吸附分离技术

对三废的适应性强，吸附材料耐酸、耐碱、耐有机溶剂、 耐氧化，对微生物污染和放射性也有一定的耐受能力；
在治理废水的同时，富集回收了废水中的有用物质，实现 了废物资源化。
1.4 吸附剂的性能要求
大的比表面积和合适的孔径 较高的强度和耐磨性
颗粒大小均匀
具有一定的吸附分离能力
具有一定的商业规模及合理的价格
（1）吸附树脂的分类
吸附树脂
非极性吸附树脂
中极性吸附树脂
极性吸附树脂
强极性吸附树脂
电荷均匀分 布，不带任 何功能基
含有酯基 一类的极 性基团
具有酰胺、亚砜、 腈等基团，这些 基团的极性大于 酯基
有极性最 强的极性 基团，如 吡啶基、 氨基等
（2）树脂吸附剂的特点
适用范围宽，废水中有机物浓度从几个到几万mg/L、从 极性有机物到非极性有机物均可用此法进行处理； 吸附效率高，脱附再生容易； 树脂性能稳定，使用寿命长，每年材料损耗大约为5%； 工艺简单、操作简便，设备占地面积小，不需高温高压； 固液容易分离，在水体中不会引入新的污染物；
物理吸附和化学吸附之间的区分并没有严格的界限。 在实际的吸附过程中，上述几类吸附往往同时存在。 物理吸附和化学吸附在一定条件下也是可以互相转化 的。同一物质，可能在较低温度下进行物理吸附，而 在较高温度下往往又是化学吸附。
1.3 常用吸附剂
无机吸附剂 按化学结构分类 高分子吸附剂 炭质吸附剂 离子交换剂 化学吸附 螯合剂 阳离子交换剂 阴离子交换剂 两性离子交换剂
2.1 吸附等温线
曲线的形状反映吸附的难易，低浓度下曲线向 下弯，如I、II、IV的初始表示分子容易被吸附； 如不易被吸附则向上弯，如III、V。 浓度增大曲线往上斜，如IV，表示吸附由单分子 层开始向多分子层进行。
2.2
吸附的热力学参数
树脂吸附有机物的熵变△S（Entropy）、自由能 变△G( Free energy) 可作为吸附的推动力来说 明吸附是否自动发生。 若△G吸附 =△G（溶质-树脂）-△G（溶质-溶剂） <0，吸 附能够自发进行。
2.5 影响吸附的因素
（1）树脂骨架结构 树脂的性质 （2）比表面积、孔结构 （3）表面化学性质 吸附质的性质： 溶解度、极性等 吸附操作条件： 温度、pH、流速等
吸附质 相互作用 (如溶解) 溶剂/水 吸附剂
三、 吸附工艺
间歇吸附 固定床吸附 移动床吸附 流动床吸附 连续式吸附与脱附设备
3.1 间歇吸附
(1) 活性炭
在气相吸附中，吸附容量在很大程度上决定于微 孔，而在液相吸附中，过渡孔则起主要作用。
(2) 炭化树脂
由C、H等元素组成的聚合物，经过直接或间 接热处理得到的碳质吸附剂。
CHA-111树脂的外表面
MCH-111树脂的外表面
ND-900树脂的外表面
(3) 活性炭纤维(ACF)
根据生产中前驱体的不同，目前实现工业 化生产的活性炭纤维产品主要分为粘胶基 ACF、酚醛基ACF、聚丙稀腈基ACF(PANACF)、沥青基ACF(pitch-ACF)等。
吸附性能 物理吸附 作用力 选择性 吸附层 吸附热 吸附速度 稳定性 温度的影响 分子引力 一般没选择 多层吸附
较小，一般在41.9 kJ/mol以内
吸附类型 化学吸附 化学键 有选择 单层吸附
较大，一般在83.7～418.7KJ/mol以内
快 不稳定，易解吸 温度升高，吸附量降低
较慢 较稳定，不易解吸 温度升高，吸附速度增加
2. 自由能降低△G < 0对吸附推动力的解释
吸附树脂由溶剂里吸附溶质，实际上是吸附质与 吸附树脂及溶剂间作用力平衡的结果，要求吸附质与 树脂的作用力大于与溶剂的作用力，这可用溶质分子 由溶液跑到树脂表面产生的自由能减少(-△G)来衡量， 故当△G吸附 =△G（溶质-树脂）-△G（溶质-溶剂） <0，吸附能够自发进行。 显然，溶质在水中溶解度越小， △G（溶质-溶剂） 的降低也越小， △G吸附就越大，越有利于吸附。酸 碱、盐的存在会减少有机物在水里的溶解度，故对吸 附有利。
吸附分离材料
按吸附机理分类
物理吸附
可再生高分子试剂和催化剂 非极性吸附剂 中极性吸附剂 极性吸附剂 免疫吸附剂 仿生吸附剂
亲和吸附
球型树脂（大孔、凝胶、大网） 按形态和孔结构分类 离子交换纤维与吸附性纤维 无定型颗粒吸附剂
1、无机吸附剂
