吸附作用的应用研究综述报告剖析

第一篇：吸附作用的应用研究综述报告剖析

吸附作用的应用研究综述报告

摘要：吸附应用最早可以追溯到远古时代，那时人类用木炭来防水吸潮。近现代随着科技的高速发展，吸附技术广泛应用于包括化工、轻工、炼油、冶金和环保等众多领域。根据吸附机理不同，可以分为化学吸附和物理吸附，而目前工业上常用的吸附剂主要有活性炭，活性氧化铝，硅胶，分子筛等。本文介绍了吸附的一些基础概念，并列举了吸附作用在废水净化、有机物回收、环保、医疗等方面的研究进展，并且预测了吸附技术的以后发展趋势。关键词：吸附;活性炭;活性氧化铝;硅胶;分子筛

ABSTRACT: The adsorption application can be traced back to ancient times, the early humans use charcoal to be absorb moisture.With the rapid development of science and technology in modern times, the adsorption technology is widely applied in many fields including chemical industry, light industry, oil refining, metallurgy and environmental protection, etc.Based on the different mechanisms of adsorption, it can be divided into two parts, chemical adsorption and physical adsorption.Besides, at present, common adsorbents in industry are activated carbon, activated alumina, silica gel, molecular sieve, etc.In this paper, it introduces some basic concepts about adsorption, and lists the research progress of adsorption application on wastewater purification, organic compounds recycling, environmental protection, medical treatment, and forecasts the developing trends of adsorption technology in future.KEY WORDS: adsorption;activated carbon;activated alumina;silica gel;molecular sieve

1前言

人类对吸附的认识和应用可以追溯到远古时代,马王堆古墓出土文物中就发现有木炭用来防水吸潮。在近代工业中, 人们对吸附的知识还停留在直接开发使用,如空气和工业废气的净化,防毒面具里活性炭吸附有毒气体,硬水软化用到离子交换树脂等,吸附技术一直以辅助的作用出现在化工单元操作中。近30年来,新型吸附剂的开发为吸附技术的进一步应用打下了基础。首先,Milto发明了合成沸石分子筛,它对空气中的氮具有优先吸附的特征,因此被用于开发、分离空气的工艺过程;接着,Skarstrom发明吸附循环分离技术;然后,经过一系列的改进和完善,变压吸附技术用于大规模气体分离场合的成功开发,在吸附领域取得突破性的进展,吸附循环分离技术的成功开发,使吸附技术成为化学工业和石油化学工业中重要的分离过程,奠定了吸附技术在现代工业中的重要地位。[1] 吸附的概念

固体物质表面对气体或液体分子的吸着现象称为吸附，其中被吸附的物质称为吸附质，固体物质称为吸附剂。吸附在广义地讲是指固体表面对气体或液体的吸着现象。固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。根据吸附质与吸附剂表面分子间结合力的性质，可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附由吸附质与吸附剂分子间引力所引起，结合力较弱，吸附热比较小，容易脱附，如活性炭对气体的吸附。化学吸附则由吸附质与吸附剂间的化学键所引起,犹如化学反应，吸附常是不可逆的,吸附热通常较大，如气相催化加氢中镍催化剂对氢的吸附。在化工生产中,吸附专指用固体吸附剂处理流体混合物,将其中所含的一种或几种组分吸附在固体表面上，从而使混合物组分分离，是一种属于传质分离过程的单元操作，所涉及的主要是物理吸附。吸附原理

当液体或气体混合物与吸附剂长时间充分接触后，系统达到平衡，吸附质的平衡吸附量（单位质量吸附剂在达到吸附平衡时所吸附的吸附质量），首先取决于吸附剂的化学组成和物理结构，同时与系统的温度和压力以及该组分和其他组分的浓度或分压有关。对于只含一种吸附质的混合物，在一定温度下吸附质的平衡吸附量与其浓度或分压间的函数关系的图线，称为吸附等温线。对于压力不太高的气体混合物，惰性组分对吸附等温线基本无影响；而液体混合物的溶剂通常对吸附等温线有影响。同一体系的吸附等温线随温度而改变。温度愈高，平衡吸附量愈小。当混合物中含有几种吸附质时，各组分的平衡吸附量不同，被吸附的各组分浓度之比，一般不同于原混合物组成，即分离因子（见传质分离过程）不等于1。吸附剂的选择性愈好,愈有利于吸附分离。

分离只含一种吸附质的混合物时，过程最为简单。当原料中吸附质含量很低,而平衡吸附量又相当大时,混合物与吸附剂一次接触就可使吸附质完全被吸附。吸附剂经脱附再生后循环使用，并同时得到吸附质产品。但是工业上经常遇到的一些情况，是混合物料中含有几种吸附质,或是吸附剂的选择性不高，平衡吸附量不大,若混合物与吸附剂仅进行一次接触就不能满足分离要求，或吸附剂用量太大时，须用多级的或微分接触的传质设备。[2] 吸附分类

据吸附质和吸附剂之间吸附力的不同，吸附分为物理吸附与化学吸附两大类。

⑴ 物理吸附或称范德华吸附：它是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果，因其分子间结合力较弱，故容易脱附，如固体和气体之间的分子引力大于气体内部分子之间的引力，气体就会凝结在固体表面上，吸附过程达到平衡时，吸附在吸附剂上的吸附质的蒸汽压应等于其在气相中的分压。

⑵ 化学吸附：是由吸附质与吸附剂分子间化学健的作用所引起，其间结合力比物理吸附大得多，放出的热量也大得多，与化学反应热数量级相当，过程往往不可逆。化学吸附在催化反应中起重要作用。[3]5 吸附剂的种类

目前工业上常用的吸附剂主要有活性炭，活性氧化铝，硅胶，分子筛等。[4]-[6]

5.1活性炭

吸附原理: 依靠自身独特的孔隙结构

活性炭是一种主要由含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔，1克活性炭材料中微孔，将其展开后表面积可高达800～1500m2，特殊用途的更高。

分子之间相互吸附的作用力 ：

虽然分子运动速度受温度和材质等原因的影响，但它在微环境下始终是不停运动的。由于分子之间拥有相互吸引的作用力，当一个分子被活性炭内孔捕捉进入到活性炭内孔隙中后，由于分子之间相互吸引的原因，会导致更多的分子不断被吸引，直到添满活性炭内孔隙为止。

活性炭的应用: 常用于溶剂回收，溶液脱色、除臭、净制等过程。是当前应用最普遍的吸附剂。

活性炭的制备：

通常所有含碳的物料，如木材，果壳，褐煤等都可以加工成黑炭，经活化制成活性炭。活化方法主要有两种：即药品活化和气体活化。药品活化是在原料中加入药品，如ZnCl2、H3PO4等，在非活性气体中加热，进行干馏和活化。气体活化是通入水蒸汽、CO2、空气等在700～1100℃下反应，使之活化。炭中含水会降低其活性。一般活性炭的活化表面约600～1700m2/g。5.2 硅胶

硅胶是一种坚硬无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，是一种亲水性极性吸附剂。因其是多孔结构．比表面积可达350m2／g左右。工业上用的硅胶有球型、无定型、加工成型及粉末状四种。主要用于气体的干燥脱水，催化剂载体及烃类分离等过程。

硅胶吸附剂是粉末状多孔固体，其起到吸附作用的基团是硅醇基上的羟基(吸附中心)，这些羟基所处的形态不同，其吸附能力也不同。5.3 活性氧化铝

活性氧化铝为无定形的多孔结构物质，一般由氧化铝的水合物(以三水合物为主)加热，脱水和活化制得，其活化温度随氧化铝水合物种类不同而不同，一般为250～500℃,孔径约从20Å到50Å,典型的比表面积为200～500m2/g。活性氧化铝具有良好的机械强度，可在移动床中使用。对水具有很强的吸附能力，故主要用于液体和气体的干燥。5.4 分子筛

分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物。分子筛具有均匀的微孔结构，它的孔穴直径大小均匀，这些孔穴能把比其直径小的分子吸附到孔腔的内部，并对极性分子和不饱和分子具有优先吸附能力，因而能把极性程度不同，饱和程度不同，分子大小不同及沸点不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用。分子筛(合成沸石)一般可用Mn/2·Al2O3·mSiO2·pH2O,式表示的含水硅酸盐。其中M表示金属离子，多数为钠、钾、钙，也可以是有机胺或复合离子。n表示复合离子的价数，y和w分别表示SiO2和H2O的分子数，y又称为硅铝比，硅铝比为2左右的称为A型分子筛，3左右的称为X型分子筛，3以上称为Y型分子筛。吸附作用的应用

6.1废水净化

V.M.Mabel等[7]研究了多种金属离子共存，以及在有机物存在时，墨西哥斜发沸石对工业废水中金属离子的吸附去除能力。实验结果表明，斜发沸石能对Pb（pH在8.0左右）、Cd(Ph<10.0)进行有效吸附，去除率均能达到95%以上；当有Cr(Ⅵ)存在时，Pb和Cd的去除率大大降低，由于它们在与铬酸根反应形成了化合物，降低了与沸石发生离子交换的亲和力。

Duran 等采用60 Co2γ合成了不同单体 AM 共聚组成的聚丙烯酸2丙烯(PAAAM),并将其应用于染料Janus蓝(CR)的酰胺水凝胶 B(JGB)、Congo红(non2Fick)扩散机吸附分离 ,结果表明 :流体进入水凝胶的扩散过程服从非费克 理。对 JGB的吸附量较高 ,而对 CR不能吸附;PAAAM水凝胶能成功地用于包含某些纺织染料废水的纯化分离。6.2 有机物回收

Serbezov A等[ 9]采用四步真空变压吸附工艺分离回收丙烯/丙烷，将体积分数为48%的丙烯和52%的丙烷于常压常温下送入吸附柱 ,恒压吸附 ,降压吹扫 ,真空吹扫脱附。吸附时气体负荷为96.6 L/(h·kg),吸附剂为13X沸石 ,可回收体积分数99%以上的丙烯产品。

日本Bell公司[10]采用变压吸附分离净化乙醇-水双组分体系取得良好的效果,他们将水与乙醇分压分别为44676 Pa和1679 Pa的双组分与混合气送入活性炭吸附床 ,在加压/常温条件下吸附 ,然后经第一次减压 ,脱附富水蒸气;再经第二次减压 ,脱附用PSA方法从含有异丁烷的废气中分离回收高纯度乙醇蒸气 ,将第二次解吸气体冷却到-20℃,就可回收到纯度达 98%的乙醇产品。将这种方法与去除生物质发酵酒精中的其他杂质包括醋酸乙酯、[8] 异戊醇和正丙醇等的分离净化方法结合起来应用,可将发酵酒精净化浓缩传统工艺的能耗减少50%。

天津大学徐林刚等[11]以ZSM-

5、MCM-41分子筛为载体，采用离子交换法制备了一系列用于汽油脱硫的负载金属离子的改性分子筛吸附剂。结果表明，不同吸附剂对噻吩的吸附效果不同，CuY的效果较为明显，并得出适宜的吸附条件：常温，常压，剂油质量比为0.15。6.3环保方面的应用

邢娜等[12]在常压下研究了多种分子筛上NO和NO2的吸附和脱附情况。结果表明 ,有O2存在时,O2与NO生成的NO2可与NO共吸附在分子筛上 ,显著促进了NO在分子筛特别是Na型分子筛上的吸附。在所研究的ZSM-5 ,13X ,SAPO , Y, β和 A 分子筛中 ,Hβ分子筛在无氧条件下对NO的吸附能力最强;13X分子筛在有氧条件下对NO的吸附能力最强 ,且对 NO的吸附性能具有很好的重复性。

Yong Z等[13]研究了用ASRT 5分子筛吸附除去太空舱中的CO2，实验结果见表1，温度升高到175℃时，吸附量只有25℃时的24％。

表1 不同温度下CO2在ASRT 5A分子筛上的吸附量

R.T.Yang等[14]采用Y型分子筛为载体，通过Cu交换，在室温和常压下可使汽油中硫质量分数由5×10-4左右降低至2×10-7左右，脱硫后的汽油可以直接作为燃料电池的燃料。

北京北大先锋科技有限公司李腾蛟等[15]采用该公司的变压吸附技术分离河南顺达化工科技有限公司200kt/a醋酸装置的高压尾气中的CO,设计流程图如图1。结果表明，采用变压吸附技术不仅实现了CO的低成本回收，醋酸尾气中CHOH和CHI再利用，降低了醋酸的生产成本，而且有利于环境保护。

图1 工艺流程框图

6.4 医疗方面应用

李国华等[16]利用大孔吸附树脂对广谱抗肿瘤抗生素盐酸阿霉素进行了系统研究。研究结果表明HA-01、HA-02树脂具有良好的吸附能力，可望作为体外血液消除阿霉素中毒的解毒吸附剂。总结

现代吸附分离广泛应用于化工、轻工、炼油、冶金和环保等领域。目前，工业上常用的吸附剂主要有活性炭，活性氧化铝，硅胶，分子筛等。吸附分离在废水净化、有机物回收、环保、医疗等方面应用研究屡见于文献中。最后，吸附技术同其他的先进技术相结合，从而达到高效分离的效果，将是以后研究的重点。

参考文献

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第二篇：变压吸附原理及应用

变压吸附气体分离技术

第一节 气体吸附分离的基础知识

一、吸附的定义

当气体分子运动到固体表面上时，由于固体表面的原子的剩余引力的作用，气体中的一些分子便会暂时停留在固体表面上，这些分子在固体表面上的浓度增大，这种现象称为气体分子在固体表面上的吸附。相反，固体表面上被吸附的分子返回气体相的过程称为解吸或脱附。被吸附的气体分子在固体表面上形成的吸附层，称为吸附相。吸附相的密度比一般气体的密度大得多，有可能接近液体密度。当气体是混合物时，由于固体表面对不同气体分子的压力差异，使吸附相的组成与气相组成不同，这种气相与吸附相在密度上和组成上的差别构成了气体吸附分离技术的基础。

吸附物质的固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。伴随吸附过程所释放的的热量叫吸附热，解吸过程所吸收的热量叫解吸热。气体混合物的吸附热是吸附质的冷凝热和润湿热之和。不同的吸附剂对各种气体分子的吸附热均不相同。

按吸附质与吸附剂之间引力场的性质，吸附可分为化学吸附和物理吸附。

化学吸附：即吸附过程伴随有化学反应的吸附。在化学吸附中，吸附质分子和吸附剂表面将发生反应生成表面络合物，其吸附热接近化学反应热。化学吸附需要一定的活化能才能进行。通常条件下，化学吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯气，沸石吸附乙烯都是化学吸附。

