環(huán)境工程原理課件 第09章吸附

1、第九章 吸 附 第九章 吸附 第一節(jié) 吸附分離操作的基本概念第二節(jié) 吸附劑 第三節(jié) 吸附平衡第四節(jié) 吸附動力學(xué)第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線本章主要內(nèi)容一、吸附分離操作的分類二、吸附分離操作的應(yīng)用本節(jié)的主要內(nèi)容第一節(jié) 吸附分離操作的基本概念 吸附操作是通過多孔固體物質(zhì)與某一混合組分體系（氣體或液體）接觸，有選擇地使體系中的一種或多種組分附著于固體表面，從而實現(xiàn)特定組分分離的操作過程。 被吸附到固體表面的組分稱為吸附質(zhì) 吸附吸附質(zhì)的多孔固體稱為吸附劑 吸附質(zhì)附著到吸附劑表面的過程稱為吸附 吸附質(zhì)從吸附劑表面逃逸到另一相的過程稱為解吸 吸附過程發(fā)生在“氣固”或“液固”非均相界面 基本術(shù)語第一節(jié) 吸

2、附分離操作的基本概念 按作用力性質(zhì)分類：分物理吸附和化學(xué)吸附 物理吸附：吸附質(zhì)分子與吸附劑表面分子間存在的范德華力所引起的，也稱為范德華吸附。 吸附熱較?。ǚ艧徇^程，吸附熱在數(shù)值上與冷凝熱相當(dāng)），可在低溫下進(jìn)行； 過程是可逆的，易解吸； 相對沒有選擇性，可吸附多種吸附質(zhì)； 分子量越大，分子引力越大，吸附量越大； 可形成單分子吸附層或多分子吸附層 。一、吸附分離操作的分類第一節(jié) 吸附分離操作的基本概念 化學(xué)吸附：又稱活性吸附，是由吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的，其強(qiáng)弱取決于兩種分子之間化學(xué)鍵力的大小。 如石灰吸附CO2 CaCO3 吸附熱大，一般在較高溫下進(jìn)行； 具有選擇性，單分子層吸附

3、； 化學(xué)鍵力大時，吸附不可逆。第一節(jié) 吸附分離操作的基本概念 按吸附劑再生方法分類：變溫吸附和變壓吸附 按原料組成分類：大吸附量分離和雜質(zhì)去除 按分離機(jī)理分類：位阻效應(yīng)、動力學(xué)效應(yīng)和平衡效應(yīng)第一節(jié) 吸附分離操作的基本概念二、吸附分離操作的應(yīng)用 吸附分離操作的應(yīng)用范圍很廣，既可以對氣體或液體混合物中的某些組分進(jìn)行大吸附量分離，也可以去除混合物中的痕量雜質(zhì)。 日常生活： 木炭吸濕、吸臭；防腐劑；吸濕劑（硅膠）第九章第一節(jié) 吸附分離操作的基本概念 第一節(jié) 吸附分離操作的基本概念 化工領(lǐng)域： 產(chǎn)品的分離提純，如制糖品工業(yè)，用活性炭處理糖液， 吸附其中雜質(zhì)，得到潔白的產(chǎn)品。 環(huán)境領(lǐng)域： 水：脫色脫臭，有

4、害有機(jī)物的去除，金屬離子，氮、磷 空氣：脫濕，有害氣體，脫臭 特別適合于低濃度混合物的分離第一節(jié) 吸附分離操作的基本概念(1)簡述吸附分離的基本原理。(2)簡要說明吸附根據(jù)不同的分類方法可以分為哪些類型。(3)吸附在環(huán)境工程領(lǐng)域有哪些應(yīng)用，舉例說明。本節(jié)思考題第一節(jié) 吸附分離操作的基本概念一、常用吸附劑的主要特性 二、幾種常用的吸附劑本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié) 吸附劑吸附容量大：由于吸附過程發(fā)生在吸附劑表面，所以吸附容量取決于吸附劑表面積的大小。 選擇性高：對要分離的目的組分有較大的選擇性。穩(wěn)定性好：吸附劑應(yīng)具有較好的熱穩(wěn)定性，在較高溫度下解吸再生其結(jié)構(gòu)不會發(fā)生太大的變化。同時，還應(yīng)具有耐酸堿的良好

