环境工程原理第09章吸附

1、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（不讲） 第三节 吸附平衡第四节 吸附动力学（略讲）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（不讲）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

2、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CO2 CaCO3 吸附热大，一般在较高温下进行；

3、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.常用吸附剂的主要特

4、性第二节 吸附剂沸石分子筛化学式：Mex/n(AlO2)x (SiO2)y mH2O其中Me阳离子，n为原子价数，m为结晶水分子数沸石分子筛由高度规则的笼和孔组成每一种分子筛都有相对均一的孔径，其大小随分子筛种类的不同而异。强极性吸附剂，对极性分子如H2O、CO2、H2S等有很强的亲和力，对氨氮的吸附效果好，而对有机物的亲和力较弱。第二节 吸附剂吸附剂的选择如何选择适宜的吸附剂？需要根据被分离对象、分离条件和吸附剂本身的特点确定需要进行试验研究第二节 吸附剂一、单组分气体吸附二、双组分气体吸附（不讲）三、液相吸附（略讲）本节的主要内容第三节 吸附平衡 在一定条件下，当流体（气体或液体）和吸附剂

5、接触，流体中的吸附质将被吸附剂所吸附。吸附速度解吸速度当吸附速度和解吸速度相等时，流体中吸附质浓度不再改变时 吸附平衡 吸附剂吸附能力用吸附量q表示。定义为单位质量吸附剂所吸附吸附质的质量或物质的量。单位为kg kg-1、mol kg-1 吸附平衡与平衡吸附量 第三节 吸附平衡 气相单组分吸附 气体混合物中，只有某一种组分被吸附液相单组分吸附 液相混合物中，只有某一种组分被吸附气相多组分吸附 气体混合物中，两种以上的组分被吸附液相多组分吸附 液相混合物中，两种以上的组分被吸附第三节 吸附平衡 （一）吸附平衡理论一、单组分气体吸附不同温度下NH3在木炭上的吸附等温线 分压较低：近似为直线分压较高

6、：趋于平缓第三节 吸附平衡 q=f(p,T)(9.3.1)温度一定时，称为吸附等温线1.弗兰德里希（Freundlich）方程：q平衡吸附量k和吸附剂种类、特性、温度以及所用单位有关的常数n常数，和温度有关p吸附质气相中的平衡分压, Pa随着p增大，吸附量q随之增加。但p增加到一定程度后，q不再变化。1/nqkpFreundlich方程为经验公式。压力范围不能太宽，低压或高压区域不能得到满意的实验拟合结果。第三节 吸附平衡 (9.3.2)弗兰德里希公式参数的求解：对吸附等温式两边取对数：1lglglgqkpnk 双对数坐标1/n第三节 吸附平衡 2. 朗格谬尔（langmuir)公式方程推导的

7、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：ka p(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。mqq第三节 吸附平衡 (9.3.3)pkkda1吸附达到平衡时，吸附速度与脱附速

8、度相等，则：整理后可得单分子层吸附的Langmuir方程： 111mk q pqk pp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/kgk1Langmuir平衡常数，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)dakkk 1其中：如何求解langmuir公式参数？11111mmqk qpq1/p1/q1/qm1/(k1qm)11mmppqqk q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

9、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公式由Brunaner, Emmett和Teller 3人提出的。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。第三节 吸附平衡 00()(1(1)bmbk pqqpppkpp0吸附质组分的饱和蒸气压qm吸附剂表面完全被吸附质单分子层覆盖时的吸附量kb常数，与温度、吸附热和冷凝热有关。BET公式中的参数qm和kb可以通过实验测定。第三节 吸附平衡

10、(9.3.6)1.液相吸附的特点液相吸附的机理比气相复杂。在吸附质发生吸附时，溶剂也有可能被吸附。影响因素包括：除温度和溶质浓度外，溶剂种类、吸附质的溶解度和离子化、各种溶质之间的相互作用等。在溶剂的吸附作用忽略不计时，可以认为是单组分吸附。三、液相吸附第三节 吸附平衡 二、双组分气体吸附（不讲）2.吸附等温式Freundlich吸附等温方程式：q 平衡吸附量，kg/kgk 和吸附剂种类、特性、温度以及所用单位有关的常数n 常数，和温度有关 吸附质在液相中的平衡浓度, mg/L1/nqk第三节 吸附平衡 (9.3.13)第三节 吸附平衡 一、吸附剂颗粒外表面界膜传质速率 二、吸附剂颗粒内表面扩

11、散速率三、内表面扩散阻力控制的吸附过程四、外表面界膜阻力和内表面扩散阻力同时 存在时的吸附过程五、外表面界膜控制时的吸附过程本节的主要内容第四节 吸附动力学（略讲）（1）吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面外扩散（2）吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散内扩散（3）吸附质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多见吸附剂从流体中吸附吸附质的传质过程第四节 吸附动力学一、接触过滤吸附二、固定床吸附（不讲）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

12、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, 0G, 1L, x0L, 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

13、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）0110()()GL xx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。01x0 x1x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

14、xk1/n(9.3.13)011/1/()nL Gk或已知x1, 1，求固液比L/G：x00时n1 0 1x-L/G(9.5.2)（二）多级吸附G, 0G, 1L1, x0L1, x1G, 2L2, x0L2, x2对于第1级：对于第2级：第1级第2级01110()()GL xx12220()()GL xx吸附剂第五节 吸附操作与吸附穿透曲线 (9.5.1)(9.5.1) 0 1x0 x1x 操作线操作线平衡线平衡线x2 2A1A2如果吸附平衡可表示为：x0=0时，0112121/1/121nnLLGk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

15、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：1/0121111nnn 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 2G, mL, x1L, xm+1x2 x312m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 对第m级做物料衡算：11()()mmmmGL xx(9.5.7a)以整个流程为体系，做吸附质的物料衡算：011()()mmGL xx(9.5.7b)0 xm+1x1x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