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随着石油资源的枯竭以及汽油价格不断攀升，开发第二代生物质能源-木质纤维素乙醇，已受到世界各国的重视。由于乙醇发酵是产物抑制的过程，导致发酵液中乙醇浓度低，采用传统蒸馏法回收乙醇能耗高，是造成生物乙醇成本居高不下的瓶颈之一。利用吸附法替代传统的蒸馏法，因其能耗低，利于工业化放大，现已成为研究的热点。本文针对目前吸附法中存在的问题，展开了系统研究，主要研究内容及结果如下: (1)针对目前常用吸附介质存在的吸附容量低，吸附选择性差等问题，合成和筛选出一种对发酵液中的乙醇具有吸附容量大，吸附选择性高，且可以重复再生使用的微孔超高交联度树脂，并对乙醇在该树脂上的吸附机理和吸附热/动力学性能进行了研究。 本文自行设计、合成了5种超高交联度树脂，并通过红外、N2吸附/脱附、元素分析、SEM和TEM等方法对树脂的理化性质进行了表征，结果表明这批树脂具有很高的比表面积(＞1000 m2/g)和独特的微孔结构。经与15种商品化的聚合树脂对乙醇吸附性能对比，证明了比表面积和微孔结构对提高树脂吸附容量的重要性，为后续聚合树脂的设计和改性奠定了基础。合成的微孔树脂HD-01对乙醇具有吸附容量大（为大孔吸附树脂的2倍），吸附选择性高（在pH=7.0下，乙醇与葡萄糖，甘油，乙酸的分离因子＞5.0），吸附速率快（约10分钟达到吸附平衡）等优点。 通过静态吸附的方法对乙醇在树脂HD-01上的吸附热力学、动力学进行了研究，为色谱柱分离过程的建模提供了基础数据和模型参数。乙醇在HD-01树脂上的吸附同时受到多种作用力影响，如疏水作用力、氢键和微孔填充。溶液中乙醇在树脂HD-01上的传质过程受颗粒内扩散控制，其动力学曲线符合均匀表面扩散模型(HSDM)。乙醇的表面扩散系数Ds随浓度、温度的升高而增大，计算得到了Ds随浓度、温度变化的方程式。结果表明乙醇在树脂微孔中的传质过程受到乙醇的分子扩散活化能以及孔壁作用力的影响，揭示了乙醇在微孔中扩散所需的活化能(25.7 kJ/mol)比吸附放热(-Qst)大的机理。 (2)针对目前大多数研究都采用乙醇-水二元混合溶液来模拟乙醇发酵液，而忽略了杂质组分对乙醇吸附的影响，本文采用动态柱吸附的方式对实际发酵液中的乙醇进行分离，建立了多组分竞争性吸附线性推动力传质模型，预测不同操作条件下多组分系统中各溶质的穿透曲线，为工业上乙醇柱吸附过程的设计和优化提供基础数据和理论指导。 本文首先对单组分及多组分系统中乙酸、甘油和葡萄糖在树脂HD-01上的吸附热/动力学进行了研究，考察了这些杂质组分对乙醇吸附容量和传质速率的影响，探讨了乙醇、乙酸、葡萄糖和甘油的吸附机理，证明了疏水作用和筛分作用的存在可降低树脂对葡萄糖和甘油的吸附容量并提高树脂对乙醇的吸附选择性。多组分溶液中，杂质组分和乙醇竞争树脂上的活性吸附位点，但乙醇吸附容量基本保持不变，乙酸下降了约50-70％，甘油和葡萄糖基本不吸附。 然后采用动态柱吸附的方式对实际发酵液中的乙醇和其他杂质组分进行分离和回收，实现了乙醇和其他杂质组分的高效分离，同时建立了包括竞争性Langmuir吸附等温线方程和线性推动力方程的色谱传质模型，采用Matlab软件对模型求解，得到了各溶质的有效传质扩散系数keff和轴向扩散系数DL。以模拟发酵液和实际发酵液为原料，通过测定不同流速、浓度、柱高径比和溶液pH值等操作条件下的穿透曲线，对色谱传质模型进行了验证，为工业化放大生产中乙醇的色谱柱分离过程的设计和优化提供了指导。 (3)针对乙醇脱附收率低，浓缩倍数不高等问题，本文采用变温、变压脱附法，并根据乙醇和水分在树脂上脱附速率的差别，实现了水分和乙醇在树脂上的分步脱附，得到了高浓度的乙醇溶液(＞80 wt％)，收率＞93％。对乙醇和水分在树腊上脱附所需的能耗进行计算，发现低浓度范围内(＜4 wt％)，采用吸附法替代传统的蒸馏法，能耗可降低20％以上。 本文首先采用程序升温脱附(TPD)和氮气吹扫的方式对树脂上水分、乙醇的脱附过程进行研究，发现乙醇与HD-01之间的吸附作用力比水分强，其脱附速率比水分慢，计算得到了水分和乙醇的脱附速率及其脱附热。在柱吸附/脱附循环中，以提高乙醇的浓缩倍数和收率为目标，采用程序变温真空脱附法，对脱附过程中的压力、温度、脱附时间等操作条件进行优化，通过Aspen plus软件确定合适的冷凝温度，实现了水分和乙醇的分步脱附。后期脱附液中乙醇的浓度＞80wt％，比文献报道的浓度高出了2倍。高浓度乙醇脱附液的比例＞60％，总收率能达到93％以上。此外，HD-01树脂在脱附、干燥之后，能被水浸润、溶胀，用水可直接对热脱附后的树脂进行再生。从而避免了传统大孔吸附树脂复性所消耗的有机溶剂，降低废水的排放量。HD-01树脂的重复利用性较好，经过5次吸附/脱附循环，树脂HD-01的吸附性能未下降。最后根据质量和能量守恒方程，计算了吸附法浓缩发酵液中的乙醇至95 wt％所需的能耗，结果表明在低浓度范围内（＜4wt％），采用吸附法替代蒸馏法，能耗可降低20％以上。 综上所述，本文利用自行合成的微孔超高交联度树脂，采用吸附/脱附的方法对发酵液中的乙醇进行分离、回收，以替代传统的蒸馏法，具有操作简便，能耗低的优点，具有应用到工业化生产中的价值，研究得到的竞争性吸附色谱柱传质模型为乙醇分离提取系统的设计和优化提供了参考。