005 吸附和吸收处理空气的原理与方法讲解

2-物理吸附 吸 附 量
3-过渡区（非平衡吸附区） 1-化学吸附
温度
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
1 吸附的基本知识和概念
4）吸附剂结构，多孔介质，比表面积
比表面积：单位质量吸附剂具有 的表面积
比表面积越大，吸附能力越强。 多孔介质比表面积大，所以吸附
剂多为多孔介质。 多孔介质孔隙越小，比表面积越
g（吸附质）/g（吸附剂）
qm 饱和吸附量
b
吸附平衡常数，Pa-1
p 吸附质气体分压力，Pa
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
2 等温吸附线
1）朗谬尔（Langmuir）公式
q
适用条件：
朗缪尔公式适用于没有多 分子层吸附、微孔吸附和毛细 凝聚的不复杂过程的各种系统， 尤其是一些无孔或大孔吸附剂 在高于临界温度下对气体吸附 的情况。
相态 2
吸附现象发生 在表面，需要较大 表面积。
吸收现象发生 在表面及内部。
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
1 吸附的基本知识和概念
1）吸附、吸附剂和吸附质
吸附现象是产生在相异两相的边界 面上的一种分子积聚现象。
吸附剂：使气相浓缩的物质 吸附质：被浓缩的物质
分子力（Van der Waals）：同相间分子力处于平衡状态，相 界处不平衡。 相界上的非平衡力（分子力或化学键力）导致物质微粒在界 面上的聚集程度的改变就是吸附。
作用范围
等温线特点
等压线特点
（物）：小（21-63kJ/mol），相当于1.5-3.0倍凝结热 （化）：大（42-125kJ/mol）。与化学反应热相近
（物）：物理作用，分子间力（范德华力），较小 （化）：化学作用，表面化学反应（化学键力），较大
（物）：可逆，易脱附 （化）：不可逆，不易脱附
（物）：快
影响平衡时间的因素：吸附剂粒径、孔径大 小及分布、空气流速等。
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
5 空气静态吸附除湿和动态吸附除湿
2）静态吸附除湿
吸附剂的吸附平衡时 间（无搅拌）
硅胶
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5 空气静态吸附除湿和动态吸附除湿
2）静态吸附除湿
吸附剂吸附平衡时间的测试
质来置换而实现脱附。
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
5 空气静态吸附除湿和动态吸附除湿
3）动态吸附除湿
除湿方式： 冷却除湿（近似等温过程）：
除湿的同时通过冷却流体带走吸附热； 绝热除湿（近似等焓过程）：
除湿的同时温度升高。
吸附剂的选择 阻力小（空气压力损失小）；比表面积大；吸附容量大；
具有较好机械强度、热稳定性及化学稳定性；
• 特点： • 吸附质与吸附剂之间无化学反应； • 对吸附气体选择性不强； • 吸附速率快； • 吸附为低放热过程，放热量略大于液化潜热； • 吸附力不强。
• 化学吸附 化学反应起作用。只为单层吸附。
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
1 吸附的基本知识和概念
2）吸附的种类
吸附热
吸附作用力 可逆性 吸附速度 吸附质 发生条件
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
1 吸附的基本知识和概念
1）吸附、吸附剂和吸附质 表面能
物质的总能量
单位质量内能
单位表面积内能
当物质的比表面积比较大时，表面能就会对物质的性 能产生很大的影响。
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
1 吸附的基本知识和概念
1）吸附、吸附剂和吸附质
在化学中，极性（Chemical polarity） 指一根共价键或一个共价分子中电荷 分布的不均匀性。如果电荷分布得不 均匀，则称该键或分子为极性；如果 不均匀，则称为非极性。
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
1 吸附的基本知识和概念
3）吸附平衡、等温吸附线和等压吸附线
对于给定的吸附剂和吸附质，平衡时吸附剂对吸附 质的吸附量 q 为：
吸附等压线： 吸附等温线：
p 为常数 T 为常数
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
1 吸附的基本知识和概念
3）吸附平衡、等温吸附线和等压吸附线
q
q
q
典型等温 吸附线
p （I）
p （II）
q
q
p （III）
q
p （IV）
I-合成沸石等吸附系 IV-活性炭吸附水蒸气
p
p
（V）
（VI）
II-Lamgmuri型 III-活性铝等吸附系
