环境工程学原理吸附

吸附的基本概念
第一节 吸附分离操作的基本概念
基本术语
• 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”非均相界面
一、吸附分离操作的分类
• 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 。
第四节 吸附动力学（吸附剂颗粒外表面界膜传质速率、吸附剂颗粒内表
面扩散速率、总传质速率方程、吸附扩散速率计算）
第五节 吸附操作与吸附穿透曲线（吸附工艺、吸附过程、吸附穿透
曲线）
第一节 吸附分离操作的基本概念
本节的主要内容
一、吸附分离操作的分类 二、吸附分离操作的应用
第一节 吸附分离操作的基本概念
二、吸附分离操作的应用
• 吸附分离操作的应用范围很广，既可进行大吸附量分离， 也可进行杂质去除吸附。
• 日常生活： 木炭吸湿、吸臭；防腐剂；吸湿剂（硅胶）
第一节 吸附分离操作的基本概念
• 化工领域： 大吸附量吸附分离
沼气中分离提纯甲烷：高表面活性炭（2500m2/g）变压吸附去除二氧化碳、 氮等-平衡吸附
吸附
混合气体（或溶液）ƒ 吸附剂 解吸
第一节 吸附分离操作的基本概念
吸附分离------利用吸附剂对气体（或液体）混合物中各组分 吸附能力的差别，将混合物分离的过程称为 吸附分离。
影响吸附过程的因素： ① 吸附质的性质。 ② 吸附剂的表面积。 ③ 吸附剂的表面性质。
④ 吸附操作条件。
第一节 吸附分离操作的基本概念
第一节 吸附分离操作的基本概念
物理吸附和化学吸附的比较
物理吸附Βιβλιοθήκη 化学吸附吸附力 范德华力
化学键力
吸附热 较小(～液化热)
较大
选择性 无选择性
有选择性
稳定性 不稳定,易解吸
稳定
分子层 单分子层或多分子层 单分子层
吸附速率 较快,
较慢.
受温度影响小
受温度影响大
物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键 的生成与破坏，也没有原子重排等。化学吸附相当与吸附剂 表面分子与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外-可 见光谱中会出现新的特征吸收带。
响吸附速度。
第二节 吸附剂
b.表面化学特性： 活性炭本身是非极性的，但由于表面共价健不饱和易与其 它元素如氧、氢结合，生成各种含氧官能团。 目前已证实的含氧官能团有：
－OH基、－COOH基 由于这种微弱极性，使极性溶质竞争吸附加强。
第二节 吸附剂
（二）活性炭纤维
活性炭纤维吸附能力比一般活性炭要高1～10倍。 活性炭纤维分为两种：
位阻吸附时，分子筛吸附有极高的选择性，它能将只有分子 大小和形状稍有差异的混合物分开，这是一般分离方法难以 实现的。
缺点：由于吸附剂是固体，难于实现连续操作；吸附剂的吸 附容量小，再生频繁，不适用分离高浓度体系等，这些使吸 附操作的应用受到了一定的限制。
第九章第一节第吸一附分节离操吸作的附基本分概离念 操作的基本概念
本节思考题
(1)简述吸附分离的基本原理。 (2)简要说明吸附根据不同的分类方法可以分为哪
些类型。 (3)吸附在环境工程领域有哪些应用，举例说明。
第二节 吸附剂
本节的主要内容
一、常用吸附剂的主要特性 二、几种常用的吸附剂
第二节 吸附剂
一、常用吸附剂的主要特性
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
• 按原料组成分类：大吸附量分离和杂质去除（10%质量分数）
• 按分离机理分类：位阻效应（分子足够小且形状适当）、动力学
效应（扩散速率差）和平衡效应（平衡吸附）
第一节 吸附分离操作的基本概念
二、吸附分离操作的优缺点
优点：杂质去除吸附时，固体吸附气体或液体的平衡常数， 远大于气液和液液平衡常数，因此，吸附分离与吸收操作相 比，更适合于气液流体中低浓度杂质的去除（如水质中嗅味 物质的活性炭吸附和气体的深度干燥）。
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(化学反应热)，一般在较高温下进行； • 具有选择性，单分子层吸附； • 化学键力大时，吸附不可逆。
炭：但空隙形状与沸石分子筛完全不同，与活性炭相同由微 晶碳构成。
制备方法：热分解法、热收缩法、气体活化法、蒸气吸附法 吸附机理：位阻效应、扩散吸附
第二节 吸附剂
（四）硅胶
是一种坚硬无定形链状或网状结构的硅酸聚合物颗粒 硅胶的化学式：SiO2 nH20 用硫酸处理硅酸钠水溶液，生成凝胶。水洗除去硫酸钠后经 干燥，便可得到玻璃状的硅胶。 硅胶是极性吸附剂，难于吸附非极性物质，易于吸附极性物 质（如水、甲醇等） 吸湿，高湿度气体的干燥。
第三节 吸附平衡
本节的主要内容
一、单组分气体吸附 二、双组分气体吸附 三、液相吸附
第三节 吸附平衡
吸附平衡与平衡吸附量
在一定条件下，当流体（气体或液体）和吸附剂接触，流体中 的吸附质将被吸附剂所吸附。
解吸速度 吸附速度
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。
量q是吸附质压力及温度的函数：
q f ( p,T )
若T=常数，则 q f ( p) ，称为吸附等温式。
若P=常数，则 q f (T ) ，称为吸附等压式。
若q=常数，则 p f (T ) ，称为吸附等量式。
吸附等温线：在恒定温度下，吸附剂的平衡吸附量q与吸附质
在气相中的组分分压p的关系曲线。吸附等温线 反映吸附剂的表面性质、孔分布、吸附质与吸附 剂表面的相互作用。
高硅铝比沸石分子筛（10~100）
特点：
（1）为孔径均一的强极性吸附剂。
（2）吸附特性、孔径大小及物化性质均随硅铝比而变。
第二节 吸附剂
（3）随硅铝比的增加极性逐渐减弱；“酸性”逐渐提高； 阳离子含量逐渐减少；热稳定性逐渐提高（700℃→1300℃ ）；抗酸性能提高；类型过渡顺序为：由A型→X型→Y型 →L型→毛沸石→丝光沸石；表面选择性由亲水性变为憎水 性；在碱性介质中的稳定性逐渐降低。
具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂.
