原子分子的形状复杂

6、，固体分子筛中微孔的几何形子的形状复杂，固体分子筛中微孔的几何形状是不规则的，而且分子通过微孔是分子与状是不规则的，而且分子通过微孔是分子与微孔周边原子微孔周边原子(离子离子)相互作用的过程。实例相互作用的过程。实例：沸石分离正构烷烃与其他烃类；以沸石脱：沸石分离正构烷烃与其他烃类；以沸石脱除氟氯烷烃中的水等。除氟氯烷烃中的水等。物理吸附分离原理物理吸附分离原理 通过微孔的扩散通过微孔的扩散 气体在多孔固体中的气体在多孔固体中的扩散速率与气体的性质、吸附剂材料的性质扩散速率与气体的性质、吸附剂材料的性质以及微孔尺寸等因素有关。利用扩散速率的以及微孔尺寸等因素有关。利用扩散速率的差别可以将混合物

7、分离。例如空气中氧和氮差别可以将混合物分离。例如空气中氧和氮在碳分子筛吸附剂上的分离。在碳分子筛吸附剂上的分离。物理吸附分离原理物理吸附分离原理 微孔中的凝聚微孔中的凝聚 毛细管中液体曲面上的蒸毛细管中液体曲面上的蒸汽压与其正常蒸汽压不同。在大多数情况汽压与其正常蒸汽压不同。在大多数情况下，毛细管上的可凝缩气体会在小于其正常下，毛细管上的可凝缩气体会在小于其正常蒸汽压的压力下在毛细管中凝聚。在一定温蒸汽压的压力下在毛细管中凝聚。在一定温度下，凝聚压力与毛细管半径有关。因此，度下，凝聚压力与毛细管半径有关。因此，多孔固体周围的可凝缩气体会在与其孔径对多孔固体周围的可凝缩气体会在与其孔径对应的压力

8、下在微孔中凝聚。例如用活性碳吸应的压力下在微孔中凝聚。例如用活性碳吸附工业气体中的有机化合物。附工业气体中的有机化合物。化学吸附化学吸附化学吸附化学吸附是由吸附质与吸附剂分子间是由吸附质与吸附剂分子间化学键的作用所引起的，与物理吸附化学键的作用所引起的，与物理吸附比较，其结合力大得多，放热量与化比较，其结合力大得多，放热量与化学反应热数量级相当，过程往往是不学反应热数量级相当，过程往往是不可逆的。化学吸附在催化反应中起重可逆的。化学吸附在催化反应中起重要作用，分离过程中极少应用。要作用，分离过程中极少应用。吸附操作吸附操作 目前已经开发出三类吸附过程流程：目前已经开发出三类吸附过程流程：(1)

9、(1)变温吸附变温吸附 (2)(2)变压吸附变压吸附 (3)(3)变浓度吸附变浓度吸附 (1)(1)变温吸附变温吸附 吸附通常在环境温度进行，而解吸附通常在环境温度进行，而解吸在直接或间接加热吸附剂的条件下吸在直接或间接加热吸附剂的条件下完成，利用温度的变化实现吸附和解完成，利用温度的变化实现吸附和解吸再生循环操作。该类流程常用于从吸再生循环操作。该类流程常用于从气体或液体中分离少量杂质。气体或液体中分离少量杂质。(2)(2)变压吸附变压吸附 在较高组分分压的条件下选择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，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然后降低压

10、力或抽真空使吸附剂解吸，利用压力的变化完成循环操吸，利用压力的变化完成循环操作。变压吸附一般用于气体混合物作。变压吸附一般用于气体混合物的主体分离。的主体分离。(3)(3)变浓度吸附变浓度吸附 液体混合物中的某些组分在环境条液体混合物中的某些组分在环境条件下选择性地吸附，然后用少量强件下选择性地吸附，然后用少量强吸附性液体解吸再生。该过程用于吸附性液体解吸再生。该过程用于液体混合物的主体分离。液体混合物的主体分离。二、吸附类型二、吸附类型 根据吸附质和吸附剂表面之间根据吸附质和吸附剂表面之间相互作用力的不同，吸附可分为相互作用力的不同，吸附可分为物理吸附物理吸附（范德华吸附）和（范德华吸附）和

11、化学化学吸附吸附（活化吸附）。（活化吸附）。物理吸附：物理吸附：基于范德华力、氢键基于范德华力、氢键和静电力，它相当于流体中组分分和静电力，它相当于流体中组分分子在吸附剂表面上的凝聚，可以是子在吸附剂表面上的凝聚，可以是单分子层，也可以是多分子层。物单分子层，也可以是多分子层。物理吸附一般速度较快且是可逆的。理吸附一般速度较快且是可逆的。化学吸附：化学吸附：基于在固体吸附剂表基于在固体吸附剂表面发生化学反应使吸附质和吸附剂面发生化学反应使吸附质和吸附剂之间以化学键力结合的吸附过程，之间以化学键力结合的吸附过程，因此选择性较强。化学吸附一般速因此选择性较强。化学吸附一般速度较慢，只能形成单分子层

