吸附劑

吸附劑也稱吸收劑。這種物質可使活性成分附著在其顆粒表面，使液態微量化合物添加劑變為固態化合物，有利於實施均勻混合。是一種能夠有效地從氣體或液體中吸附其中某些成分的固體物質。具有大的比表面、適宜的孔結構及表面結構；對吸附質有強烈的吸附能力；一般不與吸附質和介質發生化學反應；製造方便、容易再生；有極好的吸附性和機械性特性。

基本介紹

• 中文名：吸附劑
• 外文名：adsorbent
• 性質：科學
• 類別：化學
• 分類：活性炭、氧化物
• 特性：孔結構、吸附能力強

特性與分類

吸附劑一般有以下特點：大的比表面、適宜的孔結構及表面結構；對吸附質有強烈的吸附能力；一般不與吸附質和介質發生化學反應；製造方便、容易再生；有極好的吸附性和機械性特性。

吸附劑可按孔徑大小、顆粒形狀、化學成分、表面極性等分類，如粗孔和細孔吸附劑，粉狀、粒狀、條狀吸附劑，碳質和氧化物吸附劑，極性和非極性吸附劑等。

常用的吸附劑有以碳質為原料的各種活性炭吸附劑和金屬、非金屬氧化物類吸附劑（如矽膠、氧化鋁、分子篩、天然黏土等）。最具代表性的吸附劑是活性炭，吸附性能相當好，但是成本比較高，曾套用在松花江事件中用來吸附水體中的甲苯。其次還有分子篩、矽膠、活性鋁、聚合物吸附劑和生物吸附劑等等。

吸附劑一般都是用在工業生產中，因此根據工業的常用性可以把吸附劑分為六大類。

矽膠，它主要用於乾燥、氣體混合物及石油組分的分離等；

變壓吸附矽膠

氧化鋁，它也是一種脫水的吸附劑；

活性炭，主要用於水處理、脫色和氣體處理；

聚丙烯醯胺，主要用於生活污水和有機廢水；

沸石分子篩，用於氣體吸附分離、氣體和液體乾燥；

碳分子篩，主要起運輸通道作用，微孔則起分子篩的作用。

吸附劑一般也分為有機物和無機物兩類，有機物類如小麥胚粉，脫脂的玉米胚粉，玉米芯碎片，粗麩皮，大豆細粉以及吸水性強的穀物類等。無機物類則包括二氧化矽，蛭石，矽酸鈣等。

套用

吸附劑會吸收製冷劑蒸汽，使蒸發器中壓力降低，於是會有更多液體氣化，蒸發中吸收熱量降溫，實現吸附製冷；吸附劑選擇吸附雜質，可進行產品提純；活性炭可用於污水處理場排氣吸附。

氣體吸附分離成功與否，極大程度上依賴於吸附劑的性能，因此選擇吸附劑是確定吸附操作的首要問題。

吸附劑是現代工業中一種不可缺少的產品，它的作用很大，不但可以分離物質還可以吸附一些產品中多餘的水分，成本低、工藝簡單、可重複使用，套用範圍遠遠大於工業需要。現在工業越來越發達，吸附劑一般被廣泛的引用在石油工業的採油、煉油、貯油運輸產生的污水、洗艙水、機械工業的冷潤滑液、軋鋼水，電鍍污水及糧油加工、皮革、紙業、紡織、食品加工等多行業。

常用的吸附劑

矽膠

是一種堅硬、無定形鏈狀和網狀結構的矽酸聚合物顆粒，分子式為SiO₂.nH₂O，為一種親水性的極性吸附劑。它是用硫酸處理矽酸鈉的水溶液，生成凝膠，並將其水洗除去硫酸鈉後經乾燥，便得到玻璃狀的矽膠，它主要用於乾燥、氣體混合物及石油組分的分離等。工業上用的矽膠分成粗孔和細孔兩種。粗孔矽膠在相對濕度飽和的條件下，吸附量可達吸附劑重量的80%以上，而在低濕度條件下，吸附量大大低於細孔矽膠。

