吸附方面的综述

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1、目录1. 吸附概述 21.1吸附概念 21.2.1 吸附作用产生的原因21.2.2 物理吸附与化学吸附21.2.3 吸附平衡31.2.4 吸附量31.2.5 吸附热41.2.6 竞争吸附42. 吸附剂 42.1吸附剂的性能要求42.2吸附剂种类52.2.1 常用吸附剂52.2.2 改性吸附剂72.2.2 生物吸附剂102.3吸附剂的再生103. 影响吸附的因素 113.1 影响气体吸附的因素113.2 溶液中的吸附影响因素114. 吸附动力学原理 124.1 扩散 124.2 穿透曲线与传质区145. 吸附等温线及其分类 156. 吸附的操作方式 17吸附1. 吸附概述1.1吸附概念吸附（ad

2、sorption）是指在固相一气相、固相一液相、固相一固相、液相一气相、液相液相等体系中，各种气体、蒸气以及溶液里的溶质被吸着在固体或液 体物质表面上的现象。几乎所有的吸附现象都是界面浓度高于本体相（正吸附： positive adsorption），但也有些电解质水溶液，液相表面的电解质浓度低于 本体相（负吸附：nega tive adsorp tion）。被吸附的物质称为吸附质，具有吸 附作用的物质称为吸附剂，大多数吸附剂为固相。1.2吸附原理及有关定义1.2.1吸附作用产生的原因吸附剂之所以具有吸附能力，是因为其表面具有过剩的能量一一称作“表面 自由能”（又称“表面自由力场或表面引力场”

3、）。物体表面层分子的性质与内 部分子的性质有所不同。在图1中，以xy为液一气分界面，A为液体内部某一 分子， B 为表面层上的某一分子。可以看出 A 受到周围分子的吸引， 并且在各 个方向上受力相等， 合力为零。而 B 分子则不然， 它一方面液体内部分子的吸 引; 另一方面， 又受到液体外部气体分子的吸引。由于气体密度比液体密度小得 多， 它对 B 分子的引力可略去不计， 因此可认为表面层分子只受到液体内部分图1分子.受力示意图子的引力，其合力方向垂直液面而指向 液体内部，从而使液体有尽量缩小表面 积和降低位能的趋势。这一趋势之所以不 能一直发展下去，是因为液体表面存在 一种对抗其表面积缩小的

4、作用力，这就 是“表面张力”。表面张力的存在，使表 面层分子比内部分子具有更多能量， 这部分多余的能量就叫做“表面自由能”。事实上， 不仅液一气界面上有表面张力， 任何能形成界面的体系（如固一气界 面、固一一一液界面） 都存在性质相同的“界面张力”。表面张力的减小是吸附 作用发生的热力学原因。1. 2. 2物理吸附与化学吸附按照吸附剂表面与吸附质分子间作用力的不同， 吸附可分为物理吸附及化 学吸附两种。伴有吸附质与吸附剂间发生化学作用的吸附过程，称为化学吸附； 相反，不发生化学作用的称为物理吸附。物理吸附，吸附剂和吸附质之间通过分子间力（也称“范德华”力）相互吸引， 形成吸附现象，在吸附过程中

5、物质不改变原来的性质，吸附能较小。吸附质分子 和吸附剂表面分子之间的吸引机理，与气体的液化和蒸汽的冷凝时的机理类似。物理吸附的特点是： 通常是放热过程，但放热不大，大约20KJ mol-l。物理吸附只取决于 气体的物理性质及固体吸附剂的性质，不像化学吸附那样具有较强的选择性。 物理吸附的吸附速率很快，因而吸附速率受温度影响很小，有时即使在低温条件 下，吸附速度也是相当快的。在低压下物理吸附可能的吸附层一般是单分子层, 随着气压增大，吸附层可以变为多层。物理吸附通常是可逆过程，被吸附的物 质很容易再脱离，如用活性炭吸附气体，只要升高温度，就可以使被吸附的气体 逐出活性炭表面。化学吸附，被吸附的分

6、子和吸附剂表面的原子发生化学作用，在吸附质和吸 附剂之间发生了电子转移、原子重排或化学键的破坏与生成等现象。在吸附过程 中物质发生了化学变化，不再是原来的物质了，一般催化剂都是以这种吸附方式 起作用的。化学吸附所放出的能量比物理吸附大得多，其数量相当于化学反应热。 化学吸附热量一般为-13-83.74418.68KJ。化学吸附的特点是：化学吸附的吸 附热比物理吸附过程大，与化学反应热接近。化学吸附有很强的选择性，仅能 吸附参与化学反应的某些气体。化学吸附速度受温度影响很大，随温度的升高 而显著变快。化学吸附是单分子层或单原子层吸附。化学吸附一般是不可逆 的，吸附比较稳定，被吸附气体不易脱附。吸