5、化學(xué)穩(wěn)定性。 適當(dāng)?shù)奈锢硖匦裕哼m當(dāng)?shù)亩逊e密度和強(qiáng)度廉價易得 具有一定吸附能力的多孔物質(zhì)都可以作吸附劑.一、常用吸附劑的主要特性第二節(jié) 吸附劑（一）活性炭 活性炭是應(yīng)用最為廣泛的吸附劑。是由煤或木質(zhì)原料加 工得到的產(chǎn)品，通常一切含碳的物料，如煤、木材、果核、秸稈等都可以加工成黑炭，經(jīng)活化后制成活性炭。 炭化：把原料熱解成炭渣，溫度：200600度 活化：形成發(fā)達(dá)的細(xì)孔。兩種辦法:氣體法：通入水蒸氣，溫度在8001000度；藥劑法：加入氯化鋅、硫酸、磷酸等比表面積：5001700 m2/g 二、幾種常用的吸附劑第二節(jié) 吸附劑a.比表面積越大，吸附量越大：但應(yīng)注意對一些大分子，微孔所提供的比表面積基

6、本上不起作用?；钚蕴考?xì)孔分布情況： 微孔：2 nm，占總比表面95：主要支配吸附量 過渡孔：2-100nm，10，吸附等溫線幾乎變成矩形，是不可逆吸附。相對壓力相對吸附量第三節(jié) 吸附平衡 弗蘭德里希等溫線弗蘭德里希公式參數(shù)的求解：對吸附等溫式兩邊取對數(shù)：1lglglgqkpnk 雙對數(shù)坐標(biāo)1/n 1/n越小，說明吸附可在相當(dāng)寬的濃度范圍下進(jìn)行。 一般認(rèn)為 1/n = 0.1 0.5 時容易吸附 第三節(jié) 吸附平衡 2. 朗格謬爾（langmuir)公式方程推導(dǎo)的基本假定： 吸附劑表面性質(zhì)均一，每一個具有剩余價力的表面分子或原子吸附一個氣體分子。 吸附質(zhì)在吸附劑表面為單分子層吸附。 吸附是動態(tài)的，

7、被吸附分子受熱運動影響可以重新回到氣相。 吸附過程類似于氣體的凝結(jié)過程，脫附類似于液體的蒸發(fā)過程 吸附在吸附劑表面的吸附質(zhì)分子之間無作用力。 第三節(jié) 吸附平衡 設(shè)吸附表面覆蓋率為，則可以表示為：氣體的脫附速度與成正比，可以表示為：kd 氣體的吸附速度與剩余吸附面積(1)和氣體分壓成正比，可以表示為：ka p(1) qm為吸附劑表面所有吸附點均被吸附質(zhì)覆蓋時的吸附量，即飽和吸附量。mqq第三節(jié) 吸附平衡 (9.3.3)pkkda1吸附達(dá)到平衡時，吸附速度與脫附速度相等，則：整理后可得單分子層吸附的Langmuir方程： 111mk q pqk pp吸附質(zhì)的平衡分壓，Paq, qm分別為吸附量和單

8、分子層吸附容量，L/kgk1Langmuir常數(shù)，與吸附劑和吸附質(zhì)的性質(zhì)和溫度有關(guān)，該值越大表示吸附劑的吸附能力越強(qiáng)。第三節(jié) 吸附平衡 (9.3.4)(9.3.5)如何求解langmuir公式參數(shù)？11111mmqk qpq1/p1/q1/qm1/(k1qm)11mmppqqk q或第三節(jié) 吸附平衡 公式變換得：當(dāng)p很小時，則：q=k1qmp呈亨利定律，即吸附量與氣體的平衡分壓成正比。當(dāng)p時， q=qm此時，吸附量與氣體分壓無關(guān)，吸附劑表面被占滿，形成單分子層。Langmuir 公式分析：第三節(jié) 吸附平衡 3.BET公式由Brunaner, Emmett和Teller 3人提出的?；诙喾肿訉?/p>