氧化鋁

活性氧化鋁是由鋁的水合物加熱脫水製成，它的性質取決於最初氫氧化物的結構狀態，一般都不是純粹的Al₂O₃，而是部分水合無定形的多孔結構物質，其中不僅有無定形的凝膠，還有氫氧化物的晶體。由於它的毛細孔通道表面具有較高的活性，故又稱活性氧化鋁。它對水有較強的親和力，是一種對微量水深度乾燥用的吸附劑。在一定操作條件下，它的乾燥深度可達露點-70℃以下。

活性炭

是將木炭、果殼、煤等含碳原料經炭化、活化後製成的。

活化方法可分為兩大類，即藥劑活化法和氣體活化法。藥劑活化法就是在原料里加入氯化鋅、硫化鉀等化學藥品，在非活性氣氛中加熱進行炭化和活化。氣體活化法是把活性炭原料在非活性氣氛中加熱，通常在700℃以下除去揮發組分以後，通入水蒸氣、二氧化碳、煙道氣、空氣等，並在700~1200℃溫度範圍內進行反應使其活化。

活性炭特性：

①活性炭的比表面積和孔隙結構

活性炭具有巨大的比表面積和豐富的孔隙結構。比表面積可達500～1700㎡/g，其中小孔容積一般為0.15～0.9ml/g，表面積占比表面積的95%以上，過渡孔容積一般為0.02～0.1ml/g，表面積占比表面積的5%左右，而大孔容積一般為0.2～0.5ml/g，表面積很小，只有0.5～2㎡/g。

②活性炭的表面化學性質

由於活性炭表面有—OH基等，所以具有一些極性。

活性炭作用：

空氣淨化；污水處理場排氣吸附；飲料水處理；電廠水預處理；廢水回收前處理；生物法污水處理；有毒廢水處理；石化無鹼脫硫醇；溶劑回收；化工催化劑載體；濾毒罐；黃金提取；化工品儲存排氣淨化；製糖、酒類、味素醫藥、食品精製、脫色；乙烯脫鹽水填料；汽車尾氣淨化；PTA氧化裝置淨化氣體。

沸石分子篩

又稱合成沸石或分子篩，其化學組成通式為：

[M2（Ⅰ）M（Ⅱ）]O.Al₂O₃.nSiO₂. mH₂O

式中M2（Ⅰ）和M（Ⅱ）分別為為一價和二價金屬離子，多半是鈉和鈣，n稱為沸石的矽鋁比，矽主要來自於矽酸鈉和矽膠，鋁則來自於鋁酸鈉和Al（HO）3等，它們與氫氧化鈉水溶液反應製得的膠體物，經乾燥後便成沸石，一般n=2~10，m=0~9。

沸石的特點是具有分子篩的作用，它有均勻的孔徑，如3A0、4A0、5A0、10A0細孔。有4A0孔徑的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三個碳以上的正烷烴。它已廣泛用於氣體吸附分離、氣體和液體乾燥以及正異烷烴的分離。

碳分子篩

實際上也是一種活性炭，它與一般的碳質吸附劑不同之處，在於其微孔孔徑均勻地分布在一狹窄的範圍內，微孔孔徑大小與被分離的氣體分子直徑相當，微孔的比表面積一般占碳分子篩所有表面積的90%以上。碳分子篩的孔結構主要分布形式為：大孔直徑與碳粒的外表面相通，過渡孔從大孔分支出來，微孔又從過渡孔分支出來。在分離過程中，大孔主要起運輸通道作用，微孔則起分子篩的作用。

以煤為原料製取碳分子篩的方法有碳化法、氣體活化法、碳沉積法和浸漬法。其中炭化法最為簡單，但要製取高質量的碳分子篩必須綜合使用這幾種方法。

碳分子篩在空氣分離製取氮氣領域已獲得了成功，在其它氣體分離方面也有廣闊的前景。

聚丙烯醯胺

1）用於污泥脫水根據污泥性質可選用本產品的相應型號，可有效在污泥進入壓濾之前進行污泥脫水，脫水時，產生絮團大，不粘濾布，壓濾時不散，流泥餅較厚，脫水效率高，泥餅含水率在80%以下。

