分离工程.
吸附分离与扩张床分离
摘要
通过从吸附动力学，吸附平衡以及吸收剂的选择这几方面讲述了吸附分离与扩 张床分离的原理.
关键词：吸附动力学，吸附平衡，吸收剂
Adsorption separation and Expanded bed
separation
Abstract
Through from the adsorption kinetics, equilibrium, and the choice of absorbent to describe the principle of adsorption separation and expanded bed separation . Key words：adsorption kinetics ,equilibrium , absorbent
1 吸附分离
1.1 吸附分离的基本概念
1.1.1吸附的基本概念
吸附是指流体（气体或液体）与固体多孔物质接触时，流体中的一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内表面并附着在这些表面上形成单分子层或多分子层的过程。解吸是吸附的逆过程，即为吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程。
其中，被吸附的流体称为吸附质，多孔固体颗粒称为吸附剂。吸附达到平衡时，吸附剂内的流体称为吸附相，剩余的流体本体相称为吸余相．
1.1.2吸附类型
根据吸附质和吸附剂表面之间相互作用力的不同，吸附可分为物理吸附（范德华吸附）和化学吸附（活化吸附）。
物理吸附：基于范德华力、氢键和静电力，它相当于流体中组分分子在吸附剂表面上的凝聚，可以是单分子层，也可以是多分子层。
化学吸附：基于在固体吸附剂表面发生化学反应使吸附质和吸附剂之间以化学键力结合的吸附过程，因此选择性较强。
物理吸附与化学吸附的比较
• 按吸附剂再生方法分类：变温吸附和变压吸附
• 按原料组成分类：大吸附量分离和杂质去除
• 按分离机理分类：位阻效应、动力学效应和平衡效应
1.1.3 吸附的优缺点
• 优点 1. 高选择性 (亲和性吸附) 2 .能够用于稀溶液
• 缺点 1属于表面现象 吸附剂的内部不可以利用 2间歇或半间歇操作
3吸附剂需要频繁再生 4. 产品质量稳定性较差
1.2 吸附剂
1.2.1对吸附剂的基本要求
（1）较高的选择性以达到一定的分离要求；
（2）较大的吸附容量以减小用量；
（3）较好的动力学及传递性质以实现快速吸附；
（4）较高的化学及热稳定性，不溶或极难溶于待处理流体以保证吸附剂的数量和性质；
（5）较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀；
（6）较好的流动性以便于装卸；
（7）较高的抗污染能力以延长使用寿命；
（8）较好的惰性以避免发生不期望的化学反应；
（9）易再生；
（10）价格便宜。
1.2.2几种常用的吸附剂
吸附剂按其化学结构可分为有机吸附剂和无机吸附剂。
常用的有机吸附剂有球性炭化树脂、聚酰胺、纤维素、大孔树脂等； 常用的无机吸附剂有硅胶、活性氧化铝、硅藻土、分子筛等。
最具代表性的吸附剂是活性炭，吸附性能相当好，但是成本比较高.
1.3 吸附平衡
1.3.1 概念
一定条件下，流体（气体或液体）与吸附剂接触，流体中的吸附质被吸附剂吸附，经足够长时间后，吸附质在两相中的含量不再改变，即吸附质在流体和吸附剂上的分配达到一种动态平衡，称为吸附平衡。
相同条件下，流体中吸附质的浓度高于平衡浓度时，吸附质将被吸附；反之，流体中吸附质浓度低于平衡浓度时，吸附剂上已吸附的吸附质将解吸进入流体相，直到达到新的吸附平衡。可见，吸附平衡关系决定着吸附过程的方向和极限，是吸附过程的基本依据。
1.3.2 纯组分气体吸附平衡
1.3.3两种模型
1 Langmuir吸附等温方程
Langmuir基于单分子层吸附理论对气体推导出简单和广泛应用的近似表达式：
2 BET公式
由Brunaner, Emmett和Teller 3人提出的。基于多分子层吸附，在Langmuir
公式基础上推出来的。
p0-吸附质组分的饱和蒸气压；
qm-吸附剂表面完全被吸附质单分子层覆盖时的吸附量；
kb-常数，与温度、吸附热和冷凝热有关。
BET公式中的参数qm和kb可以通过实验测定。
通常只适用于比压（p/p0）约为0.05～0.35。
1.3.4 液相吸附平衡
液相吸附机理比气相复杂，除温度和溶质浓度外，吸附剂对溶剂和溶质的吸附、溶质的溶解度和离子化，各种溶质之间的相互作用以共吸附现象等都会对吸附产生不同程度的影响。
1.4 吸附动力学
吸附剂从流体中吸附吸附质的过程通常分为三步：
1)吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面——外扩散