V-BET型
VI-线性吸附
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1 吸附的基本知识和概念
3）吸附平衡、等温吸附线和等压吸附线 等压吸附线
堆积密度：
真密度：
颗粒密度：
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1 吸附的基本知识和概念
5）吸附剂的特性参数
孔径分布（测定－吸附 等温线、压汞仪等）
颗粒当量直径、单位体积表面积
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
2 等温吸附线
1）朗谬尔（Langmuir）公式
q
p
θ 表面覆盖度
q 吸附剂表面的平衡吸附量
Pa Pd
水
蒸
气
Pa
分
压
力
Pd
时间
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
5 空气静态吸附除湿和动态吸附除湿
2）静态吸附除湿
任务：计算吸附剂量、或计算达到平衡的 时间
Pa Pd
该式表示达到平衡时的q和水蒸气密度的关系
平衡时间：若吸附剂和空气充分接触，经充 分搅拌数小时后可达吸附平衡，无搅拌则平 衡时间大为增加。
-
H2O
NH4
+
+
吸附选择性
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
1 吸附的基本知识和概念
1）吸附、吸附剂和吸附质
多层吸附 （分子力）
单层吸附 （分子力或化学键力）
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
1 吸附的基本知识和概念
2）吸附的种类
• 物理吸附
由吸附质分子与吸附剂分子之间分子力（Van der Waals） 引起的可逆吸附现象。有单层吸附，也有多层吸附。
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
3 常用吸附剂的类型和性能
极性吸附剂（亲水）
沸石： 化学成分变化大，化学组成为
AmXpO2p·nH2O，式中A代表K、Na、 Ca 、 Sr 、 Ba ， X 代 表 Si 、 Al ， Al∶SiS1∶5~1∶1，具特征笼状晶体 结构、含沸石水的铝硅酸盐矿物。有 方沸石、斜发沸石、丝光沸石等。可 作为吸附材料、催化材料。
热质交换原理与设备
湖南大学 土木工程学院 周晋
E-mail:
zhoujin_y@263.net
第五章 吸附和吸收处理空气的原理 与方法
1）吸附材料处理空气的原理和方法 2）吸收剂处理空气的原理和方法
吸附和吸收的区别
吸附（Adsorption） 相态 1
相态 2 相态 1
吸收（Absorption）
干燥器底部放入稀硫酸（维持湿度平衡），定期取出 吸附剂称重，可得到吸附剂吸水率随时间的变化曲线。
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
5 空气静态吸附除湿和动态吸附除湿
2）静态吸附除湿
使密闭容器内水蒸气密度由ρ0降为 ρ1所需的吸附剂量为：
M V (0 1)
q0
存在外部渗透水分时，使密闭容器内水蒸气密度由ρ0降为ρ1所需 的吸附剂量为：
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
5 空气静态吸附除湿和动态吸附除湿
1）干燥循环
干燥循环示意图
吸湿
水
蒸
气 分
3
压
冷却
力
吸湿
再生
冷却
1
120oC
再生
2
10oC
吸湿量
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
5 空气静态吸附除湿和动态吸附除湿
2）静态吸附除湿 静态除湿：吸附剂吸收密闭空间内静止空气中的水蒸气。
活性炭也具备一定的吸水能 力，所以不能认为它是憎水的， 但是有机化合物和非极性或弱极 性化合物要比水更优先强烈吸附 在它表面上，所以一般不用它来 除湿。
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
3 常用吸附剂的类型和性能
常用吸湿 剂的吸附 等温线
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
4 多孔介质传质吸附
p0 吸附质饱和蒸汽压 k 常数
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
3 常用吸附剂的类型和性能
极性吸附剂（亲水）
硅胶：mSiO2·nH2O 亲水性，易吸附水分，而难
于吸附非极性物质。
优点： 比表面积大，表面性质优异 在较宽的温度范围内对水蒸气
有较好的吸附特性
缺点： 暴露在水滴中会裂解成粉末，
M (V v)(0 1) (M1 M 2 )W R
q0
v： 干燥物品容积 M2： 干燥物品要求含水量 R： 渗透水份量