7、附过程往往既有物理吸附也有化学吸附。对同一吸附剂在较低温度下，吸 附某一种气体组分可能进行物理吸附，而在较高温度下，所进行的吸附都是化学 吸附，但大多情况下都是几种吸附作用的综合结果。1.2.3 吸附平衡在等温吸附过程中，当两相在一定温度下充分接触，最后达到吸附质分子到 达吸附表面的数量和吸附剂表面释放吸附质的数量相等，即达到吸附平衡。1.2.4 吸附量吸附剂的吸附量是评价和选择吸附剂的重要的基本参数。吸附量分静吸附量（平衡吸附量）与动吸附量两种。静吸附量是指在一定温度下，达到吸附平衡时，单位吸附剂对吸附质的吸附 达到饱和吸附量时为吸附剂的最大吸附量，也称静活性。动吸附量则是吸附过程 还未达到

8、平衡时吸附剂对吸附质的吸附量，也称动活性。1.2.5 吸附热吸附剂和气体或液体混合物相接触时, 伴随吸附过程所产生的热效应称为 “吸附热”, 它是表征吸附现象的特征参数之一。对绝大多数吸附体系来说, 吸附过程是放热过程, 而脱附过程则是吸热过 程。吸附热可以比较准确地表示吸附剂的活性及吸附能力的强弱, 在吸附剂选 择、吸附设备能量衡算及吸附过程的控制方面都很有帮助。物理吸附的吸附热一 般接近其吸附质的液化热（此外还含有润湿热, 但量很小） 。它首先由吸附质的 性质决定, 其次受吸附剂的性状的影响。1.2.6 竞争吸附竞争吸附是指多个组分在吸附剂表面进行吸附时所发生的相互竞争现象。这样的吸附过程

9、可能是不同组分分别吸附在不同类型的活性中心上，也可能是都吸附在 相同类型的活性中心上。对于后者，各个组分吸附量的多少，取决于各个组分与活性中心作 用力的强弱，强者的吸附量大，这种现象就是竞争吸附。2. 吸附剂吸附过程中具有吸附作用的物质称为吸附剂。2.1 吸附剂的性能要求在吸附分离过程中，吸附剂的性能是关键。工业吸附剂要具备下列条件才有 实用价值： 大的比表面积，均匀的颗粒尺寸。工业应用的吸附剂如活性炭、分子筛、 硅胶等，都是具有许多细孔巨大内表面积的固体，吸附剂之所以具有巨大的表面 积是因为具有发达的微孔结构。 吸附剂对被吸附的吸附质要具有良好的选择性且与气相中组分不发生化 学反应以期获得明

10、显的吸附效果，同时越能获得纯度较高的产品。 吸附剂要具有良好的再生性能。在工业上用吸附法分离和净化气体的经济 性和技术可行性，在很大程度上取决于吸附剂能否再生。可再生的吸附剂不仅可 以重复使用，而且还减少了对废吸附剂的处理问题。吸附容量不因吸附脱附运 行而明显衰减。再生后吸附剂残余吸附质少。 吸附剂应具有大的吸附容量，且水蒸汽吸附容量较低。吸附容量是在一定 温度和一定吸附质浓度下，单位重量或单位体积的吸附剂所能吸附的吸附质的最 大量。吸附剂的吸附容量与吸附剂的比表面积，孔穴的大小，分子的极性大小及 官能团的性质有关。吸附剂的吸附容量越大，吸附操作所用的吸附剂数量越少， 从而吸附装置也相应越小，

11、投资也相应降低。 吸附剂要有良好的机械强度、耐磨性、热稳定性及化学稳定性。 所选用的吸附剂应具有良好的吸附动力学性质。越快达到吸附平衡，吸附 区域越窄，所设计的吸附柱越小，同时可以允许的空塔速度也越大，相应地气体 流量也可以越大。 受高沸点物质影响小。高沸点物质在吸附以后，很难被脱附，它们会在吸 附剂中集聚，从而影响吸附剂对其他组分的吸附。较小的压力损失：这与吸附 剂的物理性质和装填方式有关。具有一定的商业规模及合理的价格。2.2吸附剂种类 2.2.1常用吸附剂常用吸附剂主要有活性炭、分子筛、硅胶、活性氧化铝等。 活性炭:活性炭是应用最早用途较广的一种优良吸附剂。它是把各种木材、 木屑、果壳、