第二节 吸附剂
二、几种常用的吸附剂
（一）活性炭
活性炭是应用最为广泛的吸附剂。是由煤或木质原料加 工得到的产品，通常一切含碳的物料，如煤、木材、果核、 秸秆等都可以加工成黑炭，经活化后制成活性炭。 炭化：把原料热解成炭渣，温度：200－600度 活化：形成发达的细孔。两种办法:
气体法：通入水蒸气，温度在800－1000度； 药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等 比表面积：500－1700 m2/g
第二节 吸附剂
a.比表面积越大，吸附量越大：但应注意对一些大分子，微 孔所提供的比表面积基本上不起作用。 活性炭细孔分布情况：
• 微孔：<2 nm，占总比表面95％：主要支配吸附量 • 过渡孔：2-100nm，<5％：起通道和吸附作用 • 大孔：100-10000 nm，不足1％：主要起通道作用，影
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
分类 根据来源分类 天然沸石 镁沸石、毛沸石、斜发沸石 沸石分子筛 合成沸石分子筛 A型、X型、Y型、
L型、丝光沸石、
按硅铝比大小分类
ZSM系列沸石
沸石分子筛
低硅铝比沸石分子筛（1~1.5） 中硅铝比沸石分子筛（2~5）
第三节 吸附平衡
吸附等温线的类型
(Ⅴ)发生多分子层吸 附，有毛细凝聚现象。 例如373K时，水汽在 活性炭上的吸附属于 这种类型。
第三节 吸附平衡
吸附等温线的类型
(Ⅲ)这种类型较少见。 当吸附剂和吸附质相互 作用很弱时会出现这种 等温线，如352K时， Br2在硅胶上的吸附。
第三节 吸附平衡
吸附等温线的类型
(Ⅳ)多孔吸附剂发生多 分子层吸附时会有这种 等温线。在比压较高时， 有毛细凝聚现象。例如 在323K时，苯在氧化铁 凝胶上的吸附属于这种 类型。
第二节 吸附剂
（五）活性氧化铝
化学式：Al2O3 n H2O 含水氧化铝加热脱水制成的一种极性吸附剂。 与硅胶相比，具有良好的机械强度 比表面积约为200～300m2/g，对水分有极强的吸附能力。 主要用于气体和液体的干燥、石油气的浓缩与脱硫；磷的吸附。
第二节 吸附剂
（六）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。
第一节 吸附分离操作的基本概念
吸附剂再生
(a)吸附
(b)解吸
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（TSA）:处理量较小的物料的分离，吸附剂主要靠加热清洗 气体法得到再生。再生时间较长。 变压吸附(PSA)：系统加压时发生吸附，系统减压时发生解吸。广泛用 于大通量气体混合物的分离。再生时间较短。
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
本节思考题
(1)常用的吸附剂有哪些。 (2)吸附剂的主要特性是什么。 (3)简述几种吸附剂的制备、结构和应用特性：活
性炭、活性炭纤维、炭分子筛、硅胶、活性氧 化铝和沸石分子筛。
吸附分离空气制备氧气、氮气：炭分子筛-扩散吸附 C8芳烃的分离;八面沸石型分子筛吸附分离邻、间、对二甲苯、乙苯
-位阻吸附
• 环境领域：杂质去除吸附
水：脱色脱臭，有害有机物的去除，海水中金属离子，氮、
磷
特别适合于低浓度混合物的分离
空气：脱湿，有害气体去除，脱臭 去除效果好！
第一节 吸附分离操作的基本概念
(1)将超细活性炭微粒加入增稠剂后与纤维混纺制成单丝， 或用热熔法将活性炭粘附于有机纤维或玻璃纤维上，也可 以与纸浆混粘制成活性炭纸。
(2)以人造丝或合成纤维为原料，与制备活性炭一样经过炭 化和活化两个阶段，加工成具有一定比表面积和一定孔分 布结构的活性炭纤维。
第二节 吸附剂
（三）炭分子筛
分子筛：结构与沸石分子筛类似，具有接近分子大小的超微 孔，孔径分布均一，在吸附过程中起到分子筛的作用
第九章 吸附
本章主要内容
第一节 吸附分离操作的类型及应用
第二节 吸附剂 （常用吸附剂主要特性、工业常用吸附剂、吸附剂选择） 第三节 吸附平衡{吸附平衡和平衡吸附量、吸附等温线[类型（气相单组
份、液相单组份）、吸附等温式（Freundlich方程、Langmuir方程、 BET方 程）]、气体混合物吸附平衡}
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、单组分气体吸附
（一）吸附平衡理论
对于一定的吸附剂与吸附质的体系，达到吸附平衡时，吸附
第三节 吸附平衡
吸附等温线的类型
(Ⅰ)在2.5nm以下微孔 q
吸附剂上的吸附等温
T1
线属于这种类型。例
T2
如78K时N2在活性炭上
的吸附及水和苯蒸汽
T3
在分子筛上的吸附。
p
第三节 吸附平衡
吸附等温线的类型
(Ⅱ)常称为S型等温线。 吸附剂孔径大小不一， 发生多分子层吸附。在 比压接近1时，发生毛细 管和孔凝现象。