M1： 干燥物品含水量 W： 干燥物品的总重量 q0： 平衡水分含量
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
5 空气静态吸附除湿和动态吸附除湿
3）动态吸附除湿
p 较小时 p 较大时
p
亨利定律
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
2 等温吸附线
2）弗雷德里克（Freundlich）公式
C 吸附质浓度 g/mL或mol/mL
k 常数 n 常数
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2 等温吸附线
3）BET公式 布鲁诺（Brunauer） 埃米特（Emmett） 泰勒（Teller）
通常为人工合成沸石分子筛，为 微孔型、具有立方晶体的硅酸盐。对 极性分子，不饱和有机物具选择吸附 能力。
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
3 常用吸附剂的类型和性能
非极性吸附剂（憎水） 活性炭：
疏水性，常用于空气中有机 溶 剂 ， 催 化 脱 除 尾 气 中 SO2 、 NOX等恶臭物质的净化； 优点：性能稳定、抗腐蚀。
吸附原理和装置
优点：空气流经吸附剂。需要吸附剂量少、设备体积小。
吸附剂的再生方式：
加热再生方式：供给吸附剂脱附所需的热量； 减压再生方式：用减压手段降低吸附分子的分压，改变吸
附平衡，实现脱附。 使用清洗气体的再生方式： 借通入一种很难被吸附的气
体，降低吸附质的分压而实现脱附。 置换脱附再生方式：用具有比吸附质更强的选择吸附性物
4 多孔介质传质吸附
表征体元（REV）：在多孔 介质中选取的一个比整体区 域小得多而比单个孔隙大得 多的区域。
气相浓度 吸附相浓
变化
度变化
体元中扩散 传质速率
ε-孔隙率；CR-REV中气相浓度；K-REV骨架表面分离系数； De-REV中的有效扩散系数； εDe-多孔介质有效扩散系数
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
表征体元（REV）：在多孔 介质中选取的一个比整体区 域小得多而比单个孔隙大得 多的区域。
研究时用表征体元的平 均值代替局部值。 表征体元内质量扩散方程：
ε-孔隙率；CR-REV中气相浓度；K-REV骨架表面分离系数； De-REV中的有效扩散系数； εDe-多孔介质有效扩散系数
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
大，孔隙内吸附能力越强
活性炭孔隙
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
1 吸附的基本知识和概念
5）吸附剂的特性参数
多孔吸附剂的外观体积
V堆 V隙 V孔 V真 V隙 -颗粒间隙体积 V孔 -颗粒内细孔体积 V真来自百度文库-骨架体积
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
1 吸附的基本知识和概念
5）吸附剂的特性参数 吸附剂密度
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
5 空气静态吸附除湿和动态吸附除湿
3）动态吸附除湿
固定式除湿装置
A：除湿
干燥空气 A：除湿
干燥空气
B：再生 1
2
B：冷却 1
2
A：再生 B：除湿 1
干燥空气
2
34
34
34
AB
加
热
器
8
7
5
6
少量空气
（5%） 湿空气
AB
加
热
器
8
7
5
6
少量空气
（5%） 湿空气
（化）：慢（需要活化能）
（物）：非选择性
（化）：选择性
（物）：条件合适，任何固体、流体间均可发生 （化）：发生在有亲和力的固体和液体之间
（物）：与表面覆盖程度无关，可多层吸附 （化）：随覆盖程度增加而减弱，只能单层吸附
（物）：吸附量随平衡压力（浓度）正比上升 （化）：关系复杂
（物）：吸附量随温度升高而下降 （化）：在一定温度下才能吸附
4 多孔介质传质吸附
引入阻滞因子
多孔介质内 水蒸气浓度 可写为：
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
5 空气静态吸附除湿和动态吸附除湿
1）干燥循环
干燥剂：吸附空气中水蒸 汽的吸附剂。
干燥剂表面水蒸气分 压与环境空气中水蒸气分 压差决定干燥剂是吸湿还 是放湿。
T
表 面 水 蒸 气 分 压 力
吸湿量
除湿性能丧失
§5-1 吸附材料处理空气的原理和方法
3 常用吸附剂的类型和性能
极性吸附剂（亲水）
多孔活性氧化铝：Al₂O₃ 用于气体干燥，石油气脱硫，
含氟废气净化。
γ型氧化铝是氢氧化铝在140150℃的低温环境下脱水制得， 工业上也叫活性氧化铝、铝 胶．其结构中氧离子近似为立方 面 心 紧 密 堆 积 ， Al3+ 不 规 则 地 分布在由氧离子围成的八面体和 四面体空隙之中。