2 吸附分离材料.pptx
- 文档编号:18694099
- 上传时间:2023-09-16
- 格式:PPTX
- 页数:75
- 大小:5.80MB
2 吸附分离材料.pptx
《2 吸附分离材料.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2 吸附分离材料.pptx(75页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
LOGO,LOGO,2吸附分离材料,6/21/2019,EnvironmentalEngineeringMaterials,LOGO,主要内容,吸附分离材料的特性及选择,1,2碳质吸附材料,无机吸附材料,3,4高分子吸附材料,生物吸附剂,EnvironmentalEngineeringMaterials,6/21/2019,5,LOGO,吸附是利用一种物质(吸附剂)与另一种液相或气相中的物质(吸附质)接触时,吸附质被吸附剂表面所固着,使两相中浓度发生变化的过程。
这是一种从液相或气相到固体表面的传质现象,也是一种传统的化工分离技术。
前言:
EnvironmentalEngineeringMaterials,6/21/2019,LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,表面能,比表面积,表面化学性能,2.1.1吸附分离材料的特性
(1)吸附分离材料的表面特性重要的表面特性,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,2.1.1吸附分离材料的特性
(1)吸附分离材料的表面特性,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,2.1.1吸附分离材料的特性
(1)吸附分离材料的表面特性,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,2.1.1吸附分离材料的特性
(1)吸附分离材料的表面特性,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,2.1.1吸附分离材料的特性
(1)吸附分离材料的表面特性常用吸附剂的特性,n,als,6/21,LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,吸附特性,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,交换吸附,2.1.1吸附分离材料的特性
(2)吸附特性物理吸附,化学吸附,LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,erials,6/21/2019,2.1.1吸附分离材料的特性
(2)吸附特性物理吸附和化学吸附的主要特性,LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,2.1.1吸附分离材料的特性
(2)吸附特性,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,2.1.1吸附分离材料的特性
(2)吸附特性,阳离子交换树脂示意图,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,2.1.2吸附分离材料的分类与选择原则
(1)吸附分离材料的分类,无机吸附剂,高分子吸附剂,碳质吸附剂,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,具有一定晶体结构的无机化合物,大多数是天然的无机物,往往具有离子交换性质,因此通常称为无机离子交换剂,如沸石、蒙脱土等,其中应用最为广泛的无机分离材料是合成的硅胶和分子筛,常用作高选择性吸附剂(色谱的固定相)和催化剂载体。
由烯类单体聚合制得的。
通过改变聚合单体的组成和聚合的方法可以制得不同结构的吸附材料,这类材料还可以进一步用化学的方法功能基化从而制得带有各种功能基团的吸附材料,因而种类更多,应用范围更广。
一类介于无机吸附剂和有机吸附剂之间的一类吸附材料,包括活性炭、活性碳纤维以及炭化树脂。
制备活性炭的原料来源广泛且成本低廉,如木屑、泥煤、褐煤、沥青以及其他有机工业废品等,因此活性炭在工业领域受到广泛欢迎。
LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,相似相溶原理:
当吸附剂与吸附分离目标物(即吸附质)的化学组成和结构最为相似或接近的时候,两者之间的亲和力达到最大,吸附分离能力最强,分离效率达到最高。
