吸附分离技术研究进展

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1、吸附分离技术研究进展吸附分离技术是指将流动相(气体或液体)与具有较大表面积的多孔固体颗粒相接触,流动相的一种或多种组分选择地吸附或持留于顺粒微孔内,从而达到分离目的的方法。为了回收该组分和吸附剂的净制,作为吸附剂的固体颗粒需要再生,吸附和再生构成吸附分离的循环操作。常用的吸附剂包括硅胶、氧化铝、活性炭、碳分子筛、沸石分子筛等[1]。吸附是一表面现象,在流体(气或液)与固体表面(吸附剂)相接触时,流固之间的分子作用引起流体分子(吸附质)浓缩在表面。对一流体混合物,其中某些组分因流固作用力不同而优先得到浓缩,产生选择吸附,实

2、现分离。吸附分离过程依据流体中待分离组分浓度的高低可分为净化和组分分离,一般以质量浓度10%界限[2],小于此值的称为吸附净化。吸附是自发过程,发生吸附时放出热量,它的逆过程(脱附)是吸热的,需要提供热量才能脱除吸附在表面的吸附分子。吸附时放出热量的大小与吸附的类型有关:发生物理吸附时,吸附质吸附剂之间的相互作用较弱,吸附选择性不好,吸附热通常是在吸附质蒸发潜热的2～3倍范围内，吸附量随温度升高而降低;而发生化学吸附时,吸附质吸附剂之间的相互作用强,吸附选择性好且发生在活性位上,吸附热常大于吸附质蒸发潜热的2～3倍。在吸

3、附分离技术的实际应用中,吸附剂要重复使用,吸附与脱附是吸附分离过程的必要步骤。吸附剂脱附再生的实现方式主要有两种:提高吸附剂温度和用低吸附质浓度的流体。吸附剂的性能决定着吸附分离技术的应用,因此吸附剂的开发一直是吸附分离技术的研发重点。从含CO和N2的气体混合物中分离出CO，或从烯烃和烷烃气体混合物中分离出烯烃，用一般的吸附剂无法实现,因这些待分的物质性质相近,在吸附剂上有着相近的吸附容量,选择性差。如果利用CO和烯烃分子都有л键和络合吸附具有化学吸附的专一性的特性，就可能开发出具有选择性吸附CO和烯烃的专用吸附剂，多年

4、来在这方面的研究开发取得了不少的结果[3-6]。吸附平衡理论经过一百多年的发展,取得了长足的进步[7]，到20世纪末,由于计算机和分子计算的飞速进步,出现了吸附现象的分子模拟方法,主要有密度泛函理论(DFT)、MonteCarlo方法的各种形式(GCMC,BCMC,GEMC,LMC,RMC),加深了对吸附平衡规律的了解。可以预计,分子模拟的方法对吸附材料的开发和改进有着重要的作用[8-9]。从上面的概述可以看出,迄今为止,还没有一个描述吸附平衡的通用理论和方法,这与吸附现象的复杂性紧密相关联。吸附涉及到多相平衡,其中固体

5、吸附剂的微孔结构和表面性质千差万别,而缺乏统一表征固体吸附剂本身的理论与方法是造成难以准确描述吸附平衡的主要因素。值得注意的是,有研究者[10-11]开始思考吸附理论的基石——吸附热力学的准确性问题。由吸附平衡和吸附动力学的分形处理结果表明,分形分析可能可以成为表征表面和孔结构不规则性的一个重要手段,提高处理吸附平衡与吸附动力学数据的精度,扩充吸附平衡与吸附动力学理论与方法的适用范围,值得深入进一步研究。如在用分形维数表征各种多孔材料时,不同范围的孔结构是否具有多种自相似的特性就是需要搞清楚的基本问题。20世纪80年代,

6、出现了采用“分形”来定量表征吸附表面和孔结构的几何不规则性,对经典的二维理想表面与规则孔结构进行修正[12]。已有一些分形分析的理论与方法,用于对常用吸附剂(氧化铝、活性炭、分子筛)的吸附与脱附平衡数据进行处理,获得分形维数和其对表征吸附性能的作用[13-15]。吸附分离过程是在有吸附材料的填充柱中进行的,是一动态过程,因此,柱吸(脱)附动态是由吸附平衡、热量、动力学以及过程的操作模式所决定的。最简单的情形是两组分流体混合物吸附分离的情况,不同体系的柱中可形成一对温度和浓度传递层,分为5个区域[16]。自20世纪60年代

7、出现了SMB液相组分吸附分离技术后[17],其在石化行业得到了广泛应用,主要用于二甲苯和其它一些芳烃同分异构体的分离、正异构烷烃的分离。近十年来,SMB技术的应用领域不断扩大。基于SMB的制备色谱技术在手性精细化学品和医药品的分离中,已成为最具应用前景的分离方法[18];而SMB技术则朝着改变过程操作条件、优化过程性能的方向发展[19]。同样在这样的发展过程中,过程的模拟计算与分析起着重要的作用。一、应用于工业气体分离吸附分离技术最广泛的应用是工业气体的分离提纯。在分离过程中,气体组份在升压时吸附,降压时解吸,不同组份由

8、于其吸附和解吸特性不同,在压力周期性的变化过程中实现分离,这一过程称之为变压吸附分离过程(简称PSA)。PSA一般在不高的压力下进行,操作简单,自动化程度高,设备不需要特殊材料,原料气中的杂质组份如H2,NH3,硫化物等工业上常见的有害组份可同时除去,预处理和分离。氢气是冶金工业中重要的保护气,传统的氢气制备方法是电