12、且不可度较慢，只能形成单分子层且不可逆。逆。一般而言，较低温度下有利于物一般而言，较低温度下有利于物理吸附，较高温度（有时可超过理吸附，较高温度（有时可超过200200）下有利于化学吸附。）下有利于化学吸附。吸附类型的判断吸附类型的判断（1 1）物理吸附热与冷凝热在一个数量级上，而化学吸附热与其）物理吸附热与冷凝热在一个数量级上，而化学吸附热与其反应热在一个数量级上；反应热在一个数量级上；（2 2）适宜温度和压力条件下，所有的气体固体体系中都将发）适宜温度和压力条件下，所有的气体固体体系中都将发生物理吸附，而化学吸附只有当气体分子与吸附剂表面能形成生物理吸附，而化学吸附只有当气体分子与吸附剂表

13、面能形成化学键时才发生；化学键时才发生；（3 3）物理吸附的吸附质分子可通过减小压力的方法较容易地解）物理吸附的吸附质分子可通过减小压力的方法较容易地解吸，而化学吸附的吸附质分子的解吸要困难得多，且容易发生吸，而化学吸附的吸附质分子的解吸要困难得多，且容易发生变化；变化；（4 4）物理吸附可以是单分子层吸附也可以是多分子层吸附，而）物理吸附可以是单分子层吸附也可以是多分子层吸附，而化学吸附通常只是单分子层吸附，某些情况下，化学吸附单分化学吸附通常只是单分子层吸附，某些情况下，化学吸附单分子层上还可能发生物理吸附；子层上还可能发生物理吸附；（5 5）物理吸附瞬时发生，而化学吸附一般需要达到一定的

14、活化）物理吸附瞬时发生，而化学吸附一般需要达到一定的活化能后才发生。能后才发生。无论是物理吸附，还是化学吸无论是物理吸附，还是化学吸附，吸附都是发生在吸附剂表面附，吸附都是发生在吸附剂表面的一种表面现象，为了增大吸附的一种表面现象，为了增大吸附容量，吸附剂应具有大的比表面容量，吸附剂应具有大的比表面积。积。物理吸附与化学吸附的比较物理吸附与化学吸附的比较理化指标理化指标 物理吸附物理吸附 化学吸附化学吸附吸附作用力吸附作用力 范德华力范德华力 化学键化学键吸附热吸附热 接近于液化热接近于液化热 接近于化学反应热接近于化学反应热选择性选择性 低低 高高吸附层吸附层 单或多分子层单或多分子层 单分

15、子层单分子层吸附速率吸附速率 快，活化能小快，活化能小 慢，活化能大慢，活化能大可逆性可逆性 可逆可逆 不可逆不可逆发生吸附温度发生吸附温度 低于吸附质临界温度低于吸附质临界温度 远高于吸附质沸点远高于吸附质沸点物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附弱,长程键范德华力相互作用(如 London 色散力,偶极力).强,短程键包括轨道重叠和电荷转移的化学键.非表面专一性只要温度足够低，任何分子在任何表面上都可以发生物理吸附表面专一性例如氢可以在过渡金属表面发生化学吸附，但不能化学吸附在金或汞上DHDHadsads=5 =5.50 kJ mol.50 kJ mol-1-1DHDHadsads=50 =50

16、.500 kJ mol.500 kJ mol-1-1无需活化平衡容易到达.温度升高吸附量总是降低能够被活化，平衡较慢到达。温度升高有利于吸附多层吸附BET 吸附等温线描述吸附平衡单分子层吸附Langmuir 吸附等温线描述吸附平衡吸附过程的选择性吸附过程的选择性:标准标准分子量或大小分子量或大小溶质形状溶质形状极性极性静电电荷静电电荷吸附过程包含的作用力吸附过程包含的作用力范德华力范德华力静电作用静电作用疏水作用疏水作用氢键氢键化学键化学键(化学吸附化学吸附)空间（立体）空间（立体）化学性质化学性质非共价作用非共价作用在水溶液中非极性基团（如碳氢链）相互靠拢、缔合的作用即所谓“疏水作用”氢键是

