吸附与吸收净化

三、影响吸附过程的主要因素
★ 使固体界面自由焓降低最多者易被吸附 ★ 溶质的性质:溶解度越小越容易被吸附 ★ 极性对应者易被吸附 ★ 温度的影响
作业：
11、 阅读相关教材内容。 22、 理解吸附等温方程的意义。 3、废水吸附净化的原理是什么？
第三节 固体吸附剂
固体吸附剂必须具备哪些物理特性？为 什么固体吸附剂需要活化？ 常用的固体吸附剂：白土、硅胶、活性 氧化铝、活性炭。
bP＞＞1，则θ=1，说明在这种情 况下，吸附量接近于单分子层饱和
吸附量Vm，不再与压力有关。
（3）在中等压力范围，θ与P的关系 符合Langmuir 等温式。
2、 BET吸附等温方程
Brunauer, Emmett, Teller
1）第一层吸附条件与Langmuir相同。即第一层是吸附 质分子和吸附剂表面直接借吸附力而结合到表面上。 2）第二层以上的吸附热等于吸附质的液化热。气体分 子碰到被吸附分子上，由于吸附质分子间存在范氏引 力也有被吸附的可能，所以吸附是多分子层的。这样 第二层以上的吸附力都是与蒸气分子的凝聚力相同的， 因此除了第一层的吸附热有特殊值外，其余各层的吸 附热都是吸附热的凝聚热，因而都是相等的。
dM A k x a p ( X A1 X A ) d
3、总吸附速率方程
dM A * * k y a p (YA YA ) k x a p ( X A X A ) d
以上几个步骤都不同程度地影响着
吸附速率，总吸附速率是几个步骤
综合的结果，其中阻力最大的一步 (即速率最小的一步)限制了总速率 的大小，成为控制步骤。
i i 1

设标准状况下，被吸附的气体的总体积为V, 单 位面积固体表面上被单分子层覆盖所需的气体 体积为V0。当有I层吸附层时，其吸附总量为：
V V0 iS i
i 1

V V0 KS0ix V0 K 0 S 0 ix 所以有：
i i 1 i 1


i
若吸附为单分子层则吸附气体的体积为SV0(或用Vm表示) 那么，被吸附气体的体积和Vm之比为：
子层吸附和毛细管凝聚。与第Ⅳ类等温
线的高压部分相似。第Ⅴ类和第Ⅳ类等
温线反映了多孔性吸附剂的孔结构特性。
二、吸附等温方程
1、Langmuir方程式：
假设：动态平衡
• 吸附能力来自力场的不饱和。吸附质分子只能
碰撞到吸附剂的空白表面上才能被吸附，如果 碰到已吸附分子的表面上则发生弹性反射。这 说明吸附剂表面的分子只能形成单分子层。
附，这种吸附与气体凝聚成液体的过程相类似。

化学吸附：气体分子与固体表面上的分子、原 子以键力作用而被吸附，此时分子发生变形甚 至解离成离子，就像进行化学反应，是一个包 括电子转移、原子重排、键的断裂与形成等化
学变化的过程。
2、吸附热
焓:是人们定义的状态函数，表示热力学 能加上压力与体积的乘积。H=U+pV 熵：如果系统中发生微小的可逆变化，该 系统的熵变dS等于此可逆过程的热量δ QT 与系统温度T的比值 ——可逆热温商 δ QT/T，即：dS=δ QT/T；
3）在各层的水平方向上，吸附分子间没有相互 作用力。 4）如果压力接近相应温度下气体的饱和蒸气压 时，吸附量为无穷大。
V KP Vm ( P0 P)[1 ( K 1) P / P0 ]
第一层：
a1ps0= b1s1
设
a1 p 百度文库 b1 ai p x bi
s1= ys0 同理可得：第i层 aipsi-1= bisi 设 Si= xSi-1 所以就有： Si= xSi-1= x i-1S1 Si= 设
k2 P k 2 / k1 P k1 k 2 P 1 k 2 / k1 P
k2 / k1 b
bP V / Vm 1 bP
bP 1 bP
P 1 P V Vmb Vm
1 1 1 V Vm VmbP
1 1 1 V Vm Vm bP
以1/V对1/P作图可得一直线。这一关系得到了广泛的 实验证实，如下图所示。
第四章 吸附与吸收净化
吸附法基本原理
固体表面吸附
不同相表（界）面 剩余表面能 溶质浓集


