吸附分離技術的應用及其最新進展

要慧子(山西醫科大學， 山西 晉中 030619)

吸附分離技術的應用及其最新進展

要慧子(山西醫科大學， 山西 晉中 030619)

吸附分離是一門古老的技術，兩千多年前我國勞動人民就已采用木炭吸濕和除臭。早期吸附分離技術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50年代合成沸石分子篩的出現，吸附作為分離手段得到快速發展，日益受到重視，已應用到人類活動的許多領域，從輕工業到制藥工業，從食品工業到電子工業，無一不展現出其重要性與廣泛性。但吸附分離技術還值得進一步的探索，近年來發展了若干改進的新工藝。本文重點討論了吸附分離技術在各領域的應用現狀及其最新進展，并對吸附分離技術的發展進行了展望。

吸附分離；技術；應用；進展

吸附分離是常用的分離純化手段，利用吸附劑對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，實現混合組分的分離純化。近年來吸附分離技術領域取得了進一步突破，本文針對近年來吸附分離技術在各領域的主要應用及其新進展進行了如下綜述。

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的分子、原子或離子富集在其表面上從而達到分離。有物理吸附、化學吸附、交換吸附等，而各吸附類型并不是孤立的，經常相伴發生，往往是幾種吸附綜合作用的結果，而某種吸附在其中起主導作用[1]。

2 吸附分離技術的主要應用

隨著吸附劑的迅猛發展，品種增多，且其配套技術裝備也相應發展趨于完善，使得吸附分離技術的應用越來越廣，現已廣泛應用于石油化工、醫藥、食品、環保和冶金等各大領域。

2.1 在環境保護中的應用

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

(1)大氣污染的治理 ①脫出無機污染物。在工業生產、垃圾處理中會產生大量SO2和NOx等酸性有害氣體，造成大氣污染，引發溫室效應、酸雨等現象，對我們的生活環境產生很大危害。隨著工業化迅速發展，這些無機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7．79mmol/g。

②揮發性有機物(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生產排放出來的大量碳氫化合物和氮氧化物，在陽光下經由紫外線照射，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輸產生的工業廢氣、光化學污染、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，且對目標污染物的吸附性能都較好，再生也較活性炭更為節能簡便，Cr SBA-15(30)在吸附去除VOCs領域應用前景極為廣闊。

(2)水處理

①廢水處理。吸附在廢水處理方面主要應用于去除其中的微量污染物，使其達到深度凈化，或從高濃度廢水中吸附某些物質以進行資源回收利用。萬正芬[5]從常用濕地基質中篩選出性能良好的填料，依據其特性進行改性，強化濕地填料對磷和氨氮的吸附容量與穩定性，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。飲用水直接作用于人體，其水質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，特別是礦區飲用水重金屬污染尤為嚴重。但飲用水處理技術大都成本較高，發展價格低廉的水處理技術迫在眉睫。陳亞平[6]利用電吸附的方法，將片層結構的MnO2負載在多孔的活性炭纖維上，制成MO/ACF電極，用直流穩壓電源在電極上施加電壓，在電壓驅動下，處理含200ppb的鎘飲用水，獲得了優秀的去除效果。

2.2 在食品工業中的應用

在食品工業中，保證食品質量和減緩其變質速度是關鍵。各種氣體均與食品保鮮有關，故對氣體吸附分離技術及吸附劑的高效性也有了更高的要求。

(1)吸附回收、精制CO2CO2在我國食品工業中主要應用于氣調保鮮、飲料工業、食品冷藏和冷凍、超臨界CO2萃取技術[7]，此外高密度二氧化碳(DPCP)技術還應用于食品殺菌、鈍酶和改善食品品質等[8]。所以，對CO2回收及凈化和再利用技術的開發具有重要意義，必須開發高效的CO2分離技術。此外分離技術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氮氣是理想的惰性氣體，在食品包裝中有著巨大功效：不與食品產生化學反應、減少含氧量、抑制微生物生長及減緩食品變質等，從而使其新鮮狀態更持久。因其應用于食品工業，故純度與質量要求高，食品中使用的氮氣純度要達到純氮級。根據變壓吸附原理，利用碳分子篩的獨特性能，可從空氣中分離出廉價氮氣。食品行業設有高精度除粉塵過濾器、除菌過濾器，從而保證制得氮氣無菌、無味，可供食品行業利用。其操作簡便、成本低、耗電少、氮氣純度可調，是一種理想的以空氣為原料制取氮氣的設備[10]。

(3)吸附分離O2

氧氣會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成分，接近采摘時的新鮮狀態。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，對顆粒直徑和反吹率對變壓吸附制氧產品氧氣的濃度和回收率值的影響進行分析。