2）用於生活污水和有機廢水的處理，本產品在配性或鹼性介質中均呈現陽電性，這樣對污水中懸浮顆粒帶陰電荷的污水進行絮凝沉澱，澄清很有效。如生產糧食酒精廢水，造紙廢水，城市污水處理廠的廢水，啤酒廢水，味素廠廢水，製糖廢水，有機含量高 廢水、飼料廢水，紡織印染廢水等，用陽離子聚丙烯醯胺要比用陰離子、非離子聚丙烯醯胺或無機鹽類效果要高數倍或數十倍，因為這類廢水普遍帶陰電荷。

3）用於以江河水作水源的自來水的處理絮凝劑，用量少，效果好，成本低，特別是和無機絮凝劑複合使用效果更好，它將成為治長江、黃河及其它流域的自來水廠的高效絮凝劑。

4）造紙用增強劑及其它助劑。提高填料、顏料等存留率、紙張的強度。

5）用於油田經學助劑，如粘土防膨劑，油田酸化用稠化劑。

6）用於紡織上漿劑、漿液性能穩定、落漿少、織物斷頭率低、布面光潔。

物理性質

吸附劑的良好吸附性能是由於它具有密集的細孔構造。與吸附劑細孔有關的物理性能有：

a.孔容（VP）：吸附劑中微孔的容積稱為孔容，通常以單位重量吸附劑中吸附劑微孔的容積來表示（cm³/g).孔容是吸附劑的有效體積，它是用飽和吸附量推算出來的值，也就是吸附劑能容納吸附質的體積，所以孔容以大為好。吸附劑的孔體積（Vk）不一定等於孔容（VP），吸附劑中的微孔才有吸附作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的體積，一般要比VP大。

b.比表面積：即單位重量吸附劑所具有的表面積，常用單位是m²/g。吸附劑表面積每克有數百至千餘平方米。吸附劑的表面積主要是微孔孔壁的表面，吸附劑外表面是很小的。

c.孔徑與孔徑分布：在吸附劑內，孔的形狀極不規則，孔隙大小也各不相同。直徑在數埃（A0）至數十埃的孔稱為細孔，直徑在數百埃以上的孔稱為粗孔。細孔愈多，則孔容愈大，比表面也大，有利於吸附質的吸附。粗孔的作用是提供吸附質分子進入吸附劑的通路。粗孔和細孔的關係就象大街和小巷一樣，外來分子通過粗孔才能迅速到達吸附劑的深處。所以粗孔也應占有適當的比例。活性炭和矽膠之類的吸附劑中粗孔和細孔是在製造過程中形成的。沸石分子篩在合成時形成直徑為數微米的晶體，其中只有均勻的細孔，成型時才形成晶體與晶體之間的粗孔。

孔徑分布是表示孔徑大小與之對應的孔體積的關係。由此來表征吸附劑的孔特性。

d.表觀重度（dl）：又稱視重度。

吸附劑顆粒的體積（Vl）由兩部分組成：固體骨架的體積（Vg）和孔體積（Vk），即：

Vl= Vg+ Vk

表觀重度就是吸附顆粒的本身重量（D）與其所占有的體積（Vl）之比。

吸附劑的孔體積（Vk）不一定等於孔容（VP），吸附劑中的微孔才有作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的體積，一般要比VP大。

e.真實重度（dg）：又稱真重度或吸附劑固體的重度，即吸附劑顆粒的重量（D）與固體骨架的體積Vg之比。

假設吸附顆粒重量以一克為基準，根據表觀重度和真實重度的定義則：

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

於是吸附劑的孔體積為：

Vk=l/dl – l/dg

f.堆積重度（db）：又稱填充重度，即單位體積內所填充的吸附劑重量。此體積中還包括有吸附顆粒之間的空隙，堆積重度是計算吸附床容積的重要參數。

以上的重度單位常用g/cm³、kg/l、kg/m³表示。

g.孔隙率（εk）：即吸附顆粒內的孔體積與顆粒體積之比。

εk=Vk/（Vg+Vk）=（dg-dl）/ dg=1-dl/dg

h.空隙率（ε）：即吸附顆粒之間的空隙與整個吸附劑堆積體積之比。

ε=（Vb-Vl）/Vb=（dl-db）/dl=1-db/dl

衡量指標

衡量吸附劑的主要指標有：對不同氣體雜質的吸附容量、磨耗率、松裝堆積密度、比表面積、抗壓碎強度等。用於濾除毒氣，精鍊石油和植物油，防止病毒和黴菌，回收天然氣中的汽油以及食糖和其他帶色物質脫色等。

