糠醛吸附动力学的初步探讨

吴祯祯

（武汉轻工大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉430023）

大孔树脂D4020 在吸附过程中，随着糠醛原料液的不断加入，吸附逐渐达到饱和状态并发生穿透，此时出口溶液中糠醛的浓度逐渐增大。穿透曲线显示了出口溶液中物质的浓度与时间的关系，即反映出物质在动态吸附过程中的一种特征曲线[1-3]。因此，为了详细地探讨树脂D4020 对糠醛的吸附过程，绘制糠醛吸附过程的穿透曲线是一种必不可少的步骤。

1 实验

1.1 主要试剂

实验中所用的主要试剂：大孔树脂D4020 购自南开大学化工厂，糠醛、无水乙醇为分析纯。

1.2 实验设备及仪器

实验过程中用到的主要设备和仪器如表1 所示。

1.3 实验流程图(图1)

本实验流程：玉米秸秆通过微波催化热解制备出富集糠醛的粗液体产品，将预处理好的树脂装入自制层析柱中，糠醛溶液与树脂的比为1：0.75，在一定温度下，以一定流速通过树脂，每间隔一定时间取样分析糠醛的含量，并绘制穿透曲线。

1.4 穿透曲线

在流量一定的条件下，穿透曲线反映出流出液中物质浓度随着时间的变化规律[2]，见图2。图2 中，横坐标为操作时间t，纵坐标为流出液中物质浓度c，因此流出曲线图又称c-t 图。A时，吸附柱内的树脂由已吸附饱和段(I)、部分饱和段(II)及未吸附段(Ⅲ)所构成。I段也称失效段，因为该段树脂由于已经吸附完成而不再具有吸附能力;II 段也称吸附段，该段树脂正在进行吸附作用;Ⅲ段是还未吸附的新树脂。在a 点处，流出液体中并未发现所吸附的物质。B时，饱和段I 增加，未吸附段III 逐渐减少，在b 点处，流出液中也未检测出所吸附物质。C时，饱和段I 继续增加，未吸附段III 继续减少，在c 点处，开始在流出液中检测出所吸附的物质，此点称之为穿透点或漏过点。D时，饱和段I 进一步增加，部分饱和段II 继续减少，在d 点处，在流出液中检测出所吸附的物质浓度持续增加。E 时，柱内树脂已完全达到饱和，在e 点处，在流出液中物质的浓度接近或达到原料液的初始浓度Co，此点称之为饱和点或耗竭点。如果柱底流出液中发现待测物质，这就表明此时交换柱已经穿透。

2 结果与讨论

表1 实验仪器和设备

图1 糠醛热解及分离流程图

图2 穿透曲线

在吸附过程中，穿透曲线反映了树脂的吸附率、吸附时间、以及出口溶质损失等参数，利用这些参数来对树脂的柱效进行评估。通过改变进料流量、温度和溶液初始浓度，绘制穿透曲线并进行研究[4]。

2.1 进料流量对穿透曲线的影响。在进料流量为2mL/min 和5mL/min，温度为15℃条件下，分别通过自制层析柱(树脂15g)，每间隔10min 取样分析，考察不同流量对糠醛吸附的影响。结果如图3 所示。

图3 不同流量下糠醛的穿透曲线

由图3 可知，进料流量越小，吸附时间越长，穿透点出现的越晚。这是因为进料流量越小，有利于溶液在树脂床层中进行扩散，溶液中的溶质与树脂进行交换吸附，吸附柱内的树脂逐渐从已吸附饱和段到部分饱和段，再到未吸附段。随着时间的增加，已吸附饱和段和部分饱和段逐渐增加，未吸附段逐渐减少，最后出现穿透点。这一过程中树脂的吸附量较大，所需时间相应地延长，因此进料流量为2mL/min 较为合适。

2.2 操作温度对穿透曲线的影响

温度为15℃和45℃，进料流量为2mL/min 条件下，分别通过自制层析柱(树脂15g)，每间隔10min 取样分析，考察不同温度对糠醛吸附的影响。如图4 所示。

图4 不同温度下糠醛的穿透曲线

由图4 可知，温度越高，树脂与物质间的作用力减弱，其吸附性能下降，导致吸附柱内的树脂迅速从已吸附饱和段到部分饱和段，再到未吸附段，已吸附饱和段和部分饱和段迅速增加，未吸附段迅速减少，直至穿透点出现。由于树脂吸附的不是很完全，大部分树脂为部分饱和段，因此穿透点提早出现。适宜进料温度为15℃。

2.3 初始浓度对穿透曲线的影响

温度为15℃，进料流量为2mL/min 条件下，溶液中糠醛的初始浓度分别为8wt%和10wt%，通过自制层析柱(树脂15g)，每间隔10mi n 取样分析，绘制穿透曲线。如图5 所示。

图5 不同初始浓度下糠醛的穿透曲线

由图5 可知，进料初始浓度越小，穿透点出现越慢，吸附时间越长。这是由于初始浓度越大，在树脂中的粘度越大，降低了树脂与物质间的吸附力，这时料液迅速通过已吸附饱和段和部分饱和段，向未吸附段扩散，导致吸附时间减少，穿透点提早出现。所以选取低于10wt%的进料初始浓度。

3 结论

3.1 绘制出树脂D4020 对糠醛吸附的穿透曲线，对糠醛吸附的动力学进行研究。

3.2 考察不同进料流量、操作温度和初始浓度对穿透曲线的影响，结果表明，进料流量为2mL/min、操作温度为15℃、糠醛溶液的初始浓度不大于10wt%有利于吸附。