环境工程原理电子教案-第9章吸附.ppt

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CO2CaCO3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、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：5001700m2/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”，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。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30-50t；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。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、4.0mm）：碘值1000mg/g，四氯化碳60%，亚甲蓝180mg/g，堆重460-530g/L，灰份10%，强度95%。2.筛下成品炭：碘值1000mg/g，灰份10%。3.破碎炭：碘值1000mg/g，破筛率70%，亚甲蓝180mg/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：1时，式（9.4.4）可以整理为,(9.4.5),当较大时，式（9.4.5）可以迅速收敛，取第一项,(9.4.6),第四节吸附动力学,对上式微分，并设与qm平衡的流体中的浓度为*，可以得到吸附颗粒的吸附速率方程：,(9.4.8),考虑式（9.4.5）所有项时，吸附速率方程为,(9.4.9),四、外表面界面膜阻力和内表面扩散阻力同时存在时的吸附过程,第四节吸附动力学,以i的时间变化为边界条件，由式（9.4.2）可以求得吸附剂颗粒内部的传质速率，可以整理为,(9.4.10),第四节吸附动力学,将式（9.4.10）与（9.4.1）联立，设总传质系数为KF单位为，m/s，得,(9.4.12),(9.4.11),五、外表面界面膜控制时的吸附过程,第四节吸附动力学,外表面界面膜控制通常发生在液相吸附的情况。,(9.4.13),达到颗粒表面的吸附剂被迅速吸附，颗粒内的吸附质平均吸附量为qm，其与液相中吸附质质量浓度的平衡关系为用qmm*表示的直线关系，则吸附速度可以表示为,0时，qm0；rr0时，*qm/m。解（9.4.13）可以求得半径为r0的吸附剂颗粒的吸附量qm与时间关系为,(9.4.14),(1)吸附过程有哪几个基本步骤？(2)吸附过程可能的控制步骤是什么？(3)吸附剂颗粒外表面、内表面扩散速率方程的物理意义何在？,本节思考题,第四节吸附动力学,一、接触过滤吸附二、固定床吸附,本节的主要内容,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,为适用不同的过程特点和分离要求，吸附有各种不同的操作工艺，如：液体接触过滤器固定床吸附塔流化床吸附塔移动床吸附塔,吸附工艺过程,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,一、接触过滤吸附,接触过滤吸附是一种专门用于液体吸附的方法。将吸附剂与被处理的溶液加入到搅拌的吸附槽中，经过足够的接触时间后，将液体和吸附剂分离。,操作方式可以分为单级吸附、多级吸附和逆流吸附等。,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,液体接触过滤器示意图,活性炭,染料废水,处理水,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,（一）单级吸附,G,0,G,1,L,x0,L,x1,溶剂量G和吸附剂量L不变。根据质量守恒定律：,G溶剂量，m3；L吸附剂量，kg；x0,x1吸附质在进、出吸附槽的吸附剂中的浓度，kg（吸附质）/kg（吸附剂）；0,1吸附质在进、出吸附槽的溶液中的浓度，kg（吸附质）/m3（溶剂）。,吸附剂,溶液,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.1),过端点（x0,0）和（x1,1），斜率为L/G的直线。假设在该级操作中，固液之间达到平衡，即为一个理论级，则（x1,1）点在平衡线上。,0,1,x0,x1,x,操作线,平衡线,单级吸附操作线,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,如果吸附平衡关系可用弗兰德里希公式表示，则吸附平衡可表示为：,联立操作线方程和平衡线方程，可求出固、液相的极限浓度x1,1。,如何求出固、液相的极限浓度x1,1？,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,xk1/n,(9.3.13),（二）多级吸附,G,0,G,1,L1,x0,L1,x1,G,2,L2,x0,L2,x2,对于第1级：对于第2级：,第1级,第2级,吸附剂,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.1),(9.5.1),0,1,x0,x1,x,操作线,平衡线,x2,2,A1,A2,如果吸附平衡可表示为：x0=0时，,每一级都是理论级，即（x1,1）和（x2,2）都在平衡线上。,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,xk1/n,(9.5.5),对于最小吸附剂总用量，d(L1+L2)/G/d10对于一定体系和分离要求，k,n,0及2为常数，则得：,即当1符合上式时，总吸附剂用量为最小。由上式求出1,然后再计算各级所需要的吸附剂用量。,吸附剂用量如何计算？,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.6),（三）逆流多级吸附,G,0,1,2,m,L,x1,L,xm+1,x2,x3,1,2,m,上式为逆流吸附操作线方程。理论级数，可通过在平衡线和操作线之间做阶梯确定。,吸附剂,溶液,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,0,xm+1,x1,x,操作线,平衡线,m,理论级数：2,理论级数的图解法,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,B,A,吸附剂量的计算,在给定级数后，过B点作不同斜率的操作线，求出最小吸附剂量。,0,xm+1,x1,x,m,0,xm+1,x1,x,m,（L/G)min,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,（L/G)min,若体系的平衡关系可用弗兰德里希公式表示，且所用的吸附剂不含吸附质，xm+1=0时，吸附剂用量可通过计算求得。以二级吸附为例：,由该式可求得离开第1级的液相组成1，再求出吸附剂用量等其他参数。,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.8),二、固定床吸附,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,(一)穿透点和穿透曲线,固定床吸附器吸附传质过程示意图,吸附带,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,穿透曲线示意图,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,G溶液流入速率，m3/(m2s)；0溶液中溶质浓度，kg/m3；Z固定床吸附塔填充高度，m；B穿透点浓度，kg/m3；E穿透曲线终点浓度，kg/m3；B出口处溶质浓度达到B时的流量，m3/m2；a吸附区移动了吸附区高度za区间的流量，m3/m2。,各符号的意义,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,B,E间被吸附的吸附质量W/(kgm-2)：,吸附塔中的吸附区吸附剂全部被饱和时的吸附量为0a吸附区形成后吸附剂可吸附的吸附量与饱和吸附量之比f为：,（二）穿透时间,1.穿透曲线法,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.10),(9.5.9),设床层的填充密度为b/(kgm-3)与0平衡的吸附浓度为x0/(kg溶质kg-1吸附剂)则吸附塔全部被饱和时的吸附量为zbx0/(kgm-2)穿透点的吸附量（单位为kg/m2）为：穿透点吸附剂的饱和度为：,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.11),假设吸附区不动，吸附塔以一定速度与溶液流向相反的方向移动,假设吸附塔高度与吸附区高度相比足够高，塔顶：吸附剂与溶液中的吸附质达到平衡。塔底：流出的溶液中吸附质浓度为0。,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,2.韦伯（Weber）法,对吸附塔做物料平衡：,*对应操作线的浓度的平衡浓度，kg/m3；KF吸附过程中的总括传质容量系数，1/s。,过原点和平衡线（x0,0）的操作线,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,针对吸附区微小高度dz，溶液中溶质浓度变化为：,(9.5.12),(9.5.13),吸附区高度za=NtHTU0当给定传质单元高度HTU0时，即可以求出za的值。假设za高度中浓度为的层高为z,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.14),(9.5.15),用面积积分法求解式(9.5.15),作出穿透曲线/0为纵坐标，(-B)/a为横坐标,由穿透曲线和式(9.5.10)求出f值,计算穿透点吸附剂的饱和度,计算达到该饱和度的穿透时间,计算吸附区高度,计算吸附量,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,动态吸附量：在流体流动的情况下，流体和吸