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1、第十三章第十三章吸附分离吸附分离第一节第一节概述概述n1.吸附与解吸：吸附与解吸：n吸附吸附n利用多孔固体颗粒选择性地吸附流体中的一个或几个组分，利用多孔固体颗粒选择性地吸附流体中的一个或几个组分，从而使流体混合物得以分离的方法称为吸附操作。从而使流体混合物得以分离的方法称为吸附操作。物质（气体或蒸气）在固体表面上或微孔容积内的物质（气体或蒸气）在固体表面上或微孔容积内的积聚现象称为吸附。积聚现象称为吸附。n通常称被吸附物质为吸附质，用作吸附的多孔固体颗粒称为吸通常称被吸附物质为吸附质，用作吸附的多孔固体颗粒称为吸附剂。附剂。n吸附是从气体或液体中脱除全部杂质的一种通用方法。在现代化吸附是从气
2、体或液体中脱除全部杂质的一种通用方法。在现代化学工业、石油加工工业中，学工业、石油加工工业中，如溶剂的回收，水溶液或有机溶液的脱色、如溶剂的回收，水溶液或有机溶液的脱色、脱臭，有机烷烃的分离，芳烃的精制等。脱臭，有机烷烃的分离，芳烃的精制等。吸附法广泛用于工艺气体或液吸附法广泛用于工艺气体或液体的深度净化和干燥、环境保护。体的深度净化和干燥、环境保护。n工业上广泛使用的吸附剂有硅胶、铝凝胶、活性炭等具有发达内工业上广泛使用的吸附剂有硅胶、铝凝胶、活性炭等具有发达内表面的各种吸附剂。表面的各种吸附剂。解吸解吸2 2. .吸附方法的发展史吸附方法的发展史工工业业吸吸附附方方法法的的发发展展是是后后
3、来来成成为为俄俄国国科科学学院院院院士士的的一一位位药药剂剂师师洛洛维维茨茨开开创创的的，17851785年年洛洛维维茨茨发发现现：烧烧炭炭放放在在酒酒石石酸酸溶溶液液内内，会会吸吸附附有有机机杂杂质质，使使酒酒石石酸酸脱脱色色。后后来来他他发发现现了了炭炭作作为为吸吸附附剂剂的的万万能能作作用用，即即溶溶液液用用木木炭炭净净化化，能能脱脱除除其其中中的的各各种种杂杂质质。九九年年以以后后，在在食食品品工工业业上上，炭炭开开始始被被用用来来净净化化糖糖汁汁，在在酿酿酒酒工工业业上上，炭炭用来除去酒精中的杂醇油，在俄国舰队上，炭被用来净化饮用水。用来除去酒精中的杂醇油，在俄国舰队上，炭被用来净化
4、饮用水。与吸附相反，组分脱离固体吸附剂表面的现象称为解吸与吸附相反，组分脱离固体吸附剂表面的现象称为解吸（或脱附）。吸附与解吸的循环操作构成一个完整的工业吸附（或脱附）。吸附与解吸的循环操作构成一个完整的工业吸附过程。过程。在洛维茨逝世（在洛维茨逝世（1804年）以后，他所提出的一些过程也已年）以后，他所提出的一些过程也已开始在西欧采用，开始在西欧采用，1808年法国糖厂开始投产，这些工厂采用木年法国糖厂开始投产，这些工厂采用木炭净化甜菜糖汁。炭净化甜菜糖汁。1811年菲古尔实验证明了骨炭优于木炭。年菲古尔实验证明了骨炭优于木炭。18791879年年，斯斯密密特特把把气气体体吸吸附附性性进进行
5、行了了排排队队，得得出出了了不同气体的吸附值。不同气体的吸附值。二二十十世世纪纪初初，批批准准了了用用气气体体和和化化学学活活化化制制造造活活性性炭炭的的方方法法专专利利。并并于于19111911年年在在荷荷兰兰和和19131913年年在在德德国国建建立立了了活活性性炭炭工工厂厂。同同时时通通过过实实验验研研究究建建立立了了活活性性炭炭在在气气体体分分离离和和净净化方面的使用条件。化方面的使用条件。18741874年，俄国梅里森年，俄国梅里森认认为为木炭能吸附等量的木炭能吸附等量的氯氯，而，而且在吸附且在吸附过过程中吸附程中吸附剂剂的温度升高的温度升高3030。同。同时时他他还证还证明，明，炭
6、炭对对硫化硫化氢氢、二氧化硫、氨、溴化、二氧化硫、氨、溴化氢氢、氯氯乙乙烷烷和和氢氰氢氰酸酸之之类类的气体有吸附能力。一些的气体有吸附能力。一些挥发挥发性液体（酒精）被吸性液体（酒精）被吸收后，在收后，在这这些液体的沸点温度下不会从炭中析出。由此些液体的沸点温度下不会从炭中析出。由此产产生了关于解吸使吸附生了关于解吸使吸附剂剂恢复能力的概念。恢复能力的概念。 3 3. .吸附机理的分类：吸附机理的分类：根据吸附质和吸附剂之间吸附力的不同，吸附操作根据吸附质和吸附剂之间吸附力的不同，吸附操作分为物理吸附与化学吸附两大类。分为物理吸附与化学吸附两大类。 n 物理吸附或称范德华吸附：物理吸附或称范德