2.1.2吸附分离材料的分类与选择原则
(2)吸附分离材料的选择原则最重要的原则,孔径匹配原则:
只有那些内部孔道直径适当大于、最好达到36倍吸附质分子尺寸(水合直径)的吸附剂,才具有最佳的吸附分离能力和最高的分离效率。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.1吸附分离材料的特性及选择,2.1.2吸附分离材料的分类与选择原则
(2)吸附分离材料的选择原则,一般原则和规律,工业废水中电解质或离子型污染物的去除,选择离子交换树脂或离于交换纤维,可以达到最佳的环境净化和控制目标,同时可望获得良好的经济效益。
工业废水中重金属污染物的去除,宜选择整合树脂或螯合纤维,原因是其对重金属离子的极高选择性几乎可以定量地将其从废水中除去并实现回收利用。
大气中气态分子型污染物的去除,宜选择高比表面积和0.5nm以下微小孔径孔道占主导地位的活性炭和分子筛等,效果较好。
气或废水中分子型有机污染物的去除,各种类型的吸附树脂无疑是最优先选择的对象,其分离效率往往可以达到99%以上,而且还可以回收利用污染物。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,1,2,3,4,LOGO,2.2碳质吸附材料,碳质吸附材料的种类,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,颗粒活性炭,纤维活性炭,石墨吸附材料,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.1颗粒活性炭
(1)颗粒活性炭的制备,粒状活性炭的制备工艺流程,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.1颗粒活性炭
(1)颗粒活性炭的制备,果壳、椰壳、煤质活性炭的外形图,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.1颗粒活性炭
(2)颗粒活性炭的细孔构造和分布比表面积:
5001700m2/g微孔:
直径50nm,通过微生物及菌类在其中繁殖,可以使无机的碳材料发挥生物质的功能。
颗粒活性炭微孔结构,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.1颗粒活性炭(3)颗粒活性炭的表面化学性能,组成元素,氢和氧的作用,灰分的作用,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,碳7095%、氢和氧以及灰分。
灰分的含量及组成随活性炭的种类而异,椰壳炭的灰分在3%左右,煤质炭的灰分高达2030%。
氢和氧同碳以化学键结合,使活性炭表面上有各种有机官能团形式的氧化物和碳氢化物。
氧化物使活性炭与吸附质分子发生化学作用,显示出选择吸附性。
这些有机官能团有羧基、酚羟基基、醚、碳酸无水物、环状过氧化物等。
对活性炭吸附溶液中的某些电解质和非电解质有催化作用。
LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.1颗粒活性炭(4)颗粒活性炭的应用活性炭对气体、溶液中的无机或有机物质及胶体颗粒等都有很强的吸附能力,广泛地应用于环保、化工、食品加工、湿法冶金、药物精制、军事化学防护等各个领域,在环境污染治理方面也越来越显示出诱人的前景,已被广泛用于污水处理、大气污染防治等方面。
(课后作业:
查阅资料,列举活性炭在各行各业应用的实例。
),EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.1颗粒活性炭(5)颗粒活性炭的再生,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.2纤维活性炭纤维活性炭(ACF)是继粉状、粒状活性炭之后的一种新型高效吸附材料,它在宏观形态和微观结构上都与传统的活性炭有着本质的区别,相比于活性炭(粒状和粉状),纤维活性炭比表面积大、微孔丰富,孔径小且分布窄,吸附量大,吸附速度快,吸附能力较一般的活性炭高110倍,而且容易再生,工艺灵活性大(可制成纱、布、毡、纸等多种形态)。
目前已经被广泛地用于工业废水、废气的处理。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.2纤维活性炭
(1)纤维活性炭与颗粒活性炭的区别,纤维活性炭与颗粒活性炭孔结构比较,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.2纤维活性炭