物理吸附：也称范德华（van der Waais)吸附，它是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力所引起的，此力也叫作范德华力。由于固体表面的分子与其内部分子不同，存在剩余的表面自由力场，当气体分子碰到固体表面时，其中一部分就被吸附，并释放出吸附热。在被吸附的分子中，只有当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场的位能时才能重新回到气相，所以在与气体接触的固体表面上总是保留着许多被吸附的分子。由于分子间的引力所引起的吸附，其吸附热较低，接近吸附质的汽化热或冷凝热，吸附和解吸速度也都较快。被吸附气体也较容易地从固体表面解吸出来，所以物理吸附是可逆的。分离气体混合物的变压吸附过程系纯物理吸附，在整个过程中没有任何化学反应发生。本文以下叙述的除了注明之外均为气体的物理吸附。

二、吸附剂

１．

吸附剂的种类

工业上常用的吸附剂有：硅胶、活性氧化铝、活性炭、分子筛等，另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的吸附材料。气体吸附分离成功与否，极大程度上依赖于吸附剂的性能，因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。

硅胶是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，分子式为SiO2.nH2O，为一种亲水性的极性吸附剂。它是用[wiki]硫酸[/wiki]处理硅酸钠的水溶液，生成凝胶，并将其水洗除去硫酸钠后经干燥，便得到玻璃状的硅胶，它主要用于干燥、气体混合物及[wiki]石油[/wiki]组分的分离等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下，吸附量可达吸附剂重量的８０％以上，而在低湿度条件下，吸附量大大低于细孔硅胶。活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成，它的性质取决于最初氢氧化物的结构状态，一般都不是纯粹的Al2O3,而是部分水合无定形的多孔结构物质，其中不仅有无定形的凝胶，还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具有较高的活性，故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力，是一种对微量水深度干燥用的吸附剂。在一定操作条件下，它的干燥深度可达[wiki]露点[/wiki]-７０℃以下。

活性炭是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。活化方法可分为两大类，即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品，在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热，通常在700℃以下除去挥发组分以后，通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等，并在700~1200℃温度范围内进行反应使其活化。活性炭含有很多毛细孔构造所以具有优异的吸附能力。因而它用途遍及水处理、脱色、气体吸附等各个方面。

沸石分子筛又称合成沸石或分子筛，其化学组成通式为： [M2(Ⅰ)M(Ⅱ)]O.Al2O3.nSiO2.mH2O 式中M2(Ⅰ)和M(Ⅱ)分别为为一价和二价金属离子，多半是钠和钙，n称为沸石的硅铝比，硅主要来自于硅酸钠和硅胶，铝则来自于铝酸钠和Al(HO)3等，它们与氢氧化钠水溶液反应制得的胶体物，经干燥后便成沸石，一般n=2~10,m=0~9。

沸石的特点是具有分子筛的作用，它有均匀的孔径，如3A0、4A0、5A0、10A0细孔。有4A0孔径的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三个碳以上的正烷烃。它已广泛用于气体吸附分离、气体和液体干燥以及正异烷烃的分离。

碳分子筛实际上也是一种活性炭，它与一般的碳质吸附剂不同之处，在于其微孔孔径均匀地分布在一狭窄的范围内，微孔孔径大小与被分离的气体分子直径相当，微孔的比表面积一般占碳分子筛所有表面积的90%以上。碳分子筛的孔结构主要分布形式为：大孔直径与碳粒的外表面相通，过渡孔从大孔分支出来，微孔又从过渡孔分支出来。在分离过程中，大孔主要起运输通道作用，微孔则起分子筛的作用。

以煤为原料制取碳分子筛的方法有碳化法、气体活化法、碳沉积法和浸渍法。其中炭化法最为简单，但要制取高质量的碳分子筛必须综合使用这几种方法。

碳分子筛在空气分离制取氮气领域已获得了成功，在其它气体分离方面也有广阔的前景。２．

吸附剂的物理性质

吸附剂的良好吸附性能是由于它具有密集的细孔构造。与吸附剂细孔有关的物理性能有：

a.孔容（VP）：吸附剂中微孔的容积称为孔容，通常以单位重量吸附剂中吸附剂微孔的容积来表示(cm3/g).孔容是吸附剂的有效体积，它是用饱和吸附量推算出来的值，也就是吸附剂能容纳吸附质的体积，所以孔容以大为好。吸附剂的孔体积（Vk）不一定等于孔容（VP），吸附剂中的微孔才有吸附作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的体积，一般要比VP大。

b.比表面积：即单位重量吸附剂所具有的表面积，常用单位是m2/g。吸附剂表面积每克有数百至千余平方米。吸附剂的表面积主要是微孔孔壁的表面，吸附剂外表面是很小的。

c.孔径与孔径分布：在吸附剂内，孔的形状极不规则，孔隙大小也各不相同。直径在数埃（A0）至数十埃的孔称为细孔，直径在数百埃以上的孔称为粗孔。细孔愈多，则孔容愈大，比表面也大，有利于吸附质的吸附。粗孔的作用是提供吸附质分子进入吸附剂的通路。粗孔和细孔的关系就象大街和小巷一样，外来分子通过粗孔才能迅速到达吸附剂的深处。所以粗孔也应占有适当的比例。活性炭和硅胶之类的吸附剂中粗孔和细孔是在制造过程中形成的。沸石分子筛在合成时形成直径为数微米的晶体，其中只有均匀的细孔，成型时才形成晶体与晶体之间的粗孔。

孔径分布是表示孔径大小与之对应的孔体积的关系。由此来表征吸附剂的孔特性。

d.表观重度（dl）：又称视重度。

吸附剂颗粒的体积（Vl）由两部分组成：固体骨架的体积（Vg）和孔体积（Vk），即： Vl= Vg+ Vk 表观重度就是吸附颗粒的本身重量（D）与其所占有的体积（Vl）之比。

吸附剂的孔体积（Vk）不一定等于孔容（VP），吸附剂中的微孔才有作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的体积，一般要比VP大。

e.真实重度（dg）:又称真重度或吸附剂固体的重度，即吸附剂颗粒的重量（D）与固体骨架的体积Vg之比。

假设吸附颗粒重量以一克为基准，根据表观重度和真实重度的定义则：

dl==l/Vl;dg=l/Vg

于是吸附剂的孔体积为： Vk=l/dl – l/dg

f.堆积重度（db）：又称填充重度，即单位体积内所填充的吸附剂重量。此体积中还包括有吸附颗粒之间的空隙，堆积重度是计算吸附床容积的重要参数。

以上的重度单位常用g/cm3、kg/l、kg/m3表示。

g.孔隙率（εk）：即吸附颗粒内的孔体积与颗粒体积之比。εk=Vk/(Vg+Vk)=(dg-dl)/ dg=1-dl/dg

h.空隙率（ε）：即吸附颗粒之间的空隙与整个吸附剂堆积体积之比。

ε=(Vb-Vl)/Vb=(dl-db)/dl=1-db/dl

表1-1列出了一些吸附剂的物理性质:

三、吸附平衡和等温吸附线—吸附的热力学基础

吸附刚开始时吸附剂存在大量的活性表面，被吸附的吸附质分子数大大超过离开表面的分子数。随着吸附的进行，吸附剂表面逐渐被吸附质分子遮盖，吸附剂表面再吸附的能力下降，直到吸附速度等于解吸速度时，就表示吸附达到了平衡。在密闭的容器内，吸附剂与吸附质充分接触，呈平衡时为静态吸附平衡。含有一定量吸附质的惰性气流通过吸附剂固定床，吸附质在流动状态下被吸附剂吸附，最后达到的平衡为动态平衡。表1-1 吸附剂的物理性质

吸附剂名称

硅胶

活性氧化铝

活性炭

沸石分子筛

真实重度g/cm3

2.1～2.3

3.0～3.3

1.9～2.2

2.0～2.5 表关重度g/cm3

0.7～1.3

0.8～1.9

0.7～1.0

0.9～1.3 堆积重度g/cm3

0.45～0.85

0.49～1.00

0.35～0.55

0.6～0.75 空隙率

0.40～0.50

0.40～0.50

0.33～0.55

0.30～0.40 比表面积m2/g

300～800

95～350

500～1300

400～750 孔容cm3/g

0.3～1.2

0.3～0.8

0.5～1.4

0.4～0.6平均孔径A0

10～140

40～120

20～50

为了解释吸附过程的实质，曾提出了各式各样的理论。在这些理论中，迄今没有一个能够说明所有的吸附现象。个别理论虽然能够完善地说明吸附现象的一个方面，但是却不能用来解释这一现象的其它方面。这些理论适用与否，是取决于吸附质和吸附剂的性质，以及吸附的具体条件。不管对吸附机理的各种解释如何，他们都认为吸附剂对吸附质的吸附数量与被吸附气体的压力及吸附过程的温度有关，即： q=f(P,T)式中：q—单位重量（或体积）吸附剂所吸附的物质量（吸附量）；

P—吸附组分在气相中平衡时的分压；

T—吸附过程的温度。在此函数中，当温度（T）一定时，称为等温吸附线；当压力(P)一定时，称为等压吸附线；而当吸附量一定时，称为等量吸附线。最常用的就是等温吸附线。

布隆耐尔（Bronaner）曾将物理吸附等温吸附线分为五种类型，如图１-１所示。图中纵坐标为吸附量q，横坐标为吸附质分压P（当平衡温度在吸附质临界温度以下时，通常与该温度下[wiki]饱和蒸汽压[/wiki]力P0的比值P/P0表示）.五种类型的吸附等温线其形状的差异是由于吸附剂和吸附质分子之间作用力不同造成的。

类型Ⅰ是平缓地趋近饱和质的朗格谬而型等温吸附线。这种吸附相当于在吸附剂表面上只形成单分子层吸附。类型Ⅱ是最普通的物理吸附，能形成多分子层。类型Ⅲ比较少见，它的特点是吸附热与被吸附组分的液化热大致相等。第Ⅳ、Ⅴ种认为是由于毛细管凝结现象所致。物理吸附等温曲线不只限于这五种。例如，有的物理吸附其等温吸附线是阶梯状的，并且等温吸附线常常与解吸曲线不一致，还常有滞后的拖尾现象。

表达等温吸附线的数学式，称为等温吸附方程。由于各学者针对不同的吸附平衡现象，采用不同的假设和模型，因而推导出各种等温吸附方程。现将几种常用的等温吸附方程简单介绍如下： 1．亨利(Henry)方程

通常都知道，一定温度下气体在液体中的溶解度与气体的分压成正比，这就是亨利定律。而在吸附过程中，亦存在这种现象，即在吸附过程中吸附量与压力成正比。和气体在溶液中的溶解是相同的，故称为亨利吸附。其方程为： q=kh.c 式中：q—吸附剂的吸附量；

kh—亨利系数；

c—吸附质在气体中的浓度。

对于压力很低的气相吸附，多数情况下，能服从此定律，而且只限于吸附量占形成单分子层吸附量的10%以下，即吸附面最多只有10%大表面被吸附物质所覆盖，才能适用这个方程。2．朗格谬尔（Langmair）方程

假设在等温下，对于均匀的吸附表面，吸附质分子之间没有相互作用力，形成单分子层吸附，由此推导出的等温方程称为朗格谬尔方程。在吸附速率和解吸速率相等时为： q/qm=kl.p/(1+kl.p)式中：qm—吸附剂的最大吸附容量；

p—吸附质在气体混合物中的分压；

kl—朗格谬尔常数。

从上式中可知，当吸附质在气体中的分压很低时，则： q= qm.kl.p

即成为亨利方程，qm.kl相当于亨利系数kh。如果吸附剂的吸附能力很强，吸附质的分压较高，上式又为q= qm。相当于吸附剂的表面全部吸附了吸附质，成为饱和吸附状态，等温吸附线趋于一条渐进线，吸附量和分压的变化无关，成为定值。上式整理后变为： p/q=p/ qm +1/(kl.qm)3.弗里德里胥（Freandlich）方程

等温下在吸附热随着覆盖率（即吸附量）的增加成对数下降的吸附平衡，弗里德里胥提出的经验方程为： q=kf.p1/n 式中：kf、n —与吸附剂的特性、温度有关的常数。弗里德里胥方程表示吸附量与压力的指数分数成正比。压力p增大吸附量q随之增加，但压力增加到一定程度以后，吸附量饱和而不再变化。对上式两边取对数，得： log q =1/n.log p + logkf 与朗格谬尔方程接近。此方程的斜率1/n若在0.1～0.5之间，表示吸附容易进行；超过2时，则表示吸附难以进行。

4．B.E.T方程

由布隆耐尔（Brunaner）、埃麦特（Emmett）和特勒（Teller）三人提出的等温吸附方程简称B.E.T方程。

朗格谬尔方程的前提条件是假设在吸附剂表面上只形成分子层。若是将其拓展到多分子层的吸附，即吸附分子在吸附剂上是按各个层次排列的，这些分子可以无限地累跌而吸附，并且各个分子之间的相互作用可以忽略不计，又假设每一层都符合朗格谬尔方程，便可以推导出B.E.T方程。

q=(kb.qm.p)/{(p0-p)[1+(kb-1)p/p0 ]} 式中：p0—吸附温度下，吸附质气体的饱和蒸汽压；

qm—第一层单分子层的饱和吸附量；

kb—和温度、吸附热、液化热等有关的常数。在吸附质的平衡分压p远比饱和蒸气压p0小时，p0>>p,则： q/ qm=(kb.p/ p0)/(1+ kb.p/ p0)取kl=kb/ p0，此式变成朗格谬尔方程。也就是说，B.E.T方程是朗格谬尔方程的广义方程；后者是前者的特例。通常采用B.E.T方程可以计算吸附剂的比表面积。

除以上叙述的吸附理论所推导出的等温吸附方程之外，还有爱基（Enken）和坡兰尼(Polanyi)的吸附理论、洛朗兹(Lorenz)和朗德(Lande)的静电学说、毛细管凝缩学说以及杜宾宁(Dubinin)在发展坡兰尼理论的基础上推导出的吸附等温方程等等。

工业用吸附剂一般都含有各种大小的微孔，它的吸附过程可能是单分子层吸附，可能是多分子层吸附，也可能是由于毛细管凝缩所致。哪一种机理起主要作用视具体条件而定。当温度低于临界温度时，大多数吸附剂的等温吸附线属于第Ⅳ类型；大体可认为在低压区的吸附主要是单分子层吸附（见图1-2）；随着压力的升高多分子层吸附起主要作用；在接近饱和蒸汽压时（p/ p0≈1），毛细管凝缩作用显著。

图1-

3、1-4为在不同温度下，各种气体在吸附剂上的吸附等温曲线。从图中可以看出，在同一温度下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加；在同一吸附质分压下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减少；因此降低吸附温度和升高吸附压力有利于气体组分的吸附。反之，提高温度和降低压力则气体的吸附量减少而解吸。

