吸附材料的特点、应用及发展

/吸附材料的特点、应用及进展1、概述吸附法是利用吸附剂吸附废水中某种或几种污染物，以便回收或去除它们，从而使废水得到净化的方法。利用吸附法进行物质分别已有漫长的历史，国内外的科研工在这方面作了大量的讨论工作，目前吸附法已广泛应用于化工、环境保护、医药卫生和生物工程等领域。在化工和环境保护方面，吸附法重要用于净化废气、回收溶剂（特别适用于腐蚀性的氯化烃类化合物、反应性溶剂和低沸点溶剂）和脱除水中的微量污染物。后者的应用范围包括脱色、除臭味、脱除重金属、除去各种溶解性有机物和放射性元素等。在处理流程中，吸附法可作为离子交换、膜分别等方法的预处理，以去除有机物、胶体及余氯等，也可作为二级处理后的深度处理手段，以便保证回用水质量。利用吸附法进行水处理，具有适应范围广、处理效果好、可回收有用物料以及吸附剂可重复使用等优点，随着现有吸附剂性能的不断完善以及新型吸附剂的研制成功，吸附法在水处理中的应用前景将更加广阔。吸附剂是决议高效能的吸附处理过程的关键因素，广义而言，一切固体都具有吸附本领，但是只有多孔物质或磨得极细的物质由于具有很大的表面积，才能作为吸附剂。工业上常用的吸附剂有：活性氧化铝、硅胶、活性炭、分子筛等，另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的吸附材料。气体吸附分别成功与否，极大程度上倚靠于吸附剂的性能，因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。工业吸附剂还必需充足下列要求：（1）吸附本领强；（2）吸附选择性好；（3）吸附平衡浓度低；（4）简单再生和再利用；（5）机械强度好；（6）化学性质稳定；（7）来源广；（8）价廉。2、几种常见吸附剂的特性（1）活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成，它的性质取决于最初氢氧化物的结构状态，一般都不是纯粹的Al2O3，而是水合无定形的多孔结构物质，其中不仅有无定形的凝胶，还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具有较高的活性，故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力，是一种对微量水深度干燥用的吸附剂。在肯定操作条件下，它的干燥深度可达露点‐７０℃以下。市售的层析用氧化铝有碱性、中性和酸性三种类型，粒度规格大多为100～150目。碱性氧化铝（pH910）：适用于碱性物质（如胺、生物碱）和对酸敏感的样品（如缩醛、糖苷等），也适用于烃类、甾体化合物等中性物质的分别。但这种吸附剂能引起被吸附的醛、酮的缩合。酯和内酯的水解、醇羟基的脱水、乙酰糖的去乙酰化、维生素A和K等的破坏等不良副反应。所以，这些化合物不宜用碱性氧化铝分别。酸性氧化铝（pH3.54.5）：适用于酸性物质如有机酸、氨基酸等以及色素和醛类化合物的分别。中性氧化铝（pH77.5）：适用于醛、酮、醌、苷和硝基化合物以及在碱性介质中不稳定的物质如酯、内酯等的分别，也可以用来分别弱的有机酸和碱等。（2）硅胶：硅胶是硅酸的脱水后的产物，其成分是SiO2xH2O，又叫缩水硅酸。是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，为一种亲水性的极性吸附剂。它是用硫酸处理硅酸钠的水溶液，生成凝胶，并将其水洗除去硫酸钠后经干燥，便得到玻璃状的硅胶，它重要用于干燥、气体混合物及石油组分的分别等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下，吸附量可达吸附剂重量的８０％以上，而在低湿度条件下，吸附量大大低于细孔硅胶。适用范围：非极性和极性化合物，适用于芳香油、萜类、甾体、生物碱、强心甙、蒽醌类、酸性、酚性化合物、磷脂类、脂肪酸、氨基酸，以及一系列合成产品如有机金属化合物等。