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1、第九章 吸 附,第九章 吸附,第一节 吸附分离操作的基本概念 第二节 吸附剂 第三节 吸附平衡 第四节 吸附动力学 第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,本章主要内容,一、吸附分离操作的分类 二、吸附分离操作的应用,本节的主要内容,第一节 吸附分离操作的基本概念,吸附操作是通过多孔固体物质与某一混合组分体系（气体或液体）接触，有选择地使体系中的一种或多种组分附着于固体表面，从而实现特定组分分离的操作过程。 被吸附到固体表面的组分吸附质 吸附吸附质的多孔固体吸附剂 吸附质附着到吸附剂表面的过程吸附 吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程解吸 吸附过程发生在“气-固”或“液-固”非均相界面,基本术语,第一
2、节 吸附分离操作的基本概念,按作用力性质分类：物理吸附和化学吸附 物理吸附：吸附质分子与吸附剂表面分子间存在的范德华力所引起的，也称为范德华吸附。 吸附热较小（放热过程，吸附热在数值上与冷凝热相当），可在低温下进行； 过程是可逆的，易解吸； 相对没有选择性，可吸附多种吸附质； 相对分子质量越大，分子引力越大，吸附量越大； 可形成单分子吸附层或多分子吸附层 。,一、吸附分离操作的分类,第一节 吸附分离操作的基本概念,化学吸附：又称活性吸附，是由吸附剂和吸附质之间发生化学反应而引起的，其强弱取决于两种分子之间化学键作用力的大小。 如石灰吸附CO2 CaCO3 吸附热大，一般在较高温下进行； 具有选
3、择性，单分子层吸附； 化学键作用力大时，吸附不可逆。,第一节 吸附分离操作的基本概念,按吸附剂再生方法分类：变温吸附和变压吸附 按原料组成分类：大吸附量分离和杂质去除 按分离机理分类：位阻效应、动力学效应和平衡效应,第一节 吸附分离操作的基本概念,二、吸附分离操作的应用,吸附分离操作的应用范围很广，既可以对气体或液体混合物中的某些组分进行大吸附量分离，也可以去除混合物中的痕量杂质。 日常生活： 木炭吸湿、吸臭；防腐剂；吸湿剂（硅胶）,第九章第一节 吸附分离操作的基本概念,第一节 吸附分离操作的基本概念,化工领域： 产品的分离提纯，如制糖品工业，用活性炭处理糖液， 吸附其中杂质，得到洁白的产品。
4、 环境领域： 水：脱色脱臭，有害有机物的去除，金属离子，氮、磷 空气：脱湿，有害气体，脱臭,特别适合于低浓度混合物的分离,第一节 吸附分离操作的基本概念,(1)简述吸附分离的基本原理。 (2)简要说明吸附根据不同的分类方法可以分为哪些类型。 (3)吸附在环境工程领域有哪些应用，举例说明。,本节思考题,第一节 吸附分离操作的基本概念,一、常用吸附剂的主要特性 二、几种常用的吸附剂,本节的主要内容,第二节 吸附剂,吸附容量大：由于吸附过程发生在吸附剂表面，所以吸附容量取决于吸附剂表面积的大小。 选择性高：对要分离的目的组分有较大的选择性。 稳定性好：吸附剂应具有较好的热稳定性，在较高温度下解吸再生
5、其结构不会发生太大的变化。同时，还应具有耐酸碱的良好化学稳定性。 适当的物理特性：适当的堆积密度和强度 廉价易得,具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂.,一、常用吸附剂的主要特性,第二节 吸附剂,（一）活性炭 活性炭是应用最为广泛的吸附剂。是由煤或木质原料加 工得到的产品，通常一切含碳的物料，如煤、木材、果核、秸秆等都可以加工成黑炭，经活化后制成活性炭。 炭化：把原料热解成炭渣，温度：200600 活化：形成发达的细孔。两种办法: 气体法：通入水蒸气，温度在8001000； 药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等。 比表面积：500 1700 m2/g,二、几种常用的吸附剂,第二节 吸附剂,a.
