制药分离工程第九章 吸附

《中药分离工程》 中药分离工程》 4.分子筛： 分子筛： 分子筛 分子筛有天然和合 成分子筛。 成分子筛。
每一种沸石分子筛都具 有特定的均一孔径，它因 有特定的均一孔径， 原料的配比、 原料的配比、组成和制造 方法不同而不同， 方法不同而不同，通过改 变这些因素可以制造出各 种孔径和形状的沸石分子 筛。
《中药分离工程》 中药分离工程》 吸附的键能
吸附剂/ 吸附剂 吸附质之间的 亲和力可用于选择性 分离（如右图），吸 分离（如右图），吸 ）， 附过程需要一个适合 的键能范围。 的键能范围。如果键 强度太弱， 强度太弱，则几乎没 有物质被吸附， 有物质被吸附，如果 键能太强， 键能太强，则解吸困 难。
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物理吸附与化学吸附的比较
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3．三类吸附过程
1）变温吸附。吸附通常在室温下进行，而解吸在 ）变温吸附。吸附通常在室温下进行， 直接或间接加热吸附剂的条件下完成， 直接或间接加热吸附剂的条件下完成，利用温度 的变化实现吸附和解吸再生循环操作。 的变化实现吸附和解吸再生循环操作。 2 ） 变压吸附 。 在较高压力下选择性吸附气体混合 变压吸附。 物中的某些组分，然后降低压力使吸附剂解吸， 物中的某些组分，然后降低压力使吸附剂解吸， 利用压力的变化完成循环操作。 利用压力的变化完成循环操作。 变浓度吸附。 3 ） 变浓度吸附 。 液体混合物中的某些组分在环境 条件下选择性的吸附， 条件下选择性的吸附，然后用少量强吸附性液体 解吸再生。 解吸再生。
《中药分离工程》 中药分离工程》 吸附质和吸附剂(adsorbate-adsorbent）： 吸附质和吸附剂(adsorbate-adsorbent）： 在固体表面被吸附的组分称吸附质， 在固体表面被吸附的组分称吸附质， 多孔固体称为吸附剂， 多孔固体称为吸附剂，具有很大比表面积 的多孔结构。 的多孔结构。 固体：吸附剂 固体： 流体：被分离物，气体或液体中的分子、 流体：被分离物，气体或液体中的分子、 原子或离子。 原子或离子。 解吸： 解吸：吸附的逆过程
2）化学吸附：吸附质和吸附剂分子间的化学键 化学吸附：吸附质和吸附剂分子间的化学键 作用力所引起的吸附 其结合力大， 所引起的吸附。 作用力所引起的吸附。其结合力大，放热量与化 学反应热数量级相当，过程往往不可逆。 学反应热数量级相当，过程往往不可逆。化学吸 附在催化中起重要作用，分离过程中较少使用。 附在催化中起重要作用，分离过程中较少使用。
《中药分离工程》 中药分离工程》 吸附机理
气（液）相主体
● 被吸附分
子
吸附剂
液膜 返回
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第三节 吸附操作
9.3.1 搅拌槽吸附 9.3.2 固定床循环操作 9.3.3 吸附剂的再生
返回
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9.3.1槽式吸附操作 9.3.1槽式吸附操作
槽式吸附操作适用于外扩散控制的吸附传质过 程。 使用搅拌使溶液呈湍流状态，颗粒外表面的膜 使用搅拌使溶液呈湍流状态， 阻力较少。 阻力较少。
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二、吸附原理： 吸附原理： 当流体与多孔固体接触时,流 吸附过程 :当流体与多孔固体接触时 流 当流体与多孔固体接触时 动相中的一种或多种溶质向多孔固体颗 粒表面选择性被吸附和积累的过程。 粒表面选择性被吸附和积累的过程。 吸附操作： 吸附操作：用多孔固体有选择地吸附流 体中的一个或几个组分， 体中的一个或几个组分，从而使混合物 分离的操作方法。它是分离和纯化气体 分离的操作方法。它是分离和纯化气体 和液体混合物的重要单元操作之一 的重要单元操作之一。 和液体混合物的重要单元操作之一。
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2.常见的吸附类型及其主要特点 2.常见的吸附类型及其主要特点
1）物理吸附（范德华吸附）： ）物理吸附（范德华吸附）： 吸附质和吸附剂以分子间作用力为主的吸附。 分子间作用力为主的吸附 吸附质和吸附剂以分子间作用力为主的吸附。 物理吸附分离在原理上有四种类型： 物理吸附分离在原理上有四种类型： 选择性吸附 、分子筛效应 、微孔的扩散和微孔 中的凝聚 。