具有一定晶体结构的无机化合物，最典型的天然 无机吸附剂为沸石类（Zeolite),包括方沸石、菱沸 石、丝光沸石、交沸石、钠沸石等。其它天然的硅铝 酸盐如蒙脱土、绿砂以及长石类矿物（正长石、钠长 石、灰长石、钙长石）也可作为无机吸附剂使用。 人工合成的无机吸附剂有合成沸石、分子筛、活 性氧化铝、硅胶、磷酸锆等。
ACF有丰富的微孔结构和巨大的比表面积， 有多种形式的制成品，与粉末状和颗粒状吸 附材料相比，吸附和脱附速率更快；另外， ACF在震动下不产生装填松动和过分密实的 现象，克服了在操作过程中形成沟槽和沉降 的问题。
3、吸附树脂（高分子吸附剂） macroreticular resin; macroporous adsorbent; polymeric adsorbent
1.1 吸附的定义
1.2 吸附的分类
物理吸附（范德华引力、偶极-偶极作用、氢键） 化学吸附（通过形成化学键的吸附 离子键、配位 键（螯合树脂）、易裂解的共价键(高分子催化剂)） 亲和吸附（对目标物呈现专一性或高选择性。这种
吸附专一性或分子识别性能，来源于氢键、范德华引
力、偶极-偶极作用等多种键力的空间协同作用）
二、吸附的基本理论
在固体对气体的吸附中，吸附量是温度和压力 的函数；在固体对液体的吸附中则为温度和溶液 中吸附质浓度的函数。 固定温度下，吸附量与浓度的关系为等温吸 附，通常用吸附等温线来描述所研究体系达到平 衡时吸附量与溶液中吸附质浓度的关系。 吸附等温线是描述吸附平衡行为的基本工具，可 用于比较吸附剂的基本吸附性能。由于吸附机理在很 大程度上决定了吸附等温线的形状，因而对吸附等温 线分类有助于诊断吸附过程。
吸附树脂就是树 脂吸附剂，是利 用树脂能发生吸 附－解吸作用， 以达到物质的分 离、净化目的的 一类可以反复使 用的树脂。
吸附树脂与离子交换树脂：
吸附树脂和离子交换树脂都是具有多孔性海绵状 立体网状结构的小颗粒，在整个颗粒内部及外部都 具有表面活性，不溶于一般的酸、碱和溶剂，为不 溶不熔的热固性物质，可在150℃以下使用，它们 都能与外界物质进行可逆的吸附－解吸或离子交换 而达到化学平衡。 吸附树脂一般不含有能简单地按化学计量精确 计算的化学功能基团，而主要的是以范德华力为基 础的分子间吸附，在吸附性能上与活性炭相似，大 都可以定量地解吸，重复使用，比活性炭容易再生。
间歇吸附反应池有两种类型；一种是搅拌池型，即是在整
个池内进行快速搅拌，使吸附剂与原水充分混合；另一种是
泥渣接触型，池型与操作和循环澄清池相同。当用于废水深
度处理时，泥渣接触型的吸附量比搅拌池型增加30%。 为防止粉状吸附剂随处理水流失，固液分离时常加高分子 絮凝剂。
3.2 固定床吸附
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。 固定床可分为单床和多床系统。多床又有并联 与串联两种，前者适于大规模处理，出水要求 较低，后者适于处理流量较小，出水要求较高 的场合。
3.3 移动床
原水从下而上流过吸附层，吸附剂由上 而下间歇或连续移动。间歇移动床处理规 模大时，每天从塔底定时卸炭1-2次，每 次卸炭量为塔内总炭量的5%-10%；连
续移动床，即饱和吸附剂连续卸出，同时
新吸附剂连续从顶部补入。
移动床较固定床能充分利用床层吸附容
量，出水水质良好，且水头损失较小。因 而不需要反冲洗设备，对原水预处理要求 较低。
(1) 硅胶
硅胶有天然的，也有人工合 成的。天然的多孔SiO2通常 称为硅藻土，人工合成的称 为硅胶，用水玻璃制取。
活性氧化铝：活性氧化铝 对水有较强的亲合力，因 此工业上常将其用作气 （液）体的干燥剂。而它 的再生温度又比分子筛低 得多。可用活性氧化铝干 燥的部分工业气体包括： Ar、He、H2、氟利昂、氟 氯烷等。另外，活性氧化 铝还可用作催化剂载体。
(2) 活性氧化铝
活性氧化铝Al(OH)3由三水合铝或三水铝矿加热脱水制成。根据制造 工艺不同，氧化铝分为低温氧化铝和高温氧化铝。前者的活化温度低 于600℃，其不同形态的氧化化铝包括ρ、χ、η和γ型氧化铝；后者的 活化温度为900-1000℃，其中包括кθ和δ氧化铝。一般在工业上所 用的氧化铝多用拜耳法制成，
吸附分离技术
吸附分离脉络