6、比表面积越大，吸附量越大：但应注意对一些大分子，微孔所提供的比表面积基本上不起作用。 活性炭细孔分布情况： 微孔：2 nm，占总比表面95：主要支配吸附量。 过渡孔：2 100nm，5：起通道和吸附作用。 大孔：100 10000 nm，不足1：主要起通道作用，影 响吸附速度。,第二节 吸附剂,b.表面化学特性： 活性炭本身是非极性的，但由于表面共价健不饱和易与其他元素如氧、氢结合，生成各种含氧官能团。 目前已证实的含氧官能团有： OH、COOH 由于这种微弱极性，使极性溶质竞争吸附加强。,第二节 吸附剂,（二）活性炭纤维 活性炭纤维吸附能力比一般活性炭要高110倍。 活性炭纤维分为两种： (
7、1)将超细活性炭微粒加入增稠剂后与纤维混纺制成单丝，或用热熔法将活性炭黏附于有机纤维或玻璃纤维上，也可以与纸浆混黏制成活性炭纸。 (2)以人造丝或合成纤维为原料，与制备活性炭一样经过炭化和活化两个阶段，加工成具有一定比表面积和一定孔分布结构的活性炭纤维。,第二节 吸附剂,（三）硅胶 是一种坚硬无定形链状或网状结构的硅酸聚合物颗粒。 硅胶的化学式：SiO2 nH20 用硫酸处理硅酸钠水溶液，生成凝胶。水洗除去硫酸钠后经干燥，便可得到玻璃状的硅胶。 硅胶是极性吸附剂，难于吸附非极性物质，易于吸附极性物质（如水、甲醇等）。 吸湿，高湿度气体的干燥。,第二节 吸附剂,（四）活性氧化铝 化学式：Al2O
8、3 n H2O 含水氧化铝加热脱水制成的一种极性吸附剂。 与硅胶相比，具有良好的机械强度。 比表面积约为200300 m2/g，对水分有极强的吸附能力。 主要用于气体和液体的干燥、石油气的浓缩与脱硫；磷的吸附。,第二节 吸附剂,（五）沸石分子筛 化学式：Mex/n(AlO2)x (SiO2)y mH2O 其中Me为阳离子，n为原子价数，m为结晶水分子数 沸石分子筛由高度规则的笼和孔组成 每一种分子筛都有相对均一的孔径，其大小随分子筛种类的不同而异。,强极性吸附剂，对极性分子如H2O、CO2、H2S等有很强的亲和力，对氨氮的吸附效果好，而对有机物的亲和力较弱。,第二节 吸附剂,吸附剂的选择,如何
9、选择适宜的吸附剂？ 需要根据被分离对象、分离条件和吸附剂本身的特点确定 需要进行试验研究,第二节 吸附剂,(1)常用的吸附剂有哪些？ (2)吸附剂的主要特性是什么？ (3)简述几种吸附剂的制备、结构和应用特性：活性炭、活性炭纤维、碳分子筛、硅胶、活性氧化铝和沸石分子筛。,本节思考题,第二节 吸附剂,一、单组分气体吸附 二、双组分气体吸附 三、液相吸附,本节的主要内容,第三节 吸附平衡,在一定条件下，当流体（气体或液体）和吸附剂接触，流体中的吸附质将被吸附剂所吸附。,当吸附速率和解吸速率相等时，流体中吸附质浓度不再改变时 吸附平衡,吸附剂吸附能力用吸附量q表示。,吸附平衡与平衡吸附量,第三节 吸
10、附平衡,气相单组分吸附 气体混合物中，只有某一种组分被吸附 液相单组分吸附 液相混合物中，只有某一种组分被吸附 气相多组分吸附 气体混合物中，两种以上的组分被吸附 液相多组分吸附 液相混合物中，两种以上的组分被吸附,吸附量吸附质组成的函数 温度一定时，称为吸附等温线,第三节 吸附平衡,（一）吸附平衡理论,一、单组分气体吸附,气体吸附等温线测定方法： 重量法、容量法,不同温度下NH3在木炭上的吸附等温线,分压较低：近似为直线 分压较高：趋于平缓,第三节 吸附平衡,q=f(p,T),(9.3.1),1.弗兰德里希（Freunlich）方程：,q平衡吸附量，L/kg； k和吸附剂种类、特性、温度以及
11、所用单位有关的常数； n常数，和温度有关； p吸附质气相中的平衡分压， Pa。 随着p增大，吸附量q随之增加。 但p增加到一定程度后，q不再变化。,Freundlich方程为经验公式。 压力范围不能太宽，低压或高压区域不能得到满意的实验拟合结果。,第三节 吸附平衡,(9.3.2),n一般大于1，n值越大，其吸附等温线与线性偏离越大。 当n10，吸附等温线几乎变成矩形，是不可逆吸附。,相对压力,相对吸附量q/q0,第三节 吸附平衡,弗兰德里希等温线,弗兰德里希公式参数的求解： 对吸附等温式两边取对数：,k,双对数坐标,1/n,1/n越小，说明吸附可在相当宽的浓度范围下进行。 一般认为 1/n =
