糠醛吸附動力學的初步探討

吳禎禎

（武漢輕工大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢430023）

大孔樹脂D4020 在吸附過程中，隨著糠醛原料液的不斷加入，吸附逐漸達到飽和狀態并發生穿透，此時出口溶液中糠醛的濃度逐漸增大。穿透曲線顯示了出口溶液中物質的濃度與時間的關系，即反映出物質在動態吸附過程中的一種特征曲線[1-3]。因此，為了詳細地探討樹脂D4020 對糠醛的吸附過程，繪制糠醛吸附過程的穿透曲線是一種必不可少的步驟。

1 實驗

1.1 主要試劑

實驗中所用的主要試劑：大孔樹脂D4020 購自南開大學化工廠，糠醛、無水乙醇為分析純。

1.2 實驗設備及儀器

實驗過程中用到的主要設備和儀器如表1 所示。

1.3 實驗流程圖(圖1)

本實驗流程：玉米秸稈通過微波催化熱解制備出富集糠醛的粗液體產品，將預處理好的樹脂裝入自制層析柱中，糠醛溶液與樹脂的比為1：0.75，在一定溫度下，以一定流速通過樹脂，每間隔一定時間取樣分析糠醛的含量，并繪制穿透曲線。

1.4 穿透曲線

在流量一定的條件下，穿透曲線反映出流出液中物質濃度隨著時間的變化規律[2]，見圖2。圖2 中，橫坐標為操作時間t，縱坐標為流出液中物質濃度c，因此流出曲線圖又稱c-t 圖。A時，吸附柱內的樹脂由已吸附飽和段(I)、部分飽和段(II)及未吸附段(Ⅲ)所構成。I段也稱失效段，因為該段樹脂由于已經吸附完成而不再具有吸附能力;II 段也稱吸附段，該段樹脂正在進行吸附作用;Ⅲ段是還未吸附的新樹脂。在a 點處，流出液體中并未發現所吸附的物質。B時，飽和段I 增加，未吸附段III 逐漸減少，在b 點處，流出液中也未檢測出所吸附物質。C時，飽和段I 繼續增加，未吸附段III 繼續減少，在c 點處，開始在流出液中檢測出所吸附的物質，此點稱之為穿透點或漏過點。D時，飽和段I 進一步增加，部分飽和段II 繼續減少，在d 點處，在流出液中檢測出所吸附的物質濃度持續增加。E 時，柱內樹脂已完全達到飽和，在e 點處，在流出液中物質的濃度接近或達到原料液的初始濃度Co，此點稱之為飽和點或耗竭點。如果柱底流出液中發現待測物質，這就表明此時交換柱已經穿透。

2 結果與討論

表1 實驗儀器和設備

圖1 糠醛熱解及分離流程圖

圖2 穿透曲線

在吸附過程中，穿透曲線反映了樹脂的吸附率、吸附時間、以及出口溶質損失等參數，利用這些參數來對樹脂的柱效進行評估。通過改變進料流量、溫度和溶液初始濃度，繪制穿透曲線并進行研究[4]。

2.1 進料流量對穿透曲線的影響。在進料流量為2mL/min 和5mL/min，溫度為15℃條件下，分別通過自制層析柱(樹脂15g)，每間隔10min 取樣分析，考察不同流量對糠醛吸附的影響。結果如圖3 所示。

圖3 不同流量下糠醛的穿透曲線

由圖3 可知，進料流量越小，吸附時間越長，穿透點出現的越晚。這是因為進料流量越小，有利于溶液在樹脂床層中進行擴散，溶液中的溶質與樹脂進行交換吸附，吸附柱內的樹脂逐漸從已吸附飽和段到部分飽和段，再到未吸附段。隨著時間的增加，已吸附飽和段和部分飽和段逐漸增加，未吸附段逐漸減少，最后出現穿透點。這一過程中樹脂的吸附量較大，所需時間相應地延長，因此進料流量為2mL/min 較為合適。

2.2 操作溫度對穿透曲線的影響

溫度為15℃和45℃，進料流量為2mL/min 條件下，分別通過自制層析柱(樹脂15g)，每間隔10min 取樣分析，考察不同溫度對糠醛吸附的影響。如圖4 所示。

圖4 不同溫度下糠醛的穿透曲線

由圖4 可知，溫度越高，樹脂與物質間的作用力減弱，其吸附性能下降，導致吸附柱內的樹脂迅速從已吸附飽和段到部分飽和段，再到未吸附段，已吸附飽和段和部分飽和段迅速增加，未吸附段迅速減少，直至穿透點出現。由于樹脂吸附的不是很完全，大部分樹脂為部分飽和段，因此穿透點提早出現。適宜進料溫度為15℃。

2.3 初始濃度對穿透曲線的影響

溫度為15℃，進料流量為2mL/min 條件下，溶液中糠醛的初始濃度分別為8wt%和10wt%，通過自制層析柱(樹脂15g)，每間隔10mi n 取樣分析，繪制穿透曲線。如圖5 所示。

圖5 不同初始濃度下糠醛的穿透曲線

由圖5 可知，進料初始濃度越小，穿透點出現越慢，吸附時間越長。這是由于初始濃度越大，在樹脂中的粘度越大，降低了樹脂與物質間的吸附力，這時料液迅速通過已吸附飽和段和部分飽和段，向未吸附段擴散，導致吸附時間減少，穿透點提早出現。所以選取低于10wt%的進料初始濃度。

3 結論

3.1 繪制出樹脂D4020 對糠醛吸附的穿透曲線，對糠醛吸附的動力學進行研究。

3.2 考察不同進料流量、操作溫度和初始濃度對穿透曲線的影響，結果表明，進料流量為2mL/min、操作溫度為15℃、糠醛溶液的初始濃度不大于10wt%有利于吸附。