氣體吸附分離知識

1、吸附分離應用背景：

    吸附操作在化工、輕工、煉油、冶金和環保等領域都有著廣泛的應用。如氣體(ti) 中水分的脫除，溶劑的回收，水溶液或有機溶液的脫色、脫臭，有機烷烴的分離，芳烴的精製等。

2、吸附的定義(yi) 及概念：

    固體(ti) 物質表麵對氣體(ti) 或液體(ti) 分子的吸著現象稱為(wei) 吸附。其中被吸附的物質稱為(wei) 吸附質，固體(ti) 物質稱為(wei) 吸附劑。

3、吸附機理的分類：

    根據吸附質和吸附劑之間吸附力的不同，吸附操作分為(wei) 物理吸附與(yu) 化學吸附兩(liang) 大類。

⑴、物理吸附或稱範德華吸附：它是吸附劑分子與(yu) 吸附質分子間吸引力作用的結果，因其分子間結合力較弱，故容易脫附，如固體(ti) 和氣體(ti) 之間的分子引力大於(yu) 氣體(ti) 內(nei) 部分子之間的引力，氣體(ti) 就會(hui) 凝結在固體(ti) 表麵上，吸附過程達到平衡時，吸附在吸附劑上的吸附質的蒸汽壓應等於(yu) 其在氣相中的分壓。

⑵、化學吸附：是由吸附質與(yu) 吸附劑分子間化學健的作用所引起，其間結合力比物理吸附大得多，放出的熱量也大得多，與(yu) 化學反應熱數量級相當，過程往往不可逆。化學吸附在催化反應中起重要作用。本章主要討論物理吸附。

4、吸附機理的判斷依據：

⑴、化學吸附熱與(yu) 化學反應熱相近，比物理吸附熱大得多。如二氧化碳和氫在各種吸附劑上的化學吸附熱為(wei) 83740J／mol和62800J／mol，而這兩(liang) 種氣體(ti) 的物理吸附熱約為(wei) 25120J／mol和8374J／mol。

⑵、化學吸附有較高的選擇性。如氯可以被鎢或鎳化學吸附。物理吸附則沒有很高的選擇性，它主要取決(jue) 於(yu) 氣體(ti) 或液體(ti) 的物理性質及吸附劑的特性。

⑶、化學吸附時，溫度對吸附速率的影響較顯著，溫度升高則吸附速率加快，因其是一個(ge) 活化過程，故又稱活化吸附。而物理吸附即使在低溫下，吸附速率也可能較大，因它不屬於(yu) 活化吸附。

⑷、化學吸附總是單分子層或單原子層，而物理吸附則不同，低壓時，一般是單分子層，但隨著吸附質分壓增大，吸附層可能轉變成多分子層。

5、吸附劑的再生及方法：

    吸附劑的再生，即吸附劑脫附，對吸附過程是非常重要的，通常采用的方法：提高溫度或降低吸附質在氣相中的分壓，這樣的結果：吸附質將以原來的形態從(cong) 吸附劑上回到氣相或液相，這種現象稱為(wei) “脫附”，所以物理吸附過程是可逆的。吸附分離過程正是利用物理吸附的這種可逆性來實現混合物的分離。

6、吸附分離過程的分類：

    目前工業(ye) 生產(chan) 中吸附過程主要有如下幾種：

    ①、變溫吸附 在一定壓力下吸附的自由能變化ΔG有如下關(guan) 係:

                    ΔG＝ΔH－TΔS                （9-1）

    式中ΔH為(wei) 焓變，ΔS為(wei) 熵變。當吸附達到平衡時，係統的自由能，熵值都降低．故式(9-1)中焓變ΔH為(wei) 負值，表明吸附過程是放熱過程，可見若降低操作溫度，可增加吸附量，反之亦然。因此，吸附操作通常是在低溫下進行，然後提高操作溫度使被吸附組分脫附。通常用水蒸汽直接加熱吸附劑使其升溫解吸，解吸物與(yu) 水蒸汽冷凝後分離。吸附劑則經間接加熱升溫幹燥和冷卻等階段組成變溫吸附過程，吸附劑循環使用。

    ②、變壓吸附 也稱為(wei) 無熱源吸附。恒溫下，升高係統的壓力，床層吸附容量增多，反之係統壓力下降，其吸附容量相應減少，此時吸附劑解吸、再生，得到氣體(ti) 產(chan) 物的過程稱為(wei) 變壓吸附。根據係統操作壓力變化不同，變壓吸附循環可以是常壓吸附、真空解吸，加壓吸附、常壓解吸，加壓吸附、真空解吸等幾種方法。對一定的吸附劑而言，壓力變化愈大，吸附質脫除得越多。

    ③、溶劑置換 在恒溫恒壓下，已吸附飽和的吸附劑可用溶劑將床層中已吸附的吸附質衝(chong) 洗出來，同時使吸附劑解吸再生。常用的溶劑有水、有機溶劑等各種極性或非極性物質。