12、 0.1 0.5 时容易吸附。,第三节 吸附平衡,lg p,lg q,2. 朗格谬尔（Langmuir)公式 方程推导的基本假定：,吸附剂表面性质均一，每一个具有剩余价力的表面分子或原子吸附一个气体分子。 吸附质在吸附剂表面为单分子层吸附。 吸附是动态的，被吸附分子受热运动影响可以重新回到气相。 吸附过程类似于气体的凝结过程，脱附类似于液体的蒸发过程 吸附在吸附剂表面的吸附质分子之间无作用力。,第三节 吸附平衡,设吸附表面覆盖率为，则可以表示为：,气体的脱附速率与成正比，可以表示为：kd 气体的吸附速率与剩余吸附面积(1)和气体分压成正比，可以表示为：ka p(1),qm为吸附剂表面所有吸附点
13、均被吸附质覆盖时的吸附量，即饱和吸附量。,第三节 吸附平衡,(9.3.3),吸附达到平衡时，吸附速率与脱附速率相等，则：,整理后可得单分子层吸附的Langmuir方程：,p吸附质的平衡分压，Pa； q, qm分别为吸附量和单分子层吸附容量，L/kg； k1Langmuir常数，与吸附剂和吸附质的性质和温度有关，该值越大表示吸附剂的吸附能力越强。,第三节 吸附平衡,(9.3.4),(9.3.5),如何求解Langmuir公式参数？,或,第三节 吸附平衡,公式变换得：,当p很小时，则：q=k1qmp 呈亨利定律，即吸附量与气体的平衡分压成正比。 当p时， q=qm 此时，吸附量与气体分压无关，吸附
14、剂表面被占满，形成单分子层。,Langmuir 公式分析：,第三节 吸附平衡,3.BET公式 由Brunaner, Emmett和Teller 3人提出的。 基于多分子层吸附，在Langmuir公式基础上推导出来的。 假设： 吸附分子在吸附剂上是按各个层次排列的。 吸附过程取决于范德华引力，吸附质可以在吸附剂表面一层一层地累叠吸附。 每一层吸附都符合Langmuir公式。,第三节 吸附平衡,p0吸附质组分的饱和蒸气压； qm吸附剂表面完全被吸附质单分子层覆盖时的吸附量； kb常数，与温度、吸附热和冷凝热有关。,BET公式中的参数qm和kb可以通过实验测定。 通常只适用于比压（p/p0）约为0.
15、050.35。 比压0.35，毛细凝聚变得显著，破坏多层物理吸附平衡。,第三节 吸附平衡,(9.3.6),二、双组分气体吸附,混合气体中有两种组分发生吸附时，每种组分吸附量均受另一种组分的影响。 活性炭对乙烷的吸附较多，而硅胶对乙烯的吸附较多。,乙烷-乙烯混合气体的平衡吸附(25，101.325 kPa),第三节 吸附平衡,气相中乙烷的摩尔分数xA,吸附相中乙烷的摩尔分数yA,各组分的吸附量,qA0、qB0分别为各组分单独存在且压力等于双组分总压时的平衡吸附量。 qA、qB为混合气体吸附平衡时的吸附量。,第三节 吸附平衡,(9.3.12),1.液相吸附的特点 液相吸附的机理比气相复杂。在吸附质
16、发生吸附时，溶剂也有可能被吸附。 影响因素包括：除温度和溶质浓度外，溶剂种类、吸附质的溶解度和离子化、各种溶质之间的相互作用等。 在溶剂的吸附作用忽略不计时，可以认为是单组分吸附。,三、液相吸附,第三节 吸附平衡,2. 吸附等温线测定方法： 假设溶剂不被吸附，或者液体混合物是溶质的稀溶液 测定溶液与吸附剂接触前后的浓度变化,第三节 吸附平衡,3.吸附等温式,Freundlich吸附等温方程式：,q 平衡吸附量，kg/kg； k 和吸附剂种类、特性、温度以及所用单位有关的常数； n 常数，和温度有关； 吸附质在液相中的平衡浓度, mg/L。,第三节 吸附平衡,(9.3.13),(1)吸附平衡是如何定义的，平衡吸附量如何计算？ (2)环境条件如何影响吸附平衡？ (3)等温吸附线的物理意义是什么，温度对吸附是如何影响的？ (4)Freundlich方程的形式和适用范围，方程式
