吸附分离技术与理论

吸附分离技术与理论第一页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附现象

A rain–damp(吸湿)

B 冰箱除异味C 变色硅胶第二页，共一百页，编辑于2023年，星期二内容提要：1.吸附的一般过程。2.吸附的类型及主要特点。3.吸附平衡理论概述。4.吸附过程及工艺计算。5.亲和吸附剂的选择原则。6.离子交换树脂的分类及作用机理。第三页，共一百页，编辑于2023年，星期二1基本概念定义：吸附是利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面，再用适当的洗脱剂将其解吸达到分离纯化的过程。液相(气相)→固相——吸附剂、吸附物应用：广泛应用于原料脱色、脱臭，目标产物提取、浓缩和粗分离吸附剂吸附质脱附：吸附的逆过程第四页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附过程通常包括：待分离料液与吸附剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。料液与吸附剂混合吸附质被吸附料液流出吸附质解吸附Step1Step2Step3Step4第五页，共一百页，编辑于2023年，星期二常用于从稀溶液中将溶质分离出来，由于受固体吸附剂的限制，处理能力较小；对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特别重要；可直接从发酵液中分离所需的产物，成为发酵与分离的耦合过程，从而可消除某些产物对微生物的抑制作用；溶质和吸附剂之间的相互作用及吸附平衡关系通常是非线性关系，故设计比较复杂，实验的工作量较大。吸附法的特点：优点：有机溶剂掺入少操作简便，安全，设备简单pH变化小，适于稳定性差的物质缺点：选择性差收率低无机吸附剂性能不稳定不能连续操作，劳动强度大碳粉等吸附剂有粉尘污染第六页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附机理固体的表面性质——固体表面分子（或原子）所处的状态与固体内部分子（或原子）所处的状态不同界面固体表面分子(或原子)处于特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称的，故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。第七页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附类型与特性物理吸附化学吸附交换吸附极性吸附离子交换吸附第八页，共一百页，编辑于2023年，星期二

实际过程中物理和化学吸附是主要的，比较如下吸附性能物理吸附化学吸附作用力分子引力（范德华力）剩余化学键力选择性没有选择性有选择性吸附层单分子或多分子吸附层只能形成单分子吸附层吸附热较小，⋖41.9kj/mol较大，相当于化学反应热，83.7-418.7kj/mol吸附速度快，几乎不要活化能较慢，需要活化能温度放热过程，低温有利于吸附温度升高，吸附速度增加可逆性可逆，较易解析化学键大时，吸附不可逆第九页，共一百页，编辑于2023年，星期二多孔型：活性炭、硅胶、硅藻土；大网格吸附剂：有机高分子材料，如聚苯乙烯，聚酯。凝胶型：纤维素凝胶，琼脂糖凝胶，匍聚糖凝胶等。

2吸附分离介质第十页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附剂通常应具备以下特征：（1）较高的选择性以达到一定的分离要求；（2）较大的吸附容量以减小用量；（3）较好的动力学及传递性质以实现快速吸附；（4）较高的化学及热稳定性，不溶或极难溶于待处理流体以保证吸附剂的数量和性质；（5）较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀；（6）较好的流动性以便于装卸；（7）较高的抗污染能力以延长使用寿命；（8）较好的惰性以避免发生不期望的化学反应；（9）易再生；（10）价格便宜。第十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二粒状碳成品粉状碳成品活化→洗涤→捏合成型→炭化炭化→破碎、造粒原料→干燥→筛分制造过程示意图活化：把碳渣造成发达的多孔结构主要有两种方法：（1）气体法；（2）药剂法。一般来说，吸附量主要受小孔支配，但对于分子量（或分子直径）较大的吸附质，小孔几乎不起作用。所以，在实际应用中，应根据吸附质的直径大小和活性炭的孔径分布来选择合适的活性炭。1）组成结构：由木屑、兽骨、兽血或煤屑等原料高温（800℃）碳化而成的多孔网状结构活性炭第十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二第十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二活性炭种类颗粒大小表面积吸附力吸附量洗脱粉末活性炭小大大大难颗粒活性炭较小较大较小较小难锦纶活性炭大小小小易粉末活性炭锦纶活性炭2）种类：粉末活性炭、颗粒活性炭、锦纶活性炭吸附能力为粉末活性炭＞颗粒活性炭＞锦纶活性炭第十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二活性炭纤维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，容易使气体或液体透过，近年来作为活性炭新品种正在推广应用。

