吳禎禎

（武漢輕工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)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(dá)到飽和狀態(tài)并發(fā)生穿透，此時(shí)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(zhì)的濃度與時(shí)間的關(guān)系，即反映出物質(zhì)在動(dòng)態(tài)吸附過程中的一種特征曲線[1-3]。因此，為了詳細(xì)地探討樹脂D4020 對(duì)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(shí)驗(yàn)

1.1 主要試劑

實(shí)驗(yàn)中所用的主要試劑：大孔樹脂D4020 購自南開大學(xué)化工廠，糠醛、無水乙醇為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

實(shí)驗(yàn)過程中用到的主要設(shè)備和儀器如表1 所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程圖(圖1)

本實(shí)驗(yàn)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(chǎn)品，將預(yù)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(shí)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(zhì)濃度隨著時(shí)間的變化規(guī)律[2]，見圖2。圖2 中，橫坐標(biāo)為操作時(shí)間t，縱坐標(biāo)為流出液中物質(zhì)濃度c，因此流出曲線圖又稱c-t 圖。A時(shí)，吸附柱內(nèi)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(gòu)成。I段也稱失效段，因?yàn)樵摱螛渲捎谝呀?jīng)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(jìn)行吸附作用;Ⅲ段是還未吸附的新樹脂。在a 點(diǎn)處，流出液體中并未發(fā)現(xiàn)所吸附的物質(zhì)。B時(shí)，飽和段I 增加，未吸附段III 逐漸減少，在b 點(diǎn)處，流出液中也未檢測(cè)出所吸附物質(zhì)。C時(shí)，飽和段I 繼續(xù)增加，未吸附段III 繼續(xù)減少，在c 點(diǎn)處，開始在流出液中檢測(cè)出所吸附的物質(zhì)，此點(diǎn)稱之為穿透點(diǎn)或漏過點(diǎn)。D時(shí)，飽和段I 進(jìn)一步增加，部分飽和段II 繼續(xù)減少，在d 點(diǎn)處，在流出液中檢測(cè)出所吸附的物質(zhì)濃度持續(xù)增加。E 時(shí)，柱內(nèi)樹脂已完全達(dá)到飽和，在e 點(diǎn)處，在流出液中物質(zhì)的濃度接近或達(dá)到原料液的初始濃度Co，此點(diǎn)稱之為飽和點(diǎn)或耗竭點(diǎn)。如果柱底流出液中發(fā)現(xiàn)待測(cè)物質(zhì)，這就表明此時(shí)交換柱已經(jīng)穿透。

2 結(jié)果與討論

表1 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)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(shí)間、以及出口溶質(zhì)損失等參數(shù)，利用這些參數(shù)來對(duì)樹脂的柱效進(jìn)行評(píng)估。通過改變進(jìn)料流量、溫度和溶液初始濃度，繪制穿透曲線并進(jìn)行研究[4]。

2.1 進(jìn)料流量對(duì)穿透曲線的影響。在進(jìn)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(duì)糠醛吸附的影響。結(jié)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(jìn)料流量越小，吸附時(shí)間越長(zhǎng)，穿透點(diǎn)出現(xiàn)的越晚。這是因?yàn)檫M(jìn)料流量越小，有利于溶液在樹脂床層中進(jìn)行擴(kuò)散，溶液中的溶質(zhì)與樹脂進(jìn)行交換吸附，吸附柱內(nèi)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(shí)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(xiàn)穿透點(diǎn)。這一過程中樹脂的吸附量較大，所需時(shí)間相應(yīng)地延長(zhǎng)，因此進(jìn)料流量為2mL/min 較為合適。

2.2 操作溫度對(duì)穿透曲線的影響

溫度為15℃和45℃，進(jìn)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(duì)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(zhì)間的作用力減弱，其吸附性能下降，導(dǎo)致吸附柱內(nèi)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(diǎn)出現(xiàn)。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(diǎn)提早出現(xiàn)。適宜進(jìn)料溫度為15℃。

2.3 初始濃度對(duì)穿透曲線的影響

溫度為15℃，進(jìn)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(jìn)料初始濃度越小，穿透點(diǎn)出現(xiàn)越慢，吸附時(shí)間越長(zhǎng)。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(zhì)間的吸附力，這時(shí)料液迅速通過已吸附飽和段和部分飽和段，向未吸附段擴(kuò)散，導(dǎo)致吸附時(shí)間減少，穿透點(diǎn)提早出現(xiàn)。所以選取低于10wt%的進(jìn)料初始濃度。

3 結(jié)論

3.1 繪制出樹脂D4020 對(duì)糠醛吸附的穿透曲線，對(duì)糠醛吸附的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。

3.2 考察不同進(jìn)料流量、操作溫度和初始濃度對(duì)穿透曲線的影響，結(jié)果表明，進(jìn)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。