课堂讲稿：吸附

ChapterⅤAdsorption吸附赵勇天津大学环境科学与工程学院学习内容：•吸附作用的本质和基本特点•吸附材料的制备，特性及在环境工程中的应用特点•吸附过程的基本动力学原理（吸附速率方程式，吸附过程的内（外）扩散控制）•常用吸附剂的解吸再生方法，吸附分离工艺特点流程•吸附平衡理论，并运用于分析吸附过程及进行吸附过程计算重点与难点：•吸附理论：重点：吸附平衡理论，吸附过程计算；难点：吸附穿透曲线•吸附法净化污染物的应用：a.吸附法在大气污染控制中的应用b.吸附法在水污染控制中的应用。参考书：1.大气污染控制（第7章）郝吉明高等教育出版社2002（第二版）2.大气污染控制（第10章）郭静化学工业出版社20013.化工原理（第13章）蒋维钧清华大学出版社2003（第二版）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。吸附过程吸附剂再生(a)吸附(b)解吸OHOOOHCH2OHOOHOOHCH2OHHOHOOHOOHCH2OHn(C6H10O5)n分子筛人工合成沸石，为微孔型、具有立方晶体的硅酸盐。通式为：MeX/n(Al2O3)X(SiO2)Y·mH2O吸附树脂最初的吸附树脂是酚-醛类缩合高聚物，以后出现了一系列的交联共聚物，如聚苯乙烯、聚丙烯酯和聚丙烯酰胺类的高聚物。这些大孔吸附树脂，有带功能团的，也有不带功能团的；有非极性的，也有强极性的很多种类。吸附树脂的吸附性能是由其表面积、孔径、骨架结构、功能团基本性质和它的极性所造成的。吸附树脂再生容易，用水、稀酸、稀碱或有机溶剂如低级酵、丙酮就可以再生。大孔吸附树脂除了目前价格昂贵以外，比起活性炭说来，它的物理化学性能稳定，品种较多，可根据不同的要求选择使用常用吸附剂特性吸附剂类型活性炭活性氧化铝硅胶沸石分子筛4A5A13x堆积密度/kg·m-3200～600750～1000800800800800热容/kJ(kg·K)-10.836～1.2540.836～1.0450.920.7940.794——操作温度上限/K423773673873873873平均孔径/Å15～2518～48224513再生温度/K373～413473～523393～423473～573473～573473～573比表面积/㎡·g-1600～1600210～360600600-~800600-~800600-~800气相吸附等温线类型（p：蒸气组分分压；p0：该温度下饱和蒸气压）液相吸附等温线类型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，km,i,ki：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。,11iiiminjjjkpxxkp说明：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。•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。Xm——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0.05～0.350000()(1)(1)myXCyXyyyCyyy])1(1)[(00ppkpppkqqbbm不同温度下NH3在木炭上的吸附等温线••3.弗兰德里希（Freunlich）公式：1nxky1nVkp…气相吸附V,X——吸附量，L/kg（气相）或kg/kg（液相）K——和吸附剂种类、特性、温度以及作用单位有关的常数n——常数，和温度有关P——吸附质气相中的平衡分压,Pay——吸附质在液相中的平衡浓度随着p或y的增大，吸附量X(V)随之增加。但p或y增加到一定程度后，q不再变化。…液相吸附若干气体在活性炭上的吸附平衡曲线⑵化学性质的差异，如分子的不饱和程度也影响吸附的难易；⑷同种气体在不同吸附剂上的平衡吸附量不同，即使是同类吸附剂，若所用原料组成，配比及制备方法不同，其平衡吸附量也会有较大差别。⑶对于所谓“永久性气体”，通常其吸附量很小；•⑴分子量较大而临界温度较低的气体(或蒸汽)较容易被吸附；例题Ⅰ：已知：293K,用活性炭吸附苯蒸汽所得到的平衡数据如下P/103Pa0.2670.4000.5331.3332.6604.0005.332XT0.1760.2050.2250.2650.2870.2900.300试绘制等温吸附线，请问该等温吸附线符合那类等温吸附方程式？