球形炭化树脂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能的炭化树脂。

炭分子筛（CMS）较活性炭具有更小的孔径（2～10Å）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N2。第十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二活性炭对物质的吸附规律非极性吸附剂，在极性介质中，对非极性物质具有较强的吸附，因此在水中吸附能力大于有机溶剂中的吸附能力。针对不同的物质，活性炭的吸附遵循以下规律：（1）对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物（2）对芳香族化合物的吸附能力大于脂肪族化合物（3）对相对分子量大的化合物的吸附力大于相对分子量小的化合物（4）pH值的影响碱性中性吸附酸性洗脱酸性中性吸附碱性洗脱（5）温度未平衡前随温度升高而增加第十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二活性碳净水处理活性碳应用于工业废水，主要为有机物、氯气及微量不纯物之去除，其亦常与离子交换树脂组合以制造超纯水。用于废水处理，主要是去除一般难处理之有机化合物、卤化物、酚类、水银及一些无机金属离子，如：Sb,As,Bi,Cr及Sn等。活性碳的选择依处理的水別及目的其也各不相同。（1）饮用水水源之净化，包括水内含色、臭、合成洗涤剂及农药等之去除（2）工业及产业用水之处理

（3）家庭废水之处理及再利用（4）工业及产业废水之处理及再利用（5）垃圾渗出水处理第十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二再生：指在吸附剂本身结构不发生或极少发生变化的情况下，用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去，以达到能够重复使用的目的。

1）加热再生法：分为高温再生和低温再生；一般采用高温再生。

2）脱水（活性炭与液体分离）－干燥（100－150度）－炭化（300－700

度）－活化（用蒸汽）－冷却

3）药剂再生法：酸碱、有机溶剂

4）化学氧化法：湿式氧化、臭氧

5）生物再生法：利用微生物作用

活性碳的再生第十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二

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。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制成天然活性氧化铝。氧化铝按品型可分为α、γ、θ、δ、η、χ、κ、和ρ共8种。通常所说的“活性氧化铝”是指γ-Al2O3或是γ、χ和η氧化铝的混和物。活性氧化铝具有相当大的比表面积（200～400m2/g），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气体中的水，也常用作色谱柱填充材料。活性氧化铝（Al2O3·nH2O）第十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二是用Na2SiO3与无机酸反应生成H2SiO3，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、洗盐和脱水成为硅胶。硅胶是SiO2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硅胶的孔容、孔径和表面积。硅胶的表面保留着大约5wt％的羟基，是硅胶的吸附活性中心。在200℃以上羟基会脱去，所以硅胶的活化温度应低于200℃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。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。硅胶（SiO2·nH2O）第二十页，共一百页，编辑于2023年，星期二是由硅藻类植物死亡后的硅酸盐遗骸形成的，基本质是含水的无定形SiO2，并含有少量Fe2O3、MgO、Al2O3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及脱色剂。硅藻土第二十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二磷酸钙凝胶1）组成结构：Ca3（PO4）2

，多孔网状结构凝胶2）种类：磷酸钙—Ca3（PO4）2

；磷酸氢钙—CaHPO4.

