环境工程第十一章-吸附极力推荐

第十一章吸附,第一节吸附分离操作的特点,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中的过程称为解吸吸附过程发生在“气固”或“液固”非均相界面,一、吸附分离操作的分类按作用力性质分类：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，可在低温下进行。过程是可逆的，易解吸（被吸附的分子由于热运动还会离开吸附剂表面）相对没有选择性，可吸附多种吸附质（由于分子力是普遍存在的）。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。,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。,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）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,第二节吸附剂,一、常用吸附剂的主要特性吸附容量大：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,二、几种常用的工业吸附剂（一）活性炭活性碳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。碳化：把原料热解成碳渣，温度：200600度活化：形成发达的细孔。两种办法:气体法：通入水蒸汽，温度在8001000度；药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等比表面积：5001700m2/g,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：2nm，占总比表面95：主要支配吸附量过渡孔：2-100nm，10，吸附等温线几乎变成矩形，是不可逆吸附。,弗兰德里希公式参数的求解：对吸附等温式两边取对数：,1/n越小，说明吸附可在相当宽的浓度范围下进行。一般认为1/n=0.10.5时容易吸附,2.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。吸附在吸附剂表面的吸附质分子之间无作用力。,设吸附表面覆盖率为，则可以表示为：,气体的脱附速度与成正比，可以表示为：kd气体的吸附速度与剩余吸附面积(1)和气体分压成正比，可以表示为：kap(1),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,以气体分子的吸附为例：,吸附达到平衡时，吸附速度与脱附速度相等，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，Paq,qm分别为吸附量和单分子层吸附容量，L/kga常数，与吸附剂性质和温度有关，该值越大表示吸附剂的吸附能力越强。,Langmuir公式对于液相吸附，可以写成下式：,y液相中吸附质浓度,Langmuir公式分析：当p（或y）很小时，则：q=aqmp（或q=aqmy）呈亨利定律，即吸附量与流体的平衡分压（或浓度）成正比。当p时，q=qm此时，吸附量与流体的浓度无关，吸附剂表面被占满，形成单分子层。,如何求解langmuir公式参数？公式变换得：,1/y,1/q,1/qm,1/(aqm),由qm可求吸附剂的比表面积S(m2/g)：S=qmNAAmNA：阿佛加德罗常数，=6.0231023mol-1Am：每个被吸附分子所占有的面积,cm2在一定温度下，Am随吸附质不同，其值不同。,随qm单位的不同，可写成不同的式子：S=(qmNAAm)10-20,式中：qmmol/g,式中：qmg/g,式中：qmcm2（标准状态）/g,3.BET公式由Brunaner,Emmett和Teller3人提出的。大多数吸附体系属于II型等温线。基于多分子层吸附，在Langmuir公式基础上推导出来的。假设：吸附分子在吸附剂上是按各个层次排列的。吸附过程取决于范德华引力，吸附质可以在吸附剂表面一层一层地累叠吸附。