树脂吸附原理

树脂吸附原理什么是吸附？是指一种物质借助某种作用使另一种物质集中分布于两相界面的过程。例如，防毒面具内吸附剂（活性炭）对毒性气体的吸附，吸附树脂对水中溶解有机物的吸附等等。吸附树脂●多孔性交联聚合物球形颗粒●不带离子交换官能团●吸附物由于疏水界面作用吸附有机物●丰富的多孔结构■高比表面积■具有一定孔径的多孔物理吸附的原动力及吸附过程吸附树脂与吸附物质之间的作用力为分子间力，包括色散力、偶极力和氢键。处于溶液中某个具体位置的吸附质分子要最终完成被吸附剂吸附在其内部某一具体位置，需要依次完成三阶段路径的扩散过程，如图1所示：abc路径a——从吸附质分子所处的位置通过溶液中的均相位移（扩散）到吸附树脂的表面，这一过程被称为“均相扩散”。由于溶质在溶液中的扩散过程进行得非常快，因此这一过程并非吸附过程的控制要素，除非溶液的粘度非常高。图1吸附质扩散路径示意图树脂吸附机理路径b——达到吸附剂球粒表面并穿越存在于其表面上的所谓“液膜”，最后进入树脂内部孔道的过程。已有大量实验结果证明，处于溶液中的吸附树脂表面的确存在一层厚度在数十乃至数百nm范围的液膜，存在于液膜内的溶剂分子由于粘度和界面能的双重作用，几乎不随液相的运动而运动。因此，虽然吸附质分子穿越液膜的路径并不长，但是却存在着较大的阻力，因此往往成为吸附过程的控制要素——这就是所谓“膜扩散”动力学要素。树脂吸附机理abc路径c——穿越了液膜的吸附质分子并非都停留在吸附剂球体的表面，它们中的绝大部分都需要继续完成在树脂内部孔道中的运动过程，并最终到达吸附树脂球体内的某个的部位——这就是所谓“粒扩散过程”。可以想象，吸附质分子在如此狭窄的树脂孔道内运动是如此之困难，以至于往往需要若干分钟的时间，才能够运动零点几mm的路径。由此可见，吸附质分子在吸附树脂内部孔道扩散的过程往往成为吸附过程的第二个控制要素——这就是所谓“粒扩散”动力学要素。树脂吸附机理abc吸附树脂的性能指标吸附树脂的重要性能指标包括：比表面积、孔容（孔度）、平均孔径和孔径分布、干（湿）视密度和骨架密度等，其中:比表面积、平均孔径和孔容（孔度）是最重要的三个参数。吸附树脂及其主要性能指标z比表面积单位重量树脂活性孔道内壁之总表面积称为比表面积，有时也称比表面。测定多孔材料比表面积的常用方法为压汞法和气相色谱法两种。比表面积是表征吸附剂活性内表面积大小、吸附能力高低的最重要参数，一般都要求吸附剂有尽量高的比表面积，才可能具备良好的吸附能力。但是，吸附剂的孔径与比表面积具有负相关性，即高的比表面积必然与较小的孔径相联系。因此吸附剂的比表面积并非越高越好。吸附树脂主要性能指标z平均孔径一般合成多孔吸附剂的内部均包含着大量彼此联通、形态不规则、结构不均匀的非圆柱形孔道，它们便是吸附质的扩散通道和被吸附的场所。任何测定孔结构的方法均不可能测定试样中具体孔道的形态和参数，只可能测定它们的统计平均结果，这就是平均孔径。只有那些孔径等于或大于吸附质分子直径5-6倍的时候，吸附质分子的扩散和被吸附的过程才能够顺利进行。吸附树脂主要性能指标z孔容（孔度）所谓孔容系指单位重量（或体积）吸附剂内部孔道的总体积，单位是ml/g（或ml/ml）。所谓孔度系指吸附剂内部孔道所占的体积百分率，单位是%。一般吸附树脂的孔容在0.3–1ml/g范围,对应的孔度大约在20–50%范围。一般而言，吸附剂的孔容与机械强度具有负相关性，即过大的孔容必然导致吸附剂机械强度的大大降低，因此吸附剂的孔容并非越大越好。吸附树脂主要性能指标物理吸附过程是靠分子间作用力完成的。物理吸附最重要的动力学控制过程包括膜扩散和粒扩散两类，前者显示吸附质在液膜中的扩散过程是影响吸附过程快慢的关键；后者显示吸附质在吸附剂内部孔道中的扩散过程是影响吸附过程快慢的决定性因素。对于膜扩散控制过程，一般可以采用适当高的动态吸附流速和适当高的温度；对于粒扩散控制过程，通常可以采用较小粒度的树脂，便能够明显改善吸附动力学特性。影响吸附的主要因素1.影响吸附速度的主要因素1.温度：低温有利于吸附2.流速：低流速有利于吸附3.pH：视具体情况而定4.粘度：粘度低有利于吸附影响吸附的主要因素2.影响吸附量的主要因素1、有机物和无机物共溶于水溶液中，吸附树脂优先选择吸附有机物2、脂肪族有机物与芳香族有机物共溶于水溶液中，吸附树脂优先选择吸附芳香族有机物3、在同系物中，吸附树脂对分子量大的有机物的选择性强4、直链与支链同系物比较，吸附树脂对支链有机物的选择性较强5、分子量接近时，吸附树脂对溶解度低的有机物的选择性强6、分子量接近时，吸附树脂对具有适当极性、但不明显增加溶解度的有机物的选择性强。