吸附分离是常用的分离纯化手段, 利用吸附剂对气体或液体混合物中不同组分的吸附作用不同, 某些组分因先得到吸附而被浓缩, 实现混合组分的分离纯化。近年来吸附分离技术领域取得了进一步突破, 本文针对近年来吸附分离技术在各领域的主要应用及其新进展进行了如下综述。
吸附分离过程即固体或液体表面吸引周围其他物质的分子、原子或离子富集在其表面上从而达到分离。有物理吸附、化学吸附、交换吸附等, 而各吸附类型并不是孤立的, 经常相伴发生, 往往是几种吸附综合作用的结果, 而某种吸附在其中起主导作用[1]。
随着吸附剂的迅猛发展, 品种增多, 且其配套技术装备也相应发展趋于完善, 使得吸附分离技术的应用越来越广, 现已广泛应用于石油化工、医药、食品、环保和冶金等各大领域。
近年来, 环境保护方面大量采用了吸附分离技术, 主要环境任务有全球变暖控制、干燥剂除湿技术、固体垃圾焚烧、废水处理、自然水体的保护等, 吸附分离对污染防治有着重要意义。
(1) 大气污染的治理 (1) 脱出无机污染物。在工业生产、垃圾处理中会产生大量SO2和NOx等酸性有害气体, 造成大气污染, 引发温室效应、酸雨等现象, 对我们的生活环境产生很大危害。随着工业化迅速发展, 这些无机污染物的危害程度也越来越大, 因此人们致力于研制各种方法治理它们。吸附分离便是有效的治理方法之一。
氨基改性吸附剂是捕获烟道气中CO2的重要吸附材料, 刘之琳等[2]建立了描述氨基改性MCM-41吸附剂在低CO2压力下吸附等温线的平衡模型, 得出氨基改性MCM-41-TEPA饱和吸附容量可达7.79mmol/g。
(2) 挥发性有机物 (VOCs) 的去除。VOCs是一种新型大气污染, 是由汽车尾气和其它工业生产排放出来的大量碳氢化合物和氮氧化物, 在阳光下经由紫外线照射, 最终变成了让人致病或致命的毒气。主要来自燃料燃烧和交通运输产生的工业废气、光化学污染、吸烟、建筑和装饰材料、家用电器和人体本身的排放等[3]。
范建伟等[4]采用共组装方法合成一种含铬有序介孔硅材料作为新型吸附剂, 硅铬比为30, 合成的Cr SBA-15 (30) 具有最大的微孔孔容, 且对目标污染物的吸附性能都较好, 再生也较活性炭更为节能简便, Cr SBA-15 (30) 在吸附去除VOCs领域应用前景极为广阔。
(2) 水处理
(1) 废水处理。吸附在废水处理方面主要应用于去除其中的微量污染物, 使其达到深度净化, 或从高浓度废水中吸附某些物质以进行资源回收利用。万正芬[5]从常用湿地基质中筛选出性能良好的填料, 依据其特性进行改性, 强化湿地填料对磷和氨氮的吸附容量与稳定性, 将填料两两组合, 得到了净化效果较好的组合形式。
(2) 饮用水生产。饮用水直接作用于人体, 其水质状况直接影响人类身体健康。许多地方饮用水都有一定程度污染, 特别是矿区饮用水重金属污染尤为严重。但饮用水处理技术大都成本较高, 发展价格低廉的水处理技术迫在眉睫。陈亚平[6]利用电吸附的方法, 将片层结构的Mn O2负载在多孔的活性炭纤维上, 制成MO/ACF电极, 用直流稳压电源在电极上施加电压, 在电压驱动下, 处理含200ppb的镉饮用水, 获得了优秀的去除效果。
在食品工业中, 保证食品质量和减缓其变质速度是关键。各种气体均与食品保鲜有关, 故对气体吸附分离技术及吸附剂的高效性也有了更高的要求。
(1) 吸附回收、精制CO2 CO2在我国食品工业中主要应用于气调保鲜、饮料工业、食品冷藏和冷冻、超临界CO2萃取技术[7], 此外高密度二氧化碳 (DPCP) 技术还应用于食品杀菌、钝酶和改善食品品质等[8]。所以, 对CO2回收及净化和再利用技术的开发具有重要意义, 必须开发高效的CO2分离技术。此外分离技术的可行性很大程度也取决于吸附剂, 故新型选择性吸附剂在CO2分离中也起到重要作用。
李旭等[9]利用PSA, 运用自制改性吸附剂TK-103分离N2O和CO2, 该方法CO2脱除精度高、N2O回收率高且能耗低, 尤其适用于从己二酸尾气中回收提纯N2O。