7、吸附分離過程的適用範圍：

    吸附分離是利用混合物中各組分與(yu) 吸附劑間結合力強弱的差別，即各組分在固相（吸附劑）與(yu) 流體(ti) 間分配不同的性質使混合物中難吸附與(yu) 易吸附組分分離。適宜的吸附劑對各組分的吸附可以有很高的選擇性，故特別適用於(yu) 用精餾等方法難以分離的混合物的分離，以及氣體(ti) 與(yu) 液體(ti) 中微量雜質的去除。此外，吸附操作條件比較容易實現。

9.1.2、常用吸附劑

1、工業(ye) 吸附劑的定義(yi) ：

    通常固體(ti) 都具有一定的吸附能力，但隻有具有很高選擇性和很大吸附容量的固體(ti) 才能作為(wei) 工業(ye) 吸附劑。

2、吸附劑的選擇原則：

    吸附劑的性能對吸附分離操作的技術經濟指標起著決(jue) 定性的作用，吸附劑的選擇是非常重要的一環，一般選擇原則為(wei) ：

    ①、具有較大的平衡吸附量。一般比表麵積大的吸附劑，其吸附能力強；

    ②、具有良好的吸附選擇性；

    ③、容易解吸，即平衡吸附量與(yu) 溫度或壓力具有較敏感的關(guan) 係；

    ④、有一定的機械強度和耐磨性，性能穩定，較低的床層壓降，價(jia) 格便宜等。

3、吸附劑的種類：

    目前工業(ye) 上常用的吸附劑主要有活性炭，活性氧化鋁，矽膠，分子篩等。

⑴、活性炭

    ①、活性炭的結構特點：是具有非極性表麵，是一種疏水性和親(qin) 有機物的吸附劑，故又稱為(wei) 非極性吸附劑。

    ②、活性炭的優(you) 點：是吸附容量大，抗酸耐堿、化學穩定性好，解吸容易，在高溫下進行解吸再生時其晶體(ti) 結構不發生變化，熱穩定性高，經多次吸附和解吸操作，仍能保持原有的吸附性能。

    ③、活性炭常用於(yu) 溶劑回收，溶液脫色、除臭、淨製等過程。是當前應用最普遍的吸附劑。

    ④、活性炭的製備：通常所有含碳的物料，如木材，果殼，褐煤等都可以加工成黑炭，經活化製成活性炭。活化方法主要有兩(liang) 種：即藥品活化和氣體(ti) 活化。藥品活化是在原料中加入藥品，如ZnCl2、H3PO4等，在非活性氣體(ti) 中加熱，進行幹餾和活化。氣體(ti) 活化是通入水蒸汽、CO2、空氣等在700～1100℃下反應，使之活化。炭中含水會(hui) 降低其活性。一般活性炭的活化表麵約600～1700m2/g。

⑵、矽膠

    矽膠是一種堅硬無定形鏈狀和網狀結構的矽酸聚合物顆粒，是一種親(qin) 水性極性吸附劑。因其是多孔結構．比表麵積可達350m2／g左右。工業(ye) 上用的矽膠有球型、無定型、加工成型及粉末狀四種。主要用於(yu) 氣體(ti) 的幹燥脫水，催化劑載體(ti) 及烴類分離等過程。

⑶、活性氧化鋁

    活性氧化鋁為(wei) 無定形的多孔結構物質，一般由氧化鋁的水合物(以三水合物為(wei) 主)加熱，脫水和活化製得，其活化溫度隨氧化鋁水合物種類不同而不同，一般為(wei) 250～500℃。孔徑約從(cong) 20Å到50Å。典型的比表麵積為(wei) 200～500m2/g。活性氧化鋁具有良好的機械強度，可在移動床中使用。對水具有很強的吸附能力，故主要用於(yu) 液體(ti) 和氣體(ti) 的幹燥。

⑷、分子篩

    沸石吸附劑是具有特定而且均勻一致孔徑的多孔吸附劑，它隻能允許比其微孔孔徑小的分子吸附上去，比其大的分子則不能進入，有分子篩的作用，故稱為(wei) 分子篩。

    分子篩(合成沸石)一般可用  式表示的含水矽酸鹽。其中M表示金屬離子，多數為(wei) 鈉、鉀、鈣，也可以是有機胺或複合離子。n表示複合離子的價(jia) 數，y和w分別表示SiO4和H2O的分子數，y又稱為(wei) 矽鋁比，矽鋁比為(wei) 2左右的稱為(wei) A型分子篩，3左右的稱為(wei) X型分子篩，3以上稱為(wei) Y型分子篩。

    根據原料配比、組成和製造方法不同，可以製成不同孔徑(一般從(cong) 3Å到8Å)和形狀(圓形、橢圓形)的分子篩。分子篩是極性吸附劑，對極性分子，尤其對水具有很大的親(qin) 和力。由於(yu) 分子篩突出的吸附性能，使得它在吸附分離中有著廣泛的應用，主要用於(yu) 各種氣體(ti) 和液體(ti) 的幹燥，芳烴或烷烴的分離及用作催化劑及催化劑載體(ti) 等。表9-1所示為(wei) 分子篩的特性與(yu) 應用。