17、一种特殊的成键方式，只存在于某些特殊的分子-分子之间,而且一定有氢和一些电负性很强的原子的参与。与化学键的不同在于，氢键是分子与分子间的作用力，而化学键是分子内的作用力。分子或晶体中原子间（有时原子得失电子转变成离子）的强烈作用力叫做化学键化学键，键的实质是一种力。单质在形成化合物时主要有三种情况，即化学键主要有三种基本化学键主要有三种基本类型：离子键，共价键，金属键类型：离子键，共价键，金属键。1.离子键：是使阴、阳离子结合成化合物的静电作用。成键的条件是有电子的得失。如：NaCl 2.共价键：原子间通过共用电子对（电子云重叠）所形成的化学键叫做共价键。（即电子发生偏移，并无电子得失，只有共

18、用电子对，）包括：极性键、非极性键、配位键、单键、双键、叁键、键、键等类别。如：HCl 3.金属键：由于金属晶体中存在着自由电子，整个金属晶体的原子（或离子）与自由电子形成化学键。这种键可以看成由多个原子共用这些自由电子所组成，所以有人把它叫做改性的共价键。金属键没有方向性与饱和性。吸附的优缺点吸附的优缺点优点优点高选择性高选择性(亲和性吸附亲和性吸附)能够用于稀溶液能够用于稀溶液缺点缺点属于表面现象属于表面现象 ，吸附剂的内部不可以利用吸附剂的内部不可以利用 间歇或半间歇操作间歇或半间歇操作吸附剂需要频繁再生吸附剂需要频繁再生产品质量稳定性较差产品质量稳定性较差三、吸附分离实例三、吸附分离实

19、例气体分离气体分离(b)b)分离物系分离物系吸附剂吸附剂正构烷烃正构烷烃,异构烷烃异构烷烃,芳香烃芳香烃沸石分子筛沸石分子筛N N2 2/O/O2 2沸石分子筛沸石分子筛O O2 2/N/N2 2碳分子筛碳分子筛CO,CHCO,CH4 4,CO,CO2 2,N,N2 2,A,NH,A,NH3 3/H/H2 2沸石沸石,活性炭活性炭丙酮丙酮/废气流废气流活性炭活性炭C C2 2H H4 4/废气流废气流活性炭活性炭H H2 2O/O/乙醇乙醇沸石分子筛沸石分子筛气体纯化气体纯化(c)c)分离物系分离物系吸附剂吸附剂溶剂溶剂/空气空气活性炭活性炭臭味气体臭味气体/空气空气活性炭活性炭氮氧化物氮氧化

20、物/氮气氮气沸石分子筛沸石分子筛二氧化硫二氧化硫/废气流废气流沸石分子筛沸石分子筛汞蒸气汞蒸气/空气或其他混合气体空气或其他混合气体沸石分子筛沸石分子筛气体纯化气体纯化(c)c)分离物系分离物系吸附剂吸附剂水蒸气水蒸气/含烯烃的裂解气含烯烃的裂解气,天然气天然气,空气空气,合成合成气气,等等硅胶硅胶,氧化铝氧化铝,沸石分子筛沸石分子筛二氧化碳二氧化碳/乙烯乙烯,天然气天然气,等等.沸石分子筛沸石分子筛有机气体有机气体/废气流废气流活性炭活性炭含硫气体含硫气体/天然气天然气,氢气氢气,液化石油气液化石油气(LPG),LPG),等等.沸石分子筛沸石分子筛液体混合物分离液体混合物分离(b)b)分离物

21、系分离物系吸附剂吸附剂对二甲苯对二甲苯/邻二甲苯邻二甲苯,间二甲苯间二甲苯沸石分子筛沸石分子筛烯烃烯烃/烷烃烷烃沸石分子筛沸石分子筛对二乙苯对二乙苯/异构体异构体沸石分子筛沸石分子筛果糖果糖/葡萄糖葡萄糖沸石分子筛沸石分子筛液体净化液体净化(c)c)分离物系分离物系吸附剂吸附剂水水/有机物，含氧有机物、含氯有机物等有机物，含氧有机物、含氯有机物等硅胶、氧化铝、硅胶、氧化铝、活性炭活性炭臭味化合物臭味化合物/饮用水饮用水活性炭活性炭含硫化合物含硫化合物/有机物有机物沸石分子筛沸石分子筛发酵产物发酵产物/发酵罐中的流出物发酵罐中的流出物活性炭活性炭石油馏分脱色石油馏分脱色,糖浆脱色糖浆脱色,植物油

22、脱色植物油脱色,等等.活性炭活性炭生物大分子（如酶）固定化生物大分子（如酶）固定化物理吸附法将酶吸附到不溶于水的载体上而使酶固定化的方法。常使用的载体有活性炭、氧化铝、高岭土、硅胶、多孔玻璃、羟基磷灰石等。吸附法法固定化纤维素酶纤维素酶吸附法法固定脂肪酶脂肪酶 6.1.2 吸附剂吸附剂一、对吸附剂的基本要求一、对吸附剂的基本要求（1 1）较高的选择性较高的选择性以达到一定的分离要求；以达到一定的分离要求；（2 2）较大的吸附容量较大的吸附容量以减小用量；以减小用量；（3 3）较好的动力学及传递性质较好的动力学及传递性质以实现快速吸附；以实现快速吸附；（4 4）较高的化学及热稳定性较高的化学及热