12、果核、泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤以及各种含碳的工业废物干馏碳 化，并经活化处理而得到的。碳化温度一般低于873K，活化温度为11231173K。 活化剂一般采用水蒸气或热空气，近年来，也有用氯化锌、氯化镁、氯化钙及硫 酸等化学药品作为活化剂。由于生产工艺比较复杂，活性炭吸附剂的价格较贵。 活性炭具有非常丰富的微孔，比表面积在5001500 m2g-1，活性炭的比表面 积最大，故其具有优异的吸附能力。它的用途几乎遍及各个工业领域，可用于溶 剂蒸汽的回收，烃类气体提浓分离、动植物油的精制、空气或者其它气体的脱臭、 水和其它溶剂的脱色等。近年来，活性炭吸附剂在环境保护方面也得到广泛应用， 用它处理工业

13、废水及治理某些气态污染物。应用活性炭吸附剂时，应特别注意其 易燃易爆的特性。与大多数其它吸附剂相反，活性炭的表面具有氧化物基团和无 机物杂质因而是非极性或弱极性的。因此，活性炭具有下述优点：（1）它是用于完成分离与净化过程中唯一不需要预先严格干燥的工业吸附剂。（2）它具有尽可能达到的大的内表面积，因此它比其它吸附剂能吸附更多的非 极性和弱极性的有机分子。例如，在一个大气压和室温下被活性炭吸附的甲烷量 几乎是同等重量5A分子筛吸附量的两倍。（3）一般来说，活性炭的吸附热或键的强度要比其它吸附剂低，因而吸附分子 的解吸较为容易，而且吸附剂再生时的耗能也比较低。 沸石分子筛：沸石分子筛主要是指人工合

14、成的泡沸石，它属于多孔性的硅 酸铝骨架结构。分子筛具有均匀一致的孔穴尺寸，其孔径的大小相当于分子（或 离子）的大小。不同型号的沸石分子筛有不同的有效孔径。一定结构的分子筛， 有一定的孔穴直径，比孔穴直径小的气体分子可进入孔穴内被吸附，比孔径大的 气体分子则不能被吸附，从而起到筛分分子的作用，故称分子筛。具有分子筛作用的物质很多，如沸石、炭分子筛、微孔玻璃、有机高分子或 某些无机物膜等，其中沸石分子筛应用最广。沸石有天然沸石和人工合成沸石。 天然沸石种类很多，但并非所有天然沸石都具有工业价值，目前实用价值比较大 的有；斜发沸石、镁沸石、毛沸石、片沸石、钙十字沸石、丝光沸石等。天然沸 石虽然有种类

15、多、分布广、储量大、成本低等优点，但它的杂质多，纯度不高， 有些性能不如合成沸石。所以人工合成沸石在生产中占有相当地位，我国于 1959 年首次合成A型、X型、Y型沸石分子筛并迅速投入生产。沸石的人工合成方 法大致可分为水热合成法与碱处理法两类。其方法是将含硅、含铝、含碱的原料 按一定比例配成溶液，在室温至 333K 范围内加热搅拌制成硅铝凝胶，将硅铝凝 胶置于反应器中，利用蒸汽加热至 373K 左右，沸石即可从凝胶中结晶出来。然 后经过水洗，加入粘合剂制成一定形状，烘干后在 673873K 左右温度下活化即 得常用的合成沸石分子筛。由于沸石分子筛具有许多优良的性能，所以在生产上 广泛被采用。在环境保护方面，常用它进行脱硫、脱氮、含汞蒸汽的净化及其它 有害气体的治理。 硅胶：硅胶是一种坚硬多孔的固体颗粒，一般作为0.27mm的粒状或球 状体来应用，其分子式为SiO2nH2O。硅胶的制备方法是将水玻璃（硅酸钠）溶 液用酸处理，然后再将得到的硅凝胶经老化、水洗，在 368K403K 温度下，经 干燥脱水制得、硅胶是工业上常用的一种吸附剂，实验室所用的硅胶是经干燥脱 水并加入钴盐作指示剂的硅胶，在无水时呈蓝色，吸水后变为淡红色。硅胶吸水 容量很大，它从气体中吸附的水分量最高可达硅胶自身重量的50%。吸水后的饱 和硅胶，可通过加热方法（573K）将其吸附的水分脱附，得到再生