9、吸附，在Langmuir公式基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的。假設(shè)： 吸附分子在吸附劑上是按各個層次排列的。 吸附過程取決于范德華引力，吸附質(zhì)可以在吸附劑表面一層一層地累疊吸附。 每一層吸附都符合Langmuir公式。第三節(jié) 吸附平衡 00()(1(1)bmbk pqqpppkpp0吸附質(zhì)組分的飽和蒸氣壓qm吸附劑表面完全被吸附質(zhì)單分子層覆蓋時的吸附量kb常數(shù)，與溫度、吸附熱和冷凝熱有關(guān)。BET公式中的參數(shù)qm和kb可以通過實驗測定。通常只適用于比壓（p/p0）約在0.050.35比壓小于0.35，毛細(xì)凝聚變得顯著，破壞多層物理吸附平衡。第三節(jié) 吸附平衡 (9.3.6)二、雙組分氣體吸附 混合氣體中有兩種組分

10、發(fā)生吸附時，每種組分吸附量均受另一種組分的影響。 活性炭對乙烷的吸附較多，而硅膠對乙烯的吸附較多。乙烷-乙烯混合氣體的平衡吸附(25，101.325 kPa)第三節(jié) 吸附平衡 各組分的吸附量 qA0、qB0分別為各組分單獨存在且壓力等于雙組分總壓時的平衡吸附量 qA、qB為混合氣體吸附平衡時吸附量001ABABqqqq第三節(jié) 吸附平衡 (9.3.12)1.液相吸附的特點液相吸附的機(jī)理比氣相復(fù)雜。在吸附質(zhì)發(fā)生吸附時，溶劑也有可能被吸附。影響因素包括：除溫度和溶質(zhì)濃度外，溶劑種類、吸附質(zhì)的溶解度和離子化、各種溶質(zhì)之間的相互作用等。在溶劑的吸附作用忽略不計時，可以認(rèn)為是單組分吸附。三、液相吸附第三節(jié)

11、 吸附平衡 2. 吸附等溫線測定方法：假設(shè)溶劑不被吸附，或者液體混合物是溶質(zhì)的稀溶液測定溶液與吸附劑接觸前后的濃度變化第三節(jié) 吸附平衡 達(dá)到吸附平衡時：V：液體容積， m：吸附劑質(zhì)量 ：吸附平衡時，液相中溶質(zhì)濃度0：吸附前，液相中溶質(zhì)濃度q = V(0-)/m3.吸附等溫式Freundlich吸附等溫方程式：q 平衡吸附量，kg/kgk 和吸附劑種類、特性、溫度以及所用單位有關(guān)的常數(shù)n 常數(shù)，和溫度有關(guān) 吸附質(zhì)在液相中的平衡濃度, mg/L1/nqk第三節(jié) 吸附平衡 (9.3.13)(1)吸附平衡是如何定義的。平衡吸附量如何計算。(2)環(huán)境條件如何影響吸附平衡。(3)等溫吸附線的物理意義是什么

12、？溫度對吸附是如何影響的。(4)Freundlich方程的形式和適用范圍。方程式中的常數(shù)如何求解。本節(jié)思考題第三節(jié) 吸附平衡 (5)Langmuir方程的基本假設(shè)是什么。方程的形式和適用范圍？方程式中的常數(shù)如何求解。(6)BET方程的物理意義是什么。(7)如何評價不同吸附劑對污染物的吸附性能。(8)液相吸附和氣相吸附相比有何特點。簡要說明液體吸附的吸附等溫式形式和適用范圍。本節(jié)思考題第三節(jié) 吸附平衡 一、吸附劑顆粒外表面界膜傳質(zhì)速率 二、吸附劑顆粒內(nèi)表面擴(kuò)散速率三、內(nèi)表面擴(kuò)散阻力控制的吸附過程四、外表面界膜阻力和內(nèi)表面擴(kuò)散阻力同時 存在時的吸附過程五、外表面界膜控制時的吸附過程本節(jié)的主要內(nèi)容第