2H2O；羟基磷酸钙—Ca5（PO4）3.OH

3）吸附性质：其中Ca2+与蛋白质负电荷基团的静电吸附作用第二十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二是结晶铝硅酸金属盐的水合物，其化学通式为：Mx/m[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O。M代表阳离子，m表示其价态数，z表示水合数，x和y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3～10Å。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“窗口”）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。沸石分子筛第二十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二（a）A型（b）X型两种常用沸石分子筛的结构第二十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二指的是一类高分子聚合物。常用的有聚苯乙烯树脂和聚丙烯酸酯树脂等。吸附树脂品种很多，单体的变化和单体上官能团的变化可赋予树脂以各种特殊的性能。吸附树脂可分为非极性、中极性、极性及强极性四类。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制等。吸附树脂1)组成结构：有机高分子聚合物的多孔网状结构2)特点：选择性好；解吸容易；机械强度好；流体阻力较小；价格高3）类型：非极性吸附剂——芳香族（苯乙烯等）中等极性吸附剂——脂肪族（甲基丙烯酸酯等）极性吸附剂——含硫氧、酰氨、氮氧等基团第二十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二

大孔吸附树脂广泛应用于制药及天然植物中活性成分如皂甙、黄酮、内脂、生物碱等大分子化合物的提取分离。对人参皂甙、三七皂甙、绞股兰皂甙、薯蓣皂甙、甜菊皂甙、甘草甜素、银杏黄酮内脂，山楂黄酮、黄芪皂甙、橙皮甙、淫羊藿黄酮、大豆异黄酮、茶多酚、洋地黄强心甙、麻黄精粉、柚甙、毛冬青黄酮甙、红豆杉生物碱、多种天然色素、中药复方药物提取等以及生物化学制品的净化、分离、回收都有良好的效果。并在抗生素、维生素、氨基酸、蛋白质提纯,生化制药方面有很广泛的应用。第二十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附过程的影响因素1.吸附剂的特性（组成结构、容量、稳定性）2.吸附物的性质（熔点、缔合、离解、氢键等）3.溶剂（单、混合）4.吸附操作条件1）温度2）pH值3）盐的浓度第二十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附剂的性能表征化学成分材料结构比表面积：单位质量物体所具有的表面积(m2/g)

测量方法：BET法

一般采用B.E.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮温度下(-196°C)，用吸附剂吸附氮气，在吸附剂表面形成单分子吸附层，测定氮气的吸附体积vm(cm3/g)，计算比表面积a(cm2/g):

N-阿弗加德罗常数，

s-被吸附分子的横截面积，在-196℃

氮气分子的s=1.6210-15cm2。第二十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二平均孔径、及其分布，孔隙率测量方法：常用测定方法有压汞法和氮气解吸法压汞法适用于测定大孔径（>100Å）吸附剂的孔径分布；氮气解吸法适用于孔径为15～250Å范围内的孔径分布；孔径<15Å时，可用分子筛法测定压汞法

吸附剂的孔径及分布可采用水银压入法，利用汞孔度计测定。当压力升高时，水银可进入到细孔中，压力p与孔径d的关系为

-水银的表面张力(0.48N/m2)，-水银与细孔壁的接触角(=140°)

通过测定水银体积与压力之间的关系即可求出孔径的分布情况。第二十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二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第三十页，共一百页，编辑于2023年，星期二TypeofPoresDeadendClosedInter-connectedPassing通常将孔半径大于0.1μm的称为大孔，2×10-3～0.1μm的称为过渡孔，而小于2×10-3的称为微孔。大部分吸附表面积由微孔提供。第三十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二Asimpleporestructuremadeof1300pores700nodesandsimplecylindricalgeometry第三十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二Amorecomplexsimulationof11000pores,7500nodesandlargeinternalvoids

第三十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附剂孔结构第三十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二离子交换离子交换的分类：按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂(cationexchange)（含酸性基团）和阴离子交换树脂(anionexchange)（含碱性基团）。具体又可以分为：强阳、弱阳强阴、弱阴第三十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二离子交换的一般过程第三十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二常用的离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）；弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH,

-OCH2COOH,C6H5OH等弱酸性基团；强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团，如三甲胺基或二甲基-ß-羟基乙基胺基；弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺，碱性较弱；第三十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二新型离子交换树脂大孔离子交换树脂大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入致孔剂），再引入化学功能基团，便可得到大孔离子交换树脂第三十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二大孔离子交换树脂的优点通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现象，从而强化了离子交换的功能；减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机污染”现象（大分子不易洗脱）；可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的）甲苯、四氯化碳；不良溶剂长链醇（碳4-10）煤油；高分子聚合物聚苯乙烯、聚丙烯酸酯第三十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二主要的多糖基离子交换树脂离子交换纤维素

