环境工程原理-第八章-吸附

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1、第八章 吸 附,第八章 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 吸附平衡理论 第四节 吸附动力学 第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,第一节 吸附分离操作的基本概念,一、吸附分离操作的分类 二、吸附分离操作的应用,吸附是固体表面的分子或原子因受力不均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的吸引而停留在固体表面上 。 被吸附到固体表面的组分称为吸附质 吸附吸附质的多孔固体称为吸附剂 吸附质附着到吸附剂表面的过程称为吸附 吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程称为解吸 吸附过程发生在“气固”或“液固”非均相界面,基本概念,第一节 吸附分离操作的基本概念,吸

2、附分离过程的适用范围： 吸附分离是利用混合物中各组分与吸附剂间结合力强弱的差别，即各组分在固相（吸附剂）与流体间分配不同的性质使混合物中难吸附与易吸附组分分离。 适宜的吸附剂对各组分的吸附可以有很高的选择性，故特别适用于用精馏、吸收等方法难以分离的混合物的分离，以及气体与液体中微量杂质的去除。 吸附操作条件比较容易实现。 吸附操作缺点，主要是理论尚不够完善成熟。,第一节 吸附分离操作的基本概念,按作用力性质分类：分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

3、的，易解吸； 相对没有选择性，可吸附多种吸附质； 分子量越大，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； 具有选择性，单分子层吸附； 化学键力大时，吸附不可逆。,第一节 吸附分离操作的基本概念,、化学吸附热与化学反应热相近，比物理吸附热大得多。如二氧化碳和氢在各种吸附剂上的化学吸附热为83740Jmol和62800Jmol，而这两种气体的物理吸附热

4、约为25120Jmol和8374Jmol。 、化学吸附有较高的选择性。如氯可以被钨或镍化学吸附。物理吸附则没有很高的选择性，它主要取决于气体或液体的物理性质及吸附剂的特性。 、化学吸附时，温度对吸附速率的影响较显著，温度升高则吸附速率加快，因其是一个活化过程，故又称活化吸附。而物理吸附即使在低温下，吸附速率也可能较大，因它不属于活化吸附。 、化学吸附总是单分子层或单原子层，而物理吸附则不同，低压时，一般是单分子层，但随着吸附质分压增大，吸附层可能转变成多分子层。,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,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

5、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。 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,

6、给水处理 嗅、味的吸附净化； 微量污染物的吸附净化。 废水处理 典型有机污染物的吸附回收(酚、苯等)； 组合工艺的达标把关措施；,应用,第一节 吸附分离操作的基本概念,活性炭有吸附汞和汞化合物的性能，但因其吸附能力有限，只适宜于处理含汞量低的废水。,炼油厂、印染厂废水的深度处理,某炼油厂含油废水，经隔油，气浮和生物处理后，再经砂滤和活性炭过滤深度处理。,废水的含酚量从0.1mg/L(生物处理后)降至0.005mg/L，氰从0.19mg/L降至0.048mg/L，COD从85mg/L降至18mg/L。,第一节 吸附分离操作的基本概念,常用于浓度低，毒性大的有害气体的净化，但处理的气体量不宜过大；

7、 对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率； 当处理的气体量较小时，用吸附法灵活方便。,脱除水分、有机蒸汽、恶臭、HF 、SO2、NOX等。,气体处理,第一节 吸附分离操作的基本概念,一、几种常用的吸附剂 二、吸附剂再生 三、吸附剂的性能要求 四、吸附剂选择的影响因素,第二节 吸附剂,一、几种重常见吸附剂 活性炭、活性炭纤维； 吸附树脂； 特殊吸附剂：活性氧化铝、硅胶、沸石分子筛； 其它吸附剂：褐煤、煤灰、煤灰渣等。,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

8、原料热解成炭渣，温度：200600度 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度； 药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等 比表面积：5001700 m2/g,第二节 吸附剂,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,活性炭的优点：是吸附容量大，抗酸耐碱、化学稳定性好，解吸容易，在高温下进行解吸再生时其晶体结构不发生变化

9、，热稳定性高，经多次吸附和解吸操作，仍能保持原有的吸附性能。 活性炭常用于溶剂回收，溶液脱色、除臭、净制等过程。是当前应用最普遍的吸附剂。,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： (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粘附于有机纤维或玻璃纤维上，也可以与纸浆混粘制成活性炭纸。 (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）活性氧化铝 化学式：Al2O3 n H2O 含水氧化铝加热脱水制成的一种极性吸

10、附剂。 与硅胶相比，具有良好的机械强度 比表面积约为200300m2/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的吸附。,第二节 吸附剂,（四）沸石分子筛 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,具有特定的均匀一致的孔穴尺寸，多孔性的硅酸铝骨架结构。比表面约为8001000m2/g。 这些骨架结构里面有空洞，即所谓“窗口”，窗口的尺寸就限制了可以进入的分子大小。比它小的分子可以进入，比它大的分子就被拒于“窗外”。