13、四節(jié) 吸附動力學(xué)（1）吸附質(zhì)從流體主體擴(kuò)散到吸附劑外表面外擴(kuò)散（2）吸附質(zhì)由吸附劑的外表面向微孔中的內(nèi)表面擴(kuò)散內(nèi)擴(kuò)散（3）吸附質(zhì)在吸附劑的內(nèi)部表面上被吸附 一般第(3)步的速度很快，吸附傳質(zhì)速率主要取決于第(1)和(2)兩步。外擴(kuò)散速度很慢外擴(kuò)散控制內(nèi)擴(kuò)散速度很慢內(nèi)擴(kuò)散控制吸附劑從流體中吸附吸附質(zhì)的傳質(zhì)過程第四節(jié) 吸附動力學(xué)()mAPidqNVkAdNA 吸附質(zhì)的擴(kuò)散速率（kg/s）qm 吸附質(zhì)在吸附劑顆粒內(nèi)的平均吸附量(kg/kg)P 吸附劑顆粒密度(kg/m3)V 吸附劑顆粒體積(m3)A 吸附劑顆粒表面積(m2) 吸附時間(s)k 界膜傳質(zhì)系數(shù)(m/s), I 流體相及顆粒表面流體的吸附

14、質(zhì)濃度(kg/m3)一、吸附劑顆粒外表面界膜傳質(zhì)速率第四節(jié) 吸附動力學(xué)(9.4.1)二、吸附劑顆粒內(nèi)表面擴(kuò)散速率 222()peqDrrrq從顆粒中心到距離r處的吸附量(kg/kg)r處流體中吸附質(zhì)濃度(kg/m3)p吸附劑顆粒密度(kg/m3)吸附時間(s)De吸附劑在顆粒中有效擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)假設(shè)q和的平衡關(guān)系用直線方程近似表示：q=mm 吸附平衡常數(shù)0drrr0第四節(jié) 吸附動力學(xué)(9.4.2)(9.4.3)積分的邊界條件 =0時，q=0； r=0時， r=r0時，0r()eiDkr求解求解q求解顆粒的積求解顆粒的積分平均吸附量分平均吸附量qm第四節(jié) 吸附動力學(xué)/()1226(/)(1

15、 1/)npmemnenneqqqff 00/1/ppeekr mmrDfDk內(nèi)表面阻力外表面阻力第四節(jié) 吸附動力學(xué)設(shè)對應(yīng)于濃度的平衡吸附量為qe，則可得(9.4.4)式中：20cot1nennnDrf 是的第 個正根。三、內(nèi)表面擴(kuò)散阻力控制時的吸附過程 第四節(jié) 吸附動力學(xué)2226exp()emepqqnqm 2n=11n當(dāng)f1時，式（9.4.4）可以整理為(9.4.5)當(dāng)較大時，式（9.4.5）可以迅速收斂，取第一項22206exp()emeepqqDqr m(9.4.6)第四節(jié) 吸附動力學(xué)2*20()mepdqDdr對上式微分，并設(shè)與qm平衡的流體中的濃度為 *，可以得到吸附顆粒的吸附速率

16、方程：(9.4.8)考慮式（9.4.5）所有項時，吸附速率方程為(9.4.9)*2015()mepdqDdr四、外表面界面膜阻力和內(nèi)表面擴(kuò)散阻力同時存在時的吸附過程 第四節(jié) 吸附動力學(xué) 以 i的時間變化為邊界條件，由式（9.4.2）可以求得吸附劑顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)速率，可以表示為整理為(9.4.10)*2015()mepdqDVVdr第四節(jié) 吸附動力學(xué)將式（9.4.10）與（9.4.1）聯(lián)立，設(shè)總傳質(zhì)系數(shù)為KF（m/s），得(9.4.12)(9.4.11)*()mpFdqVK Ad201115FeArKkDV五、外表面界面膜控制時的吸附過程 第四節(jié) 吸附動力學(xué) 外表面界膜控制通常發(fā)生在液相吸附的情