作用原理

1）絮凝作用原理：PAM用於絮凝時，與被絮凝物種類表面性質，特別是動電位，粘度、濁度及懸浮液的PH值有關，顆粒表面的動電位，是顆粒阻聚的原因加入表面電荷相反的PAM，能使動電位降低而凝聚。

2）吸附架橋：PAM分子鏈固定在不同的顆粒表面上，各顆粒之間形成聚合物的橋，使顆粒形成聚集體而沉降。

3）表面吸附：PAM分子上的極性基團顆粒的各種吸附。

4）增強作用：PAM分子鏈與分散相通過種種機械、物理、化學等作用，將分散相牽連在一起形成網狀。

新型材料

新型材料NSUL-1

本產品具有比表面積大、吸附力強、耐磨強度高、使用安全、簡便經濟、過濾速度快等特性，是各種含油污水處理的理想材料。

【產品性能及特點】

⑴產品性能表

型號	NUSL-1
形態	顆粒狀
外觀	深褐色
粒度（cm)	≤1
密度（g/cm)	0.28～0.30
400℃燒失率（%)	70～80
含水量（%）	≤10

⑵產品特點

1）除油效率高，吸附速率快；

2）對各種含油污水具有很強的適應性，耐衝擊負荷能力強；

3）工藝簡單，處理裝置安裝維護簡便，材料更換簡單易行；

4）與常規破乳氣浮相比，無二次污染，投資和運行成本低；

5）吸附飽和後，材料後處理簡便易行，可作為助燃劑或燃料使用。

【適用範圍】

該產品可廣泛套用於石油工業的採油、煉油、貯油運輸產生的污水，另外油輪壓艙水、洗艙水、機械工業的冷潤滑液、軋鋼水，電鍍污水及糧油加工、皮革、造紙、紡織、食品加工等多行業污水均可套用。產品同時也可套用於膜法、樹脂預處理除油、油田回注水除油和高溫凝結水除油。

【工藝流程】

根據污水中含油量的高低採用多個吸附柱串聯處理污水，在出水處監測油含量，若出水水質不達標則進入循環系統繼續處理直至達標為止。產品使用工藝流程圖如下圖所示：若含油污水中COD、乳化物含量較高，在進入反應器前先進入COD去除裝置和乳化物及溶解性物質去除裝置等進行預處理。

新型材料NSUL-2

該產品以植物為主要成分，通過一系列先進的工藝精製而成。該品能吸附多種重金屬、適應濃度範圍廣泛。廣泛適用於廢水中Cr6+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Pb2+、Cd2+等重金屬離子的去除，對重金屬吸附容量大。同時，該系列產品對油也有很好的去除效果，吸附飽和後的材料易於燃燒，可採用熱處理使其減容，並回收重金屬，不會造成二次污染。

【產品性能及特點】

⑴產品性能表

型號	NUSL-2
形狀	顆粒狀
顏色	深褐色
粒度（cm)	≤1
堆密度（g/cm2）	0.98～1.02
400℃燒失率（%)	61.0～65.0
含水量（%）	13.4～15.0

⑵產品特點

1）吸附重金屬離子能力強；

2）投資運行成本低；

3）與常規的化學沉澱法和吸附法相比，無二次污染產生；

4）吸附飽和後的材料易於燃燒且可回收重金屬。

【適用範圍】

適用於處理各種含重金屬廢水，如採礦、冶煉、電鍍、電解、醫藥、油漆、合金、紡織、印染、農藥、造紙、菸草、陶瓷與無機顏料製造等行業。

【工藝流程】

採用多個“易更換抽屜式反應器”串聯處理污水，在出水處監測，若出水不達標進入循環系統繼續處理直至達標。若污水中含有有機污染物，進入反應器前可加入COD去除裝置作為預處理。產品使用工藝流程圖如下圖所示：處理效果】

項目	Cr6+(mg/L)	Cu2+(mg/L)	Ni2+(mg/L)	Zn2+(mg/L)	Pb2+(mg/L)	Cd2+(mg/L)
進水	20～120	20～80	20～100	50～90	20～100	20～80
出水	≤0.2	≤0.5	≤0.5	≤2.0	≤0.5	≤0.1