(1)纤维活性炭与颗粒活性炭的区别,A.,纤维直径一般为1013m,与吸附质接触面积大且可以均匀接触,增加了吸附几率,吸附性能大幅度提高。
B.外表面积大,吸脱附速度快,吸附效率高。
C.,孔径分布窄,且主要以微孔和亚微孔为主,孔径小、力场重叠对低浓度物质也有较好的分离作用,并且可以通过各种手段来调节孔径做成分子筛达到分离目的。
D.漏损小,吸附层薄可以使设备更加小型化。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.2纤维活性炭
(1)纤维活性炭与颗粒活性炭的区别,E.,强度大,不易粉化,二次污染小,同时纯度高杂质少,可以用于食品和医疗工业。
吸附层薄、体密度小,蓄热少,操作安全。
良好的成型性,可以做成各种形态的吸附剂。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.2纤维活性炭
(1)纤维活性炭与颗粒活性炭的区别,不同类型活性炭吸附、脱附性能比较,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.2纤维活性炭
(2)纤维活性炭的应用纤维活性炭作为一种理想的高效吸附材料,自20世纪60年代问世以来,一直引起人们的极大兴趣。
由于其具有极大的比表面积、发达的孔结构、吸附脱附速度快、吸附容量大等优点而被广泛用于空气净化、废水处理、溶剂回收、贵金属回收等方面。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.3膨胀石墨膨胀石墨由天然鳞片石墨经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质,其表面和内部有发达的网络状孔隙结构,但组织上仍由石墨微晶组成,因此具有鳞片石墨非极性的特性,在其表面的基团也是非极性的。
因此,适合吸附非极性有机大分子,特别是油类物质,是极有发展潜力的一种吸附分离材料。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.3膨胀石墨
(1)膨胀石墨的结构,天然鳞片状石墨的典型六方晶系结构,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.3膨胀石墨
(1)膨胀石墨的结构,膨胀石墨SEM扫描图像,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.3膨胀石墨
(1)膨胀石墨的结构膨胀石墨是一种疏松多孔的炭素材料,其表面及内部孔结构非常发达,比表面积可达50200m2/g,孔径基本以大孔为主,是一种优良的吸附材料。
对各种油类及各种水面漂浮油类的吸附以及对含油废水的过滤处理实验证明,膨胀石墨对清除水中油类污染具有良好的作用。
膨胀石墨作为一种新型吸附材料,在废水吸附净化、非水介质中的极性吸附以及油品的高温热分解掩蔽等方面有着其它物质不可替代的作用。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.3膨胀石墨
(2)膨胀石墨对水中油类物质的吸附去除作用,膨胀石墨与活性炭对煤焦油馏分的吸附量和滞留量,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.3膨胀石墨
(2)膨胀石墨对水中油类物质的吸附去除作用由上图可见,膨胀石墨对煤焦油及其馏分的吸附量质量比高达130160。
活性炭对焦油类物质的吸附质量比只有1314.5。
膨胀体积为350mL/g石墨蠕虫的比表面积为134.38m2/g,而活性炭比表面积为9501000m2/g,活性炭比表面积比膨胀石墨大7倍多,而吸附量只相当于膨胀石墨的1/10。
可见,膨胀石墨对有机大分子油类物质吸附能力很强。
在一定的抽气负压下,膨胀石墨由于结构蓬松,吸附部分油品被挤压出来,使滞留吸附量比原来的浸泡吸附量减少1/2左右。
而活性炭因基本无压缩性,滞留吸附量变化不大,膨胀石墨的这一性质有利于被吸附油品的回收利用和作为吸附剂的膨胀石墨的再生处理。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.3膨胀石墨
(2)膨胀石墨对水中油类物质的吸附去除作用,不同膨胀体积石墨的浸泡吸附量与活性炭的对比,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.3膨胀石墨
(2)膨胀石墨对水中油类物质的吸附去除作用可见,不同膨胀体积的石墨蠕虫对煤焦油及其馏分的的吸附量不同,膨胀体积越高,对油品的吸附量越大,并且吸附量随着油品平均分子量的增加而增大。