每一层吸附都符合Langmuir公式。,y流体为气体时，y为吸附质分压；当流体为液相时，y为液相中吸附质浓度。y0流体为气体时，y0为饱和蒸气压p0；当流体为液相时，y0为吸附质溶解度。qm单分子层吸附容量C常数,BET公式通常只适用于比压（p/p0=y/y0）约在0.050.35,五、气体混合物吸附平衡在气体混合物中，如果只有一个吸附质A，其他组分的吸附都可忽略不计，则仍可使用单组分吸附平衡关系估算吸附质A的吸附量。只是用A的分压pA代替p。如果混合物中两个或多个组分都有相当的吸附量，情况就会复杂。一个组分的吸附可增加、降低或不影响另外组分的吸附，这取决于被吸附分子的相互作用。,乙烷-乙烯混合气体的平衡吸附(25，1atm),假设各组分互不影响，则可将Langmuir方程扩展用于含n各组分的混合物，每个组分的吸附量为：,式中，qm,i,qi：都是纯组分吸附时的对应值pi：气相中组分i的分压总吸附量为各组分吸附量之和。,第四节吸附动力学,吸附剂从流体中吸附吸附质的传质过程分以下三步：吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面外扩散吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散内扩散吸附剂在吸附剂的内部表面上被吸附,一般第(3)步的速度很快，吸附传质速率主要取决于第(1)和(2)两步。外扩散速度很慢外扩散控制内扩散速度很慢内扩散控制,1.外扩散速率吸附质从流体主体到吸附剂外表面的传质速率表示如下：,N单位体积吸附床层中，吸附质的扩散速率（kg/(sm3)）q吸附质在吸附剂上的吸附量(kg/kg)S吸附剂颗粒密度(kg/m3)t吸附时间(s)kF流体中的传质系数(m/s)aV单位体积床层中吸附剂颗粒的外表面积(m2/m3)c,ci吸附质在流体主体及颗粒外表面上的浓度(kg/m3),2.内扩散速率吸附质吸附剂外表面到内表面的扩散速率表示如下：,N单位体积吸附床层中，吸附质的扩散速率,kg/(sm3)qi与吸附剂外表面上流体呈平衡的吸附剂外的吸附量,kg/kgq吸附剂上吸附质的平均吸附容量，kg/kgS吸附剂颗粒密度(kg/m3)t吸附时间(s)kS吸附剂外表面至内表面的传质系数，kg/(m2s)aV单位体积床层中吸附剂颗粒的外表面积(m2/m3),吸附剂内部的扩散通常分为两个方面：吸附质在细孔内的扩散吸附质沿细孔内表面上进行的扩散（称为表面扩散）对于气相扩散，表面扩散往往可以忽略不计。,3.总传质速率方程如果吸附过程是稳态，则：,由于吸附剂表面上的吸附质浓度和与它相平衡的吸附剂的吸附量都很难求出，通常应用总传质速率方程：,KF：以流体相浓度差表示推动力的总传质系数，m/sKS：以吸附相吸附量差表示推动力的总传质系数，kg/(m2s)c*：与吸附剂吸附量q呈平衡的液相溶质浓度，kg/m3q*：与液相溶质浓度c呈平衡的吸附剂吸附量,kg/kg,第五节吸附过程与吸附穿透曲线,一、吸附工艺过程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：分级液体接触过滤操作固定床吸附操作流化床吸附操作移动床吸附操作,二、分级液体接触过滤操作1.单级操作,G,Y0,G,Y1,L,X0,L,X1,由于吸附剂量相对于被处理的溶液量很小，忽略吸附剂带走的溶剂量。吸附质优选被吸附，溶液中其他组分的吸附可以忽略。溶剂量G和吸附剂量L不变。,G：溶剂量，kg；L：纯吸附剂量，kgX0,X1：吸附质在进、出吸附槽的吸附剂中的质量比，kg（吸附质）/kg（吸附剂）Y0,Y1：吸附质在进、出吸附槽的溶液中的质量比，kg（吸附质）/kg（溶剂）,单级吸附操作线：过端点（X0,Y0）和（X1,Y1），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,Y1）点在平衡线上。,Y0,Y1,X0,X1,X,Y,操作线,平衡线,如果吸附平衡关系可用弗兰德里希公式表示，且溶液的浓度很小，则吸附平衡可表示为：YmXn,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,Y1,或固液比L/G：X00时,n1,Y0,Y1,X,若要求溶液中吸附质浓度由Y0降低到Y1，n减少，固液比增加，通常认为n为210，吸附性能好。