7、华吸附：n吸附作用起因于固体颗粒的表面力。此表面力主要吸附作用起因于固体颗粒的表面力。此表面力主要是由于范德华力的作用使吸附分子单层或多层地覆盖于吸是由于范德华力的作用使吸附分子单层或多层地覆盖于吸附剂的表面，这种吸附属于物理吸附，吸附时放出的热量附剂的表面，这种吸附属于物理吸附，吸附时放出的热量为吸附热。数值上与被吸附组分的冷凝热相当，这与微孔为吸附热。数值上与被吸附组分的冷凝热相当，这与微孔充填理论相符。充填理论相符。它是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果，它是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果，因其分子间结合力较弱，故容易脱附因其分子间结合力较弱，故容易脱附. .如固体和气体
8、之如固体和气体之间的分子引力大于气体内部分子之间的引力，气体就会间的分子引力大于气体内部分子之间的引力，气体就会凝结在固体表面上，吸附过程达到平衡时，吸附在吸附凝结在固体表面上，吸附过程达到平衡时，吸附在吸附剂上的吸附质的蒸汽压应等于其在气相中的分压。剂上的吸附质的蒸汽压应等于其在气相中的分压。化学吸附化学吸附n工业上应用的多为物理吸附，军事上应用的多为化工业上应用的多为物理吸附，军事上应用的多为化学吸附。学吸附。n本章主要讨论物理吸附。本章主要讨论物理吸附。n是由吸附质与吸附剂分子间化学健的作用所引起，是由吸附质与吸附剂分子间化学健的作用所引起，其间结合力比物理吸附大得多，放出的热量也大得多
9、，其间结合力比物理吸附大得多，放出的热量也大得多，与化学反应热数量级相当，过程往往不可逆。化学吸附与化学反应热数量级相当，过程往往不可逆。化学吸附在催化反应中起重要作用。在催化反应中起重要作用。n4 4. . 吸附机理的判断依据：吸附机理的判断依据：化学吸附热与化学反应热相近，比物理吸附热大得多。化学吸附热与化学反应热相近，比物理吸附热大得多。如二氧化碳和氢在各种吸附剂上的化学吸附热为如二氧化碳和氢在各种吸附剂上的化学吸附热为8374083740J Jmolmol和和6280062800J Jmolmol，而这两种气体的物理吸附热约为而这两种气体的物理吸附热约为2512025120J Jmol
10、mol和和83748374J Jmolmol。n化学吸附有较高的选择性。化学吸附有较高的选择性。如氯可以被钨或镍化学吸如氯可以被钨或镍化学吸附。物理吸附则没有很高的选择性，它主要取决于气体或附。物理吸附则没有很高的选择性，它主要取决于气体或液体的物理性质及吸附剂的特性。液体的物理性质及吸附剂的特性。n化学吸附时，温度对吸附速率的影响较显著，温度化学吸附时，温度对吸附速率的影响较显著，温度升高则吸附速率加快，因其是一个活化过程，故又称活升高则吸附速率加快，因其是一个活化过程，故又称活化吸附。而物理吸附即使在低温下，吸附速率也可能较化吸附。而物理吸附即使在低温下，吸附速率也可能较大，因它不属于活化
11、吸附。大，因它不属于活化吸附。 n化学吸附总是单分子层或单原子层，而物理吸附化学吸附总是单分子层或单原子层，而物理吸附则不同，低压时，一般是单分子层，但随着吸附质分则不同，低压时，一般是单分子层，但随着吸附质分压增大，吸附层可能转变成多分子层。压增大，吸附层可能转变成多分子层。n5 5. .吸附剂的再生及方法：吸附剂的再生及方法：n 吸吸附附剂剂的的再再生生，即即吸吸附附剂剂脱脱附附，对对吸吸附过程是非常重要的。附过程是非常重要的。n通常采用的方法：通常采用的方法：n提高温度或降低吸附质在气相中的分压。提高温度或降低吸附质在气相中的分压。n这样的结果：这样的结果：n吸吸附附质质将将以以原原来来
