吸附分離技術(shù)的應(yīng)用及其最新進(jìn)展

要慧子(山西醫(yī)科大學(xué)， 山西 晉中 030619)

吸附分離技術(shù)的應(yīng)用及其最新進(jìn)展

要慧子(山西醫(yī)科大學(xué)， 山西 晉中 030619)

吸附分離是一門古老的技術(shù)，兩千多年前我國勞動(dòng)人民就已采用木炭吸濕和除臭。早期吸附分離技術(shù)主要用于吸附凈化方面，如吸濕干燥、脫色、除臭、飲用水凈化等，隨著20世紀(jì)50年代合成沸石分子篩的出現(xiàn)，吸附作為分離手段得到快速發(fā)展，日益受到重視，已應(yīng)用到人類活動(dòng)的許多領(lǐng)域，從輕工業(yè)到制藥工業(yè)，從食品工業(yè)到電子工業(yè)，無一不展現(xiàn)出其重要性與廣泛性。但吸附分離技術(shù)還值得進(jìn)一步的探索，近年來發(fā)展了若干改進(jìn)的新工藝。本文重點(diǎn)討論了吸附分離技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及其最新進(jìn)展，并對(duì)吸附分離技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

吸附分離；技術(shù)；應(yīng)用；進(jìn)展

吸附分離是常用的分離純化手段，利用吸附劑對(duì)氣體或液體混合物中不同組分的吸附作用不同，某些組分因先得到吸附而被濃縮，實(shí)現(xiàn)混合組分的分離純化。近年來吸附分離技術(shù)領(lǐng)域取得了進(jìn)一步突破，本文針對(duì)近年來吸附分離技術(shù)在各領(lǐng)域的主要應(yīng)用及其新進(jìn)展進(jìn)行了如下綜述。

1 吸附分離基本原理

吸附分離過程即固體或液體表面吸引周圍其他物質(zhì)的分子、原子或離子富集在其表面上從而達(dá)到分離。有物理吸附、化學(xué)吸附、交換吸附等，而各吸附類型并不是孤立的，經(jīng)常相伴發(fā)生，往往是幾種吸附綜合作用的結(jié)果，而某種吸附在其中起主導(dǎo)作用[1]。

2 吸附分離技術(shù)的主要應(yīng)用

隨著吸附劑的迅猛發(fā)展，品種增多，且其配套技術(shù)裝備也相應(yīng)發(fā)展趨于完善，使得吸附分離技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油化工、醫(yī)藥、食品、環(huán)保和冶金等各大領(lǐng)域。

2.1 在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

近年來，環(huán)境保護(hù)方面大量采用了吸附分離技術(shù)，主要環(huán)境任務(wù)有全球變暖控制、干燥劑除濕技術(shù)、固體垃圾焚燒、廢水處理、自然水體的保護(hù)等，吸附分離對(duì)污染防治有著重要意義。

(1)大氣污染的治理 ①脫出無機(jī)污染物。在工業(yè)生產(chǎn)、垃圾處理中會(huì)產(chǎn)生大量SO2和NOx等酸性有害氣體，造成大氣污染，引發(fā)溫室效應(yīng)、酸雨等現(xiàn)象，對(duì)我們的生活環(huán)境產(chǎn)生很大危害。隨著工業(yè)化迅速發(fā)展，這些無機(jī)污染物的危害程度也越來越大，因此人們致力于研制各種方法治理它們。吸附分離便是有效的治理方法之一。

氨基改性吸附劑是捕獲煙道氣中CO2的重要吸附材料，劉之琳等[2]建立了描述氨基改性MCM-41吸附劑在低CO2壓力下吸附等溫線的平衡模型，得出氨基改性MCM-41-TEPA飽和吸附容量可達(dá)7．79mmol/g。

②揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的去除。VOCs是一種新型大氣污染，是由汽車尾氣和其它工業(yè)生產(chǎn)排放出來的大量碳?xì)浠衔锖偷趸?，在陽光下?jīng)由紫外線照射，最終變成了讓人致病或致命的毒氣。主要來自燃料燃燒和交通運(yùn)輸產(chǎn)生的工業(yè)廢氣、光化學(xué)污染、吸煙、建筑和裝飾材料、家用電器和人體本身的排放等[3]。