四、吸附过程中的物质传递

等温下静态吸附平衡意味着流体和吸附剂经长期接触，颗粒外和孔内的流体浓度相同，吸附相浓度也均匀，这是很难达到的。在流动体系只能达到动态平衡，吸附质从气体主流到吸附剂颗粒内部的传递过程分为两个阶段：

第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的气膜到颗粒的表面，称为外部传递过程或外扩散。

第二阶段是从吸附颗粒表面传向颗粒中心，称为内部传递过程或内扩散。

这两个阶段是按先后顺序进行的，在吸附时气体先通过气膜到达颗粒表面，然后才能向颗粒内扩散，脱附时则逆向进行。

内扩散过程有几种不同情况，参见图1-5。

气体分子到达颗粒外表面时，一部分会被外表面所吸附，而被吸附的分子有可能沿着颗粒内的孔壁向深处扩散，称为表面扩散。一部分气体分子还可能在颗粒内的孔中向深处扩散，称为孔扩散。在孔扩散的途中气体分子又可能与孔壁表面碰撞而被吸附。所以，内扩散是既有平行又有顺序的吸附过程，它的过程模式可表达为：

根据前述，吸附传递过程由三部分组成，即外扩散、内扩散和表面吸附。扩散过程在吸附中占有重要地位。导致浓度均衡的物质相互渗入称为扩散。由于分子热运动，在没有外力作用下扩散过程能自发的发生。按照费克定律，时间τ内扩散穿过表面F的物质数量G，与浓度梯度（dC/dn-单位扩散路程长度上的浓度变化）成正比。浓度梯度决定了过程的推动力。G=-D.F.τ.dC/dn 比例系数（D）称为扩散系数。负号表示扩散是朝浓度低的方向运行。扩散系数随扩散物质的性质而异，通常以实验方法测定，并从有关手册中查得。

随着吸附的进行，气流中吸附质的浓度逐渐减少，并逐渐趋于平衡。在单位时间内被单位体积（或重量）吸附剂所吸附的物质量称为吸附浓度。

按吸附动力学原理，吸附速度可用下式表示： dq/dτ=K(C-Y)式中：dq/dτ—吸附速度的数学表达式；

C—吸附质在气体中的含量；

Y—与吸附剂所吸附的物量成平衡的气体浓度；

K—从气流到吸附剂表面的质量传递系数，也称总传质系数。以扩散方式到达吸附剂表面的物量由费克定律确定，显然，该物量应等于按吸附动力学方程所求得的吸附质的量： K(C-Y)=-D.F.dC/dn

对于物理吸附，由于表面吸附的速度是极快，几乎是瞬间完成，故它的影响可忽略不计。于是吸附传递的动力学过程是由外扩散和内扩散所决定。K1表示外扩散过程的传质系数，K2表示内扩散过程的传质系数，则总传质系数与外、内扩散系数有下列关系： 1/K=1/K1 + 1/K2

对于物理吸附，由于表面吸附的速度是很快的，故它的影响可以忽略不计。

传质系数与许多变量，如吸附剂种类、被吸附的气体组成以及吸附工况等性质有关。这种复杂的关系不可能由一个通式表示，因此在大多数情况下，传质系数是根据每种不同的情况以实验方法求得的。

五、固定床吸附流出曲线

1．吸附前沿和吸附负荷曲线

把颗粒大小均一的同种吸附剂装填在固定吸附床中，含有一定浓度（C0）吸附质的气体混合物以恒定的流速通过吸附床层。现在来描述流动状态下，床内不同位置上的吸附质浓度随时间的变化情况。

假设床层内的吸附剂完全没有传质阻力，即吸附速度无限大的情况下，吸附质一直是以的初始浓度向气体流动方向推进，类似于汽缸中的活塞移动，如图1-

6、a所示。

实际上由于传质阻力存在，流体的速度，吸附相平衡以及吸附机理等各方面的影响，情况并不是这样。吸附质浓度为C0的气体混合物通过吸附床时，首先是在吸附床入口处形成S形曲线（图1-

6、b），此曲线便称为吸附前沿（或传质前沿）。随着气体混合物不断流入，吸附前沿继续向前移动，经过t3时间后，吸附前沿的前端到达了吸附床的出口端。

S形曲线所占的床层长度称为传质区（MTZ）。此传质区形成后，只要气流速度不变，并随着气流的不断进入，逐渐沿气流向前推进。因此在动吸附过程中，吸附床可分为三个区段（图1-

6、c）：

⑴.为吸附饱和区，在此区吸附剂不再吸附，达到动态平衡状态；⑵.为吸附的传质区，传质区愈短，表示传质阻力愈小（即传质系数大），床层中吸附剂的利用率越高；⑶.为吸附床的尚未吸附区。

在图1-6中，其曲线与座标所形成的面积称为吸附剂的吸附负荷。在吸附饱和区部分，便为吸附剂在吸附质浓度C0下的饱和吸附量。如将图1-6中的纵座标，由吸附质浓度改为吸附剂对吸附质的吸附量即可得到吸附负荷曲线（图1-

8、a），它的曲线状态完全是与吸附前沿相对应的。

2．流出曲线

在吸附床中，随着气体混合物不断流入，吸附前沿不断向床的出口端推进，经过一定时间，吸附质出现在吸附床出口处，并随时间推移，吸附质浓度不断上升，最终达到进入吸附床的吸附质浓度（C0）.测定吸附床出口处吸附质浓度随时间变化，便可绘出流出曲线。

如图1-7所示，从吸附床气体入口端流进吸附质初浓度为C0的气体混合物，此时流体中的吸附质从入口端开始依次被吸附在床层上。结果在床层气体流动方向上，便形成一个浓度梯度（即传质区）。吸附过程只是在传质区为一定性质的浓度分布范围内进行。吸附工况处于稳定状态下，其浓度梯度的分布形状和长度是不变的，它以一定速度在吸附床层上移动。随着吸附过程的持续进行，吸附饱和区逐渐扩大，而尚未吸附区逐渐缩小。

当传质区到达吸附床出口端时，流出气体中的吸附质浓度开始突然上升的位置，就是所谓的渗透点（图中C点）。与其相对应的吸附质浓度（Cc）、吸附时间（tc）分别称为穿透浓度和穿透时间。实际上吸附前沿和流出曲线是成镜面的对称相似（图1-8）。和吸附前沿一样，传质阻力大，传质区愈长，流出曲线的波幅也越小。在极端理想的情况下，即吸附速度无限大的时后，吸附前沿曲线和流出曲线成了垂直线，床内吸附剂都被有效利用。

在图1-

8、a中，横座标（Z）为吸附床长度，纵座标（q）为吸附量，曲线为吸附负荷曲线。图1-

8、b中，横座标（t）为吸附时间，纵座标(C)为吸附质浓度，曲线为吸附流出曲线。图中面积[wiki]abc[/wiki]defa代表传质区的总吸附容量(U+V)，吸附前沿曲线上方（或流出曲线下方）的面积agdefa是传质区仍具有吸附能力的容量(U)，吸附前沿曲线下方（或流出曲线上方）的面积abcdga是传质区中被吸附部分(V)，面积abhk为吸附饱和区(W)。

结合图1-

8、a、b，根据数学推导可得到： 传质区长度

ZA=Z.t0/[(t+ t0)-t0.(1-k)] 或 ZA=Z.（U+V）/(W+U+V)吸附床的无效高度

h=k.ZA

h=Z.U/(W+U+V)式中：Z—吸附床总高；

t—保护作用时间；

t+ t0—饱和作用时间；

k—传质区的未饱和分率，k=U/(U+V)。

影响流出曲线形状的因素有吸附剂的性质、颗粒的形状和大小、气体混合物的组成和性质、流体速度、吸附平衡和机理、以及吸附床的温度和压力。因此通过流出曲线的研究，可以评价吸附剂的性能，测取传质系数和了解吸附床的操作状况。

为了设计固定吸附床，必须进行传质区长度和流出曲线的计算。但是，已有的计算方法都是在许多假设条件下进行的，所以，通常以实验手段测定传质区长度和流出曲线。测定时的气体浓度、流体速度、接触时间、吸附压力、吸附温度等条件应该与实际使用过程的条件相对应。

第二节 变压吸附的工作原理

一、吸附剂的再生方法

为了能使吸附分离法经济有效的实现，除了吸附剂要有良好的吸附性能以外，吸附剂的再生方法具有关键意义。吸附剂再生纯度决定产品的纯度，也影响吸附剂的吸附能力；吸附剂的再生时间决定老吸附循环周期的长短，从而也决定了吸附剂用量的多少。因此选择合适的再生方法，对吸附分离法的工业化起着重要的作用。

由描述吸附平衡的等温吸附线知道，在同一温度下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加；在同一吸附质分压下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减少；也就是说加压降温有利于吸附质的吸附，降压加温有利于吸附质的解吸或吸附剂的再生。

于是按吸附剂的再生方法将吸附分离循环过程分成两类：变温吸附法和变压吸附法。图2-1表示了这两种方法的概念，图中横座标为吸附质的分压，纵座标为单位吸附剂的吸附量。上面一条是常温下的等温吸附线，下面一条是高温下的等温吸附线。

1．变温吸附法

在较低温度（常温或更低）下进行吸附，而升高温度将吸附的组分解吸出来。从图2-1看出，变温吸附是在两条不同温度的等温吸附线之间上下移动进行着吸附和解吸。由于常用吸附剂的热传导率比较低，加温和冷却的时间就比较长（往往需要几个小时），所以吸附床比较大，而且还要配备相应的加热和冷却设施，能耗、投资都很高。

此外，温度大幅度周期性变化也会影响吸附剂的寿命。但变温吸附法可适用于许多场合，产品损失少，回收率高，所以目前仍为一种应用较广的方法。2．变压吸附法

在加压下进行吸附，减压下进行解吸。由于循环周期短，吸附热来不及散失，可供解吸之用，所以吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化一般不大，波动范围仅在几度，可近似看作等温过程。由图2-1看出，变压吸附工作状态仅仅是在一条等吸附线上变化。

常用减压吸附方法有以下几种，其目的都是为了降低吸附剂上被吸附组分的分压，使吸附剂得到再生。

a.降压：吸附床在较高压力下吸附，然后降到较低压力，通常接近大气压，这时一部分吸附组分解吸出来。这个方法操作简单，单吸附组分的解吸不充分，吸附剂再生程度不高。

b.抽真空：吸附床降到大气压以后，为了进一步减少吸附组分的分压，可用抽真空的方法来降低吸附床压力，以得到更好的再生效果，但此法增加了动力消耗。

c.冲洗：利用弱吸附组分或者其它适当的气体通过需再生的吸附床，被吸附组分的分压随冲洗气通过而下降。吸附剂的再生程度取决于冲洗气的用量和纯度。

d.置换：用一种吸附能力较强的气体把原先被吸附的组分从吸附剂上置换出来。这种方法常用于产品组分吸附能力较强而杂质组分较弱即从吸附相获得产品的场合。

在变压吸附过程中，采用哪种再生方法是根据被分离的气体混合各组分性质、产品要求、吸附剂的特性以及操作条件来选择，通常是由几种再生方法配合实施的。

应当注意的是，无论采用何种方法再生，再生结束时，吸附床内吸附质的残余量不会等于零，也就是说，床内吸附剂不可能彻底再生。这部分残余量也不是均匀分布再吸附床内各个部位。图2-2中曲线-2示出了这部分残余量在床内的分布情况。曲线-1就是前述的吸附负荷曲线。两根曲线分别与座标所形成的面积之差称为吸附床的有效吸附负荷。此质增大，有利于吸附操作。吸附工况确定后，有效吸附负荷就取决于吸附床的再生程度。由此，可看出再生在吸附操作中的重要性。

二、变压吸附工作基本步骤

单一的固定吸附床操作，无论是变温吸附还是变压吸附,由于吸附剂需要再生，吸附是间歇式的。因此，工业上都是采用两个或更多的吸附床，使吸附床的吸附和再生交替（或依次循环）进行，保证整个吸附过程的连续。

对于变压吸附循环过程，有三个基本工作步骤： 1．压力下吸附

吸附床在过程的最高压力下通入被分离的气体混合物，其中强吸附组分被吸附剂选择性吸收，弱吸附组分从吸附床的另一端流出。2．减压解吸

根据被吸附组分的性能，选用前述的降压、抽真空、冲洗和置换中的几种方法使吸附剂获得再生。一般减压解吸，先是降压到大气压力，然后再用冲洗、抽真空或置换。3．升压

吸附剂再生完成后，用弱吸附组分对吸附床进行充压，直到吸附压力为止。接着又在压力下进行吸附。

图2-3示出了在一个变压循环中吸附剂的吸附负荷与压力的变化关系。

三、吸附剂的选择

吸附剂对各气体组分的吸附性能是通过实验测定静态下的等温吸附线和动态下的流出曲线来评价的。吸附剂的良好吸附性能是吸附分离过程的基本条件。

在变压吸附过程中吸附剂的选择还要考虑解决吸附和解吸之间的矛盾。例如对于苯、甲苯等强吸附质就要用对其吸附能力较弱的吸附剂如硅胶，以使吸附容量适当，又有利于解吸操作。而对于弱吸附质如甲烷、氮、一氧化碳等，就需要选用吸附能力较强的吸附剂如分子筛等，以期吸附容量大些。选择吸附剂的另一要点是组分间的分离系数尽可能大。

所谓分离系数的定义是这样的：

设有一个二组分体系，其中A为强吸附组分；B为弱吸附组分。她们的组别分别为Xa和Xb，组分A和B的吸附系数Ka、Kb各为： Ka =qa.T.p0/(v.T0.p.Xa);Kb=qb.T.p0/(v.T0.p.Xb)式中：q—床内吸附剂吸附A或B组分在标准状态下的体积；

p、T—工作状态下的压力和温度；

v—吸附床的死体积（即床内流体能占有的体积），其值为： v=1/db – 1/dg 于是分离系数α为： α=（Ka+1）/(Kb+1)也就是说，某组分吸附平衡时在吸附床内的总量有两部分，一部分是在死空间中，另一部分被吸附剂所吸附，其总和叫做某组分在吸附床内的存留量；弱吸附组分和强吸附组分各自在死空间中含有的量占床内存留量的比值之比称为分离系数。分离系数越大分离越容易。在变压吸附中被分离的两种组分的分离系数不宜小于2。表2-