吸附剂
吸附质
解吸或脱附

吸附：利用多孔性固体表面存在的末平衡的分 子引力或化学键力，把混合物中的某一组分或 某些组分吸留在固体表面上的分离混合物的过 程。
吸附剂：具有吸附作用的固体。



吸附质：被吸附的物质。
该方程式可用于对吸附剂结构和性质的 研究。

3、Freundlich经验式
吸附量x/m与平衡分压p的关系，k和n为常数。
三、吸附速度方程

吸附过程可分成如下几
个步骤来描述：
1）外扩散，即吸附质分子从气
流主体到达吸附剂外表面的
扩散； 2）内扩散，即吸附质分子沿着 吸附剂内部孔道扩散至发生 吸附的内表面的扩散；
y K x
xi-1S1=
xi-1yS0=
y S0 xi x
Si= KS0xi
设吸附已达无穷大，此时总的表面积为：
S Si S 0 Si
i 0 i 1
将Si= KS0xi 代入上式得：
i i 1
S S 0 KS0 x S0 (1 K x )
V V Vm SV0
所以： V Vm
V0 KS0 ix i
i 1

V0 S 0 (1 K x i )
i 1


K ix i
i 1

1 K xi
i 1

查极限表：
i 1

x x 1 x
i i
x ix 2 ( 1 x ) i 1
Kx 所以有：V Kx /(1 x) Vm 1 Kx /(1 x) (1 x)(1 x Kx)
• 第Ⅳ类吸附等温线在低压下是凸的，表 明吸附质和吸附剂有相当强的亲和力。 同时，低压下形成单分子层，压力增大 时由多分子层吸附逐渐产生毛细管疑结， 所以吸附急剧增大，直到吸附剂的毛细 孔装满吸附质，吸附量不再增加而达到 饱和。
• 第Ⅴ类吸附等温线低压时是凹的，与
第Ⅲ类相似，随压力增大，也发生多分

第四节 气态污染物的吸收净化
一、吸收平衡
1、气、液平衡
亨利定律：
2、 相平衡与化学平衡
▲
被吸收组分与溶剂相互作用
▲
被吸收组分在溶液中离解
▲
被吸收组分与溶剂中活性组分作用
CA=
二、吸收剂的选择及富液的处理

吸收剂选择标准：良好的选择性；较大的吸收 能力；较低的蒸气压，不易起泡；较好的热化 学稳定性好；粘度低；腐蚀性小；价廉易得 常用吸收剂：
由于吸附剂往往具有高的选择性和高的分离效 果，能脱除痕量物质，所以在空气污染控制、 废水处理中，吸附净化法得到广泛应用。 吸收：利用溶液的溶解作用处理污染的气体而 将该气体中的一种和几种污染物除去的操作。

第一节 吸附法净化气态污染物的原理
一、固体表面上的吸附作用 1、物理吸附和化学吸附

物理吸附：气体分子以分子间的范德华力被吸

★水 ★ 碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液


富液：吸收了气态污染物后的吸收液
富液的处理：避免二次污染；吸收剂再生；废 物资源化
三、废气吸收净化实例 ★ 碱性硫酸铝－石膏法： ①吸收 ②氧化 ③中和
④回收 ★亚硫酸铵吸收NOX物
挥发性污染物的吹脱净化


解吸：将溶解气体从液体中分离出来的过程，是吸收的相反过程。 吹脱：溶液中解吸出来的气体从液体中向气体中的扩散过程中受到液 膜与气膜的阻力，利用惰性气体将解吸出来的气体带走的操作称为吹 脱。 吹脱净化：在污染控制中采用吹脱的方法从污染废水中把一些挥发性 的污染物转移到空气中的过程。吹脱时常用的惰性气体为空气。
3）到达内表面的吸附质 被吸附剂吸附，并逐渐
形成吸附与脱附的动态
平衡。 △ 对于在固体表面上有 化学反应的化学吸附来 说，在第三步之后还有
化学反应一步。

