新型复合吸附剂sio

新型复合吸附剂sio

在空气干燥、除湿和空气提取的应用中，吸附剂的吸附、分吸能体系的性能和效率起到了重要作用。我用了很多普通的干燥剂，比如分子筛、橡胶等，但它们的平衡吸附能力并不高。在这项工作中，我们开发了一种由粗孔球形凝胶和氯化钙组成的复合吸附剂。xh2oycacl2。该复合吸附剂的特点是用浸泡法将粗孔中的球形凝胶浸泡到不同浓度的氯化钙溶液中，将氯化钙引入硅孔，并对其进行加热和干燥。结果表明，该吸附剂的吸附能力明显优于通常的吸附干燥剂（粗孔球形凝胶、细孔球形凝胶和分子筛13x），不仅可以平衡吸附剂的吸附能力，而且可以直接影响固碳吸收和水过滤的速度。为了更好地在实际生产和生活中使用这种复合干燥剂，我们需要了解其吸附动力学特性，即传质过程。在对复合颗粒结构进行分析的基础上，本文对其吸附动力学特性进行了理论和实验研究。1复合吸附剂复合吸附法复合吸附剂吸附湿空气中水蒸气的过程:a.水蒸气穿过复合吸附剂颗粒外两相界面的边界膜扩散进入颗粒孔隙内,称之为外扩散;b.水蒸气通过固体吸附剂颗粒(包括复合吸附剂和氯化钙水合物的混合物)孔隙的扩散,称之为内扩散;c.水蒸气在复合吸附剂内表面的物理吸附;d.水蒸气在复合吸附剂内表面与氯化钙生成水合物的化学吸附及进入氯化钙溶液的吸收过程.吸附过程见图1.吸附质的传递阻力在4个阶段并不都是相同的,某一阶段的阻力越大,克服此阻力产生的浓度梯度越大,其中最慢的过程起控制作用,常用最慢阶段的数学表达式代表整个传递过程.在复合吸附剂吸附水蒸气过程中,由于第c、d阶段的速度很快,故它们的影响忽略不计.因此,只要研究第a、b阶段的速度,就可了解复合吸附剂干燥空气的吸附动力学特性.下文结合文献中复合吸附剂孔隙结构测试结果,分别讨论第a、b阶段的扩散过程.1.1流体特性参数水蒸气在空气相本体和多孔颗粒外表面间(界膜)的物质传递由分子扩散所控制.流动相呈湍流流动时,物质传递速率由为控制边界层厚度的涡流扩散所决定.传质速率可表示为∂x∂t=kfap(c-ci)(1)∂x∂t=kfap(c−ci)(1)式中x——吸附量,kg/kgt——吸附时间,skf——流动相的流体传质系数,m/sap——单位质量吸附剂的颗粒外表面积,m2/gc——流体相吸附质组分的质量浓度,g/m3ci——吸附剂颗粒表面上吸附质组分的质量浓度,g/m3流动相的流速大小和流体物性对流体侧的传质系数的关系已经提出了一些经验关系式,提出的无因次数群当雷诺数不同时,表示为当Re<100时kfDpDAB=2.0+1.45Sc1/3Re1/2(2)kfDpDAB=2.0+1.45Sc1/3Re1/2(2)当Re>100时kfDpDAB=2.0+0.90Sc1/3Re3/5(3)kfDpDAB=2.0+0.90Sc1/3Re3/5(3)式中Re=VDp/νDp——吸附剂颗粒直径,mSc——施密特数,Sc=ν/DAB其中V——气相主体流的速度,m/sν——运动黏度,m2/sDAB——水蒸气在空气中的分子扩散系数,m2/s1.2knudsen扩散在湿空气条件下,水蒸气的分子平均自由程约为45nm.根据文献对吸附剂的孔隙结构测试结果,所研制的不同氯化钙质量分数的复合吸附剂平均孔径范围为5.47～7.5nm,粗孔球形硅胶的平均孔径为4.81nm.因此,水蒸气在粗孔球形硅胶和复合吸附剂颗粒孔道中的扩散均为knudsen扩散.颗粒内部的平均吸附量x和与颗粒表面浓度成平衡的吸附量xi之间可以得到下列关系式dxdt=ADin,eρpβR2p(xi-x)(4)dxdt=ADin,eρpβR2p(xi−x)(4)式中Rp——吸附剂颗粒半径,mA——常数,A=15ρp——吸附剂颗粒密度,g/cm3β——Henry常数,β=0.83Din,e——以吸附质浓度为基准时的有效扩散系数,m2/s1.3和流体的表征对于一个固定的吸附剂,如果γ表示填充密度,av表示单位体积吸附剂的颗粒外表面积,ap表示单位质量吸附剂的颗粒外表面积,由式(4)可以导出如下吸附速度表达式dxdt=kfavγ(c-ci)=kfap(c-ci)=ksavγ(xi-x)=ksap(xi-x)(5)dxdt=kfavγ(c−ci)=kfap(c−ci)=ksavγ(xi−x)=ksap(xi−x)(5)式中ksap=ADin,eρpβR2pks,kf——内、外扩散传质系数但是,要求出吸附剂表面上的浓度ci和与它呈平衡的吸附量xi都很困难.