1、2-2列出了常见主要组分在大气压和20℃下的分离系数。

表2-1

常见组分对各种吸附剂的分离系数 组分吸附剂

CH4CO2

COCH4

N2CH4

N2CO

H2CH4

H2CO

N2N2 硅胶

6.40

1.31

1.86

1.42

2.90

2.05

3.8 活性炭

2.00

2.07

2.84

1.37

6.97

5.10

14.4

表2-2

常见组分对各种吸附剂的分离系数 组分吸附剂

CH4CO

COCO2

N2CH4

N2CO

H2CH4

H2CO

N2N2 5A分子筛

1.79

3.15

1.40

2.50

9.65

17.2

6.9 丝光沸石

1.18

2.23

1.39

1.65

15.5

18.5

11.2 13X分子筛

1.58

4.70

1.52

2.40

8.0

12.6

5.25

另外，在吸附床运行过程中因床内压力周期地变化，气体短时间内进入、排出，吸附剂应有足够的强度，以减少破碎和磨损。被分离的气体如果含有象有机[wiki]机械[/wiki]润滑油、煤焦油之类的物质，那么在吸附过程中，这些油性物质会粘附在吸附颗粒的外表面，堵塞吸附剂内的通道，使吸附剂失去吸附能力。粘附有油类物质的任何吸附剂，不管采用升温还是降压抽空的再生方法，都是不能再生的。因此对气体中的含油量必须严格限制，有的场合就需增设除油设施，以免吸附剂在使用中失效。

变压吸附分离不同的气体混合物所采用的吸附剂如下表2-3所示： 表2-3 变压吸附分离气体混合物所采用的常用吸附剂

分离对象

硅胶

活性炭

分子筛

从气体混合物除去水分

√

√ 空气净化

√

√ 空气分离制取氧和氮

√ 从氢中除去二氧化碳

√

√

从氢中除甲烷、一氧化碳、氨

√ 从氢中除去烃类

√

合成气净化

√

√ 从甲烷中除去其它烃类

√

√ 从瓦斯气中回收甲烷

√

√ 从石灰窑气中分离二氧化碳

√

√

从炼钢转炉煤气中分离一氧化碳

√

√

√ 天然气净化

√

√

分离组成复杂、类别较多的气体混合物，常需要选用几种吸附剂，这些吸附剂可按吸附分离性能依次分层装填在同一吸附床内，有的情况也可分别装填在几个吸附床内。

第三节

变压吸附技术的应用及实施方法

变压吸附装置的操作方式大致分类如下：

平衡分离型是按气体在吸附剂上的平衡吸附性能进行选择性吸附的原理分离气体混合物，速度分离型是根据吸附剂对各组分的吸附速度的差别实现气体混合物分离的。

在平衡分离型中，等压型的吸附操作是在等压下进行的，吸附床在操作压力下压力损失小，目前工业上应用的变压吸附装置都为等压型的。非等压型的快速变压吸附是依靠系统流体阻力的适当分配来实现的，吸附操作要保证吸附床内有一定的压力梯度，吸附剂的粒度较细为40～60目（而等压型变压吸附用的吸附剂直径为1.6～3.5mm），因此压力损失大。快速变压吸附的特点是装置特别简单，通常只用一个吸附床，又由于快速周期循环，单位吸附剂的生产能力较高。其缺陷是达不到高纯度产品，在相同产品纯度下回收率要低，只适用于小型规模的生产装置。

下面介绍变压吸附技术在气体分离中的应用和它们的实施方法。

一、回收和精制氢

随着石油炼制工业以及三大合成材料为中心的石油化学工业的飞速发展，氢气消耗量也在迅速增加，很多有机合成工业、冶金工业、[wiki]电子[/wiki]工业都迫切需要大量纯氢，因此扩大氢生产资源，开发新的制氢工艺以及改进现有制氢工艺，受到人们的普遍关注。扩大氢气来源的一条重要途径就是从许多含氢工业废气中回收氢气。事实上在这些工业部门都有大量的含氢废气可以利用。这些气体中，除氢以外的杂质是Ar、N2、CH4、CO、CO2、H2O、NH3、H2S以及少量烃类，这些杂质可采用变压吸附技术依次同时除去，达到回收和纯化氢的目的。

变压吸附制氢工艺中吸附压力一般在0.8～2.5MPa范围内，早期变压吸附技术应用的一个重要限制，在于缺乏一种有效的方法来回收和利用吸附结束时存留在吸附床内死空间的产品组分。在最初的二床流程中，一个吸附床吸附，另一床再生，每隔一定时间互相交替。吸附结束后床内死空间气体随降压而损失了，吸附压力越高损失就越大。为了提高回收率，除了研制性能优良的吸附剂和改善操作条件以外，关键还在于改善工艺流程。

目前工业上解决的办法是采用多床变压吸附工艺，它的主要实施方法是，根据吸附的状态特性将吸附操作在穿透点之前一段相当长的时间结束。这样吸附床出口端就有一部分吸附剂尚未利用，然后将该吸附床与一个已完成解吸并等待升压的吸附床连通，两床压力均衡（称为均压），这样既回收了吸附床死空间中的有用组分又利用了其中的能量。一般来说，均压次数增加，产品回收率上升，但吸附床数也要相应增多。多床变压吸附工艺应用最广的是四床流程。

图3-1为四床变压吸附流程。为了便于了解起见，现以其中一个吸附床（A床）所经历的七个步骤为例来说明它的工作原理。图3-2是A床吸附时的气流示意图。

1．吸附(A)

原料气自下而上通过A床，在过程最高压力下选择吸附各种杂质，未被吸附的纯氢从吸附床顶部引出，其中大部分作为产品输出，另一部分用于别的吸附床的最终升压。吸附步骤是在吸附前沿未到达床的出口端时即停止，使吸附前沿和床出口端之间保留一段还没有使用的吸附剂。

2．均压降（ED）

吸附步骤完成后，A床停止进入原料气。与已再生完成处于过程最低压力的C床以出口端相连进行均压。均压完成后两床压力各为吸附压力的二分之一，此时A床的吸附前沿向前推进，但还未到达床的出口端。均压降的气体纯度和产品基本一致。此步骤对C床来说叫做均压升，回收了吸附床死空间中大产品组分和它的能量。3．顺向放压（PP）

A床继续从出口端降压，降压的气体用于冲洗已逆向放压到过程最低压力的D床。顺向放压结束时的压力控制在吸附前沿刚好到达出口端而还未穿透为止。此步骤的顺向放压气体基本上是纯的，利用这股气体是D床吸附剂进一步再生。4．逆向放压（D）

顺向放压终止时A 床内吸附剂已全部吸附了杂质，于是将床内剩余气体从入口端排出，降到过程最低压力（一般为大气压）。在此步骤中床内吸附的杂质由于压力下降而释放，大部分随气流带走。5．冲洗（P）

利用B床顺向放压的气体在过程最低压力下对A床进行冲洗以进一步降低杂质分压，清除残留于床内的杂质。6．均压升（ER）

冲洗完成后A窗的吸附剂基本再生完毕，此时开始进行再次吸附前的升压准备，在此利用C床均压降的产品气对A床进行充压，达到吸附压力的一半。7．最终升压（FR）

然后用D床生产中的一部分把A床充压到过程的最高压力，即吸附压力。至此，A床完成了一个吸附—再生循环，并将重新开始吸附进入下一个循环。

其它三个吸附床的工作步骤与A床相同，只是在时序安排成错开四分之一周期（见表3-1）。

此流程通过均压和顺向放压两个步骤回收了吸附床死空间中的大部分产品组分和它的能量，提高了产品回收率，同时用于充压的产品气量减少，产品气的压力波动也相应减少。在升压过程中，纯氢都是从吸附床出口端充入，这样床内极少量的杂质会被推向入口端，起到了床内吸附剂更新的作用。此法从变换气中制取纯氢，产品纯度可达99.99～99.999%，氢的回收率为75～80%。

为了进一步减少产品的损失，还可采用二次均压法，使逆向放压时的压力更低，均压升之后的压力更高，其回收率比一次均压法提高5～7%。

除了四床流程外，工业上根据装置规模增大和吸附压力上升还相应采用的有五床、八床和十床流程等等。图3-2列举的十床变压吸附工艺是八十年代初上海石油[wiki]化工[/wiki]总厂从美国联合炭化物公司引进的。装置处理原料（变换气）能力为74530nm3/h,吸附压力约2.4MPa，产品氢纯度99.9%，氢回收率85%。

此流程特点是：⑴采用了三次均压的方法，进一步提高了氢的回收率，产品输出压力波动很小；⑵任何时候都有三个吸附床通入原料进行吸附步骤，只是它们处于不同的吸附阶段。这样缩小了吸附床的容积，相应地也缩小了与吸附床相连接的管道和阀门规格，同时还缩短了过程的循环时间，提高吸附剂的利用率或减少吸附剂的需用量。⑶当自动切换阀门或它的控制部件出现故障时，装置可由十床切换成五床运行，不至于全系统停车，此时原料处理量为406678 nm3/h。近来计算机和阀门故障判断系统[wiki]软件[/wiki]的不断改善，十床流程已可根据出现故障的阀门位置切换成四床、六床或八床运行，被切断的吸附床越少，生产能力影响也越小，充分保证装置的开工率。

上述的一些多床变压吸附流程只要改变床内吸附剂类型和配比，都可适用于从几乎所有的富氢气源（如变换气、合成氨驰放气、甲醇尾气、焦炉煤气、炼厂气、城市煤气等）中回收氢，也能适用于其它从气体相获得产品组分的场合，例如从天然气中除去C2以上的烃类、从变换气中脱去二氧化碳（吸附剂再生过程中有时采用了真空解吸步骤以提高氢的回收率）等等。

二、从空气中制取富氧

传统的制氧方法是空气的深冷分馏，此法可制取高纯度的氧、氮和惰性气体，也是大规模生产这些气体的最经济的方法。但在许多场合，如废水处理、金属冶炼、医疗供氧、化工造气等等并不需要象深冷分馏法所制得的高纯度氧气，而且富氧的需用量相对高纯度氧要更多些。为此人们很早就企图实现用比深冷法更简便的方法富集氧气。对分子筛的研究发现，在5A型分子筛上空气中的氮是被优先选择吸附的分子（见图3-4），自此注意到应用分子筛分离富氮的可能性。变压吸附法制取富氧与变压吸附本身的开发一样，是沿着两条途径进行的：一方面是改善吸附剂的性能，以增大氮的吸附能力和富氮的分离系数；另一方面是改进工艺流程，根据富氧生产能力、纯度即吸附剂性能开发有各种二床、三床流程，前面介绍的多床制氢工艺也适用于生产富氧，吸附床数增加可提高产氧能力、降低总耗电量，但额外投资和床数增加的复杂性在经济上导致过于昂贵。所以目前工业上开发应用较多的是二、三床流程。

由于氧氮的分离系数随压力降低而提高，故变压吸附制取富氧过程中吸附压力都比较低，一般在常压解吸流程中吸附压力为0.2~0.5MPa，在真空解吸流程中吸附压力不大于0.1MPa，甚至可以依靠吸附床的真空直接吸入空气，在常压下进行吸附。常压吸附—真空解吸工艺的动力消耗要比加压吸附—常压解吸工艺低，这是因为加压吸附压缩空气量大于产品量十倍之多，而气体的压缩比一般为3.5，真空泵在抽吸后期才达到此值。典型的三床真空解吸流程如图3-5所示，其工作步骤时序见表3-2。

空气由鼓风机送入一个正处于吸附步骤的吸附床，在压力0~0.03MPa下，空气中水分、二氧化碳以及氮气被分子筛所吸附，氧气从吸附床顶部引出。产品氧由另一只压缩机压缩到所需的压力。当吸附床中氮的吸附前沿到达出口端时停止吸附，空气切换到另一个吸附床。吸附步骤结束后，吸附床开始进行再生，先是与刚完成抽空的吸附床进行均压，然后通过真空泵对该床进行抽空。解吸出来的富氮、二氧化碳以及水分从床底部抽出并排入大气。该吸附床重新吸附之前，从床的顶部充入另一床的均压气和部分产品氧使其升压到吸附压力。三个吸附床交替进行吸附—均压降—抽空—均压升—最终升压五个步骤。

此法在吸附压力0.025MPa、抽空最终压力190乇下操作时，生产富氧纯度９３％，氧的回收率为３６～３９％。近年来，随着吸附剂制氧能力提高和工艺流程回收死空间气体的改进，所得富氧纯度大于９０％时，回收率为５０％，消耗能量小于０.５kwh/m3-O2,这个能耗已经与深冷空分制氧相接近。

三、回收和制取纯二氧化碳

二氧化碳已经广泛应用于尿素生产、饮料添加剂、金属翻砂成型以及焊接保护等场合，其它新的应用领域也在不断开发之中。可供工业回收的二氧化碳典型气源有：制氢装置废气、石灰窑气、油田伴生气等。在这些气体混合物中，除硫化物外，二氧化碳是一种强吸附组分，在吸附过程中它被吸附存留在吸附床内，因此变压吸附法回收二氧化碳与制氢工艺不同，它是从吸附相获得产品的。为了制取纯净的二氧化碳产品，必须将硫化物和水分除去，干燥脱硫可在原料进入变压吸附分离之前进行，也可将变压吸附制取的半成品二氧化碳再予以净化。从吸附相获得产品的变压吸附与制氢工艺（氢是从气相获得的）相比增设了置换和抽真空两个步骤。从前述的变压吸附气体分离过程知道，在吸附床降压解吸后吸附床死空间内还存留有少量杂质（H２、O２、N２、CO、CH４等），置换步骤就是用部分产品二氧化碳返回吸附床，将这些杂质置换出来，以提高二氧化碳的纯度。抽真空的目的是为了从吸附床获得被吸附的二氧化碳，并增加吸附床的操作负荷，提高吸附剂的利用率，减少吸附剂用量。这类装置一般采用三床流程（图３-６）。

它的工作过程简述如下（见表３-３）：

原料自下而上进入吸附床，此原料中二氧化碳被吸附剂吸附，未被吸附的氢氧氮一氧化碳和甲烷作为废气从吸附床出口端流出。一部分废气用于另一吸附床的最终升压，当二氧化碳吸附前沿到达床的出口端时，原料切断，吸附床吸附步骤停止。然后从吸附床出口端开始降压，首先和另一正处于均压升步骤的吸附床入口端相连进行压力均衡，直到两床压力相等。之后向系统外排气（即顺向放压），直到床内压力接近于常压（～０.０３MPa），随着压力降低，杂质组分排出，床内二氧化碳浓度逐步提高。

接着返回部分产品二氧化碳，从吸附床入口端开始进行置换，以除去床内残留的杂质。置换是在顺向放压结束时压力下进行，置换终使床内达到产品二氧化碳浓度。顺向放压和置换步骤所排出的气体中二氧化碳浓度已大禹原料气，因此这股气流返回原料气系统加以回收。吸附床中接近常压下所吸留的二氧化碳，用真空泵抽吸出来进入产品罐，其中一部分由压缩机压缩到所需的压力作为产品输出，另一部分由鼓风机返回吸附床用于置换。