《中药分离工程》 中药分离工程》 2.活性氧化铝 2.活性氧化铝——极性吸附剂 活性氧化铝 极性吸附剂 活性氧化率的化学通式为： 活性氧化率的化学通式为：Al2O3·nH2O 用无机酸的铝盐与碱反应生成氢氧化铝的溶 胶，然后转变为凝胶，经过灼烧脱水而得。 然后转变为凝胶，经过灼烧脱水而得。 活性氧化铝的表面活性中心是羟基和路易斯 酸中心，极性强， 酸中心，极性强，对水具有很高的亲和作用 ，广泛用于脱除气体中的水分。
料液 流出 Step3
吸附质解 吸附 Step4
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吸附法特点
1）从稀溶液中分离出溶质，由于受固体吸附剂 ）从稀溶液中分离出溶质， 的限制，处理能力较小； 的限制，处理能力较小； 2）操作条件温和，对溶质的作用较小，适用于 ）操作条件温和，对溶质的作用较小， 热敏性物质的分离，如蛋白质分离； 热敏性物质的分离，如蛋白质分离； 3）吸附是自发过程，吸附时放出热量。 ）吸附是自发过程，吸附时放出热量。 4)溶质和吸附剂间的 吸附平衡关系通常是非线 溶质和吸附剂间的吸附平衡关系通常是非线 溶质和吸附剂间的 性关系。 性关系。
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4.吸附应用 4.吸附应用 吸附
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9.2.2 吸附剂
活性碳
沸石分子筛 吸附剂 硅胶
活性氧化铝
《中药分离工程》 中药分离工程》 吸附剂的主要特征： 吸附剂的主要特征： 1. 多孔结构 ； 2. 较大的比表面积 选择性吸附是吸附剂的关键性质。根据 选择性吸附是吸附剂的关键性质。 吸附剂表面的选择性，吸附剂又分为： 吸附剂表面的选择性，吸附剂又分为： 1. 疏水吸附剂； 疏水吸附剂； 2. 亲水吸附剂 影响吸附剂性能的主要因素： 影响吸附剂性能的主要因素： 1. 化学组成； 化学组成； 2. 制造方法
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什么是吸附？ 什么是吸附？
吸附过程通常包括：待分离料液与吸附 吸附过程通常包括： 剂混合、吸附质被吸附到吸附剂表面、 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。 料液流出、吸附质解吸回收等四个过程。
料液与吸 附剂混合 Step1
吸附质 被吸附 Step2
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9.2.3 吸附平衡
吸附平衡： 在一定条件下，当流体（ 吸附平衡： 在一定条件下，当流体（气体 或液体）与固体吸附剂接触时， 或液体）与固体吸附剂接触时，流体中的 吸附质将被吸附，经过足够长的时间， 吸附质将被吸附，经过足够长的时间，吸 附质在两相中的浓度不再变化， 附质在两相中的浓度不再变化，达到吸附 平衡。 平衡。 吸附平衡关系决定了吸附过程的方向和极 是吸附过程的基本依据。 限，是吸附过程的基本依据。 吸附平衡关系通常用等温下 等温下吸附剂中吸附 吸附平衡关系通常用等温下吸附剂中吸附 质的含量与流体相中吸附质的浓度或分压 含量与流体相中吸附质的 质的含量与流体相中吸附质的浓度或分压 间的关系表示（等温曲线）。 间的关系表示（等温曲线）。
《中药分离工程》 中药分离工程》 1.硅胶－极性吸附剂 硅胶－ 硅胶 硅胶的化学通式为： 硅胶的化学通式为：SiO2·nH2O。用硅酸 。 钠与无机酸反应生成硅酸， 钠与无机酸反应生成硅酸，其聚合物在适 宜的条件下聚合、 宜的条件下聚合、缩合而成为硅氧四面体 的多聚物，经聚集、洗盐、 的多聚物，经聚集、洗盐、脱水而成为硅 胶。在制造过程中通过控制胶团的尺寸和 堆积的配位数，可以控制硅胶的孔容、 堆积的配位数，可以控制硅胶的孔容、孔 径和比表面积。 径和比表面积。 硅胶处于高亲水和高疏水的中间状态， 硅胶处于高亲水和高疏水的中间状态，常 用于各种气体脱水，也用于烃类分离。 用于各种气体脱水，也用于烃类分离。
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4.吸附应用 4.吸附应用 吸附
