吸附

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當流體與多孔固體接觸時, 流體中某一組分或多個組分在固體表面處產生積蓄, 此現象稱為吸附。 吸附也指物質(主要是固體物質)表面吸住周圍介質(液體或氣體)中的分子離子現象。 吸附屬於一種傳質過程,物質內部的分子和周圍分子有互相吸引的引力,但物質表面的分子,其中相對物質外部的作用力沒有充分發揮,所以液體或固體物質的表面可以吸附其他的液體或氣體,尤其是表面面積很大的情況下,這種吸附力能產生很大的作用,所以工業上經常利用大面積的物質進行吸附,如活性炭、水膜等。

概念

  吸附:當流體與多孔固體接觸時, 流體中某一組分或多個組分在固體表面處產生積蓄, 此現象稱為吸附。   吸附也指物質(主要是固體物質)表面吸住周圍介質(液體或氣體)中的分子或離子現象。   吸附屬於一種傳質過程,物質內部的分子和周圍分子有互相吸引的引力,但物質表面的分子,其中相對物質外部的作用力沒有充分發揮,所以液體或固體物質的表面可以吸附其他的液體或氣體,尤其是表面面積很大的情況下,這種吸附力能產生很大的作用,所以工業上經常利用大面積的物質進行吸附,如活性炭、水膜等。   吸附物、吸附劑:在固體表面積蓄的組分稱為吸附物或吸附質(adsorbate),多孔固體稱為吸附劑(adsorbent)。   廣義地講,指固體表面對氣體或液體的吸著現象。固體稱為吸附劑,被吸附的物質稱為吸附質。根據吸附質與吸附劑表面分子間結合力性質,可分為物理吸附和化學吸附。物理吸附由吸附質與吸附劑分子間引力所引起,結合力較弱,吸附熱比較小,容易脫附,如活性炭對氣體的吸附。化學吸附則由吸附質與吸附劑間的化學鍵所引起,猶如化學反應,吸附常是不可逆的,吸附熱通常較大,如氣相催化加氫中鎳催化劑對氫的吸附。在化工生產中,吸附專指用固體吸附劑處理流體混合物,將其中所含的一種或幾種組分吸附在固體表面上,從而使混合物組分分離,是一種屬於傳質分離過程的單元操作,所涉及的主要是物理吸附。吸附分離廣泛應用於化工、石油食品輕工環境保護等部門。

原理

  當液體或氣體混合物與吸附劑長時間充分接觸后,系統達到平衡,吸附質的平衡吸附量(單位質量吸附劑在達到吸附平衡時所吸附的吸附質量),首先取決於吸附劑的化學組成和物理結構,同時與系統的溫度和壓力以及該組分和其他組分的濃度分壓有關。對於只含一種吸附質的混合物,在一定溫度下吸附質的平衡吸附量與其濃度或分壓間的函數關係的圖線,稱為吸附等溫線。對於壓力不太高的氣體混合物,惰性組分對吸附等溫線基本無影響;而液體混合物的溶劑通常對吸附等溫線有影響。同一體系的吸附等溫線隨溫度而改變。溫度愈高,平衡吸附量愈小。當混合物中含有幾種吸附質時,各組分的平衡吸附量不同,被吸附的各組分濃度之比,一般不同於原混合物組成,即分離因子(見傳質分離過程)不等於1。吸附劑的選擇性愈好,愈有利於吸附分離。   分離只含一種吸附質的混合物時,過程最為簡單。當原料中吸附質含量很低,而平衡吸附量又相當大時,混合物與吸附劑一次接觸就可使吸附質完全被吸附。吸附劑經脫附再生后循環使用,並同時得到吸附質產品。但是工業上經常遇到的一些情況,是混合物料中含有幾種吸附質,或是吸附劑的選擇性不高,平衡吸附量不大,若混合物與吸附劑僅進行一次接觸就不能滿足分離要求,或吸附劑用量太大時,須用多級的或微分接觸的傳質設備。

吸附操作

  利用某些多孔固體有選擇地吸附流體中的一個或幾個組分,從而使混合物分離的方法稱為吸附操作,它是分離和純凈氣體和液體混合物的重要單元操作之一。   實際上,人們很早就發現並利用了吸附現象,如生活中用木炭脫濕和除臭等。隨著新型吸附劑的開發及吸附分離工藝條件等方面的研究,吸附分離過程顯示出節能、產品純度高、可除去痕量物質、操作溫度低等突出特點,使這一過程在化工、醫藥、食品、輕工、環保等行業得到了廣泛的應用,例如:   (1)氣體或液體的脫水及深度乾燥,如將乙烯氣體中的水分脫到痕量,再聚合。   (2)氣體或溶液的脫臭、脫色及溶劑蒸氣的回收,如在噴漆工業中,常有大量的有機溶劑逸出,採用活性炭處理排放的氣體,既減少環境的污染,又可回收有價值的溶劑。   (3)氣體中痕量物質的吸附分離,如純氮、純氧的制取。   (4)分離某些精餾難以分離的物系,如烷烴、烯烴、芳香烴餾分的分離。   (5)廢氣和廢水的處理,如從高爐廢氣中回收一氧化碳二氧化碳,從煉廠廢水中脫除酚等有害物質。