23、稳定性，不溶或极难溶于待处，不溶或极难溶于待处理流体以保证吸附剂的数量和性质；理流体以保证吸附剂的数量和性质；（5 5）较高的硬度及机械强度较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀；以减小磨损和侵蚀；（6 6）较好的流动性较好的流动性以便于装卸；以便于装卸；（7 7）较高的抗污染能力较高的抗污染能力以延长使用寿命；以延长使用寿命；（8 8）较好的惰性较好的惰性以避免发生不期望的化学反应；以避免发生不期望的化学反应；（9 9）易再生易再生；（1010）价格便宜价格便宜。二、粒径及分布二、粒径及分布 为缩短组分分子在吸附剂颗粒内扩散的路程，减小为缩短组分分子在吸附剂颗粒内扩散的路程，减小传质阻力，吸附

24、剂颗粒应尽可能小，但颗粒过小时，传质阻力，吸附剂颗粒应尽可能小，但颗粒过小时，吸附床层的阻力增大，能耗增大，因此吸附剂颗粒应吸附床层的阻力增大，能耗增大，因此吸附剂颗粒应有一个适宜的粒径范围。有一个适宜的粒径范围。对于固定床吸附，处理液相物料时，颗粒粒径一般对于固定床吸附，处理液相物料时，颗粒粒径一般以以1 12 2mmmm为宜，处理气相物料时一般以为宜，处理气相物料时一般以3 35 5mmmm为宜。为宜。对于流化床吸附，既要保持颗粒悬浮又要不流失，对于流化床吸附，既要保持颗粒悬浮又要不流失，一般以一般以0.50.52 2mmmm为宜。为宜。采用槽式操作时，考虑到后续过滤的难易，一般可采用槽式

25、操作时，考虑到后续过滤的难易，一般可用数十至数百微米的细粉。用数十至数百微米的细粉。吸附剂颗粒尺寸要均一。以保证组分分子在所有颗吸附剂颗粒尺寸要均一。以保证组分分子在所有颗粒的粒内扩散时间相同，达到颗粒的最大利用率。粒的粒内扩散时间相同，达到颗粒的最大利用率。三、比表面积三、比表面积单位质量吸附剂所具有的表面积称为比表面积单位质量吸附剂所具有的表面积称为比表面积S Sg g。假定表面上吸附着一层分子，则吸附量为：假定表面上吸附着一层分子，则吸附量为：MNASXAmgm吸附量吸附量一个分子在表面上占据一个分子在表面上占据的面积，一般在的面积，一般在10-9m2数量级数量级AvogadroAvog

26、adro常数，常数，6.026.0210102323molmol-1-1相对分子质量相对分子质量 从技术经济性考虑，吸附分离方法要从技术经济性考虑，吸附分离方法要有现实意义，吸附量应达到有现实意义，吸附量应达到0.10.1g/(gg/(g吸附吸附剂剂)以上。吸附剂的比表面积一般应以上。吸附剂的比表面积一般应为数为数百百-1000-1000m m2 2/g/g，高者可达高者可达3000 3000 m m2 2/g/g。要达要达到这样大的表面积，必须使用多孔材到这样大的表面积，必须使用多孔材料。典型的工业吸附剂可以被制成球料。典型的工业吸附剂可以被制成球状、圆柱体、片状或粉体，颗粒尺寸在状、圆柱体

27、、片状或粉体，颗粒尺寸在5050mm到到1.21.2cmcm，比表面积在比表面积在30030012001200m m2 2/g/g。四、密度四、密度吸附剂及吸附剂床层的密度直接影响着吸附操作的动吸附剂及吸附剂床层的密度直接影响着吸附操作的动力消耗和吸附剂的流失。力消耗和吸附剂的流失。吸附剂的密度有真密度（固体密度）和假密度（颗粒吸附剂的密度有真密度（固体密度）和假密度（颗粒密度）两种。密度）两种。真密度真密度：spsVm颗粒质量颗粒质量固体体积固体体积假密度假密度：pppVm颗粒质量颗粒质量整个颗粒的体整个颗粒的体积（固体体积积（固体体积孔体积）孔体积）装填了吸附剂的吸附剂床层的密度通常用堆密