2)吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散——内扩散 3)吸附质在吸附剂的内部表面上被吸附
一般第(3)步的速率很快，吸附传质速率主要取决于第(1)和(2)两步。 外扩散速率很慢——外扩散控制
内扩散速率很慢——内扩散控制
1.5 吸附分离设备
2 扩张床分离
2.1扩张床吸附
扩张床吸附(Expanded bed adsorption ,EBA)技术是20世纪90年代发展起来的新型生物化工分离纯化技术。它集过滤、浓缩和初步纯化于一步完成，减少了操作步骤，缩短了操作时间，能提高收率和降低成本，是一项应用前景广阔的生物化工新技术 。
2.1.1扩张床的吸附原理
在扩张床中，料液自下向上运动，当达到最低流化速度umf时，床层继续扩张，
吸附剂间隙增大，利于悬浮颗粒通过。直至流速等于吸附剂的终点沉降速度ut。故流速应选择在umf与ut之间，umf
律表示，ut与颗粒直径、固体密度、液相密度和粘度有关:
1床层的分层稳定性
形成稳定的分层床层是扩张床操作的基础。吸附剂的大小和密度存在一定的分布，条件适当时，处于流化态的颗粒会分离成层，此时无沟流，返混低，且液相活动为活塞流，相当于固定床。分层与最大粒径和最小颗粒的比值有关，当粒径之比大于2.2时，就能形成稳定的分层；同时保持适当的流速，使床层扩展到2-3倍为宜。这种利用吸附剂本身特性进行分层的方法，优于人为分层的方法。
2扩张床的吸附剂
选择合适的吸附剂，是实现EBA过程的关键。Chase最早用的吸附剂Q-Sepharose FF ，可供选择的操作范围较小，处理量小，不符合工业要求。1992年以后，Pharmacia Biotech 陆续推出新的比重较大的吸附剂。其所采用的方法是制成琼脂糖和结晶石英的复合吸附剂，比重较大，粒径范围较大，pH应用范围较广。此外，氧化锆由于其密度大，也适用于制造复合吸附剂。全氟化碳乳浊液，由全氟萘烷和聚乙烯醇经均质化形成，颗粒的密度高达2200kg/m3，经交联后接上配基、可用于扩张床中。
3扩张床的吸附柱
床层的稳定性除应有合适的吸附剂外，还应有合适的吸附柱。柱进口的分布板的结构，非常重要，基本要求是在分布板上各处的压力降都是均匀的，以使有均匀的速度分布。分布板一般为多孔板，这些小孔应能允许处理液中固体颗粒通过，而在停止操作时，不会让吸附剂颗粒落下。还应指出，吸附柱在安装时必须保持垂直，微小的倾斜对床层的稳定性影响也很大。
2.2 扩张床吸附的操作方法
扩张床的吸附操作方法分为吸附、洗涤、洗脱、再生4步。
（1）吸附
先将吸附剂沉积层流态化，自下向上通入缓冲液，调大流速，使床层扩张至2-3倍。然后通入处理液，这时需再次调节流速，保持床层稳定。
（2）洗涤
吸附结束后用25%甘油洗涤床层，将细胞和未吸附的蛋白质洗出。
（3）洗脱
待吸附剂沉积后，将上部分分布器降至床层表面，按固定床模式进行洗脱，流速一般控制在100cm/h，可用分布洗脱法或梯度洗脱法，也可按扩张床模式进行洗脱。
（4）再生
大多数再生操作都使用0.5-1.0mol/L NaOH 清洗床层3-4h,再用10%的乙酸和其它有机溶剂洗涤。再生以后，应校验动态吸附容量和床层的扩展程度，变化不能太大。
3 展望
目前市售的吸附剂品种少，不能满足不同场合的需要。新型吸附剂的发展方向为:专一性强，但配基稳定性要好，能耐苛刻的清洗条件。骨架应多孔性一、亲水性、颗粒小使传质速度快且有一定的分布，比重大也应有一定的分布。 EBA理论的研究还很不深入，对传质、建立模型方面的工作还很少，需要建立符合EBA情况的定量关系。 但是，当细胞聚结成团状，其大小和吸附剂颗粒相当，或者粘度很大，则EBA技术显然不适用。最后还应提出EBA技术的一个新的应用，即从动物乳液中提取蛋白质。由于乳液是复杂的多相混合物，含有脂蛋白和酪蛋白胶束，用传统的固定床很难处理，用扩张床则较合适。
参考文献
[1]《吸附分离技术》 冯孝庭主编 : 2000年11月第1版
[2]《化工吸附分离过程》 叶振华编著 1992年12月第1版
[3]Discrimination between physical and chemical adsorption of ions on oxides
[J].Colloids and Surfaces, 37 (1989) 197-204 .
[4]Physical and chemical properties and adsorption type of activated carbon prepared from plum kernels by NaOH activation[J].Journal of Hazardous Materials 147 (2007) 1020–1027.
[5]扩张床吸附过程的并行设计策略[J].化工进展，Vol.23，No.1(2003).
[6]微波辐射强化再生技术_一种环保节能型吸附剂再生技术[J].广东化工，Vol.37，No.4(2010).
[7] 路秀玲
[8]> 李凌云