抽空后床内吸附剂已基本再生完全，接下去便开始升压。先从入口端引入另一吸附床的均压降的气体，压力上升到吸附压力的一半，最后用吸附时排出的废气充压到吸附压力。然后准备输入原料进行下一次循环。

变压吸附分离回收二氧化碳适宜的压力为０.５～０.８MPa，产品二氧化碳纯度在９９.５％以上。原料中有害杂质预先净化后，最终产品可达到作为食品添加剂的二氧化碳国家标准。

四、从空气中制氢

氮是一种惰性保护气体，广泛应用于保粮杀虫、果品保鲜、以及冶金、石油、化工等工业。目前大部分氮气是从空气深冷分离装置生产的。由于变压吸附和分子筛技术的发展，使变压吸附装置的投资降低、操作费用减少，特别是小型制氮装置具有广阔的发展前途。变压吸附制氮的技术以不同的吸附机理分有两种方法。一种是吸附剂采用5A分子筛。如图３-４所示，氮的吸附量要比氧、氩大，空气在5A分子筛上的这一特性构成了变压吸附分离氧、氮的依据。由于氮是在吸附相中获得的，所以可采用类似图３-６和表３-３的工艺过程制取纯氮。此法吸附时压力为０.３MPa，获得的氮气纯度大于９９.５％，氮回收率一般在３５～４５％，但空气在进入吸附床之前必须先进行干燥除去二氧化碳，使得流程复杂、投资和操作费用增加。

另一种方法是吸附剂采用碳分子筛，这种吸附剂是世界上七十年代初发展起来的新品种，首先由联邦德国埃索B.F.矿业研究公司开发成功。国内一些院校也进行了以无烟煤为主要原料制造碳分子筛的研制，至今已取得一定进展。也有一些制造厂供应碳分子筛制氮成套装置，其中杭州制氧机厂与德国林德公司合作生产的系列制氮[wiki]设备[/wiki]，其碳分子筛、程序控制器等一些主要器材由林德公司提供，该机的性能指标达到八十年代世界先进水平。

碳分子筛对空气的分离是利用向碳分子筛微孔扩散的分子直径之差异，导致扩散速度不同而实现的，即为速度分离型。在平衡状态下，碳分子筛上氧、氮的吸附量相差不多（见图３-７）。而氧通过碳分子筛微孔细小缝隙的扩散速度要比氮快得多。吸附开始后几十秒，氧的吸附量就达80%，同一时间氮的吸附量仅为平衡吸附量的5%（见图3-8）。

碳分子筛在吸附氧的同时吸附空气中的水分和二氧化碳，但对氧的吸附量影响不大。此法是从吸附的气体相中得到产品，因此原料气净化一般只要除去常温下（有的冷却到5℃）的机械水便可。

碳分子筛制氮的流程在0.1~0.45MPa吸附压力下吸附剂采用真空解吸，0.5MPa以上就采用常压解吸。装置中有两个吸附床。图3-9是带有真空解吸的碳分子筛制氮的流程，它的工作时序列于表3-4。空气在0.1~0.45MPa压力下送入吸附床，在此碳分子筛优先吸附水分、二氧化碳和氧，并且也吸附一部分氮和氩。未吸附的氮从吸附床出口端流出。大约吸附时间60秒左右后该床切断空气，与另一吸附床进行均压，然后将床内余气排入大气降到常压。接着进行真空解吸，先前所吸附的组分被抽吸出放空，最终真空压力为-0.08MPa。在再次吸附之前，由均压使吸附床压力升压到接近吸附压力的1/2，所以在吸附开始的十秒左右，吸附床是用原料空气升到吸附压力的。

碳分子筛制氮纯度比5A分子筛低些，一般在98~99%。当纯度99%时，吸附压力0.8Mpa常压解吸情况下，氮回收率为30~40%。吸附压力0.4MPa真空解吸时，氮回收率为46%。

五、回收和提纯一氧化碳

钢铁厂有丰富的副产煤气，其主要是焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气，它们的典型组成是： 表 3-5 钢铁厂副产煤气组成 组分煤气名称

H2

O2

N2

CO

CH4

CO2

CmHn 焦炉煤气

57.4

4.2

6.3

27.3

1.7

3.1 高炉煤气

2.7

54.0

21.8

21.5

转炉煤气

1.5

0.4

19.1

60.0

19.0

在这三种钢铁厂副产煤气中，焦炉煤气和高炉煤气大部分作为钢铁厂自身燃料供给。而占我国钢产量一半的转炉副产的转炉煤气大都尚未回收，放散不用既损失了能源，又造成了[wiki]环境[/wiki]污染。一氧化碳是化学工业中“碳—化学”的基础原料，通常由煤、石油或天然气经造气净化所得。它可用于制取甲醇、甲醛、甲酸、醋酸、草酸、脂肪酸、光气以及多种羟基化合物。转炉煤气中含有~60%的一氧化碳，回收转炉煤气中的一氧化碳，既省去建造工艺复杂的造气净化装置所耗的大量投资，又节约生产费用。以煤制甲醇为例，仅造气净化部分就占总设备投资的百分之七十。转炉炼钢每吨大约发生100m3的转炉煤气。因此，从中回收提纯一氧化碳来发展“碳—化学”工业的前景十分可观。

提纯转炉煤气中一氧化碳的传统方法有铜氨液吸收分离法和深冷分离法，这两种方法流程复杂，生产费用高。美国田纳科化学公司于七十年代开发成功了从含有一氧化碳的气体混合物中分离回收一氧化碳的新工艺，称之为一氧化碳吸收法或COSORB 法。此法首先被国际动力学公司采用，再荷兰建立了一套从炼油厂废气中回收一氧化碳的装置。该法利用CnAl4甲苯溶液选择吸收一氧化碳，气体混合物中其它组分如H2、N2、CH4及CO2只微量吸收，吸收一氧化碳的溶液被稍许加热即可析出，得到纯度98~99%的一氧化碳。此工艺的特点是在低压（一个大气压）和室温操作，没有[wiki]腐蚀[/wiki]，设备和材质皆易解决。但对原料气中的H2O、H2S、SO2、NH3含量都有规定，其中对H2O的要求十分严格，要求含水量在1ppm以下。而且，溶液所析出的一氧化碳中带有甲苯蒸汽。因此需要增添前处理和后处理工序，这样自然会使投资和操作费用增加。进一步降低由钢铁厂煤气生产化工产品的成本，人们更着眼于采用流程简单、费用低的变压吸附法分离提纯转炉煤气中一氧化碳的新技术（简称CO-PSA）。

不同类型的吸附剂对转炉煤气各组分的吸附能力大小顺序也不一样，因此构成了不同的工艺流程。1．二段法CO-PSA工艺

此法的吸附机理属物理吸附，采用的吸附剂都为市售的分子筛、活性炭等。这些吸附剂对钢铁厂副产煤气中各组分的吸附能力依次为：

CO2 >> CO > H2 >> N2 二氧化碳属于强吸附组分。因此，必须设置第一段变压吸附，在此加压下吸附原料中的二氧化碳。从气体相获得的气体混合物在第二段变压吸附中吸附一氧化碳，未被吸附的气体分离排出，然后在减压下解吸回收一氧化碳。

压缩到0.4~0.5MPa的原料气在第一段变压吸附中除去饱和水分和二氧化碳，然后净化后的原料气在0.3MPa下进入第二段变压吸附，在此分离出氢和氮，吸附的一氧化碳经解吸收集于气柜作为产品压缩输出，其中一部分又返回吸附床用于置换。从第二段变压吸附排出的氢和氮混合气返回到第一段变压吸附用于二氧化碳解吸过程的冲洗气。

第一段变压吸附工艺中选择吸附剂要考虑两点：一方面对二氧化碳具有大的吸附能力，另一方面对一氧化碳的吸附能力要小，以尽可能减少一氧化碳的损失。通常用活性炭或氧化铝之类的吸附剂。强吸附组分二氧化碳的解吸方法，在原料气中氢和氮的量大于二氧化碳时可以采用降压冲洗的方法。采用的是三床变压吸附流程，其工作步骤类似于变压吸附提氢工艺，只是在冲洗过程中采用了第二段变压吸附回收一氧化碳后的氢、氮废气，其工作时序见3-6。原料中的饱和水分虽然对吸附影响不大，但将会混入最终的一氧化碳产品中，所以在吸附床中还加有干燥剂脱水。

第二段变压吸附回收提纯一氧化碳的主要难点是CO/ N2的分离系数小，在分子筛上仅为2.5（而CO/ H2的分离系数达17.2）。其次是产品一氧化碳是从吸附相中获得，增加了一氧化碳提纯的难度。因此，除了采用对一氧化碳具有高选择性的吸附剂外，根据一氧化碳含量和吸附剂特性，在变压吸附中设置相应的工作步骤，来保证产品一氧化碳的纯度和回收率。其吸附床的工作时序表3-7。吸附和顺向放压时排出的废气用于第一段变压吸附冲洗过程。置换排出的气体中含有较多的一氧化碳，故进入另一吸附床的入口端用于再升压，随之一氧化碳吸附。在最终升压步骤采用的是净化后的原料气升压，以保证原料气流量稳定。

这种方法也适用于前述的二氧化碳回收以及一些从吸附相获得浓缩产品的场合。

2．一段法CO-PSA工艺

对于钢铁厂副产煤气，由于分子筛等吸附剂不能选择吸附一氧化碳的缘故，使得CO-PSA工艺势必采用二段法而变得流程复杂、费用增加。为了提高效率、简化装置，国内首先研制出一种采用一段法工艺的吸附剂。这类吸附剂大多是将铜盐负载于分子筛、活性炭或氧化铝之类固体上，利用一氧化碳对铜的洛合作用有选择性地吸附一氧化碳，大大提高了一氧化碳的吸附能力。目前这种化学吸附法在回收净化一氧化碳的中小型装置上比较有成效的是日本千代田化工建设公司研制的以CuAlCl4/Al2O3为吸附剂的CO-PSA技术。我国北京大学、大连工学院和西南化工研究院等许多单位也研制了CO-PSA专用吸附剂，一氧化碳的选择性和平横吸附量有了显著提高，但还需进一步探索并达到工业应用。

一段法CO-PSA工艺的基础是采用高效的一氧化碳吸附剂，因此只需要二段法中的第二段变压吸附就可以达到分离一氧化碳的目的，省去了第一段变压吸附，使流程简化。但是原料气中的硫化物会使吸附剂中的活性成分Cu+永久性中毒，故必须增加脱硫设施。

表3-8将几种一氧化碳分离法进行比较，一段法具有很多优越性。这个方法的关键在于一氧化碳吸附剂，此吸附剂与别的吸附剂不同，要求对一氧化碳吸附选择性强、吸附量大、还要要求吸附剂的加工工艺简便、操作条件不苛刻以及原料经济易购等。

六、从变换气中脱出二氧化碳

变压吸附脱碳技术是我公司根据我国小合成氨现状和碳酸氢氨过剩、液氨紧俏的趋势研制成功的。经变压吸附脱碳之后的净化气中二氧化碳含量可在0.2%以下，氢的回收率大于95%。它的工艺过程与前述的制氢工艺相类似，其中不同之处是：脱工艺中吸附剂的再生采用真空解吸方法来替代制氢工艺中的顺放-冲洗过程。图3-11为变压吸附脱碳工艺流程。

变换气在0.7～1.3MPa压力下，经过水分离器除去气体中带有的水液后，进入变压吸附系统。系统内每个吸附床依次循环执行下列步骤： 吸附

一均降

二均降

逆放

二均升

一均升

最终升压

原料中的水分和二氧化碳在吸附步骤被床内吸附剂吸附，从吸附床出口端输出净化的氢氮气。当二氧化碳的吸附前沿到达床内规定位置时，该吸附床吸附步骤结束，停止输入原料。接着开始降压解吸，先是吸附床顺向放压，压力逐级下降到~0.1MPa，排出的气体分别用于另外两个吸附床的升压，此时二氧化碳前沿已到达出口端。剩余的压力由逆向放压降到大气压，吸附床内一部分二氧化碳随气流排出。吸附床进一步再生采用抽真空的方法，即所谓的真空解吸。吸附床被抽到小于-0.08MPa的真空压力，吸附的二氧化碳几乎全部解吸并抽出。至此，吸附床再生完毕，开始进行再次吸附之前的升压步骤。升压过程是利用其它两个吸附床顺向放压排出的气体和吸附时输出的净化气逐级升到吸附压力的。

此法与目前其它脱碳方法相比，具有净化气中二氧化碳含量低、能耗小的特点，同时还能除去原料中硫化氢、部分甲烷和一氧化碳的优良性能。

附Ⅰ

变压吸附工艺步骤中常用字符代号说明

附Ⅱ

回收率的计算方法

回收率是变压吸附主要考核指标之一，它的定义是从变压吸附装置获得的产品中被回收组分绝对量占进入变压吸附装置的原料气中被回收组分绝对量的百分比。方法一：

已知下列条件：

⑴．

进入变压吸附装置的原料气量（F，nm3/h）⑵．

原料气中被回收组分含量（XF，%）

⑶．

从变压吸附装置获得的产品气流量（P，nm3/h）⑷．

产品中被回收组分的含量（XP，%）

被回收组分的回收率η为： η=P.XP /(F.XF).100%

方法二：

已知下列条件：

⑴．

原料气中被回收组分含量（XF，%）⑵．

产品中被回收组分含量（XP，%）⑶．

解吸气中被回收组分含量（XW，%）假设原料、产品和解吸气大流量分别为：和。由物料平衡可得：

F=P + W F.XF =P.XP + W.XW

回收率为：

P.XP /(F.XF)=(F.XF-W.XW)/(F.XF)=(F.XF – F.XW +P.XW)/(F.XF)P.XP /(F.XF)=(XFXW)/XF P/F.(XPXW)/XF P/F=(XFXW)将此式代入原式得：

η= XP.（XFXW)].100% 变压吸附知识问答

一、变压吸附基本原理 1．

什么叫吸附？

当气体分子运动到固体表面上时，由于固体表面原子剩余引力的作用，气体中的一些分子便会暂时停留在固体表面上，这些分子在固体表面上的浓度增大，这种现象称为气体分子在固体表面上的吸附。吸附物质的固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。按吸附质与吸附剂之间引力场的性质，吸附可分为化学吸附和物理吸附。2．

气体分离的原理是什么？

当气体是混合物时，由于固体表面对不同气体分子的引力差异，使吸附相的组成与气相组成不同，这种气相与吸附相在密度上和组成上的差别构成了气体吸附分离技术的基础。伴随吸附过程所释放的热量叫吸附热，解吸过程所吸收的热量叫解吸热。气体混合物的吸附热是吸附质的冷凝热和润湿热之和。不同的吸附剂对各种气体分子的吸附热均不相同。