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

姜濤等[12]運用乙烯裝置，成功分離出高純度氫氣產品。甲醇裂解-變壓吸附聯合制氫是先進制氫技術，生產成本低，反應條件溫和，運輸儲存方便，污染小。甲醇裂解-變壓吸附聯合制氫法可能成為制氫工藝中的新出路[13]。

2.3 在醫藥工業中的應用

吸附分離技術在醫藥工業中主要用于藥物成分提取純化、制備醫療用氧、解毒等，隨著醫藥工業發展的需求，吸附分離技術將更廣泛的應用于其中。

(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領域的重要課題。

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

(2)藥物解毒與分析。吸附分離技術也可藥物解毒與分析，運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用于治療人與動物的厭氧菌感染和防止各種原蟲病，但其具有細胞誘變、動物致癌等潛在的嚴重危害性，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行去除，吸附率達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，吸附分離技術在血液凈化方面有巨大潛能和重要意義。

魚強等[16]在常規藥物治療基礎上，對照組用DNA免疫吸附治療，發現血液凈化聯合DNA免疫吸附配合潑尼松片、環磷酰胺治療重癥系統性紅斑狼瘡的效果顯著，改善患者腎功能，且安全可靠。

2.4 在冶金工業中的應用

吸附分離技術在冶金工業常應用于鋼鐵工業節能生產、有色金屬冶煉、保護氣制備等，常用技術有變壓吸附分離技術、電吸附法及生物吸附技術等。變壓吸附分離常用于制造氧氣、二氧化碳、氮氣等，氧氣可用于煉鋼電爐中溶解鐵和脫碳精煉，成本較低；氮氣、二氧化碳均可用作保護氣，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，對其進行改性處理，發現改性后菌渣出現吸附能力，改性方式不同吸附能力也不同。對改性菌渣進行再生處理，其解吸率可達90%以上，且吸附容量無明顯變化，可循環利用。

3 展望

隨著研究的不斷深入，吸附分離技術必定將在今后的發展中得到越來越多的應用，傳統產業的技術改造和新興產業的形成是推動其發展的主要動力，新型技術的產生于解決問題的過程中，吸附分離技術的研究應與各類產業相結合，與人類健康和環境質量的提高相結合，未來將在各領域產生巨大的經濟效益。

[1]李從軍,楊文浩.生物產品分離純化技術[M].武漢:華中師范大學出版社,2009:107-108.

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[3]江梅,鄒蘭,李曉倩,車飛,趙國華,李剛,張國寧.我國揮發性有機物定義和控制指標的探討[J].環境科學,2015,(09):3522-3532.

[4]范建偉,勾曉,孫宇,冉獻強,滕瑋,王曉敏.含鉻有序介孔硅對揮發性有機污染物的吸附性能研究[J].天然氣工業,2017,(04):135-142.

[5]萬正芬.城鎮污水處理廠出水中氮磷高效吸附填料的篩選[D].中國海洋大學,2015.

[6]陳亞平.利用電吸附技術去除飲用水中痕量鎘和砷的研究[D].湖南農業大學,2014.

[7]翁凱江.二氧化碳在食品工業上的應用[J].福建輕紡,2005,(07):1-4.

[8]劉文營,黃麗燕,盧曉明,張強,趙維高,王旭清,韓兆鵬,劉旭明.高密度二氧化碳技術在食品加工中的應用研究[J].食品工業科技,2011,(12):509-511+514.

[9]李旭,劉昕,張崇海,何濤.分離氧化亞氮和二氧化碳的變壓吸附方法研究[J].低溫與特氣,2016,(06):5-7.

[10]邢新俠,張桂,趙國群.變壓吸附氣體分離技術在食品工業中的應用[J].食品科技,2007,(12):145-147.

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[12]姜濤,孫培智,李海周.變壓吸附在乙烯裝置氫氣分離中的應用[J].乙烯工業,2006,(01):57-59+10.

[13]馮鈺.甲醇裂解-變壓吸附聯合制氫技術的應用[J].化工礦物與加工,2001,(12):13-14.

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[15]任曉東,熊振湖.磁性多壁碳納米管對水中三種硝基咪唑類藥物的吸附行為[J].化工學報,2013,(71):625-633.

[16]魚強,劉岐煥,程范軍,劉曉紅,張有順.血液凈化聯合DNA免疫吸附治療重癥系統性紅斑狼瘡的效果[J].臨床和實驗醫學雜志,2016,(3):560-562.

[17]孫西寧.抗生素菌渣的改性及其對重金屬吸附性能研究[D].西北農林科技大學,2015.