11、这样，它只能允许比其微孔孔径小的分子吸附上去，比其大的分子则不能进入，有分子筛的作用，故称为分子筛。,第二节 吸附剂,分子筛(合成沸石)一般可用,式表示的含水硅酸盐。其中M表示金属离子，多数为钠、钾、钙，也可以是有机胺或复合离子。n表示复合离子的价数，y和w分别表示SiO4和H2O的分子数，y又称为硅铝比，硅铝比为2左右的称为A型分子筛，3左右的称为X型分子筛，3以上称为Y型分子筛。 根据原料配比、组成和制造方法不同，可以制成不同孔径(一般从3到8)和形状(圆形、椭圆形)的分子筛。分子筛是极性吸附剂，对极性分子，尤其对水具有很大的亲和力。由于分子筛突出的吸附性能，使得它在吸附分离中有着广泛的应

12、用，主要用于各种气体和液体的干燥，芳烃或烷烃的分离及用作催化剂及催化剂载体等。,第二节 吸附剂,（五）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,二、吸附剂的再生 当吸附进行一定时间后吸附剂的表面就会被吸附物所覆盖，使吸附能力急剧下降，此时就需将被吸附物脱附，使吸附剂得到再生。 吸附剂的再生，即吸附剂脱附，通常采用的方法：提高温度或降低吸附质在气相中的分压，

13、这样的结果：吸附质将以原来的形态从吸附剂上回到气相或液相，这种现象称为“脱附”，所以物理吸附过程是可逆的。吸附分离过程正是利用物理吸附的这种可逆性来实现混合物的分离。,第二节 吸附剂,(1) 升高温度吸附为放热过程。从热力学观点可知，温度降低有利于吸附，温度升高有利于脱附。这是因为分子的动能随温度的升高而增加，使吸附在固体表面上的分子不稳定，不易被吸附剂表面的分子吸引力所控制，也就越容易逸入气相中去。 变温吸附吸附操作通常是在低温下进行，然后提高操作温度使被吸附组分脱附。通常用水蒸汽直接加热吸附剂使其升温解吸，解吸物与水蒸汽冷凝后分离。吸附剂则经间接加热升温干燥和冷却等阶段组成变温吸附过程，吸

14、附剂循环使用。,第二节 吸附剂,(2)降低压力吸附过程与气相的压力有关。压力高，吸附进行得快，脱附进行得慢。当压力降低时，脱附现象开始显著。所以操作压力降低后，被吸附的物质就会脱离吸附剂表面返回气相。有时为了脱附彻底，甚至采用抽真空的办法。 这种改变压力的再生操作，在变压吸附中广为应用。如吸附分离高纯度氢，先是在 1.374.12 MPa压力下吸附，然后在常压下脱附，从而可得到高纯度氢，吸附剂也得到再生。 变压吸附根据系统操作压力变化不同，变压吸附循环可以是常压吸附、真空解吸，加压吸附、常压解吸，加压吸附、真空解吸等几种方法。,第二节 吸附剂,(3) 通气吹扫将吸附剂所不吸附或基本不吸附的气体

15、通入吸附剂床层，进行吹扫，以降低吸附剂上的吸附质分压，从而达到脱附。当吹扫气的量一定时，脱附物质的量取决于该操作温度和总压下的平衡关系。,第二节 吸附剂,(4) 置换脱附向床层中通入另一种流体，当该流体被吸附剂吸附的程度较吸附质弱时，通入的流体就将吸附质置换与吹扫出来，这种流体称为脱附剂。 如果通入的脱附剂，其被吸附程度比吸附质强时，则纯属置换脱附，否则就兼有吹扫作用。脱附剂被吸附的能力越强，则吸附质脱附就越彻底。这种脱附剂置换脱附的方法特别适用于热敏性物质。当然，采用置换脱附时，还需将脱附剂进行脱附。 溶剂置换 在恒温恒压下，已吸附饱和的吸附剂可用溶剂将床层中已吸附的吸附质冲洗出来，同时使吸

16、附剂解吸再生。常用的溶剂有水、有机溶剂等各种极性或非极性物质。,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。 有巨大的内表面 适当的物理特性 廉价易得,具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂.,三、吸附剂的性能要求,第二节 吸附剂,四、吸附剂选择的影响因素,如何选择适宜的吸附剂？ 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,四、吸附剂选择的影响因素,(一)吸附剂结构 (二)吸附质的性质 (三)操作条件,第二节 吸附剂,一、吸附平衡与平衡吸附量 二、吸附等温线 三、单一气体的吸附平衡 四、液相吸附平衡,第三节 吸附平衡理论,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。,当吸附速度和解吸速度相等时，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