罗多尔福·琼凯拉·布兰当（Rodolfo Junqueira Brandão）| 泰丝·洛杰托·卡埃蒂特·戈麦斯（Thais Logetto Caetité Gomes）| 苏布拉马尼亚沙尔马·西瓦拉曼（Subramaniyasharma Sivaraman）| 罗布森·科斯塔·德索萨（Robson Costa de Sousa）| 兰加巴沙亚姆·塞尔瓦森比安（Rangabhashiyam Selvasembian）| 卢卡斯·梅利（Lucas Meili）
流体力学实验室（Flowlab），阿拉戈斯联邦大学技术中心，Lourival Melo Mota大道，无门牌号，A.C. Simões校区，Tabuleiro do Martins，Maceió，AL 57072-970，巴西
**摘要**
流化床（FB）吸附技术作为一种高效的污染物去除方法应运而生，它解决了传统固定床吸附系统存在的诸如高压降和沟流现象等局限性。本文总结了流化床的基本概念，并强调了其卓越的热量和质量传递能力，这些能力可使传递速率比传统系统提高200-300%。文章描述了流化床系统在废水处理和二氧化碳捕获等多种应用中能够实现高达2.5倍的吸附容量。现代建模方法，如计算流体动力学（CFD）和人工智能（AI），被研究为优化反应器设计和实现工业规模放大的关键工具。此外，还讨论了最近的技术创新，例如金属有机框架（MOFs）和碳纳米管等先进材料的发展，以及混合电化学或光催化系统的集成。尽管仍存在颗粒磨损和设计复杂性等问题，但流化床吸附为大规模工业分离提供了一种可扩展、高效且可持续的选择。未来的发展前景强调了数字孪生技术和自主控制在推动该领域进步中的作用。
**引言**
流化是一种广泛应用于过程工程中的操作，旨在促进固体和流体相之间的高效接触。在这种操作中，细小固体通过与气体或液体的相互作用转化为“伪液体”状态，从而形成流化床特有的膨胀和动态特性[1][2]。流化床的主要操作优势包括出色的热量和质量传递性能、易于维护、无运动部件以及良好的床层均匀性。因此，流化床已广泛应用于干燥、造粒、煅烧、催化以及废水处理和气体净化等工业过程中[3][4][5][6]。鉴于全球环境和公共卫生挑战，开发可持续且高效的污染物去除技术变得日益重要。在所采用的策略中，吸附技术因其简单性、低成本以及从水性和气态流体中去除多种污染物的有效性而脱颖而出[7][8][9]。然而，传统的固定床吸附系统存在众所周知的操作限制，如高压降、沟流和低效的质量传递，尤其是在处理稀薄或粘性流体时[10]。因此，流化床在吸附过程中的应用相比传统固定床具有诸多优势。流化产生的“伪流体”环境促进了吸附剂与吸附质之间的更高效接触，避免了局部过热、床层堵塞、流体分布不均和压力降升高等常见问题，从而提高了吸附效率[11]。此外，流化床系统操作性强、吸附剂需求量低，并允许连续处理——这些特点使其适用于废水处理、烟气净化和海水淡化等大规模应用，直接影响了运营成本和环境影响。
尽管具有这些优势，流化床吸附仍面临颗粒磨损、工艺放大和反应器设计复杂性等挑战。在这种情况下，流体力学与吸附动力学之间的相互作用在决定流化床系统性能方面起着关键作用。气体-固体接触效率、气泡与乳液相之间的相间质量传递以及多相流结构的动态行为直接影响吸附速率和整体工艺效率。虽然对这些方面的详细机制分析超出了本综述的范围，但在分析和解释流化床系统的吸附性能时必须考虑这些因素。因此，克服这些限制需要全面理解流体力学、吸附剂选择和系统集成，这对于推动该技术在工业规模上的广泛应用至关重要。
流化床已应用于从水中去除酚类化合物、染料、微塑料、新兴污染物和金属的吸附过程，以及二氧化碳捕获和非传统烃类及挥发性有机化合物的去除[12][13][14]（Hummadi等人，2022a；[15]）。然而，尽管关于流化床系统和吸附过程的综述研究数量不断增加，现有文献仍然分散，大多数研究集中在流体力学、反应器设计或特定应用等具体方面。为了更好地将本综述置于最新文献背景下，表1对流化床吸附和多相系统的关键综述研究进行了对比。如表1所示，最近的综述研究大多关注流化床系统的各个组成部分，而非整体视角。虽然大多数研究强调多相流建模和流体力学，但也有一些研究专注于吸附材料或特定应用，如二氧化碳捕获或废水处理。然而，涵盖流化行为、吸附机制、热力学方面以及包括CFD和人工智能在内的先进建模方法的综合分析仍然有限。在此背景下，本综述提供了一个综合性的框架，整合了这些方面，有助于更深入地理解流化床吸附系统及其在分离和净化过程中的作用。