膨胀体积为50、150、350mL/g的石墨蠕虫对煤焦油的吸附量分别为12.9、17.6、21.2g/g,单位面积的吸附量高达0.160.38g/m2。
但活性炭对各种油品的吸附量很小,且不随油品的性质发生变化,其对煤焦油的吸附量只有4.2g/g,单位面积吸附量仅为0.0042g/m2。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,膨胀石墨与活性炭的SEM图像,2.2.3膨胀石墨
(2)膨胀石墨对水中油类物质的吸附去除作用,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.2碳质吸附材料,2.2.3膨胀石墨
(2)膨胀石墨对水中油类物质的吸附去除作用膨胀石墨表面和内部的孔径分布较宽,在1100nm数量级之间变化,以大孔和中孔为主,这就决定了膨胀石墨适合吸附大分子物质。
而活性炭孔结构主要以微孔和中孔为主,有效半径范围是0.180.2pm,有两端敞开或一端封闭的毛细管孔,有呈狭缝型、V型和锥型的孔,多数孔具有缩小的入口,呈墨水瓶型。
另一方面,活性炭颗粒由于其尺寸较小,无柔韧性,表面形貌也较平整,很难实现搭接以产生“贮油空间”。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.1沸石沸石是一族含水的碱或碱土金属网状结构的铝硅酸盐晶体,它分为两大类:
天然沸石与合成沸石,所有的沸石都可用以下通式表示:
Mn/2.Al2O3.xSiO2.YH2O,式中M为碱或碱土金属,称为沸石中的阳离子,n为其电价,x为硅铝比。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,沸石三维空间网架四面体交联示意图,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,沸石晶格上有一部分Si4+离子被Al3+离子所代替,因而缺少正电子,此不足的电荷由Na+、Ca2+等离子加以补充,从而形成为可以交换的离子。
2.3.1沸石
(1)沸石的结构,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.1沸石,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,沸石的组分及性能,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.1沸石
(2)沸石的性能A、阳离子交换性能,式中:
Z-为沸石的阴离子骨架,A+为交换前沸石中含有的阳离子,B+为水溶液中的金属阳离子。
离子交换顺序为:
Cs+KNaLi+和Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+。
沸石的阳离子交换性能使沸石可用于从水中除去Ca、Mg,从废液中除去氨态氮、重金属离子,从放射性废液中除去一些放射性同位素,从海水、卤水、气田中富集钾等。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.1沸石
(2)沸石的性能B、选择吸附性能沸石对不同分子的吸引力是不同的,这种现象称为选择性吸附。
优先吸附孔径小、极性强物质,如优先吸附SO2、H2O、NOx等,也可用沸石从空气中富集氧、氮等气体。
沸石可大量吸水,可作干燥剂使用,能使气体中的水含量达到0.1ppm。
脱除气体中的CO2也是沸石常被利用的功能。
如甲烷净化和脱水。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.1沸石
(2)沸石的性能C、分子筛作用当需要利用分子筛作用来分离某种混合物时,只要选择适当的沸石,它的窗口尺寸介于要分离的各组分分子尺寸之间就行了。
分于筛作用用于液体产品脱水,包括醇类、氟利昂及各种有机化合物等的脱水,不饱和烃脱水,天然气净化(除去CO2及硫化物)等。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.1沸石
(2)沸石的性能D、沸石的稳定性沸石具有坚固的刚性骨架,对较高的温度、氧化还原作用、电离辐射都是稳定的,不易磨损,因此它的离子交换特性是比较恒定的,并且在一定的温度和离子强度范围内是可预知的。
它对有机物没有吸附性,在pH值较高的体系稳定,而pH值较低时(pH值45)使用不稳定,应在pH值6的条件下使用。
天然沸石是弱酸性阳离子交换剂,只能用于较窄的pH值范围内,所以应用受到限制。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.1沸石(3)沸石在环境工程中的应用沸石具有的比表面积达400800m2/g,奠定了沸石在环境工程中的重要地位。