所以,如果把和流体本身浓度c成平衡的吸附量以xe表示,把和吸附量x相对应的平衡浓度用ce表示,利用Henry公式可以把式(5)变为下列形式dxdt=kfap(c-ci)=kfapβ(xe-xi)=ksap(xi-x)=(xe-x)/(βkfap+1ksap)=(c-ce)/(1kfav+1βksav)=Κsap(xe-x)(6)其中Κsap=1/(βkfap+1ksap)(7)Ks称为总传质系数.显然,Ksap与吸附剂的表面几何特征以及吸附剂与吸附质的作用力有关,有时将Ksap称为表面扩散速度系数.2单颗粒吸附剂系统的吸水扩散速度系数的理论计算2.1外扩散速度系数kf外扩散传质系数与吸附剂颗粒直径、空气流速和水蒸气在空气中的颗粒分子扩散系数等物性有关.根据文献知,复合吸附剂CA2的相关物性参数由表1所示,由文献查得25℃时,水蒸气的DAB为25.6×10-6m2/s.由式(1)、(2)可分别得:当v=0.35m/s时,kf=0.094;当v=1.65m/s时,kf=0.209.从上面的结果可以看出,流体相速度的增大,外扩散传质系数kf有明显的增长.当v从0.35m/s增加到1.65m/s时,流体相的传质系数kf增加了1倍多.单位质量吸附剂颗粒外表面积ap=πD2pn=πD2p6πD3pρp=6Dpρp(8)式中n——单位质量吸附剂颗粒数目根据表1给出的CA2颗粒直径和颗粒密度数据,得ap=1.76×10-3m2/g,则可求出两种风速下的外扩散速度系数.当v=0.35m/s时,kfap=1.65×10-4;当v=1.65m/s时,kfap=3.68×10-4.2.2表面扩散速度系数ksap由文献知,复合吸附剂CA2的内扩散有效传质系数Din,e=2.33×10-7m2/s.根据式(4)、(6)和表1中CA2的物性参数,可计算出内扩散速度系数ksap=1.327.由上面计算的外扩散速度系数、内扩散速度系数和式(7),可求出总的表面扩散速度系数理论值.当v=0.35m/s时,Ksap=1.98×10-4;当v=1.65m/s时,Ksap=4.43×10-4.3ca2吸附速度的测量和参数的设置为了分析复合吸附剂的速度控制步骤,对复合吸附剂样品CA2(氯化钙质量分数为27.3%)在同一空气温、湿度(25℃、60%)条件下,不同风速的吸附速度进行了实验测试.采用一个可视箱测试吸附速度,实验系统见图2.低温湿热箱可以控制箱体内的空气温度和相对湿度不变,由它来提供恒定温度和相对湿度的空气来流,由风机控制空气的流量.可视箱的底部是金属多孔板,起均匀流速场的作用.空气从可视箱底部进入,从顶部流出,在箱内形成均匀的流速场.复合吸附剂铺放在多孔不锈钢丝网上(颗粒之间的距离大于3个颗粒直径,以避免颗粒之间的影响,形成单颗粒吸附剂系统),钢丝网放在电子天平上,采用称重法测试吸附量的变化,采用QDF-3型热球风速计(测量范围0.05～30m/s,最小检测量为0.05m/s)测量空气流速.在风速波动±0.05m/s时,电子天平测量质量波动为±0.05g,而且波动变化有规律,在实验中取平均值.CA2在温度25℃、相对湿度60%的空气中进行等温等压吸附,风速分别为0.35m/s和1.65m/s.吸附速度的实验结果见图3.根据式(6),对其中包含表面扩散速度系数Ksap的等式进行积分,且吸附开始时吸附量为0,可得lnxexe-x=Κsapt(9)如果以lnxe/(xe-x)和时间t分别作纵坐标和横坐标,则直线的斜率即为表面扩散速度系数Ksap.对图3中的实验结果按照式(9)处理,结果见图4.当风速为0.35m/s时,Ksap=2.1×10-4;当风速为1.65m/s时,Ksap=4.9×10-4.对比传质系数的理论计算值和实验值可以发现,实验值接近理论值,但比理论值偏高,相对误差分别为1.5%和10.6%.误差的产生主要有两个原因:一是理论计算中采用的是经验公式和经验参数,使理论值产生误差;二是实验过程中产生的误差,包括实验仪器测量和读数误差等.比较内扩散速度系数和外扩散速度系数还可以发现,前者数值远远大于后者,所以传质过程的控制步骤是外扩散过程,它是整个传质过程中的主要阻力.而影响外扩散过程的主要因素是空气速度和吸附剂颗粒直径.因此,通过减小吸附剂颗粒直径、增大空气流速,可以有效地加快吸附剂的传质速度.4扩散