鉴于这一现状，本文对流化床在吸附过程中的应用进行了全面综述，特别关注废水处理、二氧化碳捕获和新兴污染物去除方面的应用。为此，本文探讨了三个主要方面：（i）流化床吸附的基本原理，重点介绍使其区别于传统固定床系统的流体力学和热力学特性；（ii）从经典经验关联到计算流体动力学（CFD）和人工智能（AI）技术的最新建模方法；（iii）包括新型吸附剂材料、反应器配置和工艺集成策略在内的最新技术创新，及其对工业规模实施的影响。通过整合这些方面的知识，本综述旨在为研究人员提供参考，并为实际操作流化床吸附系统的从业者提供实用资源。
**流化床的流动状态**
描述流化床的流动状态对于理解其行为至关重要。在低流速下，流体仅渗透在颗粒之间，这对应于固定床的状态（图1a）。当流速升高并达到最小流化速度（Umf）时，流体能够平衡颗粒的重量，从而启动最小流化状态（图1b）[17][18][19]。超过Umf后，液固系统表现出均匀且稳定的膨胀。
**主要应用**
流化床中吸附剂颗粒的动态悬浮促进了密集的液固接触，从而显著提高了外部质量传递速率，优于固定床系统。与填充床不同，填充床中的停滞区和流体分布不均限制了吸附剂与吸附质之间的相互作用，而流化床确保整个床层体积内的固体表面均匀暴露于流体中。因此，流化床的质量传递速率可比传统系统提高200-300%。
**流化床吸附的热力学方面**
热力学参数是揭示流化床系统中吸附过程本质和可行性的关键工具[57]。吉布斯自由能（ΔG°）、焓（ΔH°）和熵（ΔS°）等关键指标提供了关于过程自发性（是否自发进行）、热交换（是否释放或吸收热量）以及与吸附相关的结构特性的深入见解。托马斯（Thomas）和尹-尼尔森（Yoon-Nelson）模型等动力学和等温建模方法已被验证有效。
**流化床的吸附建模与仿真**
应用于吸附过程的流化床建模与仿真是理解系统行为、优化系统设计以及预测不同操作条件下的性能的重要工具[94][95]。这些模型的主要目标是捕捉和表征控制流化床行为的复杂流体力学、质量传递机制和吸附动力学[61][85][96]。历史上最常用的模型包括塞流模型（plug flow）。
**流化床与固定床在吸附中的比较**
固定床（填充床）与流化床系统之间的选择从根本上改变了控制传输现象的方式。固定床依赖于静止的固体相，而流化床利用流体的阻力来悬浮颗粒，从而从静态状态转变为动态状态。这种基本的流体力学差异决定了压力降、停留时间分布（RTD）和热管理等方面的性能指标[105]。
**流化床吸附的技术创新**
流化床系统在吸附方面的多功能性使其适用于广泛的工业应用。在化学加工中，由于其良好的扩展性能和较低的能耗，流化床吸附已被采用[118]；而在食品和饲料加工中，其优越的热量和质量传递特性使得温度敏感材料能够得到妥善处理[119]。在环境应用中，特别是在碳捕获和水处理方面，流化床吸附也表现出色。
**未来展望**
尽管本文讨论了多项重要进展，但流化床吸附仍存在一些研究空白和机遇。受限流化、混合吸附剂材料和工艺集成方面的最新进展大大扩展了其应用范围，从制药加工到环境修复和能源系统。然而，随着环境法规的日益严格和工业可持续性要求的提高，流化床吸附仍面临诸多挑战。
**致谢**
作者感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）、高等教育人员协调委员会（CAPES）、巴西创新机构（FINEP）以及阿拉戈斯州研究支持基金会（FAPEAL）的支持。
**关于生成式AI使用的声明**
在准备本手稿期间，作者使用了Claude Sonnet 4.5（Anthropic，claude.ai，访问时间：2025年1月至4月）来协助完成以下任务：重构和提升文本的清晰度和流畅性；起草和完善对审稿人意见的回复；组织并整合各部分内容；以及提供关于手稿逻辑结构和连贯性的反馈。所有由AI辅助的内容都经过了严格审查。
**利益声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