树脂骨架为纤维素，根据活性基团的性质可分为阳离子交换纤维素和阴离子交换纤维素两类

特点：骨架松散、亲水性强、表面积大、交换容量大、吸附力弱、交换和洗脱条件温和、分辨率高常用的离子交换纤维素有：

甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙基纤维素

第四十页，共一百页，编辑于2023年，星期二葡聚糖凝胶离子交换树脂骨架为葡聚糖凝胶，如sepharose、sephadex，根据功能基团的不同，亦可分为阳离子交换和阴离子交换树脂命名方法：交换活性基团+骨架+原骨架编号特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛的功能，提高了分离的效率常用的葡聚糖凝胶离子交换树脂：CM-sephadexC-25、DEAE-sephadexA-25等第四十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二DEAEanionexchanger第四十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二离子交换树脂的理化性能外观：球形、浅色为宜，粒度大小为16~60目>90%；机械强度：>90%；含水量：0.3~0.7g/g树脂；交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换容量或称表观交换容量（在某一条件下）；稳定性：化学稳定性、热稳定性；膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子的性质、介质的性质和浓度、骨架结构；湿真密度：单位体积湿树脂的重量；孔度、孔径、比表面积第四十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二离子交换过程离子交换过程是可逆多相化学反应式中A1，A2——液相中的离子

——吸附的离子

Z1，Z2——A1，A2的价数

——液相和树脂相中的溶剂

ns——离子交换时，溶剂从树脂移入液相的毫摩尔数第四十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二离子交换机理A+自溶液中扩散到树脂表面A+从树脂表面进入树脂内部的活性中心A+与RB在活性中心上发生复分解反应解吸附离子B+自树脂内部扩散至树脂表面B+离子从树脂表面扩散到溶液中交换速度的控制步骤是扩散速度，不同的分离体系可能由内部扩散或外部扩散控制第四十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二树脂预处理离子交换吸附洗脱离子交换操作方法静态：操作简单、但是分批操作，交换不完全动态：离子交换柱，操作连续、交换完全，适宜多组份分离 柱式固定床（Fixed－Bed） 模拟移动床（SMB）离子交换操作方式第四十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二树脂预处理物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒；化学处理：转型（氢型或钠型）阳离子树脂酸—碱—酸阴离子树脂碱—酸—碱最后以去离子水或缓冲液平衡第四十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二洗脱方式离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法洗脱方法（1）改变溶液pH值（2）改变溶液离子强度第四十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二树脂再生是指使离子交换树脂重新具有交换能力的过程酸性阳离子树脂酸-碱-酸-缓冲溶液淋洗碱性阴离子树脂碱-酸-碱-缓冲溶液淋洗方式有：顺流再生和逆流再生第四十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二硬水软化第五十页，共一百页，编辑于2023年，星期二3吸附平衡理论

一定条件下，流体（气体或液体）与吸附剂接触，流体中的吸附质被吸附剂吸附，经足够长时间后，吸附质在两相中的含量不再改变，即吸附质在流体和吸附剂上的分配达到一种动态平衡，称为吸附平衡。

相同条件下，流体中吸附质的浓度高于平衡浓度时，吸附质将被吸附；反之，流体中吸附质浓度低于平衡浓度时，吸附剂上已吸附的吸附质将解吸进入流体相，直到达到新的吸附平衡。可见，吸附平衡关系决定着吸附过程的方向和极限，是吸附过程的基本依据。第五十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附平衡的常用表示方法有两种：（1）吸附质在流体中的浓度（液体）或分压（气体）；（2）吸附剂上吸附的吸附质的量，克（或摩尔）吸附质／克（或表面积）吸附剂。第五十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二1.兰缪尔（Langnuir）公式1）二个假设：吸附活性中心间各自独立每一个吸附活性中心只吸附一个分子2）推导：