3．什么叫化学吸附？什么叫物理吸附？

化学吸附：即吸附过程伴随有化学反应的吸附。在化学吸附中，吸附质分子和吸附剂表面将发生反应生成表面络合物，其吸附热接近化学反应热。化学吸附需要一定的活化能才能进行。通常条件下，化学吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯气，沸石吸附乙烯都是化学吸附。

物理吸附：也称范德华（van der Waais）吸附，它是由吸附质分子和吸附剂表面分子之间的引力所引起的，此力也叫作范德华力。由于固体表面的分子与其内部分子不同，存在剩余的表面自由力场，当气体分子碰到固体表面时，其中一部分就被吸附，并释放出吸附热。在被吸附的分子中，只有当其热运动的动能足以克服吸附剂引力场的位能时才能重新回到气相，所以在与气体接触的固体表面上总是保留着许多被吸附的分子。由于分子间的引力所引起的吸附，其吸附热较低，接近吸附质的汽化热或冷凝热，吸附和解吸速度也都较快。被吸附气体也较容易地从固体表面解吸出来，所以物理吸附是可逆的。物理吸附通常分为变温吸附和变压吸附。

4．变压吸附属化学吸附或物理吸附？ 分离气体混合物的变压吸附过程系纯物理吸附，在整个过程中没有任何化学反应发生。

5．变压吸附常用吸附剂有哪几种？他们各自的作用是什么？ 变压吸附常用的吸附剂有：硅胶、活性氧化铝、活性炭、分子筛等，另外还有针对某种组分选择性吸附而研制的吸附材料。气体吸附分离成功与否，很大程度上依赖于吸附剂的性能，因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。

硅胶是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，分子式为SiO2.nH2O，为一种亲水性的极性吸附剂。它是用硫酸处理硅酸钠的水溶液，生成凝胶，并将其水洗除去硫酸钠后经干燥，便得到玻璃状的硅胶，它主要用于干燥、气体混合物及石油组分的分离等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下，吸附量可达吸附剂重量的８０％以上，而在低湿度条件下，吸附量大大低于细孔硅胶。

活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成，它的性质取决于最初氢氧化物的结构状态，一般都不是纯粹的Al2O3,而是部分水合无定形的多孔结构物质，其中不仅有无定形的凝胶，还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具有较高的活性，故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力，是一种对微量水深度干燥用的吸附剂。在一定操作条件下，它的干燥深度可达露点-７０℃以下。

活性炭是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。活化方法可分为两大类，即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品，在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热，通常在700℃以下除去挥发组分以后，通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等，并在700～1200℃温度范围内进行反应使其活化。活性炭含有很多毛细孔构造，所以具有优异的吸附能力。因而它用途遍及水处理、脱色、气体吸附等各个方面。

沸石分子筛又称合成沸石或分子筛，其化学组成通式为： [M(Ⅰ)M(Ⅱ)]O.Al2O3.nSiO2.mH2O 式中M(Ⅰ)和M(Ⅱ)分别为为一价和二价金属离子，多半是钠和钙，n称为沸石的硅铝比，硅主要来自于硅酸钠和硅胶，铝则来自于铝酸钠和Al(HO)3等，它们与氢氧化钠水溶液反应制得的胶体物，经干燥后便成沸石，一般n=2～10,m=0～9。

沸石的特点是具有分子筛的作用，它有均匀的孔径，如3A0、4A0、5A0、10A0细孔。有4A0孔径的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三个碳以上的正烷烃。它已广泛用于气体吸附分离、气体和液体干燥以及正异烷烃的分离。

碳分子筛实际上也是一种活性炭，它与一般的碳质吸附剂不同之处，在于其微孔孔径均匀地分布在一狭窄的范围内，微孔孔径大小与被分离的气体分子直径相当，微孔的比表面积一般占碳分子筛所有表面积的90%以上。碳分子筛的孔结构主要分布形式为：大孔直径与碳粒的外表面相通，过渡孔从大孔分支出来，微孔又从过渡孔分支出来。在分离过程中，大孔主要起运输通道作用，微孔则起分子筛的作用。以煤为原料制取碳分子筛的方法有炭化法、气体活化法、碳沉积法和浸渍法。其中炭化法最为简单，但要制取高质量的碳分子筛必须综合使用这几种方法。

碳分子筛在空气分离制取氮气领域已获得了成功，在其它气体分离方面也有广阔的前景。

6．温度、压力对吸附过程的影响分别是什么？ 在同一温度下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加；在同一吸附质分压下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减少；因此降低吸附温度和升高吸附压力有利于气体组分的吸附。反之，提高温度和降低压力则气体的吸附量减少而解吸。7．

什么叫变温吸附？什么叫变压吸附？ 1．变温吸附法

在较低温度（常温或更低）下进行吸附，而升高温度将吸附的组分解吸出来。变温吸附是在两条不同温度的等温吸附线之间上下移动进行着吸附和解吸。由于常用吸附剂的热传导率比较低，加温和冷却的时间就比较长（往往需要几个小时），所以吸附床比较大，而且还要配备相应的加热和冷却设施，能耗、投资都很高。

此外，温度大幅度周期性变化也会影响吸附剂的寿命。但变温吸附法可适用于许多场合，产品损失少，回收率高，所以目前仍为一种应用较广的方法。2．变压吸附法

在加压下进行吸附，减压下进行解吸。由于循环周期短，吸附热来不及散失，可供解吸之用，所以吸附热和解吸热引起的吸附床温度变化一般不大，波动范围仅在几度，可近似看作等温过程。变压吸附工作状态仅仅是在一条等吸附线上变化。常用减压吸附方法有以下几种，其目的都是为了降低吸附剂上被吸附组分的分压，使吸附剂得到再生。

8．吸附剂的再生方法有几种？分别阐述？ 为了能使吸附分离法经济有效的实现，除了吸附剂要有良好的吸附性能以外，吸附剂的再生方法具有关键意义。吸附剂再生深度决定产品的纯度，也影响吸附剂的吸附能力；吸附剂的再生时间决定了吸附循环周期的长短，从而也决定了吸附剂用量的多少。因此选择合适的再生方法，对吸附分离法的工业化起着重要的作用。

由描述吸附平衡的等温吸附线知道，在同一温度下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加；在同一吸附质分压下，吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减少；也就是说加压降温有利于吸附质的吸附，降压加温有利于吸附质的解吸或吸附剂的再生。于是按吸附剂的再生方法将吸附分离循环过程分成两类：变温吸附法和变压吸附法。图2-9表示了这两种方法的概念，图中横座标为吸附质的分压，纵座标为单位吸附剂的吸附量。上面一条是常温下的等温吸附线，下面一条是高温下的等温吸附线。

a.降压：

吸附床在较高压力下吸附，然后降到较低压力，通常接近大气压，这时一部分吸附组分解吸出来。这个方法操作简单，单吸附组分的解吸不充分，吸附剂再生程度不高。b.抽真空：

吸附床降到大气压以后，为了进一步减少吸附组分的分压，可用抽真空的方法来降低吸附床压力，以得到更好的再生效果，但此法增加了动力消耗。c.冲洗：

利用弱吸附组分或者其它适当的气体通过需再生的吸附床，被吸附组分的分压随冲洗气通过而下降。吸附剂的再生程度取决于冲洗气的用量和纯度。d.置换：

用一种吸附能力较强的气体把原先被吸附的组分从吸附剂上置换出来。这种方法常用于产品组分吸附能力较强而杂质组分较弱即从吸附相获得产品的场合。在变压吸附过程中，采用哪种再生方法是根据被分离的气体混合各组分性质、产品要求、吸附剂的特性以及操作条件来选择，通常是由几种再生方法配合实施的。

应当注意的是，无论采用何种方法再生，再生结束时，吸附床内吸附质的残余量不会等于零，也就是说，床内吸附剂不可能彻底再生。这部分残余量也不是均匀分布再吸附床内各个部位。图2-10中曲线-2示出了这部分残余量在床内的分布情况。曲线-1就是前述的吸附负荷曲线。两根曲线分别与座标所形成的面积之差称为吸附床的有效吸附负荷。此质增大，有利于吸附操作。吸附工况确定后，有效吸附负荷就取决于吸附床的再生程度。由此，可看出再生在吸附操作中的重要性。

二、变压吸附操作基本原理 1．变压吸附基本工作步骤？

单一的固定吸附床操作，无论是变温吸附还是变压吸附,由于吸附剂需要再生，吸附是间歇式的。因此，工业上都是采用两个或更多的吸附床，使吸附床的吸附和再生交替（或依次循环）进行，保证整个吸附过程的连续。

对于变压吸附循环过程，有三个基本工作步骤： 1．压力下吸附

吸附床在过程的最高压力下通入被分离的气体混合物，其中强吸附组分被吸附剂选择性吸收，弱吸附组分从吸附床的另一端流出。2．减压解吸 根据被吸附组分的性能，选用前述的降压、抽真空、冲洗和置换中的几种方法使吸附剂获得再生。一般减压解吸，先是降压到大气压力，然后再用冲洗、抽真空或置换。3．升压

吸附剂再生完成后，用弱吸附组分对吸附床进行充压，直到吸附压力为止。接着又在压力下进行吸附。

图2-11示出了在一个变压循环中吸附剂的吸附负荷与压力的变化关系。

2．吸附剂的选择对变压吸附装置的影响？

吸附剂对各气体组分的吸附性能是通过实验测定静态下的等温吸附线和动态下的流出曲线来评价的。吸附剂的良好吸附性能是吸附分离过程的基本条件。

在变压吸附过程中吸附剂的选择还要考虑解决吸附和解吸之间的矛盾。既要选择吸附容量大，又容易解吸的吸附剂，以减少降压解吸的电耗。选择吸附剂的另一要点是组分间的分离系数尽可能大，从而减少有效气体的损失。3．什么叫死空间？

所谓死空间，既吸附床层内扣除吸附剂所占体积后，剩余的空间。也就是说，某组分吸附平衡时在吸附床内的总量有两部分，一部分是在死空间中，另一部分被吸附剂所吸附，其总和叫做某组分在吸附床内的存留量；弱吸附组分和强吸附组分各自在死空间中含有的量占床内存留量的比值之比称为分离系数。分离系数越大分离越容易。4．为什么要控制适宜的气流速度？

在吸附床运行过程中因床内压力周期地变化，气体短时间内进入、排出，吸附剂应有足够的强度，以减少破碎和磨损。当气流速度过快，导致吸附剂悬浮时，则磨损加剧，造成吸附剂破碎，影响吸附剂使用寿命。不同的吸附剂，选择的气流速度不同。这主要取决于吸附剂的强度和吸附剂颗粒的大小。

5．为什么进入PSA装置的原料气必须要除油？

被分离的气体如果含有象有机机械润滑油、煤焦油之类的物质，那么在吸附过程中，这些油性物质会粘附在吸附颗粒的外表面，堵塞吸附剂内的通道，使吸附剂失去吸附能力。粘附有油类物质的任何吸附剂，不管采用升温还是降压抽空的再生方法，都是不能再生的。因此对气体中的含油量必须严格限制，有的场合就需增设除油设施，以免吸附剂在使用中失效。

6．为什么进入PSA装置的原料气必须要除水？

被分离的气体如果含有游离水和饱和水，在吸附床层中只能除去一定量的饱和水。那么在吸附过程中，若使水大量带入吸附塔会导致吸附剂性能下降甚至失效。此时需对失效的吸附剂重新活化或更换。吸附剂的活化需要采用温度150℃以上的惰性气体循环通入，费时、费力，相当困难。因此，操作时一定要严格控制几种分离技术的比较

确如标题所言，回贴中包含了很多PSA基础知识，受益非浅。

看到第4楼还有第二页有朋友询问几种分离技术的比较，现简单比较如下：

（1）低温分离法

低温分离法也称为深冷分离法是利用各气体组份在液态时沸点的不同，在冷箱中精馏分离出各组份。其特点是：产品纯度高、原料净化度要求高、投资高。

（2）膜分离法

膜分离系统的工作原理就是利用一种高分子聚合物（膜材料通常是聚酰亚胺或聚砜）薄膜来选择“过滤”进料气而达到分离的目的。当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜时，各气体组分在聚合物中的溶解扩散系数的差异，导致其渗透通过膜壁的速率不同。由此，可将气体分为“快气”（如H2O、H2、He等）和“慢气”（如CO、N2、CH4及其它烃类等）。当混合气体在驱动力－膜两侧相应组份分压差的作用下，渗透速率相对较快的气体优先透过膜壁而在低压渗透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体则在高压滞留侧被富集。

膜分离法具有简便、经济、操作灵活的特点，一般来说，投资比PSA变压吸附法稍低，占地面积较小。

（3）PSA变压吸附法

变压吸附（PSA）技术属物理吸附，是依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（包括范德华力和电磁力）进行的吸附。其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行得极快，参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。

变压吸附气体分离工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个基本性质：一是对不同组份的吸附能力不同，二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对混合气体中某些组份的优先吸附而使其它组份得以提纯；利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附与再生循环，达到连续分离气体的目的。由于变压吸附技术投资少、运行费用低、产品纯度高、操作简单、灵活、环境污染小、原料气源适应范围宽，因此，进入70年代后，这项技术被广泛应用于石油化工、冶金、轻工及环保等领域。

个人感觉在进行技术选择时，需要分别从气源组份、技术可靠性、经济性、安全性等方面进行比较。

进入PSA装置的水含量，不能含有机械水。不着急,还要看LFY-1-3A-制氧机的工作原理,查遍网络就是没有关于制氧机的电器原理图,工作原理也只是支离破碎的,有的如万方数据的还要收费(这里我要说的是资料收费是一种变相的知识垄断,这与当年的清王朝闭关自锁没有区别),写道这里我把搜集到的关于制氧机的知识罗列以下(关于图纸等整理出来后再公开到网上): 吸附分离床的工作原理如图1所示。分离床由2只装有制氧专用沸石分子筛的吸附装置A和B以及切换阀门1～8等组成，其中1，3为排放阀门，2，4为 进气阀 门，5，7为均压阀门，6，8为输出阀门。分离床在自动控制系统的作用下，吸附装置A、B交替工作，按照“A工作→A排气及均压→B工作→B排气及均压 →A工作…”的过程，不断循环。储气罐的作用是均衡输出氧气的压力。吸附装置A工作时，阀门2，6打开(其余关闭)，压缩空气经阀门2进入A，滤去氮气，剩余氧气经阀门 6输出。在吸附装置A内的分子筛快被吸附饱和之前，进入A排气及均压状态，开启阀门1，5，7(其余关闭)，装置A解吸先前所吸附的氮气，使分子筛吸附剂 得到再生，同时A、B均压以提高产气效率。均压后自动切换到吸附装置B工作置B中继续吸附制氧。同样，当吸附装置B内的分子筛快被吸附饱和之前，自动进入 B排气及均压状态，开启阀门3，5，7(其余关闭)，装置B实现减压解吸再生。4种工作状态依次循环，2只吸附装置交替重复进行吸附和再生，从而实现了连 续制取氧气的目的。

