环境工程原理课件-第09章吸附

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,基本术语,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。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：5001700m2/g,二、几种常用的吸附剂,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，可以表示为整理为,(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（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，kgx0,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,吸附剂量的计算,在给定级数后，过B点做不同斜率的操作线，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(kg/m2)：,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.韦伯（Weber）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(kg/m3)与0平衡的吸附浓度为x0(kg-溶质/kg-吸附剂)则吸附塔全部被饱和时的吸附量为zbx0(kg/m2)穿透点的吸附量（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,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，流体和吸附剂之间的平衡关系，与体系及温度、压力，物质的传质速率、流体的流动形状以及吸附剂的形状尺寸等性质有关。静态吸附量：静止时的吸附平衡（吸附等温线）动态吸附量一般小于静态吸附量,动态吸附量与静态吸附量,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,2.伯哈特-亚当斯（Bohart-Adams）法通过实验发现，在一定的初始浓度、空床速度和达到一定的穿透浓度的条件下，固定床的床高和穿透时间呈直线关系。该关系又称BDST法（BedDepthServiceTime)。利用该关系可以较方便地计算时间：,式中，tb穿透时间，h;N0吸附剂的动态吸附容量，kg/m3；z床高，m;0入口料液中吸附剂浓度，kg/m3;v空床线速度，m/hK比例系数，m3/(kgh);B穿透浓度，kg/m3,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,可以进一步简写为：,由实验数据，作tb和z的直线，即可求得B和A的值。,注意：z-t之间的关系是在一定初始浓度c0和一定空床速度v条件下测定的。,第五节吸附操作与吸附穿透曲线,tb=BzA,(1)常见的吸附分离设备和操作方式有哪些。(2)接触过滤吸附中，单级吸附、多级吸附和多级逆流吸附的平衡线和操作线关系如何，画示意