吸附速度=K1（m∞

－m)C,解吸速度=K2

m

当达到平衡时，K1（m∞

－m)C=K2m

m∞bCK1m=————其中b=—1+bCK2第五十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二

m∞bCm=————1+bC当溶液浓度很稀时，1+bC≈1，m=m∞bC当溶液浓度很高时，1+bC≈bC，m=m∞

当溶液浓度适中时，

m=KC1/n其中n＞1

此为弗罗德利希（Freundlich）公式第五十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二

目前尚没有成熟的理论来估计流体－固体之间的吸附平衡关系。因此，需要对特定的物系实验测定一定温度下的吸附平衡数据，并绘制成吸附剂上吸附质的吸附量与流体中吸附质浓度或分压的关系曲线，这种曲线称为吸附等温线。另外，在等压情况下，表示吸附量和温度的关系曲线称为吸附等压线；在等吸附容量情况下，表示温度和压力的关系曲线称为吸附等容线。这里只介绍应用最广的吸附等温线。第五十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二纯组分气体吸附平衡Brunauer的五种类型的纯气体物理吸附等温线第五十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二Langmuir吸附等温线(I型)假设表面处处均一(所有吸附位点在能量上完全相同)单分子层吸附(没有多层吸附)被吸附到吸附剂上的分子之间没有相互作用Inadp/p0pQ第五十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二第五十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二4吸附动力学与传质(1)吸附机理

吸附质在吸附剂多孔表面上被吸附的过程分为下列四步：

1)吸附质从流体主体通过分子与对流扩散穿过薄膜或边界层传递到吸附剂的外表面，称之为外扩散过程。

2)吸附质通过孔扩散从吸附剂的外表面传递到微孔结构的内表面，称为内扩散过程。

3)吸附质沿孔表面的表面扩散。

4)吸附质被吸附在孔表面上。第五十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附机理第六十页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附解吸多孔吸附剂中流体的浓度分布和温度分布第六十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二外扩散传质过程吸附质从流体主体对流扩散到吸附剂颗粒外表面的传质速率方程为：相应的传热方程为：详细推导过程见教材第六十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二内扩散传质过程吸附质在微孔中的扩散有两种形式-沿孔截面的扩散和沿孔表面的表面扩散。前者根据孔径和吸附分子平均自由程之间大小的关系又有三种情况：分子扩散、纽特逊扩散和介于这两种情况之间的扩散。当微孔表面吸附有吸附质时，沿孔口向里的表面上存在着吸附质的浓度梯度，吸附质可以沿孔表面向颗粒内部扩散，称为表面扩散。在吸附剂颗粒的微孔中进行传质的数学模型很类似于在多孔催化剂颗粒中的催化反应。(略)第六十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二5吸附分离过程

根据待分离物系中各组分的性质和过程的分离要求(如纯度、回收率、能耗等)，在选择适当的吸附剂和解吸剂基础上，采用相应的工艺过程和设备。常用的吸附分离设备有：

吸附搅拌釜固定床吸附器移动床流化床第六十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二固定床吸附固定床吸附是吸附分离操作中常采用的设备.固定床吸附设备第六十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二