28、度表示，装填了吸附剂的吸附剂床层的密度通常用堆密度表示，即即单位床层体积内吸附剂的质量。单位床层体积内吸附剂的质量。五、孔径分布五、孔径分布吸附剂中的孔径都是有一定分布的。吸附剂中的孔径都是有一定分布的。孔径分布常用孔径与孔容之间的关系来表示。孔径分布常用孔径与孔容之间的关系来表示。几种吸附剂的孔径分布曲线几种吸附剂的孔径分布曲线Non-porous solids:very low surface areaPorous solids:medium high surface area,porevolume and dimensionParticulates:particle size andsu

29、rface areaCatalysts:activated sites onporous support or powderThe concept of porosityThe concept of porosityType of PoresType of PoresDead endClosedInter-connectedPassingShape of PoresShape of PoresConicalSlitsCylindricalSpherical orInk BottleIntersticesA simple pore structure made of 1300 pores 700

30、 nodes and simple cylindrical geometryA more complex simulation of 11000 pores,7500 nodes and large internal voids 吸附剂孔结构吸附剂孔结构吸附对孔径分布的要求主要有两方面：吸附对孔径分布的要求主要有两方面：（1 1）孔径不应小于吸附质的尺寸；）孔径不应小于吸附质的尺寸；（2 2）孔径大小应有适宜的分布，从而使吸）孔径大小应有适宜的分布，从而使吸附质分子在粒内的扩散过程顺畅。附质分子在粒内的扩散过程顺畅。孔径分布的常用测定方法有孔径分布的常用测定方法有压汞法压汞法和和氮气解吸法氮气

31、解吸法。压汞法适用于测定大孔径（压汞法适用于测定大孔径（100100）吸附剂的孔径分布；吸附剂的孔径分布；氮气解吸法适用于孔径为氮气解吸法适用于孔径为1515250250 范围内的孔径分布；范围内的孔径分布；当孔径当孔径1515 时，可用分子筛法测定。时，可用分子筛法测定。六、六、孔隙率、孔容和床层空隙率孔隙率、孔容和床层空隙率单位体积吸附剂中微孔的体积称为单位体积吸附剂中微孔的体积称为孔隙率孔隙率：指材料体积指材料体积内孔隙体积占材料总体积的百分率。内孔隙体积占材料总体积的百分率。spp1单位质量吸附剂中微孔的体积称为单位质量吸附剂中微孔的体积称为孔容孔容（cmcm3 3/g/g）：）：pp

32、pV注意不要与空隙度混淆，它是单位质量催化剂颗粒间堆积空隙(空隙体积)与总堆积体积之比，反映堆积的松密程度。孔容是吸附剂的有效体积，它是用饱和吸附量推算出来的值，也就是吸附剂能容纳吸附质的体积，所以孔容以大为好。吸附剂的孔体积（Vk）不一定等于孔容（VP），吸附剂中的微孔才有吸附作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的体积，一般要比VP大。吸附剂的孔容一般在吸附剂的孔容一般在0.10.11 1cmcm3 3/g/g。由微粒堆积而成的吸附剂中的孔是微粒与由微粒堆积而成的吸附剂中的孔是微粒与微粒之间的空隙，其孔容与微粒的形状和堆积微粒之间的空隙，其孔容与微粒的形状和堆积的配位数有关。毛细

33、管状的孔多为树枝状。多的配位数有关。毛细管状的孔多为树枝状。多孔晶体的孔的尺寸、形状和孔容决定于晶体骨孔晶体的孔的尺寸、形状和孔容决定于晶体骨架的结构。在孔径相同的前提下，孔容大则比架的结构。在孔径相同的前提下，孔容大则比表面积大。表面积大。在借凝聚作用回收可凝气体时，应选用孔在借凝聚作用回收可凝气体时，应选用孔容较大的吸附剂；而利用选择性吸附分离混合容较大的吸附剂；而利用选择性吸附分离混合物时，则应选用比表面积大的吸附剂。物时，则应选用比表面积大的吸附剂。一般情况下硅胶的比表面随着孔容的增大而降低 吸附剂填充床的吸附剂填充床的床层空隙率床层空隙率：pbb1空隙率是指填料间自由空隙占总床层体积

34、的分数。=床层空隙体积/床层总体积 =(床层体积-颗粒所占体积)/床层总体积 堆密度:固体质量/床层体积假密度(颗粒密度)床层堆积的松散程度七、七、几种常用的吸附剂几种常用的吸附剂 吸附剂按其化学结构可分为有机吸附剂按其化学结构可分为有机吸附剂和无机吸附剂。吸附剂和无机吸附剂。常用的有机吸附剂有常用的有机吸附剂有活性炭活性炭、球、球性炭化树脂、聚酰胺、纤维素、性炭化树脂、聚酰胺、纤维素、大孔大孔树脂树脂等；等；常用的无机吸附剂有常用的无机吸附剂有硅胶硅胶、活性活性氧化铝氧化铝、硅藻土硅藻土、分子筛分子筛等。等。（1 1）活性炭）活性炭 活性炭活性炭是一类碳质吸附剂的总称，品种很多。几乎是一类碳