并试求方程参数值。解：依数据，绘图如下：活性炭吸附苯蒸汽等温吸附线•例题Ⅱ：在303、323和368K温度下，二氧化碳在“哥伦比亚”活性炭上的吸附等温线如图所示。计算323K时弗罗德里希方程式朗格谬尔方程式的常数。•同系列的有机物中，分子量越大，则吸附量也越多;•溶解度越小的有机物，即疏水程度越高的有机物，越容易被吸附；•一般来说，若被吸附物的分子量大小相同时，芳香族化合物比脂肪族化合物更容易被吸附;•有支链的化合物比直链化合物容易被吸附;液相吸附平衡液相吸附的机理比气相复杂。吸附剂在液相中吸附时，实质上是溶剂与吸附剂组分竞争的结果。影响因素包括：除温度和溶质浓度外，溶液种类、吸附质的溶解度和离子化、各种溶质之间的相互作用等。在溶剂的吸附作用可以忽略不计时，可以认为是单组分吸附。与吸收类似，分吸附系数与总吸附系数间的关系为分级液体接触过滤操作1.单级操作G,Y0G,Y1L,X0L,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）Y0Y1X0X1XY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：Y＝mXn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：X0＝0时nmYYYGL/1110)/(/n1n=1n1Y0Y1X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2～10，吸附性能好。2.多级错流操作G,Y0G,Y1L1,X0L1,X1G,Y2L2,X0L2,X1第1级第2级Y0Y1X0X1XY操作线平衡线X2Y2A1A23.多级逆流操作G,Y0Y1Y2YnL,X1L,Xn+1X2X312NY0XN+1X1XY操作线平衡线YN由该式可求得Y1，再求出吸附剂用量等其他参数。1121/12120YYYYYYn二、固定床吸附操作•吸附剂的活性是以被吸附物质的重量对吸附剂的重量或体积分数表示。它是吸附剂吸附能力的标志。吸附的话性分为静活性和动活性。••静活性是指在一定温度下，与流体相中被吸附物质的初始浓度平衡时的最大吸附量。即在该条件下，吸附达到饱和时的吸附量。••动活性是考虑到流体通过吸附层时，随着床层吸附剂的逐渐接近饱和，被吸附物质最终不能全部被吸附，当流出吸附层的气体中刚刚出现被吸附物质时即认为此吸附剂层巳失效；此时计算出的单化吸附剂所吸附的物质邑称为吸附剂的动活性。吸附负荷曲线透过曲线希洛夫公式•假设吸附速率为无穷大，则进人吸附剂床层的吸附质立即被吸附，传质就不是在一个区而是在一个面上进行，传质前沿为一垂直于z轴的直线，传质区高度z。为无穷小,则达到穿透时间时，吸附剂床层全部达到饱和，则其动活性等于静活性，饱和度β＝l。某厂产生含四氯化碳废气，气量Q=1000m3/h，浓度为5g/m3，一般均为白天操作，每天最多工作8小时。拟采用吸附法净化，并回收四氯化碳，试设计需用的立式固定床吸附器。说明：1.根据市场供应情况，选用粒状活性炭作吸附剂，其直径为3mm，堆积密度300~600g/L，空隙率0.33~0.43。2.选定在常温常压下进行吸附，维持进入吸附床的气体在20℃以下压力为1atm。根据经验选取空床流速为20m/min。3.将穿透点浓度定为50mg/m3。以含四氯化碳5g/m3的气流在所指出的条件下进行动态吸附实验，测定不同床层高度下的穿透时间，得到以下实验数据：床层高度Z(m)0.10.150.20.250.30.35穿透时间τb(min)109231310462550651•1.求希洛夫公式中的常数τb和τ0•2.据该厂生产情况，考虑每周脱附一次，床层每周吸附6天，每天按8小时计，累计吸附时间为48小时，求吸附剂床层高度。•3.求吸附容量Xm•4.采用立式圆柱床进行吸附，求其直径。•5.求所需吸附剂质量•三移动床吸附操作•例题用连续逆流等温操作的移动床吸附器干燥空气，吸附剂为硅胶。假设空气在27℃、1atm(101.3Pa)下，从湿度为0.005(水、干空气质量比)被干燥到最终湿度为0.0001，所加硅胶是干的，其通过速率为2441kg／(m2·h)，干空气的通过速率为4882kg／(m2·h)。在此操作条件下，吸附等温线可视为直线，以Y*＝0.0185X来描述。试计算该移动床吸附器的吸附段的传质单元数。Thanksalot!