在废水处理中常用固定床吸附装置。其构造与快滤池大致相同。吸附剂填充在装置内，吸附时固定不动，水流穿过吸附剂层。根据水流方向可分为升流式和降流式两种。

降流式固定床吸附出水水质好，但水头损失较大，特别在处理含悬浮物较多的污水时，需定期进行反冲洗，有时还需在吸附剂层上部设表面冲洗设备。第六十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二固定床吸附操作穿透曲线：吸附过程中吸附塔出口溶质浓度的变化曲线。穿透点：出口处溶质浓度开始上升的点称为穿透点。穿透时间：达到穿透点所用的操作时间。第六十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附带(浓度波):吸附柱中液相(或固相)溶质浓度从c0(或q0)到0的分布区域.传质区:吸附带内溶质浓度不断变化,液固之间尚未达到吸附平衡,存在传质现象,吸附带所覆盖的区域.第六十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二恒定图式:吸附带的浓度波以一定的形状移动,称此浓度分布为恒定图式.恒定图式吸附带只有在优惠吸附时才发生.优惠吸附:吸附等温线上凸,如Langmuir或Freundlich型)第六十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二第三节固定床吸附过程3—1固定床吸附器、吸附负荷线和透过曲线一、固定床吸附器右图是典型的两个吸附器轮流操作的流程图。它是一个原料气的干燥过程，当干燥器A在操作时，原料气由下方通入(通干燥器B的阀关闭)，经干燥后的原料气从顶部出口排出。与此同时，干燥器B处于再生阶段。再生用气体经加热器加热至要求的温度。从顶部进入干燥器B(通干燥器A的阀关闭)，再生气携带从吸附剂上脱附的水分从干燥器底部排出，经冷却器使再生气降温，水气结成水分离出去，再生气可循环使用。固定床吸附器流程示意图第七十页，共一百页，编辑于2023年，星期二二、固定床吸附器的经验计算法1、吸附剂用量2、D、H三、吸附负荷曲线和透过曲线吸附负荷曲线与穿透曲线成镜面相似，即从穿透曲线的形状可以推知吸附负荷曲线。对吸附速度高而吸附传质区短的吸附过程，其吸附荷曲线与穿透曲线均陡些。第七十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二横坐标：床层距进口操作时间端的距离纵坐标：床层吸附剂流出物中吸附的负荷质的浓度吸附操作分析分析吸附剂分析流出物吸附负荷线透过曲线xzcdba(1)利用率(2)阻力=0，速率=无穷大，传质速率阻力利用率达到破点的时间第七十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二（1）固定床吸附器的优点是：结构简单，造价低，吸附剂磨损少。（2）固定床吸附器的缺点是：

间歇操作，吸附和再生两过程必须周期性更换，这样不但需有备用设备，而且要较多的进、出口阀门，操作十分麻烦，为大型化，自动化带来困难。即使实现操作自动化，控制的程序也是比较复杂的。其次，在吸附器内为了保证产品的质量，床层要有一定的富余，需要放置多于实际需要的吸附剂，使吸附剂耗用量增加。除此之外，再生时需加热升温，吸附时放出吸附热，不但热量不能利用，而且由于静止的吸附床层导热性差，对床层的热量输入和导出均不容易，因此容易出现床层局部过热现象而影响吸附。加热再生后还需冷却也延长了再生时间。固定床吸附器的特点是：非定态传质过程。第七十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二多柱串联吸附操作第七十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二固定床吸附过程理论穿透曲线的预测是固定床吸附过程设计与操作的基础.轴向扩散模型:理想的平推流流动+轴向反混.反混程度用Dz(轴向扩散系数)表示.第七十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二轴向扩散摸型:假设:1.在与流体流动方向垂直的每一截面上,具有均匀的径向浓度2.在每一截面及流体流动的方向上,流速和轴向扩散系数均为恒定值3.溶质浓度为轴向距离的连续函数第七十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二轴向扩散模型Dz为轴向扩散系数,可用文献中的关联式计算.H为柱内固液体积比.TR为传质速率,可具有各种不同表达式,因此该理论模型可派生出各种不同的传质速率模型.第七十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二固定床吸附过程理论液相中溶质吸附到固体吸附剂的速率TR的影响因素:1.吸附剂外表面液膜内扩散传质2.吸附剂内孔扩散3.吸附溶质的表面扩散4.溶质的表面吸附第七十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二表面吸附速率控制液膜扩散速率控制内扩散速率控制简化的速率方程动力学速率方程线性推动力方程第七十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二固定床吸附过程理论恒定图式假设:浓度波为恒定图式时,吸附过程的设计计算可大大简化.以线性推动力速率方程为例,阐述该假设的应用.设吸附平衡为Langmuir型,则有:第八十页，共一百页，编辑于2023年，星期二第八十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附,冲洗和洗脱时间/体积y吸附冲洗洗脱第八十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二固定床内的浓度分布曲线时间y床层长度yF0l0时间q=f(y)第八十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二吸附区和平衡区yyF吸附区平衡区00l床层长度第八十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二RegenerationQ:Inadditiontosteam,whatelsecanweuse?Q:Typicallyonly30~40%oftheequilibriumisothermisused.Whyisthat?第八十五页，共一百页，编辑于2023年，星期二Fluidized-BedAdsorptionSystem第八十六页，共一百页，编辑于2023年，星期二变温吸附循环操作在两个平行的固定床吸附器中进行。其中一个在环境温度附近吸附溶质，而另一个在较高温度下解吸吸附质，使吸附剂床层再生。第八十七页，共一百页，编辑于2023年，星期二膨胀床吸附流化床：床内吸附粒子呈流化状态．膨胀床：是液固相返混程度较低的液固流化床．膨胀床是发展中的吸附分离技术．在蛋白质类生物大分子的单步纯化分离过程有着诱人的开发潜力．第八十八页，共一百页，编辑于2023年，星期二兼有固定床和流化床的优点．流化的固相介质基本可以悬浮在床内的固定位置流体流动状态以平推流的方式流经床层．集料液澄清，目标产物浓缩和分离纯化为一体的生物集成分离技术．特点固相分级特性

