[科普中國]-吸附

基本概念

吸附就是固體或液體表面對氣體或溶質(zhì)的吸著現(xiàn)象。由于化學(xué)鍵的作用而產(chǎn)生的吸附為化學(xué)吸附。如鎳催化劑吸附氫氣，化學(xué)吸附過程有化學(xué)鍵的生成與破壞，吸收或放出的吸附熱比較大，所需活化能也較大，需在高熱下進行并有選擇性。物理吸附是由分子間作用力相互作用而產(chǎn)生的吸附。如活性炭對氣體的吸附，物理吸附一般是在低溫下進行，吸附速度快、吸附熱小、吸附無選擇性。2

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(zhì)(adsorbate)，多孔固體稱為吸附(adsorbent)。

廣義地講，指固體表面對氣體或液體的吸著現(xiàn)象。固體稱為吸附劑，被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。根據(jù)吸附質(zhì)與吸附劑表面分子間結(jié)合力的性質(zhì)，可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附由吸附質(zhì)與吸附劑分子間引力所引起，結(jié)合力較弱，吸附熱比較小，容易脫附，如活性炭對氣體的吸附?；瘜W(xué)吸附則由吸附質(zhì)與吸附劑間的化學(xué)鍵所引起,猶如化學(xué)反應(yīng)，吸附常是不可逆的,吸附熱通常較大。在化工生產(chǎn)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，是一種屬于傳質(zhì)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(yīng)用于化工、石油、食品、輕工和環(huán)境保護等部門。

吸附分類物理吸附也稱為范德華吸附，它是吸附質(zhì)和吸附劑以分子間作用力為主的吸附。物理吸附，它的嚴(yán)格定義是某個組分在相界層區(qū)域的富及集。物理吸附的作用力是固體表面與氣體分子之間，以及已被吸附分子與氣體分子間的范德華引力，包括靜電力誘導(dǎo)力和色散力。物理吸附過程不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生電子轉(zhuǎn)移、原子重排及化學(xué)鍵的破壞與生成。由于分子間引力的作用比較弱，使得吸附質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)變化很小。在吸附過程中物質(zhì)不改變原來的性質(zhì)，因此吸附能小，被吸附的物質(zhì)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(xué)吸附化學(xué)吸附是吸附質(zhì)和吸附劑以分子間的化學(xué)鍵為主的吸附，是指吸附劑與吸附質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)作用，生成化學(xué)鍵引起的吸附，在吸附過程中不僅有引力，還運用化學(xué)鍵的力，因此吸附能較大，要逐出被吸附的物質(zhì)需要較高的溫度，而且被吸附的物質(zhì)即使被逐出，也已經(jīng)產(chǎn)生了化學(xué)變化，不再是原來的物質(zhì)了，一般催化劑都是以這種吸附方式起作用。

兩種吸附差別物理吸附和化學(xué)吸附并不是孤立的，往往相伴發(fā)生。在污水處理技術(shù)中，大部分的吸附往往是幾種吸附綜合作用的結(jié)果。由于吸附質(zhì)、吸附劑及其他因素的影響，可能某種吸附是起主導(dǎo)作用的。

在化學(xué)鍵力作用下產(chǎn)生的吸附為化學(xué)吸附。只有一定條件下才能產(chǎn)生化學(xué)吸附，如惰性氣體不能產(chǎn)生化學(xué)吸附。如果表面原子的價鍵已經(jīng)和鄰近的原子形成飽和鍵也不能產(chǎn)生化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附時，化學(xué)鍵力起作用其作用力比范德瓦爾引力大得多，所以吸附位阱更深，作用距離更短。在產(chǎn)生化學(xué)吸附的過程中，氣體原子和表面原子之間產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移。事實上，化學(xué)吸附過程通常并非發(fā)生在分子事先被離解的情況。物理吸附與分子在表面上的凝聚現(xiàn)象相似，它是沒有選擇性的。由于吸附相分子與氣相分子間的范德瓦爾引力，因而可以形成多個吸附層。3

基本原理當(dāng)液體或氣體混合物與吸附劑長時間充分接觸后，系統(tǒng)達到平衡，吸附質(zhì)的平衡吸附量（單位質(zhì)量吸附劑在達到吸附平衡時所吸附的吸附質(zhì)量），首先取決于吸附劑的化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)，同時與系統(tǒng)的溫度和壓力以及該組分和其他組分的濃度或分壓有關(guān)。對于只含一種吸附質(zhì)的混合物，在一定溫度下吸附質(zhì)的平衡吸附量與其濃度或分壓間的函數(shù)關(guān)系的圖線，稱為吸附等溫線。對于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(dāng)混合物中含有幾種吸附質(zhì)時，各組分的平衡吸附量不同，被吸附的各組分濃度之比，一般不同于原混合物組成，即分離因子（見傳質(zhì)分離過程）不等于1。吸附劑的選擇性愈好,愈有利于吸附分離。

分離只含一種吸附質(zhì)的混合物時，過程最為簡單。當(dāng)原料中吸附質(zhì)含量很低,而平衡吸附量又相當(dāng)大時,混合物與吸附劑一次接觸就可使吸附質(zhì)完全被吸附。吸附劑經(jīng)脫附再生后循環(huán)使用，并同時得到吸附質(zhì)產(chǎn)品。但是工業(yè)上經(jīng)常遇到的一些情況，是混合物料中含有幾種吸附質(zhì),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(zhì)設(shè)備。

吸附分離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。

吸附分離實例：

（1）氣體或液體的脫水及深度干燥，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(yè)中，常有大量的有機溶劑逸出，采用活性炭處理排放的氣體，既減少環(huán)境的污染，又可回收有價值的溶劑。

（3）氣體中痕量物質(zhì)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和二氧化碳，從煉廠廢水中脫除酚等有害物質(zhì)。

評價吸附分離的指標(biāo)有：

（1）吸附質(zhì)的回收率（當(dāng)吸附質(zhì)是有價值的物料時）或吸附質(zhì)的凈化率（當(dāng)吸附質(zhì)是有害雜質(zhì)時）。

（2）設(shè)備的操作強度，即單位設(shè)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(biāo)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(jīng)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(biāo)有重要影響，必須謹(jǐn)慎決定。

設(shè)備類型（1）吸附槽。用于吸附操作的攪拌槽，如在吸附槽中用活性白土精制油品或糖液。

（2）固定床吸附設(shè)備。用于吸附操作的固定床傳質(zhì)設(shè)備，應(yīng)用最廣。

（3）流化床吸附設(shè)備。吸附劑于流態(tài)化狀態(tài)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(dāng)要求吸附質(zhì)回收率較高時，可采用多層流態(tài)化設(shè)備。流化床吸附容易連續(xù)操作，但物料返混及吸附劑磨損嚴(yán)重。

（4）移動床吸附柱。又稱超吸附柱，用于吸附中的移動床傳質(zhì)設(shè)備，曾用于分離烯烴的中間工廠。