17、況。(9.4.13)*()mpdqVkAd 達(dá)到顆粒表面的吸附劑被迅速吸附，顆粒內(nèi)的吸附質(zhì)平均吸附量為qm，其與液相中吸附質(zhì)濃度的平衡關(guān)系為用qmm *表示的直線關(guān)系，則吸附速度可以表示為 0時，qm0；rr0時， * qm/m 。解（9.4.13）可以求得半徑為r0的吸附劑顆粒的吸附量qm與時間關(guān)系為(9.4.14)03exp()emepqqkqr m(1)吸附過程有哪幾個基本步驟。(2)吸附過程可能的控制步驟是什么。(3)吸附劑顆粒外表面、內(nèi)表面擴(kuò)散速率方程的物理意義何在。本節(jié)思考題第四節(jié) 吸附動力學(xué)一、接觸過濾吸附二、固定床吸附本節(jié)的主要內(nèi)容第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 為適用不同的過

18、程特點和分離要求，吸附有各種不同的操作工藝，如： 液體接觸過濾器 固定床吸附塔 流化床吸附塔 移動床吸附塔吸附工藝過程第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 一、接觸過濾吸附接觸過濾吸附是一種專門用于液體吸附的方法。將吸附劑與被處理的溶液加入到攪拌的吸附槽中，經(jīng)過足夠的接觸時間后，將液體和吸附劑分離。操作方式可以分為單級吸附、多級吸附和逆流吸附等第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 液體接觸過濾器示意圖活性炭染料廢水處理水第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 （一）單級吸附G, 0G, 1L, x0L, x1 溶劑量G和吸附劑量L不變。 根據(jù)質(zhì)量守恒定律：G：溶劑量，m3；L：吸附劑量，kgx0, x1：吸附質(zhì)在

19、進(jìn)、出吸附槽的吸附劑中的濃度，kg（吸附質(zhì)）/kg（吸附劑）0, 1：吸附質(zhì)在進(jìn)、出吸附槽的溶液中的濃度，kg（吸附質(zhì)）/m3（溶劑）0110()()GL xx吸附劑溶液第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 (9.5.1)過端點（x0, 0）和（x1, 1），斜率為L/G的直線假設(shè)在該級操作中，固液之間達(dá)到平衡，即為一個理論級，則（x1, 1）點在平衡線上。01x0 x1x操作線平衡線單級吸附操作線第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 如果吸附平衡關(guān)系可用弗蘭德里希公式表示，則吸附平衡可表示為： 聯(lián)立操作線方程和平衡線方程，可求出固、液相的極限濃度x1, 1。如何求出固、液相的極限濃度x1, 1？第五節(jié)

20、吸附操作與吸附穿透曲線 xk1/n(9.3.13)011/1/()nL Gk或已知x1, 1，求固液比L/G：x00時n1 0 1x-L/G(9.5.2)（二）多級吸附G, 0G, 1L1, x0L1, x1G, 2L2, x0L2, x2對于第1級：對于第2級：第1級第2級01110()()GL xx12220()()GL xx吸附劑第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 (9.5.1)(9.5.1) 0 1x0 x1x 操作線操作線平衡線平衡線x2 2A1A2如果吸附平衡可表示為：x0=0時，0112121/1/121nnLLGk每一級都是理論級，即（x1, 1）和（x2, 2）都在平衡線上。第五

21、節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 xk1/n(9.5.5)對于最小吸附劑總用量，d(L1+L2)/G/d10對于一定體系和分離要求，k, n, 0及2為常數(shù)，則得：1/0121111nnn 即當(dāng)1符合上式時，總吸附劑用量為最小。由上式求出1, 然后再計算各級所需要的吸附劑用量。吸附劑用量如何計算？第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 (9.5.6)（三）逆流多級吸附G, 0 1 2 mL, x1L, xm+1x2 x312m上式為逆流吸附操作線方程。理論級數(shù)，可通過在平衡線和操作線之間做階梯確定。吸附劑溶液第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 對第m級做物料衡算：11()()mmmmGL xx(9.5.7a)以