膨胀床中固相介质按各自终端速率的不同沿膨胀床的轴向方向会出现一定的分布.终端速度大(或高密度)的大粒子,主要集中在床层的底部,终端速度小的小粒径粒子,主要集中在床层的顶部.这种规律性分级是固定床稳定的基础.第八十九页，共一百页，编辑于2023年，星期二膨胀床吸附介质磁性粒子具有一定的密度分布和粒径分布的吸附剂固定床吸附介质应满足:1.吸附剂的尺寸和密度应保证其终端速率与料液中需除去的固形颗粒间有明显的差异.2.应具有良好的孔道结构,不易被料液中的脂类,核酸和蛋白质等生物物质污染.3.应具有活性基团,可以修饰吸附目标产物的配基,并对目标产物具有较高的吸附容量.4.具有较高的化学稳定性和良好的机械强度,保证其可以承受苛刻的原位清洗,使用寿命长.5.具有良好的传质性能,在较高的流速下,可以保持较高的吸附容量.发展趋势:高密度,小粒径介质第九十页，共一百页，编辑于2023年，星期二第九十一页，共一百页，编辑于2023年，星期二膨胀床设备流体分布器:保证床截面的流速分布均匀,减少沟流等不规则流动;保证料液中固形粒子自由通过,并对吸附剂有截流作用;高度调节器膨胀床柱:第九十二页，共一百页，编辑于2023年，星期二流化床吸附

原水由底部升流式通过床层，吸附剂由上部向下移动。由于吸附剂保持流化状态，与水的接触面积增大，因此设备小而生产能力大，基建费用低。

流化床操作控制要求高，为防止吸附剂全塔混层，以充分利用吸附容量并保证处理效果，塔内吸附剂采用分层流化。所需层数根据吸附剂的静活性、原水水质水量等决定。第九十三页，共一百页，编辑于2023年，星期二膨胀床吸附操作和应用应用:利用STREAMLINEDEAE为吸附剂,从酵母细胞匀浆液纯化葡萄糖-6-磷酸脱氢酶第九十四页，共一百页，编辑于2023年，星期二

1.穿透曲线（1）吸附带：指正在发生吸附作用的那段填充层，在吸附带下部的填充层几乎没有发生吸附作用，而在吸附带上部的填充层已达到饱和状态，不再起吸附作用。（2）穿透曲线：以吸附时间或吸附柱出水总体积为横坐标，以出水吸附质浓度为纵坐标所绘制出的曲线。（3）穿透点：当出水吸附质浓度Ca为(0.05-0.10)Co时所对应的出水总体积或吸附时间的