華北理工環(huán)境工程原理課件09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(dòng)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(guò)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(shí)現(xiàn)特定組分分離的操作過(guò)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(guò)程稱為吸附吸附質(zhì)從吸附劑表面逃逸到另一相的過(guò)程稱為解吸吸附過(guò)程發(fā)生在“氣固”或“液固”非均相界面 基本術(shù)語(yǔ)第一節(jié) 吸附分離操作的

2、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^(guò)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(guò)程是可逆的，易解吸；相對(duì)沒(méi)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；化學(xué)鍵力大時(shí)，吸附不可

3、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(dòng)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(duì)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，有害有機(jī)物的去除，金屬離子，氮、磷 空

4、氣：脫濕，有害氣體，脫臭 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(guò)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(duì)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(huì)發(fā)生太大的變化。同時(shí)，還應(yīng)具有耐酸堿的良好化學(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(jià)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

5、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、磷酸等特點(diǎn)：吸附容量大，熱穩(wěn)定性高， 化學(xué)穩(wěn)定性好，解吸容易二、幾種常用的吸附劑第二節(jié) 吸附劑（二）活性炭纖維活性炭纖維吸附能力比一般活性炭要高110倍。脫除惡臭最為有效。廢氣廢水處理中吸附能力均高于活性炭活性炭纖維分為兩種：(1)將超細(xì)活性炭微粒加入增稠劑后與纖維混紡制成單絲，或用熱熔法將活性炭粘附于有機(jī)纖維或玻璃纖維上，也可以與紙漿混粘制成活性炭紙。(2)以人造絲或合成纖維為原

6、料，與制備活性炭一樣經(jīng)過(guò)炭化和活化兩個(gè)階段，加工成具有一定比表面積和一定孔分布結(jié)構(gòu)的活性炭纖維。 第二節(jié) 吸附劑（三）炭分子篩 通過(guò)吸附的優(yōu)先順序和尺寸大小來(lái)區(qū)分不同物質(zhì)的分子，所以被形象的稱為“分子篩”。 吸附功能：篩分功能： 炭分子篩是一種炭質(zhì)吸附劑, 它具有接近被吸附分子直徑的楔形極微孔, 而且孔徑分布均勻、能夠把立體結(jié)構(gòu)大小有差異的分子分離。炭分子篩具有表面疏水的特性，耐酸堿性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性較好，但不耐燃燒。 第二節(jié) 吸附劑 （四）硅膠是一種堅(jiān)硬無(wú)定形鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸聚合物顆粒硅膠的化學(xué)式：SiO2 nH20用硫酸處理硅酸鈉水溶液，生成凝膠。水洗除去硫酸鈉后經(jīng)干燥，便可得到玻

7、璃狀的硅膠。硅膠是極性吸附劑，難于吸附非極性物質(zhì)，易于吸附極性物質(zhì)（如水、甲醇等）吸濕，高濕度氣體的干燥。 第二節(jié) 吸附劑（五）活性氧化鋁化學(xué)式：Al2O3 n H2O含水氧化鋁加熱脫水制成的一種極性吸附劑。與硅膠相比，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度比表面積約為200300m2/g，對(duì)水分有極強(qiáng)的吸附能力。主要用于氣體和液體的干燥、石油氣的濃縮與脫硫。第二節(jié) 吸附劑（六）沸石分子篩化學(xué)式：Mex/n(AlO2)x (SiO2)y mH2O其中Me陽(yáng)離子，n為原子價(jià)數(shù)，m為結(jié)晶水分子數(shù)沸石分子篩由高度規(guī)則的籠和孔組成每一種分子篩都有相對(duì)均一的孔徑，其大小隨分子篩種類的不同而異。第二節(jié) 吸附劑吸附劑的選擇如何

8、選擇適宜的吸附劑？需要根據(jù)被分離對(duì)象、分離條件和吸附劑本身的特點(diǎn)確定需要進(jìn)行試驗(yàn)研究第二節(jié) 吸附劑一、單組分氣體吸附二、雙組分氣體吸附三、液相吸附本節(jié)的主要內(nèi)容第三節(jié) 吸附平衡 在一定條件下，當(dāng)流體（氣體或液體）和吸附劑接觸，流體中的吸附質(zhì)將被吸附劑所吸附。吸附速度解吸速度當(dāng)吸附速度和解吸速度相等時(shí)，流體中吸附質(zhì)濃度不再改變時(shí) 吸附平衡吸附劑吸附能力用吸附量q表示。 吸附平衡與平衡吸附量 第三節(jié) 吸附平衡 氣相單組分吸附 氣體混合物中，只有某一種組分被吸附液相單組分吸附 液相混合物中，只有某一種組分被吸附氣相多組分吸附 氣體混合物中，兩種以上的組分被吸附液相多組分吸附 液相混合物中，兩種以上的