整个系统按照“A工作25 s→A排气2 s→B工作25 s→B排气2 s”的过程自动循环。

以上文字可以解释电路板工作原理,电路中还有停电报警电路和启动电路,很简单会的,会电子的一看就懂这里不说了.接着对电路板进行检查,通电,检查供电+24V和+5V正常,7秒循环也有,这样就不需要花时间去查18pin的IC是个什么玩艺儿了,当检查到继电器时发现声音不对,是继电器的弹簧问题,换了一个ok了,下面分析为何这个继电器会出问题:我的制氧机是放置在阳台上,杭州夏天的阳台上问题有40度,估计制氧机中的问题要超过60度,而继电器是密封的,温度更高,当关机是,继电器的电触点瞬间断开,会产生高温高压电弧,这个电弧使得电器触点碳化,从而使得触点不通了,这个问题的出现是电路板设计问题,为何?(一)触点两端没有消除电弧的电容,常识问题,(二)双触点设计不如单触点,双触点在使用时两个触点在接通和断开时的时间是不一致的,其中一个往往先老化,这种设计只有一半的电流容量,至于其它的设计问题数不胜数:如驱动管用8050太小了,接插件用信号插件代替功率插件(+24V到电磁阀),压缩机没有保护,等等多的不想列举了,总之设计者是一个外行的新手,真不知道一个集团公司是这样的电子设计水平居然能卖出产品去,还能生存下去.不说了,另外再说一下我的使用经验:(1),放在室内噪音太大,而且有异味,无法忍受,因此我放到阳台,用一根线将开关引入到室内.(2)冬天室外的空气温度太低,使得老妈吸氧反而的了气管炎,解决方法:用一个高压锅(因为氧气有压力)电热丝自动恒温加热,氧气从一个口进入,另外一个抠出来,解决了氧气温度太低问题.不过这两个措施一般家庭解决不容易,如果厂家能解决,将有利于消费者

第三篇：功能吸附高分子材料发展现状与应用

现代环境工程材料论文 功能吸附高分子材料发展现状与应用

李

伟

（太原工业学院环境与安全工程系 环境工程 132066326）

摘要：功能高分子材料是20 世纪60 年代发展起来的新兴领域，是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后涌现出的新材料。该类材料一般指在原有力学性能基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。由于其具有轻、强、耐腐蚀、原料丰富、种类繁多、制备简便、易于分子设计等特点，其研究和发展十分迅速。目前的研究主要集中以下方面: 光功能材料、电功能材料、反应型功能材料、吸附分离功能材料、生物医用功能材料、液晶材料、功能膜材料、环境敏感材料、智能材料等。

介绍了吸附性高分子材料的种类、特点及结构与吸附性能的关系，综述了高分子吸附剂在水处理、医药、机械加工等不同领域的研究进展情况。关键词：高分子吸附剂；结构；性能；应用

0 前言

随着科学研究和生产技术的不断发展，吸附性高分子材料正迅速进人人们的生产和生活领域中，目前已经成为重要的有机功能材料之一。吸附性高分子材料主要是指那些对某些特定离子或分子有选择性亲和作用的高分子材料。种类和特点

功能吸附高分子材料主要是指那些对某些特定离子或分子有选择性亲和作用的高分子材料。这类高分子材料具有较大的表面积和适当的孔径，可从气相和溶液中吸附某些物质，从而实现复杂物质的分离与各种成分的富集与纯化及检验。从外观形态上

现代环境工程材料论文 看，主要有微孔型、大孔型、米花型和大网状树脂几种。其吸附性不仅受到结构和形态等内在因素的影响，还与使用环境关系密切。如：温度因素和周围介质等。在吸附树脂出现之前，用于吸附目的的吸附剂已经广泛使用，例如活性氧化铝、硅藻土、白土和硅胶、分子筛、活性炭等。而吸附树脂出现之后，作为吸附剂的一大分支，是吸附集中品种最多，应用最晚的一个类别。

吸附树脂出现在上世纪六十年代，我过于1980年以后才开始有工业规模的生产和应用。目前吸附树脂的应用已经遍及许多领域，形成一种独特的吸附分离技术。由于结构上的多样性，吸附树脂可以根据实际用途进行选择或设计，因此发展了许多有针对性用途的特殊品种。这是其他吸附剂所无法比拟的，也正是由于这种原因，吸附树脂发展速度很快，新品种新用途不断出现，吸附树脂及其吸附分离技术在各个领域中的重要性越来越突出。

当然，无论是大孔性离子交换树脂还是吸附功能树脂来说，都具有很大表面积，根据表面化学的原理，表面具有吸附能力，原则上任何物质均可被表面所吸附，虽表面性质、表面立场的不同，吸附具有一定的选择性。吸附功能不同于离子交换功能，吸附量大小和吸附的选择性，决定与诸多因素，其中最主要决定于表面的极性和吸附物质的极性。

1.1 按照吸附性高分子材料的性质和用途,可将其分为以下几类。

1.1.1 非离子型高分子吸附树脂:对该材料非极性和弱极性有机物具有特殊的吸附作用,主要应用于分析化学和环境保护领域中,用于吸附和分离处在气相和液相(主要是水相)中的有机分子。

1.1.2 亲水性高分子吸水剂:具有亲水性分子结构，可以被水以较大倍数溶胀,广泛用于土壤保湿和生理卫生用品等方面。

1.1.3 金属阳离子配位型吸附剂:这种高分子材料的骨架上带有配位原子或配位基团,能与特定金属离子进行络合反应，生成配位键而结合。这种材料也称为高分子螯合剂,多用于吸附和分离水相中的各种金属离子。

1.1.4 离子型高分子吸附树脂:当高分子骨架中含有某些酸性或碱性基团时,在溶液中解离后具有与一些阳离子或阴离子相互以静电引力生成盐的趋势，因而产生吸附作用。

1.2 按照使用条件和外观形态，吸附性高分子材料主要分为以下4类。

1.2.1 微孔型吸附树脂:外观呈颗粒状,在干燥状态下树脂内的微孔很小,当作为吸附剂使用时,必须用一定溶剂进行溶胀,溶胀后树脂的三维网状结构被扩展,内部空间被溶剂填充形成凝胶,因此也称为凝胶型树脂。

1.2.2 大孔型吸附树脂口:特点是在干燥状态下树脂内部就有较高的孔隙率、大量的孔洞和较大的孔径.这种树脂不仅可以在溶胀状态下使用,也可在非溶胀状态下使用.因这种树脂具有足够的比表面积,其孔洞是永久性的。

1.2.3 米花状吸附树脂:外观为白色透明颗粒,具有多孔性、不溶解性和较低的体积密度.由于这种树脂在大多数溶剂中不溶解不溶胀，因此，只能在非溶胀的条件下使用,树脂中存在的微孔可允许小分子通过。

1.2.4 交联网状吸附树脂:外观呈颗粒状,是三维交联的网状聚合物.由于网状结构,其机械稳定性较差,使用受到一定限制.交联网状吸附树脂是通过制备线性聚合物,引入所需的功能基团,然后加人交联剂进行交联反应制得。

1.3 按照功能高分子吸附材料的吸附机理可以分为以下两类

1.3.1 化学吸附高功能分子包括离子交换树脂，其主要应用是再：清除离子，离子交换，酸碱化学催化反应等方面，整合树脂可通过选择性螯合作用而实现对各种金属离子的浓缩和富集，因此，其广泛地运用与分析检测。污染治理，环境保护和工业生产等领域。物理吸附功能高分子根据其极性大小可分为非极性，中极性和强极性三类。该类的功能高分子的吸附主要靠氢键和偶极作用进行。主要应用与：水的脱盐精制、药物提取纯化、稀土元素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱色等。例如：离子

现代环境工程材料论文 交换树脂是具有分离、提纯、净化功能的高分子，但其选择分离性能不高。如果在高分子上引进像乙二胺四乙酸、羟胺等能与某些金属络合的基团，则可进一步提高选择分离性能，这种高分子称为螯合树脂。由离子交换树脂发展出来的每克树脂具有上百平方米表面积和适当孔径的大孔树脂，可以用作高分子吸附剂，从极性或非极性溶液中吸附非极性或极性溶质,可从水中吸附以ppb计的微量杂质。由离子交换膜发展出来的选择性分离膜，广泛用于分离、提纯和医疗上。

在某种程度上来看，功能高分子的独特功能和不可替代性的特性已经带来了各个领域的技术进步，甚至质的飞跃，且在各个行业已经产生相当高的紧急和社会效益，并导致许多新产品的出现。因此，各个发达国家投入了大量人力财力对功能高分子材料进行研究开发，且进展迅速。同时，我国也在大力加大对功能高分子材料的研究开发支持，加入到这场激烈的竞争中去，其主要原因是我国电子，国防，医药和许多尖端技术部门都需要运用到不少功能高分子。结构与吸附性能之间的关系

物质化学性能和物理结构不同，其吸附作用也不同。吸附树脂表现出的吸附能力与其结构具有特定的对应关系。

2.1 化学组成与功能基团

在高分子吸附剂中，聚合物的化学组成与功能基团是最基本，也是最重要的结构因素。(1)元素组成的影响：当聚合物分子中含有O，N，S及P等配位原子时，聚合物具有潜在的络合能力，可作为高分子螯合剂。(2)功能基团的影响：聚合物中功能基团的性质决定了吸附树脂的选择性。当聚合物链上连接强酸性基团时，解离后的高分子酸根能够与阳离子结合成盐，具有对阳离子交换和吸附能力；当连接季基团时，可以与阴离子结合，具有阴离子交换和吸附能力。由于不同离子型基团与各种离子的结合能力及稳定性不同，各种离子型树脂呈现出选择性离子交换能力。(3)分子极性的影响：当吸附树脂的化学结构中不含极性基团时，其适合于从极性溶剂如水中吸附非极性有机物。当引入极性基团时，如引入氰基，将会使其转化成中等极性或强极性吸附树脂，适合于从非极性有机溶剂中吸附不同极性的物质。

2.2 聚合物的链结构

聚合物的链结构包括主链结构、分支结构(分支的数目、长度及化学结构)及交联度等。聚合物带有支链与否及支链所占比例、聚合物的交联与否及交联的程度，直接影响聚合物的溶解度和溶胀度。而溶胀度和溶胀后形成网状结构的孔径大小是影响树脂吸附量及吸附选择性的重要因素。

2.3 吸附树脂的宏观结构

吸附树脂的宏观结构主要对吸附剂的吸附量、机械强度及吸附度等性能有影响。吸附树脂的宏观结构对吸附过程产生的影响主要有两方面：一方面是树脂的有效吸附面积和表面性质，主要是热力学影响，影响吸附树脂的吸附量、选择性及稳定性；另一方面是孔径大小、孑L的长度、孔径分布及树脂的外观形状等，主要是动力学影响，影响被吸附物的扩散过程和吸附速度，孔径大小决定被吸附物的范围和吸附速度，孔径分布直接影响选择性高低。

现代环境工程材料论文 3 影响吸附性的因素

3.1温度因素

吸附剂的吸附量和吸附能力与温度成反比，温度越高，越不利于吸附。在低温下吸附剂的吸附能力增强，吸附量增大。因此，在低温或常温下进行吸附，吸附剂可最大限度地发挥作用。当温度升高时，吸附作用下降，会发生不完全吸附和解吸。当温度继续升高，达到一定温度时，吸附剂几乎不具备吸附能力。利用吸附剂的这一特性可将吸附物脱除，使高分子吸附剂再生。

3.2 树脂周围介质的影响

介质是指除了被吸附的物质之外，存在于吸附剂周围的其他不应被吸附的物质。被吸附物、介质与吸附剂之间存在竞争吸附，当介质与吸附剂作用时，将导致被吸附物的脱吸附。某些强作用介质常被用来作为洗脱剂，洗脱被吸附的物质。

3.3 其他影响因素

流动相的流速、溶液粘度和表面张力、被吸附物的扩散系数等外在动力学因素对吸附过程也会产生影响。如果流速过快，就不能完成吸附过程，吸附剂不能很好地发挥作用。溶液的粘度主要影响被吸附物的扩散速度，表面张力主要影响吸附剂的润湿性。高分子吸附剂的应用

4.1 水处理方面

近年来,尽管国家在减排降耗和水污染防治方面出台了一系列法律法规,但是水环境污染加剧的总体趋势仍未得到有效控制。其中地表水流经城市的河段有机污染尤其严重,城市生活污水和工业废水均含大量有机污染物,部分工业废水还含有毒有害的合成有机污染物质等,使国内大多数城市河流都存在严重的有机污染,直接危及城市水源的安全,对可持续发展带来严重负面影响,威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的身体健康。这就为开发树脂吸附法处理有毒有机化工废水及其资源化技术提供了依据和发展机遇。

同时，随着工农业的发展,近岸海域的污染日趋严重,重金属离子浓度比深海水域高数十倍至数百倍.因此,除去水中污染物及重金属离子是高分子吸附剂的重要任务。袁有宪等人用高分子吸附剂从动态和半静态的海水中吸附除去 Cu、,Pb、,Zn、及Cr3 ,为消除重金属离子对海洋生物幼体的危害,提供了一种有效的方法.曲荣君等人用壳聚糖与过渡金属离子Cu、或Ni形成的配合物,在弱碱性条件下与环氧氯丙烷进行交联,合成出一系列具有不同交联度的壳聚糖树脂,并研究了该系列树脂对Cu、,Ni的静态吸附性能.由此可见,高分子吸附剂不但可以用来去除废水中的重金属离子,而且可以用来回收海水中的金属,应用前景十分广阔。

吸附树脂是一种特殊的大孔树脂,它以吸附为基本特征,大部分不具有功能基而没有任何交换中心,作用与吸附剂活性炭相似,可以再生。大孔树脂的合成方法是以普通石油化工原料的单烯类单体为骨架,与作为交联剂的双烯类单体发生悬浮共聚反应,同时为了获得多孔的结构,在聚合时配合使用不带双键、不参加共聚、又能与单体混溶,使共聚体溶胀或沉淀的有机溶剂作为制孔剂,在带有分散剂的水中,搅拌加热控制颗粒大小而制得。

现代环境工程材料论文 大量研究工作表明,树脂吸附法处理有机废水具有如下特点: 4.1.1 适用范围宽,适用性好。废水中有机物浓度从几个到上万mg/ L 均可进行处理,且吸附效果不受溶液中所含无机盐的影响。

