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吸附剂的种类及其比表面积孔径测试研究

上一篇 / 下一篇  2010-08-18 20:12:34 / 个人分类:BET比表面积测试

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                                                                  吸 附 剂

一、概述
  能有效地从气体或液体中吸附其中某些成分的固体物质。
  吸附剂一般有以下特点:大的比表面、适宜的孔结构及表面结构;对吸附质有强烈的吸附能力;一般不与吸附质和介质发生化学反应;制造方便,容易再生;有良好的机械强度等。
  吸附剂可按孔径大小、颗粒形状、化学成分、表面极性等分类,如粗孔和细孔吸附剂,粉状、粒状、条状吸附剂,碳质和氧化物吸附剂,极性和非极性吸附剂等。
  常用的吸附剂有以碳质为原料的各种活性炭吸附剂和金属、非金属氧化物类吸附剂(如硅胶、氧化铝、分子筛、天然黏土等)。
  衡量吸附剂的主要指标有:对不同气体杂质的吸附容量、磨耗率、松装堆积密度、比表面积、抗压碎强度等。用于滤除毒气,精炼石油和植物油,防止病毒和霉菌,回收天然气中的汽油以及食糖和其他带色物质脱色等。
二、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。
1.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。
2.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。
3.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。
4.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。
三、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
四、其他
  吸附剂也称吸收剂.这种物质可使活性成分附着在其颗粒表面,使液态微量化合物添加剂变为固态化合物,有利于实施均匀混合.其特性是吸附性强,化学性质稳定.
  吸附剂一般也分为有机物和无机物两类,有机物类如小麦胚粉,脱脂的玉米胚粉,玉米芯碎片,粗麸皮,大豆细粉以及吸水性强的谷物类等.无机物类则包括二氧化硅,蛭石,硅酸钙等.
  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,曾应用在松花江事件中用来吸附水体中的甲苯。其次还有分子筛、硅胶、活性铝、聚合物吸附剂和生物吸附剂等等
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