註：對於進水濃度超過上述範圍的污水，可採取多級串聯的方式進行處理。

新一代再生水處理材料UERW-1

在再生水處理研究領域，目前採用較多的工藝方法是“老三段”法，即二級出水經混凝沉澱+砂濾+消毒；近年來也出現了“生物+臭氧”工藝，但是這些工藝方法均存在工藝流程長、占地面積大、設備投資大、成本較高、產生生物或化學污泥量大、氮磷和有害病菌無法同步去除的問題，難以廣泛套用。本產品以天然礦物為基體，經過一系列改性工藝製備而成，它具有同步去除氮磷、有機物和抗菌能力，且易於再生，城市污水廠二級出水經該產品“一步法”處理後出水即達到再生水水質指標。

【產品性能及特點】

⑴產品性能表

型號	UERW-1
形狀	顆粒狀
顏色	肉紅色
密度	1.9g/cm3
含水量（%）	<0.5

⑵產品特點

1）同步去除二級出水中磷酸鹽、氨氮和硝態氮以及有害病菌；

2）運行成本低，是“老三段”處理方法成本的1/2左右；

3）工藝簡單，占地面積小，無化學和生物污泥產生；

4）產品易於再生，可重複利用。

【適用範圍】

適用於處理城市污水廠二級出水作為再生水，如景觀水、土地回灌、道路沖洗水；也可用於生活小區中水回用處理、工業污水的三級處理以及氮、磷超標水的處理。

【主要污染物處理效果】

項目	COD(mg/L)	TP(mg/L)	TN(mg/L)	NH3-N(mg/L)	N-NO3-(mg/L)	大腸菌群（個/L)
進水	60	1.5	20	8	10	104
出水	≤15	≤0.2	≤1.5	≤1.0	≤0.5	≤3

註：上述效果為城市污水廠二級出水處理後主要水質指標

吸附劑再生

當吸附進行一定時間後吸附劑的表面就會被吸附物所覆蓋，使吸附能力急劇下降，此時就需將被吸附物脫附，使吸附劑得到再生。通常工業上採用的再生方法有下列幾種：

(1) 降低壓力。吸附過程與氣相的壓力有關。壓力高，吸附進行得快脫附進行得慢。當壓力降低時，脫附現象開始顯著。所以操作壓力降低後，被吸附的物質就會脫離吸附劑表面返回氣相。有時為了脫附徹底，甚至採用抽真空的辦法。這種改變壓力的再生操作，在變壓吸附中廣為套用。如吸附分離高純度氫，先是在 1.37～4.12 MPa壓力下吸附，然後在常壓下脫附，從而可得到高純度氫，吸附劑也得到再生。

(2) 升高溫度。吸附為放熱過程。從熱力學觀點可知，溫度降低有利於吸附，溫度升高有利於脫附。這是因為分子的動能隨溫度的升高而增加，使吸附在固體表面上的分子不穩定，不易被吸附劑表面的分子吸引力所控制，也就越容易逸入氣相中去。工業上利用這一原理，提高吸附劑的溫度，使被吸附物脫附。加熱的方法有：一是用內盤管間接加熱；一是用吸附質的熱 蒸氣返 回床層直接加熱。兩種方法也可聯合使用。顯然，吸附床層的傳熱速率也就決定了脫附速率。
(3) 通氣吹掃。將吸附劑所不吸附或基本不吸附的氣體通入吸附劑床層，進行吹掃，以降低吸附劑上的吸附質分壓，從而達到脫附。當吹掃氣的量一定時，脫附物質的量取決於該操作溫度和總壓下的平衡關係。
(4) 置換脫附。向床層中通入另一種流體，當該流體被吸附 劑吸附的程度較吸附質弱時，通入的流體就將吸附質置換與吹掃出來，這種流體稱為脫附劑 。 脫附劑與吸附質的被吸附性能越接近，則脫附劑用量越省。如果通入的脫附劑，其被吸附程度比吸附質強時，則純屬置換脫附，否則就兼有吹掃作用。脫附劑被吸附的能力越強，則吸附質脫附就越徹底。這種脫附劑置換脫附的方法特別適用於熱敏性物質。當然，採用置換脫 附時，還需將脫附劑進行脫附。