12、的的形形态态从从吸吸附附剂剂上上回回到到气气相相或或液液相相，这这种种现现象象称称为为“脱脱附附”，所所以以物物理理吸吸附过程是可逆的。附过程是可逆的。n吸吸附附分分离离过过程程正正是是利利用用物物理理吸吸附附的的这这种种可可逆性来实现混合物的分离。逆性来实现混合物的分离。n6.吸附分离过程的分类：吸附分离过程的分类：n目前工业生产中吸附过程主要有如下几种：目前工业生产中吸附过程主要有如下几种：n变温吸附变温吸附nGHTS（9-1）n式中式中H为焓变，为焓变，S为熵变。为熵变。n 当吸附达到平衡时，系统的自由能，熵值都降低故式当吸附达到平衡时，系统的自由能，熵值都降低故式(9-1)中焓变中焓变
13、H为负值，表明吸附过程是放热过程，可见若降低操作温为负值，表明吸附过程是放热过程，可见若降低操作温度，可增加吸附量，反之亦然。度，可增加吸附量，反之亦然。n在一定压力下吸附的自由能变化在一定压力下吸附的自由能变化G有如下关系有如下关系:n 因此，吸附操作通常是在低温下进行，然后提高操作温度使因此，吸附操作通常是在低温下进行，然后提高操作温度使被吸附组分脱附。被吸附组分脱附。n 通常用水蒸汽直接加热吸附剂使其升温解吸，解吸物与水蒸通常用水蒸汽直接加热吸附剂使其升温解吸，解吸物与水蒸汽冷凝后分离。吸附剂则经间接加热升温干燥和冷却等阶段组成汽冷凝后分离。吸附剂则经间接加热升温干燥和冷却等阶段组成变温
14、吸附过程，吸附剂循环使用。变温吸附过程，吸附剂循环使用。混合气混合气干燥冷却用空气干燥冷却用空气解解吸吸用用水水蒸蒸气气1放空放空234苯苯水水1,2装有活性炭的吸附器；装有活性炭的吸附器；3冷凝器；冷凝器；4分层器分层器n变压吸附变压吸附 n也称为无热源吸附。也称为无热源吸附。恒恒温温下下，升升高高系系统统的的压压力力，床床层层吸吸附附容容量量增增多多，反反之之系系统统压压力力下下降降，其其吸吸附附容容量量相相应应减减少少，此此时时吸吸附附剂剂解吸、再生，得到气体产物的过程称为变压吸附。解吸、再生，得到气体产物的过程称为变压吸附。n根根据据系系统统操操作作压压力力变变化化不不同同，变变压压吸
15、吸附附循循环环可可以以是是常常压压吸吸附附、真真空空解解吸吸，加加压压吸吸附附、常常压压解解吸吸，加加压压吸吸附附、真真空空解解吸吸等等几几种种方方法法。对对一一定定的的吸吸附附剂剂而而言言，压压力力变变化愈大，吸附质脱除得越多。化愈大，吸附质脱除得越多。 n溶剂置换溶剂置换 n在在恒恒温温恒恒压压下下，已已吸吸附附饱饱和和的的吸吸附附剂剂可可用用溶溶剂剂将将床床层层中中已已吸吸附附的的吸吸附附质质冲冲洗洗出出来来，同同时时使使吸吸附附剂剂解解吸吸再再生生。常常用用的的溶溶剂剂有有水水、有有机机溶溶剂剂等等各各种种极极性性或或非非极极性物质。性物质。 n7 7. .吸附分离过程的适用范围：吸附
16、分离过程的适用范围：n 吸吸附附分分离离是是利利用用混混合合物物中中各各组组分分与与吸吸附附剂剂间间结结合合力力强强弱弱的的差差别别，即即各各组组分分在在固固相相（吸吸附附剂剂）与与流流体体间间分分配配不不同同的的性性质质使使混混合合物物中中难难吸吸附与易吸附组分分离。附与易吸附组分分离。n适适宜宜的的吸吸附附剂剂对对各各组组分分的的吸吸附附可可以以有有很很高高的的选选择择性性，故故特特别别适适用用于于用用精精馏馏等等方方法法难难以以分分离离的的混混合合物物的的分分离离，以以及及气气体体与与液液体体中中微微量量杂杂质的去除。此外，吸附操作条件比较容易实现。质的去除。此外，吸附操作条件比较容易实现。 常用吸附剂常用吸附剂n1 1. .工业吸附剂的定义：工业吸附剂的定义： n 通通常常固固体体都都具具有有一一定定的的吸吸附附能能力力，但但只只有有具具有有很很高高选选择择性性和很大吸附容量的固体才能作为工业吸附剂。和很大吸附容量的固体才能作为工业吸附剂。 n2.吸附剂的选择原则：吸附剂的选择原则：n吸吸附附剂剂的的性性能能对对吸吸附附分分离离操操作作的的技技术术经经济济指指标标起起着着决决定