操作評價

  評價吸附分離的指標有:①吸附質的回收率(當吸附質是有價值的物料時)或吸附質的凈化率(當吸附質是有害雜質時);②設備的操作強度,即單位設備體積所能處理的混合氣體或溶液的流量;③能量消耗,包括輸送物料和吸附劑的能耗,脫附時升溫的熱能消耗等。吸附劑的平衡吸附量和吸附選擇性對吸附操作的上述指標都有決定性的影響,選用平衡吸附量大、吸附選擇性高的吸附劑可以顯著改善過程的經濟性。此外,吸附劑的用量以及操作的溫度和壓力,對上述指標有重要影響,必須謹慎決定。

設備

  有以下類型:①吸附槽。用於吸附操作的攪拌槽,如在吸附槽中用活性白土精製油品或糖液。②固定床吸附設備。用於吸附操作的固定床傳質設備,應用最廣。③流化床吸附設備。吸附劑于流態化狀態下進行吸附,如用流化床從硝酸廠尾氣中脫除氮的氧化物。當要求吸附質回收率較高時,可採用多層流態化設備。流化床吸附容易連續操作,但物料返混及吸附劑磨損嚴重。④移動床吸附柱。又稱超吸附柱,用於吸附中的移動床傳質設備,曾用於分離烯烴的中間工廠。

吸附的分類

  物理吸附:也稱為范德華吸附,它是吸附質和吸附劑以分子間作用力為主的吸附。   化學吸附:是吸附質和吸附劑以分子間的化學鍵為主的吸附。   物理吸附,是指吸附劑與吸附質之間是通過分子間引力(即范德華力)而產生的吸附,在吸附過程中物質不改變原來的性質,因此吸附能小,被吸附的物質很容易再脫離,如用活性炭吸附氣體,只要升高溫度,就可以使被吸附的氣體逐出活性炭表面。   化學吸附,是指吸附劑與吸附質之間發生化學作用,生成化學鍵引起的吸附,在吸附過程中不僅有引力,還運用化學鍵的力,因此吸附能較大,要逐出被吸附的物質需要較高的溫度,而且被吸附的物質即使被逐出,也已經產生了化學變化,不再是原來的物質了,一般催化劑都是以這種吸附方式起作用。   還有一種可以進行連續操作的分子篩,物料連續XX填充床,分子篩可以只吸附固定體積的分子,再釋放,而將體積過大的分子攔住,石油氣和天然氣的分離經常採用這種方式。   物理吸附和化學吸附並不是孤立的,往往相伴發生。在污水處理技術中,大部分的吸附往往是幾種吸附綜合作用的結果。由於吸附質、吸附劑及其他因素的影響,可能某種吸附是起主導作用的。

吸附的作用

  吸附作用是催化、脫色、脫臭、防毒等工業應用中必不可少的單元操作。   在吸附的應用方面,通常在催化化學反應的進行方面應用較多,具體到工業上催化劑使用量都是很大的,多以噸計!

應用

  吸附操作中,吸附質在流體中的平衡濃度通常很小,吸附分離可以進行得十分完全。但由於固體吸附劑在輸送、計量和控制等方面比較困難,所以僅宜於用來分離吸附質濃度很低的流體混合物。此外,也可以作為其他傳質分離操作的補充,以達到組分十分完全分離的目的。對於組分揮發度很接近的料液,當精餾難以實現分離時,用吸附分離可能會經濟些。目前,工業上的主要用途有:①氣體和液體的深度乾燥;②食品、藥品、有機石油產品的脫色、脫臭;③有機異構物(如混合二甲苯)的分離;④空氣分離以制取富氧空氣;⑤從廢水或廢氣中除去有害的物質等。隨著新型高效吸附劑的研究和工藝過程的開發,吸附操作必將愈來愈廣泛地應用於各工業生產部門。

參考書目

  葉振華、宋清著:《吸附及離子交換》(《化學工程手冊》第17篇),化學工業出版社,北京,1985。   北川浩、鈴木謙一郎著,鹿政理譯:《吸附的基礎與設計》,化學工業出版社,北京,1983。(北川浩、鈴木謙一郎著:《吸著の基礎と設計》,槇?店,東京,1977)。

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