概述 吸附的定义、分类、常用吸附剂和制法、附剂的性能要求 吸附的基本理论 吸附热力学、吸附动力学、吸附作用力、影响吸附的因素、 吸附剂的再生 吸附工艺 间歇吸附、固定床吸附、连续式吸附、脱附设备 吸附法在环保中应用 活性炭吸附在环境保护中的应用、树脂吸附在环境保护中的 应用、其它吸附剂在环境保护中的应用
3.4 流化床
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。与固定床相比，可使用粒 度均匀的小颗粒吸附剂，对原水的预处理要求低。但对操 作控制要求高 。 为防止吸附剂全塔混层，以充分利用其吸附容量并保证处 理效果，塔内吸附剂采用分层流化。分隔每层的多孔板的 孔径、孔分布形式、孔数及下降管的大小等，都是影响多 层流化床运转的因素。
吸附热△H (Enthalpy)的大小直接反应了吸附剂 与吸附质分子之间的作用力的性质。
1. 熵增加（ △S>0）对吸附推动力的解释
在化学中，可以把熵看作体系的混乱度，任何作 用的进行都要求混乱度的增加。有机物不完全溶解于 水，在水中可以说是熵的减少，在遇到吸附树脂时， 由于树脂对有机物分子结合力较大，有机分子就冲破 水分子的包围，体系的混乱性增大，也就是熵增加。 吸附作用能自动进行，而熵的增加成为吸附进行的推 动力。 当有机物分子量增大，在水中溶解度减小时，熵 的增加就越大，也就越容易被树脂吸附。如果有机物 完全溶解于水里，遇到吸附树脂时也没有熵的增加， 吸附就不能进行。
2、炭质吸附剂
炭质吸附剂 包括活性炭、活性炭纤维以及炭化树脂。其 中活性炭为微晶类碳系，微晶尺寸1-3nm。活性炭的整 体外观为无定形颗粒。
活性炭是一种非极性吸附剂，是由含碳为主的物质作原 料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。其外观为 暗黑色，有粒状和粉状两种。活性炭主要成分除碳以外， 还有少量的氧、氢、硫等元素，以及含有水分、灰分。 它具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，可以耐强酸、 强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。

一. 概述
20世纪70年代以来，吸附分离技术作为一种低能 耗的固相萃取分离技术，在环境保护领域中受到广泛 关注。它是利用具有较强吸附能力的多孔性固体吸附 剂，选择性的将一种或一类物质吸附在固体表面，从 而实现流体混合物中不同组分的分离。吸附过程实质 上是通过相界面上的吸附作用以达到一种或数种组分 在固相吸附剂上的富集浓缩。
与其它吸附剂相比，活性炭具有巨大的比表面积， 通常可达500-1700m2/g，因而形成强大Βιβλιοθήκη Baidu吸 附能力。微孔的容积约为0.15-0.9mL/g，比表 面积占活性炭总比表面积的95%以上。过渡孔 的容积通常为0.02-0.1mL/g，比表面积一般不 超过总比表面积的5%；大孔的容积为0.20.5mL/g。
2.3 1. 氢键力 吸附作用力
2. 定向力 3. 诱导力 4. 色散力
分子间引力是吸附作用的根本因素， 深入了解对探索吸附树脂的应用、树 脂结构的设计及操作条件的选择都有 很大意义。
2.4 吸附动力学
1. 吸附传质过程的三个阶段
第一阶段 是吸附质通过吸附剂颗粒周围的液膜到颗粒的 表面，称为外部传递过程或外扩散（膜扩散）。 第二阶段 是从吸附剂颗粒表面传向颗粒孔隙内部，称为 孔内部传递过程或内扩散。 第三阶段 为溶质在吸附剂内表面上发生吸附。
吸附是一种表面现象，是指固体表面的分子或原子因受力不 均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表面时，受 到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上，被吸附分子在 吸附剂表面浓度高于溶液本体相中浓度。具有一定吸附能力 的固体材料称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。
吸附剂 相互作用 (如溶解) 吸附质 溶剂/水