35、质吸附剂的总称，品种很多。几乎所有的有机物都可以作为制造活性炭的原料，如泥所有的有机物都可以作为制造活性炭的原料，如泥炭、褐煤、烟煤、重质石油馏分、木材、果壳、纸浆炭、褐煤、烟煤、重质石油馏分、木材、果壳、纸浆废液等。将原料在隔绝空气的条件下加热至废液等。将原料在隔绝空气的条件下加热至600600左右左右（有时还加添加剂），使其热分解，得到的残碳再在（有时还加添加剂），使其热分解，得到的残碳再在800800以上高温下与空气、水蒸气或二氧化碳反应使其以上高温下与空气、水蒸气或二氧化碳反应使其烧蚀，便生成多孔的活性炭。烧蚀，便生成多孔的活性炭。活性炭具有吸附力强，分离效果好，来源比较容活性炭具有吸

36、附力强，分离效果好，来源比较容易，价格便宜。但由于活性炭生产原料和制备方法不易，价格便宜。但由于活性炭生产原料和制备方法不同，因此吸附性能的可重复性很难控制。另外活性炭同，因此吸附性能的可重复性很难控制。另外活性炭色黑质轻，有时会造成环境污染。色黑质轻，有时会造成环境污染。活性炭的分类可分为粉末状活性炭、颗粒状活性炭活性炭的分类可分为粉末状活性炭、颗粒状活性炭和锦纶和锦纶-活性炭三类。活性炭三类。粉状活性炭粉状活性炭颗粒极细，呈粉末状，其表面积、吸附颗粒极细，呈粉末状，其表面积、吸附力和吸附量都非常大，是活性炭中吸附力最强的一力和吸附量都非常大，是活性炭中吸附力最强的一类。但因其颗粒太细，给后

37、续过滤操作带来困难。类。但因其颗粒太细，给后续过滤操作带来困难。颗粒状活性炭颗粒状活性炭的颗粒粒径较前者大，表面积相应减的颗粒粒径较前者大，表面积相应减小，吸附力与吸附量次于粉末状活性炭，但过滤较前小，吸附力与吸附量次于粉末状活性炭，但过滤较前者容易。者容易。锦纶锦纶-活性炭活性炭是以锦纶为粘合剂，将粉末状活性炭制是以锦纶为粘合剂，将粉末状活性炭制成颗粒。其表面积较纯颗粒状活性炭大，较粉末状活成颗粒。其表面积较纯颗粒状活性炭大，较粉末状活性炭小，但吸附能力较两者都弱。锦纶不仅起粘合作性炭小，但吸附能力较两者都弱。锦纶不仅起粘合作用，也起着脱活性作用，因此可用于分离前两种活性用，也起着脱活性作用

38、，因此可用于分离前两种活性炭吸附太强而不易解吸的物质，如分离酸性氨基酸或炭吸附太强而不易解吸的物质，如分离酸性氨基酸或碱性氨基酸，效果良好。碱性氨基酸，效果良好。活性炭纤维活性炭纤维是用炭素纤维活化而制得的一种纤维状是用炭素纤维活化而制得的一种纤维状吸附剂，可做成毛毡状、纸片状、布料状、蜂巢状吸附剂，可做成毛毡状、纸片状、布料状、蜂巢状等。活性纤维的外表面积比颗粒活性炭大，吸附和解等。活性纤维的外表面积比颗粒活性炭大，吸附和解吸速度比颗粒状活性炭大，且阻力小，容易使气体或吸速度比颗粒状活性炭大，且阻力小，容易使气体或液体透过，近年来作为活性炭新品种正在推广应用。液体透过，近年来作为活性炭新品种

39、正在推广应用。球形炭化树脂球形炭化树脂是采用球形大孔吸附树脂为原料，经是采用球形大孔吸附树脂为原料，经炭化、高温裂解及活化制成的吸附剂。与其他形状活炭化、高温裂解及活化制成的吸附剂。与其他形状活性炭相比，球形炭化树脂不易掉屑而污染被处理物性炭相比，球形炭化树脂不易掉屑而污染被处理物系，且可与被处理气体或液体均匀接触，气体和液体系，且可与被处理气体或液体均匀接触，气体和液体通过球形吸附剂床层时的阻力小。通过控制聚合条通过球形吸附剂床层时的阻力小。通过控制聚合条件，改变原料配比等手段可得到不同孔结构和不同性件，改变原料配比等手段可得到不同孔结构和不同性能的炭化树脂。能的炭化树脂。炭分子筛（炭分子筛