范建偉等[4]采用共組裝方法合成一種含鉻有序介孔硅材料作為新型吸附劑，硅鉻比為30，合成的Cr SBA-15(30)具有最大的微孔孔容，且對(duì)目標(biāo)污染物的吸附性能都較好，再生也較活性炭更為節(jié)能簡便，Cr SBA-15(30)在吸附去除VOCs領(lǐng)域應(yīng)用前景極為廣闊。

(2)水處理

①廢水處理。吸附在廢水處理方面主要應(yīng)用于去除其中的微量污染物，使其達(dá)到深度凈化，或從高濃度廢水中吸附某些物質(zhì)以進(jìn)行資源回收利用。萬正芬[5]從常用濕地基質(zhì)中篩選出性能良好的填料，依據(jù)其特性進(jìn)行改性，強(qiáng)化濕地填料對(duì)磷和氨氮的吸附容量與穩(wěn)定性，將填料兩兩組合，得到了凈化效果較好的組合形式。

②飲用水生產(chǎn)。飲用水直接作用于人體，其水質(zhì)狀況直接影響人類身體健康。許多地方飲用水都有一定程度污染，特別是礦區(qū)飲用水重金屬污染尤為嚴(yán)重。但飲用水處理技術(shù)大都成本較高，發(fā)展價(jià)格低廉的水處理技術(shù)迫在眉睫。陳亞平[6]利用電吸附的方法，將片層結(jié)構(gòu)的MnO2負(fù)載在多孔的活性炭纖維上，制成MO/ACF電極，用直流穩(wěn)壓電源在電極上施加電壓，在電壓驅(qū)動(dòng)下，處理含200ppb的鎘飲用水，獲得了優(yōu)秀的去除效果。

2.2 在食品工業(yè)中的應(yīng)用

在食品工業(yè)中，保證食品質(zhì)量和減緩其變質(zhì)速度是關(guān)鍵。各種氣體均與食品保鮮有關(guān)，故對(duì)氣體吸附分離技術(shù)及吸附劑的高效性也有了更高的要求。

(1)吸附回收、精制CO2CO2在我國食品工業(yè)中主要應(yīng)用于氣調(diào)保鮮、飲料工業(yè)、食品冷藏和冷凍、超臨界CO2萃取技術(shù)[7]，此外高密度二氧化碳(DPCP)技術(shù)還應(yīng)用于食品殺菌、鈍酶和改善食品品質(zhì)等[8]。所以，對(duì)CO2回收及凈化和再利用技術(shù)的開發(fā)具有重要意義，必須開發(fā)高效的CO2分離技術(shù)。此外分離技術(shù)的可行性很大程度也取決于吸附劑，故新型選擇性吸附劑在CO2分離中也起到重要作用。

李旭等[9]利用PSA，運(yùn)用自制改性吸附劑TK-103分離N2O和CO2，該方法CO2脫除精度高、N2O回收率高且能耗低，尤其適用于從己二酸尾氣中回收提純N2O。

(2)吸附分離N2氮?dú)馐抢硐氲亩栊詺怏w，在食品包裝中有著巨大功效：不與食品產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、減少含氧量、抑制微生物生長及減緩食品變質(zhì)等，從而使其新鮮狀態(tài)更持久。因其應(yīng)用于食品工業(yè)，故純度與質(zhì)量要求高，食品中使用的氮?dú)饧兌纫_(dá)到純氮級(jí)。根據(jù)變壓吸附原理，利用碳分子篩的獨(dú)特性能，可從空氣中分離出廉價(jià)氮?dú)?。食品行業(yè)設(shè)有高精度除粉塵過濾器、除菌過濾器，從而保證制得氮?dú)鉄o菌、無味，可供食品行業(yè)利用。其操作簡便、成本低、耗電少、氮?dú)饧兌瓤烧{(diào)，是一種理想的以空氣為原料制取氮?dú)獾脑O(shè)備[10]。

(3)吸附分離O2

氧氣會(huì)抑制厭氧微生物的增長，維持水果蔬菜的呼吸作用，從而保持其原有營養(yǎng)成分，接近采摘時(shí)的新鮮狀態(tài)。因此，在包裝中，加入一定量的氧，有利于食品保鮮。