4.1.2 比表面积大,吸附效率高,解吸再生容易。大孔树脂对有机物的吸附率通常可达到99 %以上,不产生二次污染。解吸常用酸碱或有机溶剂,解吸率一般可达95 %以上。

4.1.3 树脂性能稳定,使用寿命长。树脂有较高的耐氧化、耐酸碱、耐有机溶剂的性能,可在150 ℃以下长期使用,在正常情况下年损耗率小于5 %。4.1.4 有利于综合治理,变废为宝。采用树脂吸附可以回收利用污染物,节约开支,增加效益。

4.1.5 工艺简单,不需特殊设备,技术容易掌握,操作方便,运行费用较低。

由于以上这些特点,吸附树脂在处理高浓度、难降解的有机工业废水方面发展迅速,尤其在酚类、胺类、有机酸类、硝基物、卤代烃等方面,取得重大进展。

大孔吸附树脂既具有活性炭的吸附能力,又具有脱附效率高的特点,物理化学性能稳定;因此在有机废水资源化处理领域具有广阔前景。不过,目前国内外商品化吸附树脂的吸附容量、孔结构性能和机械强度尚待继续提高,开发具有高吸附容量、优良孔结构和高机械强度的吸附树脂并将其应用于有毒有机化工废水的治理与资源化的应用中,是当前化学工作者和环保工作者的一项重要课题。可以展望,今后随着国家和人们对环保工作的重视和科研工作者的不懈努力,树脂吸附法处理有毒有机废水技术还将获得更大的发展,必将为我国的环境保护和有机化工企业的可持续发展做出更大的贡献。

4.2 医药卫生方面

高分子吸附剂被广泛用在吸附血红细胞中的胆红素、去除肾衰竭患者血液中积累的毒性成分肌酐生物制药的分离纯化、作缓释药物的基体、药片药丸的崩解剂及药物微胶囊的皮膜等方面.张跃华等人以天然甲壳素为原料合成出珠状高分子吸附剂,并研究了对非结合型胆红素的吸附性能,指出交联甲壳糖吸附剂对非结合型胆红素有良好的吸附作用.魏斌等人合成出含氨基和羟基的高分子吸附剂,并研究了对胆红素的吸附性能,指出含氨基和羟基的吸附剂对胆红素的吸附率可达8O 以上。何炳林、顾觉奋、左晓霞等人分别研究了高分子吸附剂在血液净化及在生物制药分离等方面的作用,指出高分子吸附剂在微生物制药及在微生物发酵液中分离、提取、浓缩和纯化等方面发挥着重要的作用.此外,高分子吸附剂还可以应用于人工肾脏的过滤材料、人造皮肤、消炎止疼膏的凝化剂、隐形眼镜的本体材料等方面。

此外在中医方面，中草药是我国宝贵的医药资源，在提高人民生活质量，保证人民生活健康中发挥了极大的作用。然而中药成分的复杂性和不可知性影响了它的进一步应用，中药现代化成为了中药发展的迫切要求。而中药现代化的关键技术之一就是有效成分或有效部位的提取分离。溶剂萃取分离技术是天然产物分离的经典技术，但溶剂消耗量大，分离效率低，操作安全性差，一般仅适用于实验室小量样品的制备，而不宜用于工业生产。柱色谱分离法采用一定的色谱填料作为固定相，当中药提取液通过色谱柱时，不同的成分即可得到分离。该方法操作简单，适宜于工业生产。尤其是随着高分子产品的出现和发展，色谱填料的种类越来越多，其中以离子交换树脂、大孔吸附树脂和聚酰胺为主。在中药现代化的进程中，研究各种中药的具体药用成分并将其以较高的纯度分离提取出来，成为一项重要的工作，这样，新型分离方法的研究刻不容缓。而高分子吸附剂作为一种新型的柱层析色谱填料，以其使用方便、种类繁多、吸附专一性好等优良的性能赢得了越来越多的关注，将其应用到中草药有成分分离提取中去，必将发挥极大的作用。

4.3 机械加工方面

高分子吸附剂在机械加工领域中的应用主要体现在对油中微量水的吸附.当机器在运行时,汽轮机油会被水污染,它会降低汽轮机油的性能及造成设备故障,所以除去油中微量的水就成为必须的环节.Tanaka等人采用丙烯腈或其他聚合物纤维制成管状脱水过滤器,利用纤维材料将油中细小、稳定的水变成大的水滴,达到除水的目的.该法对去除油中微量的水效果较好.张秀玲等人合成了除去汽轮机油中微量水的高分子吸附剂,这种吸附剂可使汽轮机油中的水分降至0.03 以下.它不但净化效果好,成本低,而且不会改变汽轮机油的原有品质.此外,利用高分子吸附剂去除气体中有害成分的研究也有了一定进展.曹爱丽等人研制出一种

现代环境工程材料论文 新型高分子吸附剂,以丙烯腈、苯乙烯为共聚单体,二乙烯基苯为交联剂,进行致孔悬浮交联共聚,制成多孔网络状树脂,经性能检测能很好地吸附二氧化硫气体,在常温下的吸附量为0.3~O.4 g/g。结束语

随着科学研究和生产技术的不断发展，涌现出大量具有高吸附量、高选择性的吸附性高分子材料。各种离子交换树脂被广泛应用于离子色谱分离、酸碱催化反应等方面；带有各种配位基团的高分子螯合剂在环境保护、物质分离、化学分析中有着广泛的应用；各种亲脂性高分子吸附树脂被大量用于含有各种功能团的有机化合物、乳化剂、表面活性剂、润滑剂、氨基酸的分离及用于抗生素药物、天然植物药物的分离提纯；吸水性高的高分子树脂可以吸收超过自身重量的水分，在干旱地区作为保水剂可以提高种子成活率，提高农作物的产量。

参考文献

[1] 赵文元．王亦军．功能高分子材料化学[M]．北京：化学工业出版社．1996． [2] 周学良，刘廷栋，刘京等．功能高分子材料[M]．北京：化学工业出版社．2002． [3] 唐红霞，吕爱敏等．高分子吸附剂的应用及其发展[J]．唐山：河北化工．2004,18[6]． [4] 赵声贵，钟 宏，刘广义等．吸附性高分子材料概述[J]．广州：广东有色金属学报．2006,16[2]．

第四篇：可行性研究报告的作用

可行性研究报告的作用

1、建设项目论证、审查、决策的依据。

2、编制设计任务书和初步设计的依据。

3、筹集资金，向银行申请贷款的重要依据。

4、申请专项资金，向有关主管部门申请专项资金的重要依据。

5、股票发行，向证监会申请股票上市的重要依据。

6、取得用地，向国土部门、开发区、工业园申请用地的重要依据。

7、与项目有关的部门签订合作，协作合同或协议的依据。

8、引进技术，进口设备和对外谈判的依据。

9、环境部门审查项目对环境影响的依据。

项目可行性研究的意义

可行性研究是确定建设项目前具有决定性意义的工作，是在投资决策之前，对拟建项目进行全面技术经济分析的科学论证，在投资管理中，可行性研究是指对拟建项目有关的自然、社会、经济、技术等进行调研、分析比较以及预测建成后的社会经济效益。在此基础上，综合论证项目建设的必要性，财务的盈利性，经济上的合理性，技术上的先进性和适应性以及建设条件的可能性和可行性，从而为投资决策提供科学依据。

可行性研究报告分为政府审批核准用可行性研究报告和融资用可行性研究报告。审批核准用的可行性研究报告侧重关注项目的社会经济效益和影响；融资用报告侧重关注项目在经济上是否可行。具体概括为：政府立项审批，产业扶持，银行贷款，融资投资、投资建设、境外投资、上市融资、中外合作、股份合作、组建公司、征用土地、申请高新技术企业等各类可行性报告。

第五篇：变压吸附技术的进步及其在石化工业的应用(精)

变压吸附技术的进步及其在石化工业的应用 李克兵!陈健古共伟(四川天一科技股份有限公司

成都!“#$$%摘要变压吸附(&’(*’(+,-./012’3

4-2.,简称&+0技术是一种用于混合气体分离及净化的高新技术,自该技术工业化以来得到快速发展,已成为一种主要的气体分离净化技术,在

工业气体分离领域得到广泛应用。本文叙述了&+0技术的基本原理及特点,介绍了近年来&+0技术的进展情况,重点阐述了该技术应用于从炼油厂重整氢、催化干气、轻油转化气中提纯氢

气的工艺方法及特点。!变压吸附技术的发展 变压吸附(&’(*’(+,-./012’3

4-2.,简称&+0是一种用于混合气体的分离及净化技术。其基本原理是运用多孔性固体材料(吸附剂对混合气中各气体组分选择性吸附及各组分在吸附剂上的吸附容量随压力的变化而呈现差异的特性实现混合气体的分离或提纯。

四川天一科技股份有限公司(西南院于5#年代初在国内率先从事变压吸附技术的研究工作,自6#年代初该技术工业化以来,在吸附剂、工艺、控制、阀门等诸多方面做了大量的改进工作。尤其进入7#年代中期,随着大型化变压吸附装置的不断推广,该技术得以迅猛发展,主要体现在以下几个方面: ”8“吸附剂性能不断提高

吸附剂性能的好坏,直接影响&+0装置的投资高低、消耗大小及操作稳定与否。近年来,各研究单位和吸附剂生产厂家投入大量人力及财力进行吸附剂性能的

改进工作,力求赶上世界上发达国家生产的吸附剂同等水平,使得吸附剂性能不断提高。主要表现在吸附剂的吸附量提高、分离系数增加、再生更容易及吸附剂强度增加等方面。

针对炼油和石化行业富氢混合气(如重整尾气、催化干气,加氢尾气等中烃类组分多

且含有9%:等高碳烃组分的特点,四川天一科技股份有限公司专门成立了处理这类气体的吸

附剂研制攻关小组。经过大量的实验,终于研制出应用&+0技术一步除去炼油厂混合气除氢气以外所有杂质的专用吸附剂9;0<$$7。使用这类吸附剂可省去传统的=+0预处理工序,提高了氢气的回收率,大大简化了流程,进一步降低了装置的投资。这类吸附剂先后在镇海炼化、辽阳化纤、沧州炼油厂及济南炼油厂的大型&+0装置上使用。

”8$&+0处理气源大大增加

由于吸附剂技术的进步,使得&+0装置处理原料气的种类大大增加。以制氢为例,&+0装置工业化初期处理的气源主要为合成氨弛放气,后来发展到变换气、脱碳精炼气、半水煤气、城市煤气、焦炉煤气、发酵气、甲醇尾气等。随着我国石化工业的迅猛发展, ・ %#!・!李克兵,高级工程师,生于“7!6年,”77$年毕业于华东理工大学化工专业,“77%年获四川大学化工专业硕士学位,现在四川天一科技股份有限公司从事变压吸附气体分离技术的研究开发工作。电话#$6<%66>”!5。

!“#装置已能从催化干气、重整尾气、加氢尾气、轻油转化中变气中提纯氢气。到目前为止,!”#适用的气源已达到$%余种。

&’(产品回收率大大提高

以往!“#技术的最大缺陷就是产品收率低,一般只有$%左右,导致单位产品气生产成本较高。随着吸附剂的进步,与传统的工艺相比,通过增加均压次数及采用抽空工艺可大大提高氢气回收率,目前的!”#装置氢气回收率可达*+。炼油厂组成复杂且氢气含量较低(氢含量为,+!-+的催化干气,采用抽空工艺,其产品氢气回收率也可达到.$!*%,轻油转化中变气在常压冲洗工艺条件下氢气回收率可达*%。

&’-装置规模大型化

由于吸附剂、程控阀、控制系统及控制仪表的快速发展,我国科研人员研制出!“#装置故障自诊断系统及对故障程控阀实现在线维修的程序切换系统。由传统的-塔装置逐步发展为/塔、.塔、&%塔等大型工业装置。装置处理量接近国外水平。

四川天一科技股份有限公司于&**-年在浙江镇海炼油化工股份公司/%%%%01(/2的国际招标中标后,结束了国外装置在中国的垄断地位,先后在辽阳化纤、沧州炼油厂、大港油田、济南炼油厂、大庆油田等石化厂家建设了大型!”#装置(%余套。

!变压吸附技术的基本原理及特点 ,’&!“#的基本原理

混合气中各组分在吸附剂上的吸附能力从小到大顺序如下: 34!3,!5,!#6!0,!75!73-!75,!7,3/!7,3-!7(3.!7(3/!7-8!3,”!3,5各组分在吸附剂上的吸附能力随着压力的升高而增加,随着压力的降低而减少。高压吸附,低压解吸,吸附剂可循环使用。为了实现有效的气体分离,要求产品组分与余下的杂质组分间的分离系数达到某一设计值。且必须考虑吸附剂对气体组分的吸附与解吸的矛盾,吸附剂除

了要具备较强的吸附性能外,还必须具备较好的解吸性能。这样才能保证吸附剂具有较长的使用寿命。,’,!“#的特点

(&!”#采用计算机控制,装置自动化程度高,工艺和操作简单,产品纯度可调。(,开停车方便,一般在&2内可获得产品。

((变压吸附工艺所要求的压力一般在%’.!(’%9!:,允许压力变化范围较宽,而大多数含氢气源,如各种炼油厂混合气本身的压力均可满足这一要求,这样可省去再次加压的能耗。对于处理这类气源,变压吸附装置的能耗只是照明、仪表用电及仪表空气的消耗,能耗很低。

和硫化物含量限制较宽。

(-与低温和膜分离装置相比,变压吸附装置对原料气中03(03(“%’%&、无机硫”&%%1;/01(的原料气均直接进变压吸附装置,省去了复杂的预处理装置,流程简单。

(+装置扩建容易。只需增加少量吸附塔及程控阀可实现产量成倍增加。(/装置占地面积小。

($!“#操作过程中无新的“三废”产生,环境效益好。”#$%技术在石化行业的应用

随着石油炼制工业飞速发展,氢气消耗量也在迅速增加。重油轻化及其它石油炼制过程・

・

/ % / 需要大量氢气,因此扩大氢生产资源、开发新的制氢工艺以及改进现有制氢工艺,受到人们的普遍关注。现阶段石化行业获得氢气主要有两种方法:一是利用烃类蒸气转化气提纯氢气,二是利用炼油厂副产气如加氢裂化尾气、催化重整副产气、回炼渣油的催化裂化干气等回收氢气。氢气回收用于石油炼制加工可缓解石化工业缺氢的局面。

!“#烃类转化制氢

炼油厂的氢气来源约!$%由重整尾气提供,在其余&$%中,烃类水蒸气转化占’&%。可见,采用水蒸气转化工艺是目前主要的制氢方法。传统的制氢工艺如图#所示。

氢(* 湿 烷!”+ 只 氢 烃 泄

程 进 重 艺 %’ 率, 中 品