40、（CMSCMS）较活性炭具有更小的孔径（较活性炭具有更小的孔径（2 21010）和更窄的孔径分布，可用于分离更小的气体分和更窄的孔径分布，可用于分离更小的气体分子，如从空气中分离子，如从空气中分离N N2 2。（2 2）活性氧化铝）活性氧化铝 活性氧化铝（活性氧化铝（AlAl2 2O O3 3nHnH2 2O O）是氢氧化铝胶体经加热脱是氢氧化铝胶体经加热脱水后制成的一种多孔大表面吸附剂。水后制成的一种多孔大表面吸附剂。通过控制氢氧化铝晶粒尺寸和堆积配位数可以控制通过控制氢氧化铝晶粒尺寸和堆积配位数可以控制氧化铝的孔容、孔径和表面积。由铝土矿加热脱水可氧化铝的孔容、孔径和表面积。由铝土矿加热脱

41、水可制成天然活性氧化铝。氧化铝按品型可分为制成天然活性氧化铝。氧化铝按品型可分为、和和共共8 8种。通常所说的种。通常所说的“活性活性氧化铝氧化铝”是指是指-Al-Al2 2O O3 3或是或是、和和氧化铝的混和氧化铝的混和物。物。活 性 氧 化 铝 具 有 相 当 大 的 比 表 面 积（活 性 氧 化 铝 具 有 相 当 大 的 比 表 面 积（2 0 02 0 0 400400m m2 2/g/g），），且机械强度高，物化稳定性高，耐高温，且机械强度高，物化稳定性高，耐高温，抗腐蚀，但不宜在强酸、强碱条件下使用。活性氧化抗腐蚀，但不宜在强酸、强碱条件下使用。活性氧化铝表面的活性中心是羟基

42、和路易斯酸中心，极性强，铝表面的活性中心是羟基和路易斯酸中心，极性强，对水有很强的亲和作用。活性氧化铝广泛应用于脱除对水有很强的亲和作用。活性氧化铝广泛应用于脱除气体中的水，也常用作色谱柱填充材料。气体中的水，也常用作色谱柱填充材料。（3 3）硅胶和硅藻土）硅胶和硅藻土 硅胶（硅胶（SiOSiO2 2nHnH2 2O O）是用是用NaNa2 2SiOSiO3 3与无机酸反应生成与无机酸反应生成H H2 2SiOSiO3 3，其水合物在适宜的条件下聚合、缩合而成为硅其水合物在适宜的条件下聚合、缩合而成为硅氧四面体的多聚物，即硅溶胶，硅溶胶经凝胶化、洗氧四面体的多聚物，即硅溶胶，硅溶胶经凝胶化、洗

43、盐和脱水成为硅胶。可见，硅胶是盐和脱水成为硅胶。可见，硅胶是SiOSiO2 2微粒的堆积物微粒的堆积物，因此，通过控制胶团的尺寸和堆积配位数可以控制，因此，通过控制胶团的尺寸和堆积配位数可以控制硅胶的孔容、孔径和表面积。硅胶的表面保留着大约硅胶的孔容、孔径和表面积。硅胶的表面保留着大约5 5wt.wt.的羟基，是硅胶的吸附活性中心。在的羟基，是硅胶的吸附活性中心。在200200以上以上羟基会脱去，所以硅胶的活化温度应低于羟基会脱去，所以硅胶的活化温度应低于200200。极性化合物如水、醇、醚、酮、酚、胺、吡啶等能极性化合物如水、醇、醚、酮、酚、胺、吡啶等能与硅胶表面的羟基生成氢键，吸附力很强。

44、对极性高与硅胶表面的羟基生成氢键，吸附力很强。对极性高的分子如芳香烃、不饱和烃等的吸附能力次之。对饱的分子如芳香烃、不饱和烃等的吸附能力次之。对饱和烃、环烷烃等只有色散力的作用，吸附力最弱。硅和烃、环烷烃等只有色散力的作用，吸附力最弱。硅胶常作为干燥剂用于气体或液体的干燥脱水，也可用胶常作为干燥剂用于气体或液体的干燥脱水，也可用于分离烷烃与烯烃、烷烃与芳烃，同时硅胶也是常用于分离烷烃与烯烃、烷烃与芳烃，同时硅胶也是常用的色谱柱填充材料。的色谱柱填充材料。分子间作用力可分为诱导力，取向力和色散力色散力 硅藻土硅藻土是由硅藻类植物死亡后的硅酸盐遗骸是由硅藻类植物死亡后的硅酸盐遗骸形成的，基本质是含