22、整個流程為體系，做吸附質(zhì)的物料衡算：011()()mmGL xx(9.5.7b)0 xm+1x1x操作線平衡線m理論級數(shù)：2理論級數(shù)的圖解法第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 吸附劑量的計算 在給定級數(shù)后，過B點做不同斜率的操作線，求出最小吸附劑量。0 xm+1x1xm0 xm+1x1xm（L/G) min第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 （L/G) min若體系的平衡關(guān)系可用弗蘭德里希公式表示，且所用的吸附劑不含吸附質(zhì)，xm+1=0時，吸附劑用量可通過計算求得。以二級吸附為例：1/01122211n 由該式可求得離開第1級的液相組成1，再求出吸附劑用量等其他參數(shù)。第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 (

23、9.5.8)二、固定床吸附G第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 (一)穿透點和穿透曲線固定床吸附器吸附傳質(zhì)過程示意圖吸附帶第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 穿透曲線示意圖第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 G: 溶液流入速率（m3/(m2s)） 0: 溶液中溶質(zhì)濃度（kg/m3） z: 固定床吸附塔填充高度（m） B: 穿透點濃度（kg/m3） E: 穿透曲線終點濃度（kg/m3） B: 出口處溶質(zhì)濃度達(dá)到B時的流量(m3/m2) a: 吸附區(qū)移動了吸附區(qū)高度za區(qū)間的流量(m3/m2)各符號的意義第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 0()EBWdB, E間被吸附的吸附質(zhì)量W(kg/m2)：吸附塔中的吸附區(qū)

24、吸附劑全部被飽和時的吸附量為0a吸附區(qū)形成后吸附劑可吸附的吸附量與飽和吸附量之比f為：000()EBaadWf （二）穿透時間1.韋伯（Weber）法第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 (9.5.10)(9.5.9) 設(shè)床層的填充密度為b (kg/m3) 與0平衡的吸附濃度為x0(kg-溶質(zhì)/kg-吸附劑) 則吸附塔全部被飽和時的吸附量為zb x0(kg/m2) 穿透點的吸附量（kg/m2）為： 穿透點吸附劑的飽和度為： 000()(1)()abababzzxzxfzz fx000()(1)abababzzxzxfzfzzxz第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 (9.5.11)假設(shè)吸附區(qū)不動，吸附塔以

25、一定速度與溶液流向相反的方向移動假設(shè)吸附塔高度與吸附區(qū)高度相比足夠高，塔頂：吸附劑與溶液中的吸附質(zhì)達(dá)到平衡。塔底：流出的溶液中吸附質(zhì)濃度為0。第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 對吸附塔做物料平衡： 0000(0)(0),LGL xGx*()FaGdKdz*對應(yīng)操作線的濃度的平衡濃度， kg/m3；KF吸附過程中的總括傳質(zhì)容量系數(shù)，1/s。過原點和平衡線（x0,0）的操作線第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 針對吸附區(qū)微小高度dz，溶液中溶質(zhì)濃度變化為：(9.5.12)(9.5.13) 吸附區(qū)高度za=Nt HTU0 當(dāng)給定傳質(zhì)單元高度HTU0時，即可以求出za的值。 假設(shè)za高度中濃度為的層高為z 0*BEaaFtzz KdNHTUG*BBEBaadzdz第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 (9.5.14)(9.5.15)用面積積分法求解式(9.5.15)作出穿透曲線 /0為縱坐標(biāo)，(-B)/a 為橫坐標(biāo)*BBEBadd由穿透曲線和式(9.5.10)求出f值計算穿透點吸附劑的飽和度計算達(dá)到該飽和度的穿透時間計算吸附區(qū)高度計