树脂吸附的选择性规律吸附树脂的使用及分离过程树脂分离纯化机理1、果汁行业提高色值及稳定性2、天然药物的分离纯化3、生物及化学合成药物的提取及精制4、有机化工废水的处理及清洁生产5、酶载体树脂吸附应用领域吸附树脂的应用领域吸附树脂的使用优势●使用范围涉及微量分析到工业分离●化学性能稳定吸附树脂在几乎所有溶液中化学稳定■操作PH值范围1～14■操作温度可达150℃●成本优势■长的使用寿命■再生相对简单易行吸附树脂选择要素根据吸附分离对象的不同选择吸附树脂的基本条件主要有三点，即比表面积、平均孔径和极性。当树脂的孔径正好为吸附质分子直径的5-6倍的时候，吸附能力将达到最强。同时根据树脂确定合适的生产控制工艺。选择吸附树脂时需考虑的主要因素选择吸附树脂时需考虑的主要因素1、吸附能力吸附树脂的吸附由被吸物质和树脂骨架之间的范德华力驱动,吸附能力首先须考虑被吸附物的化学结构和树脂的骨架结构,吸附树脂需提供强大的比表面积和适合于吸附物扩散的通道,比表面积及孔径分布是影响吸附能力的第一重要因素,具体吸附操作中,温度、溶液PH值、被吸附物的浓度对吸附能力也有较大影响。2、吸附速率吸附树脂对目标物的吸附速率在确定吸附操作工艺中吸附柱的径高比及进料流速设计等具有重要指导意义。选择吸附树脂时需考虑的主要因素3、选择性不同吸附树脂对溶液中有机物的吸附选择性有很大差异，使用时应认真实验对比，筛选确定对目标物选择性强的吸附树脂。4、再生能力再生（也称为洗脱或解析）是吸附过程的逆过程，使吸附质具有尽量高的溶解度是选择解析剂并创造最佳解吸条件的基本原则。吸附树脂是多孔性材料,选用不同解析剂及解析方法，洗脱曲线会有很大差异，实践中宜选择洗脱曲线集中的树脂、解析剂及解析方法，同时还要考虑到经济性原则。选择吸附树脂时需考虑的主要因素5、树脂寿命吸附树脂在使用工况下的抗污染性、抗流体压力能力都直接影响树脂的使用寿命，树脂寿命直接关系到使用的成本及效率。吸附工艺需考察的因素一、吸附柱内树脂层的高径比工业处理规模的吸附柱内装填树脂的高/径比建议控制在2-5之间。太小的高/径比往往达不到高的吸附量和吸附处理倍数——原因是吸附柱下端剩下尚未达到吸附平衡的树脂层还有相当部分吸附能力没有发挥。过大的高/径比可能带来试液流速过慢的问题，特别是在工业规模吸附柱，超过4000mm的树脂装填高度，由于树脂自身重量过大而可能产生额外的树脂破碎，而且可能带来解吸过程中树脂床层体积改变所产生的流动阻力和过多破碎。吸附柱动态吸附层推进示意图吸附柱动态吸附吸附层推进示意图吸附效率（%）0255075100200015001000吸附饱和层完全未吸附层部分吸附层推进方向吸附柱动态吸附吸附层推进示意图吸附效率（%）0255075100200015001000吸附饱和层完全未吸附层部分吸附层推进方向二、吸附流速、温度、pH在吸附技术应用研究领域，常常采用的流速单位“树脂床体积/小时（即BV/h）”。一般情况下将吸附流速确定在3-6BV/h是适宜的。当吸附动力学性能较差或浓度很高时，可以将流率降低到1-2BV/h；相反，对于动力学性能很好、浓度很低的吸附过程，可以将流率提高到8-10BV/h。一般的温度低有利于吸附，但需要考虑工况、安全性及经济性。在适当范围内提高糖度有利于浓缩汁的吸附效果。1、选择解吸剂的一般原则解析工艺是保证树脂长期稳定运行的主要因素使吸附质具有尽量高的溶解度则是选择解吸剂并创造最佳解吸条件的基本原则。①碱解吸当吸附质为弱酸性或强酸性有机物的时候，选择适当低浓度的碱液做解吸剂是适宜的。②酸解吸当吸附质为弱碱性有机物的时候，宜选择适当浓度的无机酸水溶液作为解吸剂是适宜的。③有机溶剂解吸按照“相似相容原理”，与吸附质分子具有相同或相似化学组成和结构的有机物乃是该吸附质最好的溶剂。低沸点的水溶性有机溶剂如甲醇、乙醇、丙酮等原则上可以同时作为上述两种情况的解吸剂，而且解吸效率更高。三、解吸工艺2、选择解吸剂的经济性原则采用何种解析剂再生，需要根据工艺确定。一般来说稀酸、稀碱的再生成本低于有机溶剂再生成本。3、解吸液浓度及用量的确定在一般情况下选择稀碱溶液（或稀酸液）做解吸剂时，通常建议的浓度范围在1.5-3%。一个具体的吸附-解吸过程，究竟需要多少解吸液才能够达到工艺要求？这是必须从技术和经济两个方面进行权衡，才可以找到最佳的解吸剂用量。稀碱（或稀酸）解吸剂的用量——建议在1.5–3BV范围确定，体积太少往往解吸效率低于95%；体积太多则使碱耗量和解吸成本必然增加。甲醇、丙酮解吸时的用量——建议在0.8–1.2BV范围确定。谢谢!