目前,沸石广泛地应用于除氟改良土壤、废水处理、除去或回收重金属离子、放射性废物的处理,海水提钾、海水淡化、硬水的软化、吸附分离剂、对气体净化和提纯、除臭剂等。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.1沸石(3)沸石在环境工程中的应用A、沸石去除水中氟改性沸石的除氟反应式如下:
式中:
Z表示沸石骨架,Men+表示阳离子,一般为13价。
失效的沸石可以通过用明矾水浸泡的方法,使沸石恢复原来的状态,反应式如下:
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,2.3.1沸石(3)沸石在环境工程中的应用A、沸石去除水中氟改性沸石除氟效果,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.1沸石(3)沸石在环境工程中的应用B、沸石作为废气的吸附分离剂沸石在废气治理方面已经工业化,如用沸石脱除硝酸厂尾气中的NOx,采用二床轮换操作,尾气中含有的O2(13%)通过沸石床层时可将NO氧化为NO2进行吸附。
如尾气中含有2500ppm(体积)NOx(其中NO为1250ppm,NO2为1250ppm),通过沸石床,NOx可脱除到小于10ppm(体积),沸石可再生使用1000次,寿命可达2年。
用热空气(315)再生,再生回收的NOx可以恒定速度循环返回到硝酸工厂,生产1吨硝酸排放的NOx量小于1.4kg。
用沸石吸附技术最大的优点是具有较大的灵活性,可将尾气中的NOx脱除到任何所期望的浓度,没有二次废气处理的问题。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.1沸石(3)沸石在环境工程中的应用C、沸石除油,沸石除油装置示意图,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,2.3.1沸石(3)沸石在环境工程中的应用C、沸石除油沸石的除油效果,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.2膨润土,
(1)膨润土的结构膨润土的主要成分为蒙脱石,蒙脱石的典型化学式为:
Na0.7(Al3.3Mg0.7)Si8O20(OH)4nH2O,属21型层状硅酸盐,结构如右图。
天然产出的膨润土可分为:
钠基膨润土、钙基膨润土、镁基膨润土、铝(氢)基膨润土,以钙基膨润土为主,钠基膨润土次之。
蒙脱石晶体结构,EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.2膨润土
(2)膨润土的改性A、钠化改性膨润土钠化改型是通过离子交换原理改变蒙脱石层间可交换阳离子种类以达到改变膨润土物化性能的方法。
改型时,向钙基膨润土中加入一些钠盐,用Na+置换蒙脱石层间的Ca2+、Mg2+从而转化为钠基膨润土。
其置换反应如下:
式中:
Bentone表示带负电的蒙脱石骨架。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.2膨润土
(2)膨润土的改性B、酸化改性膨润土的酸化处理,是采用一定浓度和用量的酸在一定物理化学工艺条件下对膨润土进行改性处理,由H+取代蒙脱石层间的可交换性阳离子,如Ca2+、Mg2+、K+、Na+等。
由于H+半径远小于其它被取代的阳离子,因此H+对各种阳离子的替换,造成蒙脱石晶格“松懈”,晶体两端孔道扩大,表面积增大,比表面积由原来80m2/g可增加到200800m2/g。
同时,由于H+对八面体层多价离子的取代,使蒙脱石层电荷升高,负电性增强。
因此,经酸化处理后蒙脱石颗粒具有比原颗粒更强的吸附性和化学活性,具有很强的的吸附及脱色能力。
EnvironmentalEngineeringmaterials,6/21/2019,LOGO,2.3无机吸附材料,2.3.2膨润土
(2)膨润土的改性C、有机化改性天然膨润土属于无机膨润土。
无机膨润土具亲水疏油性,人们为扩大其在有机相中的应用,将大分子有机物引入其层间使之改性,将亲水性的无机膨润土变为亲油性的有机膨润土。
有机膨润土制备过程中有机季铵盐阳离子与蒙脱石层中可交换阳离子(主要是钠离子)发生离子交换反应,使有机基团覆盖于蒙脱石矿物表面,使它的表面性能发生变化,由原来的亲水性转变为亲油性有机粘土,其反应式如下:
式中:
R1R2R3R4NCl为季铵盐,R1、R2、R3、R4分别表示碳数不同的长链烷基。
Environme
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 吸附分离材料 吸附 分离 材料