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1、第9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 基本术语第一节 吸附分离操作的基本
2、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； 具有选择性，单分子层吸附； 化学
3、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位阻效应：当流体通过吸附剂时，只有足够小且形状适当的分子才能扩散进入吸附剂微孔，而其他分子被挡在外。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室内装修中存在误区：有业主认为
4、装修时采用环保材料，装修后用芳香剂、柚子皮、茶叶、醋等弄弄就行了。其实用芳香剂只是用一种气味来掩盖甲醛等有害物质的气味，没有中和或分解有害物质，而用柚子皮、茶叶、醋等 手段吸附，吸附效果是非常差的，只能让您及您的家人中 毒更深！第一节 吸附分离操作的基本概念室内装修中存在误区：有业主问：我没闻到刺激性气味，怎么会超标呢？居室内空气中甲醛卫生标准（最高容许浓度）规定为 0.08mg/m3.甲醛超标3倍以下时，一般是闻不到刺激性气味的 ，当闻得到刺激性气味时已超标4至8倍以上，足以令您及您的家人受到伤害。而这种闻不到的气体更恐怖，因为您会不 知不觉的中毒，当发现时已经晚了尤其到了夏天，温度高了，甲
5、醛等有害物质的释放量也高了，还要把门窗关闭起 来开空调，室内空气不能与外界对流，有害物质会越积越多 ，危害也会越大。况且每个人对甲醛等有害气体的敏感程度 是不一样的，没闻到刺激性气味，不表示不超标。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(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
6、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
7、、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 回顾世界活性炭的发展历史，有两个主要的事件推动了活性炭事业的发展，一是第一次世界大战化学武器的应用；二是1927年发 生在美国芝加哥自来水厂的饮用水恶臭事件。 1915年德军在比利时对毫无准备的英法联军使用6000个钢瓶施放化学毒气氯气18万公斤，造成士兵伤15000余人，其中约5000人丧 生。有“矛”必然会发明“盾
8、”，有化学毒气必然会发明防毒武器 。两个星期后，军事科学家就发明了防护氯气武器，他们给前线的 每个士兵发了一种特殊的口罩，这种口罩里有用硫代硫酸钠和碳酸 钠溶液浸过的棉花。这两种药品都有除氯的功能，能起到防护的作 用。第二节 吸附剂 但是如果敌方改用第二种毒气，这种口罩就无用武之地了。事实也是如此。此后不到一年，双方已经用过几十 种不同的化学毒气，包括人们现今熟知的介子毒气及氢氰 化合物。因此人们一直在寻找一种能使任何毒气都失去毒 性的物质才好。这种百灵的解毒剂在1915年才被科学家找 到，它就是活性炭。到1917年，交战双方的防毒面具里都 装上了活性炭，毒气对交战士兵的危害程度就大大降低了
9、。第二次世界大战中德国首次利用介子气引发了毒气战争 ，人们就开始寻求避免受到毒气侵害的方法，而活性炭正 是因为其能高效防止毒气的侵害，被广泛应用于战争。这 样就刺激了世界各国对活性炭的研究和生产。第二节 吸附剂 1927年美国芝加哥自来水厂发生了广大居民难以接受的自来水恶臭 事件。这是由于原水中苯酚和消毒用的氯发生异臭所致。后来，德国等 地的自来水厂也发生了同样的事件，而这些事件都是用活性炭处理解决 的。从此以后，环境保护日益受到重视，政府的法令也日趋严格，不仅 在净水方面，在其他领域也得到广泛应用，由此，活性炭进入全面发展 阶段。 50年代以前, 我们国家还没有活性炭的加工企业，每年进口30
10、-50t ；50年代到1981年，国产活性炭开始上市，特别是1966年，从苏联引进 斯列普活化炉后有了规模化生产，国内生产能力逐步提升至10000t/a； 80年代末期到90年代末期，进入改革开放以后，国内开始建设大量的活 性炭厂，其规模也飞速发展，生产能力逐步从10万t/a发展到12万t/a； 2000年到2008年，生产能力持续增长，现已达到每年20余万t。第二节 吸附剂生产工艺流程 褐煤、烟煤和无烟煤均可作为活性炭的原料。国内的煤 质活性炭原料主要采用山西大同地区的弱粘结性烟煤和 宁夏的太西无烟煤。以太西无烟煤为主原料的合格原料煤 入厂后，被粉碎到一定细度（一般为200目），然后配入适
11、量黏结剂（一般为煤焦油）在混捏设备中混合均匀，然后在 一定压力下用一定直径模具挤压成炭条，炭条经炭化、活化 后，经筛分、包装制成成品活性炭。 其工艺框图如下所示：第二节 吸附剂活性炭生产工艺流程图 活化：赋予炭颗粒活性，使炭形成多孔的微晶结构，具有发达的表面积的过程称 为活化过程。活化方法通常有三种，即化学药品活化法、物理化学联合活 化法和物理活化法（1）化学药品活化法即将含碳原料与化学药品活化剂混捏，然后炭化、活化制取活性炭。药品 有ZnCl2,H3PO4,K2SO4及K2S等。（2）物理化学联合活化法一般先进行化学药品活化，然后进行物理活化。由物理活化法特别是用水 蒸气活化制成的产品，微孔
12、发达，对气相物质有很好的吸附力，当然也可 以通过控制炭的活化程度而用于液相吸附；由化学药品活化法制得的活性 炭次微孔发达，多用于液相吸附。（3）物理活化法（气体活化法）在活化过程中通入气体活化剂如二氧化碳，水蒸气，空气等。第二节 吸附剂活化反应通过以下三个阶段最终达到活化造孔的目的： 第一阶段：开放原来的闭塞孔。即高温下，活化气体首先与无序碳 原子及杂原子发生反应，将炭化时已经形成但却被无序的碳原子及 杂原子所堵塞的孔隙打开，将基本微晶表面暴露出来。 第二阶段：扩大原有孔隙。在此阶段暴露出来的基本微晶表面上的 碳原子与活化气体发生氧化反应被烧失，使得打开的孔隙不断扩大 、贯通及向纵深发展 。
13、第三阶段:形成新的孔隙。微晶表面上的碳原子的烧失是不均匀的， 同炭层平行方向的烧失速率高于垂直方向，微晶边角和缺陷位置的 碳原子即活性位更易与活化气体反应。同时，随着活化反应的不断 进行，新的活性位暴露于微晶表面，于是这些新的活性点又能同活 化气体进行反应。微晶表面的这种不均匀的燃烧不断地导致新孔隙 的形成。 随着活化反应的进行，孔隙不断扩大，相邻微孔之间的孔壁被完全 烧失而形成较大孔隙，导致中孔和大孔孔容的增加，从而形成了活 性炭大孔、中孔和微孔相连接的孔隙结构，具有发达的比表面积。 气体活化的基本反应式如下：活性炭产品一般质量要求 1.成品炭（1.5mm、3.0mm、3.8mm、 4.0m
14、m）：碘值1000 mg/g，四氯化碳 60%，亚甲蓝180 mg/g，堆重460-530g/L， 灰份10%，强度95%。 2.筛下成品炭：碘值1000 mg/g，灰份10% 。 3.破碎炭：碘值1000 mg/g，破筛率70%， 亚甲蓝180 mg/g。第二节 吸附剂a.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：10，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
15、围下进行。 一般认为 1/n = 0.1 0.5 时容易吸 附。 第三节 吸附平衡 lg plg q2. 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)
16、qm为吸附剂表面所有吸附点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？1/p1/q1/qm1/(k1qm)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