45、水的无定形形成的，基本质是含水的无定形SiOSiO2 2，并含有并含有少量少量FeFe2 2O O3 3、MgOMgO、AlAl2 2O O3 3及有机杂质，外观一般及有机杂质，外观一般呈浅黄色或浅灰色，优质的呈白色，质软，多呈浅黄色或浅灰色，优质的呈白色，质软，多孔而轻。硅藻土的多孔结构使它成为一种良好孔而轻。硅藻土的多孔结构使它成为一种良好吸附剂，在食品、化工生产中常用来作助滤剂吸附剂，在食品、化工生产中常用来作助滤剂及脱色剂。及脱色剂。（4 4）沸石分子筛）沸石分子筛 沸石分子筛沸石分子筛是结晶铝硅酸金属盐的水合物，是结晶铝硅酸金属盐的水合物，其化学通式为：其化学通式为：M Mx/mx/

46、m(AlO(AlO2 2)x x(SiO(SiO2 2)y y zHzH2 2O O。M M代表阳离子，代表阳离子，m m表示其价态数，表示其价态数，z z表示水合数，表示水合数，x x和和y y是整数。沸石分子筛活化后，水分子被除是整数。沸石分子筛活化后，水分子被除去，余下的原子形成笼形结构，孔径为去，余下的原子形成笼形结构，孔径为3 31010。分子筛晶体中有许多一定大小的空穴，。分子筛晶体中有许多一定大小的空穴，空穴之间有许多同直径的孔（也称空穴之间有许多同直径的孔（也称“窗口窗口”）相连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附相连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附到空穴内部，而把比孔径大

47、的分子排斥在其空到空穴内部，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，故得名分子筛。穴外，起到筛分分子的作用，故得名分子筛。（a a）A A 型型 （b b）X X 型型两种常用沸石分子筛的结构两种常用沸石分子筛的结构A A 型型:8:8个十四面体位于立方体的个十四面体位于立方体的8 8个顶点，以四元环通过个顶点，以四元环通过T-O-TT-O-T键相互联结，围成一个二十六面体笼，键相互联结，围成一个二十六面体笼，NaANaA型沸石有效孔径型沸石有效孔径0.40.4纳米，故又称纳米，故又称4A4A分子筛，分子筛，KAKA型沸石又称型沸石又称3A3A分子筛，分子筛，CaCa型沸石又型沸

48、石又称称5A5A分子筛分子筛X X 型型:结构单元与结构单元与A A型沸石相同，型沸石相同，8 8个十四面体笼，但排列方式个十四面体笼，但排列方式不同，按金刚石晶体式样排列，以六元环通过不同，按金刚石晶体式样排列，以六元环通过T-O-TT-O-T键相互联结键相互联结 沸石分子筛沸石分子筛的吸附作用有两个特点：的吸附作用有两个特点：（1 1）表面上的路易斯中心极性很强；）表面上的路易斯中心极性很强；（2 2）沸石中的笼或通道的尺寸很小，使得其中）沸石中的笼或通道的尺寸很小，使得其中的引力场很强。的引力场很强。因此，其对吸附质分子的吸附能力远超过因此，其对吸附质分子的吸附能力远超过其他类型的吸附剂

49、。即使吸附质的分压（或浓其他类型的吸附剂。即使吸附质的分压（或浓度）很低，吸附量仍很可观。沸石分子筛的吸度）很低，吸附量仍很可观。沸石分子筛的吸附分离效果不仅与吸附质分子的尺寸和形状有附分离效果不仅与吸附质分子的尺寸和形状有关，而且还与其极性有关，因此，沸石分子筛关，而且还与其极性有关，因此，沸石分子筛也可用于尺寸相近的物质的分离。也可用于尺寸相近的物质的分离。ZSM-5ZSM-5（基本结构单元由五元环组成，主孔（基本结构单元由五元环组成，主孔道窗口为十元环）道窗口为十元环）ZSM-12 ZSM-12（主孔道窗口为十二元环）（主孔道窗口为十二元环）（5 5）吸附树脂）吸附树脂吸附树脂指的是一类

50、高分子聚合物。常用的吸附树脂指的是一类高分子聚合物。常用的有有聚苯乙烯树脂聚苯乙烯树脂和和聚丙烯酸酯树脂聚丙烯酸酯树脂等。等。吸附树脂品种很多，吸附树脂品种很多，单体单体的变化和的变化和单体上官单体上官能团能团的变化可赋予树脂以各种特殊的性能。的变化可赋予树脂以各种特殊的性能。吸附树脂可分为吸附树脂可分为非极性非极性、中极性中极性、极性极性及及强强极性极性四类。四类。吸附树脂可用于除去废水中的有机物，糖液吸附树脂可用于除去废水中的有机物，糖液脱色，天然产物和生物化学制品的分离与精脱色，天然产物和生物化学制品的分离与精制等。制等。大孔吸附树脂广泛应用于制药及大孔吸附树脂广泛应用于制药及天然植物中