陳勇[11]采用兩相流變壓吸附模型，對(duì)顆粒直徑和反吹率對(duì)變壓吸附制氧產(chǎn)品氧氣的濃度和回收率值的影響進(jìn)行分析。

(4)吸附制氫 。氫氣除廣泛應(yīng)用于混合氣體的保鮮外，還可用于食品添加劑的生產(chǎn)中。

姜濤等[12]運(yùn)用乙烯裝置，成功分離出高純度氫氣產(chǎn)品。甲醇裂解-變壓吸附聯(lián)合制氫是先進(jìn)制氫技術(shù)，生產(chǎn)成本低，反應(yīng)條件溫和，運(yùn)輸儲(chǔ)存方便，污染小。甲醇裂解-變壓吸附聯(lián)合制氫法可能成為制氫工藝中的新出路[13]。

2.3 在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用

吸附分離技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中主要用于藥物成分提取純化、制備醫(yī)療用氧、解毒等，隨著醫(yī)藥工業(yè)發(fā)展的需求，吸附分離技術(shù)將更廣泛的應(yīng)用于其中。

(1)天然藥物中成分的提取。自然資源中的天然藥物成分往往與大量化合物共存且含量極低，因此從中分離純化有效成分是研究開發(fā)領(lǐng)域的重要課題。

毛艷麗等[14]制備的磁性高嶺土表面印跡聚合物(MMIPs)對(duì)環(huán)丙沙星(CIP)有較好的選擇識(shí)別性，已成功應(yīng)用于鮮魚樣品中痕量CIP的分離和回收，回收率可達(dá)92．15%。

(2)藥物解毒與分析。吸附分離技術(shù)也可藥物解毒與分析，運(yùn)用特定的吸附劑可將它們吸附去除。

硝基咪唑類藥物廣泛應(yīng)用于治療人與動(dòng)物的厭氧菌感染和防止各種原蟲病，但其具有細(xì)胞誘變、動(dòng)物致癌等潛在的嚴(yán)重危害性，且難以被生物降解。任曉東等[15]制備了磁性多壁碳納米管(MWCNTs)，將水中硝基咪唑類藥物進(jìn)行去除，吸附率達(dá)90%以上。

(3)血液凈化。某些特定吸附劑可用于去除血液中的毒素，吸附分離技術(shù)在血液凈化方面有巨大潛能和重要意義。

魚強(qiáng)等[16]在常規(guī)藥物治療基礎(chǔ)上，對(duì)照組用DNA免疫吸附治療，發(fā)現(xiàn)血液凈化聯(lián)合DNA免疫吸附配合潑尼松片、環(huán)磷酰胺治療重癥系統(tǒng)性紅斑狼瘡的效果顯著，改善患者腎功能，且安全可靠。

2.4 在冶金工業(yè)中的應(yīng)用

吸附分離技術(shù)在冶金工業(yè)常應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)節(jié)能生產(chǎn)、有色金屬冶煉、保護(hù)氣制備等，常用技術(shù)有變壓吸附分離技術(shù)、電吸附法及生物吸附技術(shù)等。變壓吸附分離常用于制造氧氣、二氧化碳、氮?dú)獾?，氧氣可用于煉鋼電爐中溶解鐵和脫碳精煉，成本較低；氮?dú)?、二氧化碳均可用作保護(hù)氣，防治鋼鐵被氧化。電吸附、大孔吸附樹脂吸附可用于污水除鹽。

孫西寧[17]選用抗生素藥廠廢棄物菌渣為原料，對(duì)其進(jìn)行改性處理，發(fā)現(xiàn)改性后菌渣出現(xiàn)吸附能力，改性方式不同吸附能力也不同。對(duì)改性菌渣進(jìn)行再生處理，其解吸率可達(dá)90%以上，且吸附容量無明顯變化，可循環(huán)利用。

3 展望

隨著研究的不斷深入，吸附分離技術(shù)必定將在今后的發(fā)展中得到越來越多的應(yīng)用，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造和新興產(chǎn)業(yè)的形成是推動(dòng)其發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，新型技術(shù)的產(chǎn)生于解決問題的過程中，吸附分離技術(shù)的研究應(yīng)與各類產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，與人類健康和環(huán)境質(zhì)量的提高相結(jié)合，未來將在各領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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