9、組分被吸附吸附量吸附質(zhì)組成的函數(shù)溫度一定時(shí)，稱為吸附等溫線第三節(jié) 吸附平衡 （一）吸附平衡理論一、單組分氣體吸附不同溫度下NH3在木炭上的吸附等溫線 分壓較低：近似為直線分壓較高：趨于平緩第三節(jié) 吸附平衡 q=f(p,T)(9.3.1)1.弗蘭德里希（Freunlich）方程：q平衡吸附量，L/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)，一般大于1p吸附質(zhì)氣相中的平衡分壓, Pa隨著p增大，吸附量q隨之增加。但p增加到一定程度后，q不再變化。第三節(jié) 吸附平衡 (9.3.2)單分子層吸附的Langmuir方程： p吸附質(zhì)的平衡分壓，Paq, qm分別為吸附量和單分子層

10、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)。方程適用于低、中壓吸附。第三節(jié) 吸附平衡 (9.3.5)2. 朗格謬爾（langmuir)公式一、單組分氣體吸附二、雙組分氣體吸附三、液相吸附本節(jié)的主要內(nèi)容第三節(jié) 吸附平衡 1.液相吸附的特點(diǎn)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(shí)，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(jì)時(shí)，可以認(rèn)為是單組分吸附。三、液相吸附第三節(jié) 吸附平衡 2. 吸附等溫線測(cè)定方法：假設(shè)溶劑不被吸附，或者液體混合

11、物是溶質(zhì)的稀溶液測(cè)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(shí)：q : 平衡吸附量，kg/kg V：液體容積， m：吸附劑質(zhì)量 ：吸附平衡時(shí)，液相中溶質(zhì)濃度0：吸附前，液相中溶質(zhì)濃度3.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/L第三節(jié) 吸附平衡 (9.3.13)(1) Langmuir擬合氣-固相吸附液-固相吸附q根據(jù)上表數(shù)據(jù)，求出/q與線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.91（2）Freundlich擬合q根據(jù)上表數(shù)據(jù)，求出 ln與 lnq 線性

12、相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.99一、單組分氣體吸附二、雙組分氣體吸附三、液相吸附本節(jié)的主要內(nèi)容第三節(jié) 吸附平衡 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(dòng)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（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(guò)程第四節(jié) 吸附動(dòng)力學(xué)一、接觸過(guò)濾吸附二、固定床吸附本節(jié)的主要內(nèi)容第五

13、節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 為適用不同的過(guò)程特點(diǎn)和分離要求，吸附有各種不同的操作工藝，如： 液體接觸過(guò)濾器 固定床吸附塔 流化床吸附塔 移動(dòng)床吸附塔吸附工藝過(guò)程第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 一、接觸過(guò)濾吸附接觸過(guò)濾吸附是一種專門(mén)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(guò)足夠的接觸時(shí)間后，將液體和吸附劑分離。操作方式可以分為單級(jí)吸附、多級(jí)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(guò)濾器示意圖（一）單級(jí)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)在進(jìn)、出吸附

14、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）吸附劑溶液第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 (9.5.1)x01過(guò)端點(diǎn)（x0, 0）和（x1, 1），斜率為L(zhǎng)/G的直線假設(shè)在該級(jí)操作中，固液之間達(dá)到平衡，即為一個(gè)理論級(jí)，則（x1, 1）點(diǎn)在平衡線上。01x0 x1x操作線平衡線單級(jí)吸附操作線第五節(jié) 吸附操作與吸附穿透曲線 如果稀薄溶液吸附平衡關(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) 吸附操作與吸附穿透曲線

15、 xk1/n(9.3.13)或已知x1, 1，求固液比L/G：x00時(shí)n101x-L/G(9.5.2)（二）多級(jí)吸附G, 0G, 1L1, x0L1, x1G, 2L2, x0L2, x2對(duì)于第1級(jí)：對(duì)于第2級(jí)：第1級(jí)第2級(jí)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操作線平衡線x2 2A1A2（三）逆流多級(jí)吸附G, 012mL, x1L, xm+1x2 x312m上式為逆流吸附操作線方程。理論級(jí)數(shù)，可通過(guò)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 以整個(gè)流程為體系，做吸附質(zhì)的物料衡算：(9.5.7b)0 xm+1x1x操作線平衡線m理論級(jí)數(shù)：2理論級(jí)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(jì)算在給定級(jí)數(shù)后，過(guò)B點(diǎn)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一、接觸過(guò)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