,2.多级错流操作,G,Y0,G,Y1,L1,X0,L1,X1,G,Y2,L2,X0,L2,X1,对于第1级：对于第2级：,第1级,第2级,Y0,Y1,X0,X1,X,Y,操作线,平衡线,X2,Y2,A1,A2,如果吸附平衡可表示为：YmXnX0=0时，,对于最小吸附剂总用量，d(L1+L2)/G/dY10对于一定体系和分离要求，m,n,Y0及Y2为常数，则得：,即当Y1符合上式时，总吸附剂用量为最小。由上式求出Y1,然后再计算吸附剂用量。,3.多级逆流操作,G,Y0,Y1,Y2,Yn,L,X1,L,Xn+1,X2,X3,以整个流程为体系，做吸附质的物料横算：,1,2,N,上式为逆流吸附操作线方程。所需的理论级数，可通过在平衡线和操作线之间做阶梯确定。,Y0,XN+1,X1,X,Y,操作线,平衡线,YN,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，XN+1=0，则得：,由该式可求得Y1，再求出吸附剂用量等其他参数。,三、固定床吸附操作,1.固定床吸附过程分析,固定床顶部吸附传质区形成期：吸附质浓度从顶部入口处由大到0变化。若H足够高，出口液中将不含吸附质。在该区的吸附剂尚未达到饱和之前，随着流体的进入，区内任意一点吸附质的浓度随时间增大，直至固定床流体入口处的吸附剂达到饱和为止。形成一个吸附剂浓度由饱和至0的区域吸附传质区由流体开始流入到此刻所需的时间传质区形成时间传质区高度Ha，此后随流体进入，下移，但高度不变。,吸附传质区下移期：随流体进入，吸附传质区以恒定高度和速度下移。饱和区形成，并不断扩大。固定床分成三个区：饱和区、吸附传质区、未用区传质区内吸附剂浓度随高度而变化吸附负荷曲线传质区下部抵达床层底部时，流出液中的吸附质浓度突然上升，吸附操作达到“穿透点”。吸附传质区离开固定床时期：传质区由开始离开到完全离开吸附床。吸附床完全饱和。,2.吸附负荷曲线和穿透曲线,吸附负荷曲线对于研究固定床内吸附传质机理、固定床的设计计算都非常重要，但直接测定很困难。,H,X,tb,Yb：穿透点时间和吸附质浓度te,Ye：饱和点时间和吸附质浓度Wb,We：tb,te时惰性流体的流出总量,t,Y,穿透曲线可以通过实验测得，影响因素：吸附剂性质、流体性质、速度、吸附平衡等,3.固定床吸附操作的工艺计算1)穿透曲线法,G：流体流经固定床的速率，kg/(m2h)。稀溶液的情况，可按溶液考虑。Y0：流体初始浓度，kg(吸附质)/kg(纯溶剂)。W：t时间时流出溶剂总量，kg/m2。Y：t时间流出物中吸附质浓度,穿透点tb吸附质浓度Yb，流出物总量Wb饱和点te吸附质浓度Ye，流出物总量We穿透曲线出现期间所累积的流出物量为：WaWeWb,设ta为吸附传质区沿床层下移一段等于其本身高度Ha的距离所需要的时间，即为穿透点至流出物浓度Ye时的时间。taWa/G,设te为流体进入床层，经吸附传质区形成，至移出床层所需要的时间：teWe/G,吸附床层总高H，吸附传质区高Ha，则：,tF吸附区形成所需要的时间，s,由穿透曲线可知，吸附传质区内尚可吸附的吸附质容量为：,吸附传质区能吸附的吸附质总量为：,则：,若0，即吸附区中吸附剂基本上被饱和，则床层顶部吸附区的形成时间tF，应基本上与吸附区移动一段等于其本身高度的距离所需的时间ta相同。若1，即吸附区中吸附剂基本上不含吸附质，则吸附区的形成时间很短，基本上等于0。根据以上这两种情况：tF（1）ta,设：X*：与进口流体平衡的吸附剂浓度，kg（吸附质）/kg（吸附剂）S：床层中吸附剂的堆积密度（kg/m3）,达到穿透点时，高度为Ha的吸附区并未饱和，其中的吸附质的量为：,由ta的定义的吸附传质区的移动速度R为：,床层的其余部分，即（H-Ha）中，吸附剂基本饱和，其中吸附质量为：,故穿透点出现时床层的饱和度为：,选定流体的空床速度及其在床内的停留时间，并已知Y0和要求的Yb，可通过实验测出穿透曲线的形状及其出现时间。应用上述的关系式，就可以进行固定床的设计计算。,流体的空床速度根据具体的体系来确定。液体吸附时一般为：0.10.4m/