(2) 吸附分离N2氮气是理想的惰性气体, 在食品包装中有着巨大功效:不与食品产生化学反应、减少含氧量、抑制微生物生长及减缓食品变质等, 从而使其新鲜状态更持久。因其应用于食品工业, 故纯度与质量要求高, 食品中使用的氮气纯度要达到纯氮级。根据变压吸附原理, 利用碳分子筛的独特性能, 可从空气中分离出廉价氮气。食品行业设有高精度除粉尘过滤器、除菌过滤器, 从而保证制得氮气无菌、无味, 可供食品行业利用。其操作简便、成本低、耗电少、氮气纯度可调, 是一种理想的以空气为原料制取氮气的设备[10]。
(3) 吸附分离O2
氧气会抑制厌氧微生物的增长, 维持水果蔬菜的呼吸作用, 从而保持其原有营养成分, 接近采摘时的新鲜状态。因此, 在包装中, 加入一定量的氧, 有利于食品保鲜。
陈勇[11]采用两相流变压吸附模型, 对颗粒直径和反吹率对变压吸附制氧产品氧气的浓度和回收率值的影响进行分析。
(4) 吸附制氢。氢气除广泛应用于混合气体的保鲜外, 还可用于食品添加剂的生产中。
姜涛等[12]运用乙烯装置, 成功分离出高纯度氢气产品。甲醇裂解-变压吸附联合制氢是先进制氢技术, 生产成本低, 反应条件温和, 运输储存方便, 污染小。甲醇裂解-变压吸附联合制氢法可能成为制氢工艺中的新出路[13]。
吸附分离技术在医药工业中主要用于药物成分提取纯化、制备医疗用氧、解毒等, 随着医药工业发展的需求, 吸附分离技术将更广泛的应用于其中。
(1) 天然药物中成分的提取。自然资源中的天然药物成分往往与大量化合物共存且含量极低, 因此从中分离纯化有效成分是研究开发领域的重要课题。
毛艳丽等[14]制备的磁性高岭土表面印迹聚合物 (MMIPs) 对环丙沙星 (CIP) 有较好的选择识别性, 已成功应用于鲜鱼样品中痕量CIP的分离和回收, 回收率可达92.15%。
(2) 药物解毒与分析。吸附分离技术也可药物解毒与分析, 运用特定的吸附剂可将它们吸附去除。
硝基咪唑类药物广泛应用于治疗人与动物的厌氧菌感染和防止各种原虫病, 但其具有细胞诱变、动物致癌等潜在的严重危害性, 且难以被生物降解。任晓东等[15]制备了磁性多壁碳纳米管 (MWCNTs) , 将水中硝基咪唑类药物进行去除, 吸附率达90%以上。
(3) 血液净化。某些特定吸附剂可用于去除血液中的毒素, 吸附分离技术在血液净化方面有巨大潜能和重要意义。
鱼强等[16]在常规药物治疗基础上, 对照组用DNA免疫吸附治疗, 发现血液净化联合DNA免疫吸附配合泼尼松片、环磷酰胺治疗重症系统性红斑狼疮的效果显著, 改善患者肾功能, 且安全可靠。
吸附分离技术在冶金工业常应用于钢铁工业节能生产、有色金属冶炼、保护气制备等, 常用技术有变压吸附分离技术、电吸附法及生物吸附技术等。变压吸附分离常用于制造氧气、二氧化碳、氮气等, 氧气可用于炼钢电炉中溶解铁和脱碳精炼, 成本较低;氮气、二氧化碳均可用作保护气, 防治钢铁被氧化。电吸附、大孔吸附树脂吸附可用于污水除盐。
孙西宁[17]选用抗生素药厂废弃物菌渣为原料, 对其进行改性处理, 发现改性后菌渣出现吸附能力, 改性方式不同吸附能力也不同。对改性菌渣进行再生处理, 其解吸率可达90%以上, 且吸附容量无明显变化, 可循环利用。
随着研究的不断深入, 吸附分离技术必定将在今后的发展中得到越来越多的应用, 传统产业的技术改造和新兴产业的形成是推动其发展的主要动力, 新型技术的产生于解决问题的过程中, 吸附分离技术的研究应与各类产业相结合, 与人类健康和环境质量的提高相结合, 未来将在各领域产生巨大的经济效益。
摘要：吸附分离是一门古老的技术, 两千多年前我国劳动人民就已采用木炭吸湿和除臭。早期吸附分离技术主要用于吸附净化方面, 如吸湿干燥、脱色、除臭、饮用水净化等, 随着20世纪50年代合成沸石分子筛的出现, 吸附作为分离手段得到快速发展, 日益受到重视, 已应用到人类活动的许多领域, 从轻工业到制药工业, 从食品工业到电子工业, 无一不展现出其重要性与广泛性。但吸附分离技术还值得进一步的探索, 近年来发展了若干改进的新工艺。本文重点讨论了吸附分离技术在各领域的应用现状及其最新进展, 并对吸附分离技术的发展进行了展望。
关键词：吸附分离,技术,应用,进展
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