大孔吸附树脂是在离交树脂基础上发展起来的,一般骨架的合成工艺和离交树脂相似,但是后续无官能团反应,所以并不具备交换功能。像专栏(2)中讲的,也有一些大孔型的离子交换树脂,兼备了离交和吸附双重功能,为了便于区分,我们常说的大孔吸附树脂,一般指的是无交换功能,仅有吸附功能的大孔树脂。
大孔吸附树脂对于目标物的吸附,主要是以范德华力为基础的分子间吸附,和我们常见的活性炭吸附机理类似,可以这么讲,凡是用活性炭作为吸附、脱色、除杂、脱味等工况,都可以尝试用大孔吸附树脂去替代,一般情况下,只要效果能达到预期,经济性都是优于活性炭的,目前很多行业,大孔吸附树脂都已经实现了对活性炭的替代或者部分替代。
和专栏(3)一样,我今天会将大孔吸附树脂的吸附过程做个分解,便于大家更加清晰地了解吸附树脂的工作原理。
第一步:干净的树脂,孔道畅通,置于溶液中。目标物吸附质(小红球)要被树脂所吸附,首先需要完成在溶液中的扩散,吸附质分子从所处的位置扩散至树脂颗粒表面附近,这一过程均是在完全一致的溶液中的扩散,可以称之为“均相扩散”,这一过程的效率主要和溶液的温度、粘度、浓度等有关。 举个例子,就像我们游泳,在身体不变的情况下,舒服的温水可是要比冬泳要舒服很多,自然也要游更快一些。
如下图所示,最右侧a路径,即为均相扩散过程。
a路径—-均相扩散
第二步:吸附质分子(小红球)通过长途跋涉,终于抵达树脂表面附近,正准备破门而入时,发现树脂颗粒表面还有一层液膜,要想进入球体内部,还需刺穿这层液膜。受液体表面张力所致,树脂球体表面会形成一层十至数百纳米的液膜,液膜内的分子受粘度和界面能的双重作用,几乎不随液相运动。因此,吸附质(小红球)分子穿越液膜的存在着较大的阻力,是吸附过程的控制要素——这就是所谓“膜扩散”动力学要素。 b过程的快慢,主要受溶液粘度、温度等因素影响。
如下图所示,中间b路径,即为膜扩散。
b路径—-膜扩散
第三步:穿越了液膜b的吸附质分子并非都停留在吸附剂球体的表面,它们中的绝大部分都需要继续完成在树脂内部孔道中的运动过程,并最终到达吸附树脂球体内的某个的部位——这就是所谓“粒扩散过程”。 可以看出,吸附质要从球体表面进入到树脂颗粒内部,路径并不是笔直的,而是经过了弯弯曲曲的内部孔道。此时可以说,吸附质完全进入了树脂内部孔道,c过程的吸附速率,当然主要受树脂本身影响,比如孔道大小、均匀度、球体粒径等。
如下图所示,最左侧c路径,即为粒扩散。
c路径—-粒扩散
第四步:经过1~3的过程树脂即实现了对溶液中目标物的吸附,随着吸附质在树脂内部孔道的不断累积,树脂逐渐达到饱和状态,待孔道内部空间已经不足以放下更多的吸附质,此时,可以认为树脂已经达到穿透或者饱和状态。
第五步:将树脂上吸附的物质解吸下来,即再生复苏操作。这个过程和吸附刚好相反,根据吸附质特点和工况的差异,会选择有机溶剂、烧碱、高温、蒸汽等手段,将吸附质从树脂上解吸下来,树脂得以复苏。这里就不过多展开了,原理都是一样的,后面碰到实例时我会详细展开讲。
以上1~5步骤,就属于大孔吸附树脂的循环周期,和离交树脂一样,我们除了吸附量、强度等之外,周期数也是决定树脂寿命的关键因素,这和树脂本身的抗污染能力、孔道设计、再生工艺等均有关系。
下图是大孔吸附树脂经电子显微镜放大后的内部孔道结构,是不是有些细思极恐的感觉。
大孔吸附树脂的内部孔道结构
正是因为如此多交错的孔道,大孔吸附树脂才得以有极高的比表面积,像蓝晓Seplite XDA系列大孔吸附树脂,比表面积最高可以超过1200㎡/g,这是什么概念? 1g重量的树脂,内部孔道面积全部展开后,可用于吸附质接触的面积将会超过2个篮球场大小。而这正是吸附目标物的基础载体,直接决定了树脂吸附容量的大小。吸附树脂的理化指标和实际应用相对应的关系会在后续陆续讲。
看地道战的图片,当初晋察冀地区搞地道战的专家莫不是个高分子材料专家。