近年来硅胶的生产呈现出快速进展态势，专业化分工趋于细化，技术进步促使应用领域不断拓展，北美、欧盟、我国、日韩和东南亚地区是重要的技术研发和市场所在地，产能集中，特点明显。我国仍以低端产品为主。近年来，硅胶技术呈现出明显的专业化分工进展趋势，基础硅胶在我国进展迅猛，微粉硅胶在欧美和日韩获得长足进步。基础硅胶和微粉硅胶在形态和性能上的差异，成为多样化应用进展的直接动力。（3）活性炭吸附剂中活性炭应用于水处理已有几十年的历史。60时代后有很大进展，国内外的科研工已在活性炭的研制以及应用讨论方面作了大量的工作。制作活性炭的原材料种类多、来源丰富，包括动植物（如木材、锯木屑、木炭、谷壳、椰子壳、稻麦杆、坚果壳、脱脂牛骨、鱼骨等）、煤（泥煤、褐煤、沥青煤、无烟煤等）、石油副产物（石油残渣、石油焦等）、纸浆废物、合成树脂以及其他有机物（如废轮胎）等。是将木炭、果壳、煤等含碳原材料经炭化、活化后制成的。活化方法可分为两大类，即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原材料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品，在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气体活化法是把活性炭原材料在非活性气氛中加热，通常在700℃以下除去挥发组分以后，通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等，并在700～1200℃温度范围内进行反应使其活化。活性炭含有很多毛细孔构造所以具有优异的吸附本领。但是，活性炭因生产工艺、原材料的不同，性能悬殊特别大，用途也不一样，目前工业上使用的活性炭有粒状和粉状两种，其中以粒状为主。与其他吸附剂相比，活性炭具有巨大的比表面积以及微孔特别发达等特点，因此是目前废水处理中普遍采纳的吸附剂。刘明华等曾用本身研制成功的活性炭处理制革废液中的硫化物，取得了很好的效果。此外，活性炭还可以用于炼油、含酚、印染、氯丁橡胶、腈纶、三硝基甲苯、重金属、含氟、含氯等废水的处理以及生活饮用水中有害物质的处理。活性炭的再生是活性炭能否广泛使用的关键问题，因此国内外在这方面进行了大量的讨论。目前，活性炭的再生方法重要有加热再生法、药剂再生法、化学再生法、湿式氧化再生法和生物再生法等。用加热再生法处理活性炭时，炭的损失率高，而且再生成本也较高，而药剂再生法处理成本高并易造成二次污染，因此化学再生法（如臭氧再生法）、生物再生法和湿式氧化再生法是今后活性炭再生方法的进展方向。与国外同类产品相比，我国活性炭存在产量少、质量差、使用寿命短、再生率低等缺点，因此如何改进活性炭生产工艺，提高其产量和质量是当前迫切需要解决的问题。（4）分子筛a、沸石分子筛又称合成（沸石）或分子筛，其化学构成通式为：[M2（Ⅰ）M（Ⅱ）]O.Al2O3.nSiO2.mH2O，式中M2（Ⅰ）和M（Ⅱ）分别为为一价和二价金属离子，多半是钠和钙，n称为沸石的硅铝比，硅重要来自于硅酸钠和硅胶，铝则来自于铝酸钠和Al（HO）3等，它们与氢氧化钠水溶液反应制得的胶体物，经干燥后便成沸石，一般n=2～10,m=0～9。沸石的特点是具有分子筛的作用，它有均匀的孔径，如3A0、4A0、5A0、10A0细孔。有4A0孔径的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三个碳以上的正烷烃。它已广泛用于气体吸附分别、气体和液体干燥以及正异烷烃的分别。b、碳分子筛实际上也是一种活性炭，它与一般的碳质吸附剂不同之处，在于其微孔孔径均匀地分布在一狭窄的范围内，微孔孔径大小与被分别的气体分子直径相当，微孔的比表面积一般占碳分子筛全部表面积的90%以上。碳分子筛的孔结构重要分布形式为：大孔直径与碳粒的外表面相通，过渡孔从大孔分支出来，微孔又从过渡孔分支出来。在分别过程中，大孔重要起运输通道作用，微孔则起分子筛的作用。以煤为原材料制取碳分子筛的方法有碳化法、气体活化法、碳沉积法和浸渍法。其中炭化法最为简单，但要制取高质量