1）气体或液体的脱水及深度干燥。 气体或液体的脱水及深度干燥。 2）气体或溶液的脱臭、脱色及有机溶剂蒸气的回 ）气体或溶液的脱臭、 收。 3）气体中痕量物质的吸附分离，如纯氮、纯氧的 ）气体中痕量物质的吸附分离，如纯氮、 制取。 制取。 4）分离某些精馏难以分离的物系，如烷烃、烯烃、 ）分离某些精馏难以分离的物系，如烷烃、烯烃、 芳香烃馏分的分离。 芳香烃馏分的分离。 5）废气和废水的处理。 ）废气和废水的处理。
第九章 吸附分离
《中药分离工程》 中药分离工程》 一、问题的引出 精馏过程为多次部分气化、 精馏过程为多次部分气化、部分冷凝过 塔顶有冷凝器，塔釜有再沸器， 程，塔顶有冷凝器，塔釜有再沸器，大量 的能量损失于塔顶冷凝器中。 的能量损失于塔顶冷凝器中。 如何寻找节能方法？ 如何寻找节能方法？ 开发出： 吸着分离过程 吸附、 吸着分离过程（ 开发出：1.吸着分离过程（吸附、离子交换 、色谱分离）； 色谱分离）； 2.超临界萃取； 超临界萃取； 超临界萃取 3.膜分离。 膜分离。 膜分离
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3.活性碳 活性碳——非极性吸附剂 活性碳 非极性吸附剂
活性碳是碳质吸附剂的总称。 活性碳是碳质吸附剂的总称。各种含碳有机 物均可以制造活性碳， 物均可以制造活性碳，活性碳的制造主要有 两步： 两步： 1碳化；2 活化。 碳化； 活化。 碳化 活性炭具有非极性表面。 疏水亲有机物的 活性炭具有非极性表面。为疏水亲有机物的 吸附剂；它具有性能稳定、抗腐蚀、 吸附剂；它具有性能稳定、抗腐蚀、吸附容 量大、解吸容易及再生性能好的优点。 量大、解吸容易及再生性能好的优点。 广泛用于：脱除水中有机物； 广泛用于：脱除水中有机物；水溶液中的 色素等。 色素等。
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9.2.4 吸附速率
当含有吸附质的流体与吸附剂接触 时，将进行吸附过程。 将进行吸附过程。 吸附速率： 吸附速率： 吸附质的量. 单位时间内被吸附的 吸附质的量
——是吸附过程设计和操作的重 是吸附过程设计和操作的重 要参数。 要参数。
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一、 吸附机理
吸附过程分四步： 吸附质在吸附剂的多孔表面上的 吸附过程分四步：
1. 吸附质由流体主体通过分子扩散与对流扩散穿过薄膜或 边界层传递到吸附剂外表面，称为外扩散过程。 边界层传递到吸附剂外表面，称为外扩散过程。 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，称微内扩散过程。 内表面，称微内扩散过程。 3. 吸附质沿孔表面的表面扩散。 吸附质沿孔表面的表面扩散。 4. 吸附质被吸附在孔表面上。 吸附质被吸附在孔表面上。 对于化学吸附： 形成， 对于化学吸附：吸附质与吸附剂之间有健的 形成，第四步 可能较慢，甚至是控制步骤。 可能较慢，甚至是控制步骤。 对于物理吸附： 对于物理吸附：由于吸附速率仅取决于吸附质分子与孔表 面的碰撞频率和定向作用，几乎是瞬间完成的， 面的碰撞频率和定向作用，几乎是瞬间完成的，吸附速 率由前三步控制。统称为扩散控制。 率由前三步控制。统称为扩散控制。
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第二ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 吸附分离原理
9.2.1 吸附过程分类 9.2.2 常用吸附剂 9.2.3 吸附平衡 9.2.4 吸附速率
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9.2.1 吸附过程 一、吸附原理 由吸附质单个原子、 由吸附质单个原子、离子和分子与固体表面 之间存在有相互作用力， 之间存在有相互作用力，气体和液体有着吸着于 固体的趋势，通常形成单分子层， 固体的趋势，通常形成单分子层，有时也形成多 分子层。 分子层。 ——吸附现象 吸附现象 选择性吸附继而再生是分离气体或液体混合 选择性吸附继而再生是分离气体或液体混合 继而再生 物的基础。大多数情况下， 物的基础。大多数情况下，吸附剂对吸附质的亲 和力比原子之间的共价键要弱，所以吸附是可逆 和力比原子之间的共价键要弱，所以吸附是可逆 随温度的升高或被吸附质分压的降低， 的。随温度的升高或被吸附质分压的降低，吸附 质被解吸 解吸。 质被解吸。