脱附的吸附质再经内、
外扩散到达气相主体。
1、外扩散阻力起主要作用
dM A k y a p (YA YA1 ) d
2、内扩散阻力起主要作用
3、吸附等温线
在恒定温度下，测定出固体吸附气体的量，并将 在不同压力下的吸附量对气相压力(或相对压力) 作图，得到的曲线称为吸附等温线。
q=x/m
q=f(T,p)
q’=v/m
q=f(p)T q=f(p/pa)T
• 第Ⅰ类吸附等温线一般属单分子层吸附， 因而称为单分子层吸附型等温线或 Langmuir型吸附等温线。在远低于饱和 蒸气压P。时，固体就吸满了单分子层， 此时的吸附量称为饱和吸附量Vm。
2
式中含有Vm和K二常数，故称为BET二 常数方程式。 当x 1时，V ∞，此时，P=P0 由aip / bi=x及式aip0 / bi=1，两式相比，则 有：x=p /p0

整理可以得到著名的BET方程式。
V KP Vm ( P0 P)[1 ( K 1) P / P0 ]
上式可整理变换成如下形式：
p 1 ( K 1) p V ( p0 p ) Vm K Vm Kp0
以p/V(po-p)对p/p0作图，将得一直线。由直 线的斜率和截距可求出常数Vm和K。

BET方程式对于无孔或大孔吸附剂的等 温线（Ⅱ型）是比较适合的。

相对压力为0.05-0.35的范围时，等温线 是线性关系；但比较低的相对压力和比 较高的相对压力情况下存在偏差。
• 第Ⅱ类吸附等温线称为S型等温线，是 常见的物理吸附等温线。其特点是在低 压时先形成单分子层吸附，拐点B处可 认为达到单分子层的饱和吸附，吸附量 为Vm。随着压力再增加逐渐发生多分子 层吸附。当压力接近P。时，吸附量又 急剧上升，表明被吸附的气体己开始凝 结为液相。
• 第Ⅲ类吸附等温线比较少见。在低压下 等温线是凹的，表明吸附质与吸附剂之 间的相互作用很弱。但压力稍增加，吸 附量即急剧增大，压力接近P。时曲线与 第Ⅱ类的相似，说明吸附剂表面上由多 层吸附逐渐转变为吸附质的凝聚。
第二节废水的吸附净化原理
一、固体表面对溶液中溶质的吸附 吸附动力： 1）溶质对水的疏水特性； 2）溶质对固体颗粒的高度亲和力。 吸附类型： 1）交换吸附； 2）物理吸附； 3）化学吸附。
二、吸附平衡与等温方程：
吸附量： Freundlich 吸附等温式
Langmuir 吸附等温式
BET 吸附等温式
• 气相分子碰撞到吸附剂表面并被吸附的几率在 整个表面是一样的，即整个表面的能量是均匀 的。 • 吸附分子离开表面回到气相的几率与表面上相 邻点是否被占据无关，这说明吸附质分子间作 用力是可以忽略的。
k1S1 k2 PS0 k2 P(S S1 )
S1 S
k1 k2 P(1 )
S
2 1
QT T
S S2 S1
吉布斯函数G：
G H TS
根据热力学知识，在等温等压的自发吸附过
程中(无论物理吸附还是化学吸附)
∵ △G = △H -T△S ；△G < 0 ；△S < 0 ；
∴ △H ＝ △G + T△S < 0
表明：吸附过程△H < 0，放热。物理吸附 放热0-20kJ/mol；化学吸附80-400kJ/mol

由上图直线的斜率及截距可以求得Vm及b 值。并且Vm可以与固体的表面积联系起 来：
Vm S N A A0 V0
Langmuir方程式的讨论
（1）当压力很低或吸附很弱时，bP ＜＜1，1+bP≈1，θ ≈bP, θ∝P, 这 说明吸附量与被吸附气体的压力成 正比；
（2）当压力足够高或吸附很强时，

表面张力与表面吸附

泡沫分离过程是利用待分离物质本身具有表面活性(如表面活性剂)或能与表 面活性剂通过化学的、物理的力结合在一起(如金属离子、有机化合物、蛋白 质和酶等)，在鼓泡塔中被吸附在气泡表面，得以富集，藉气泡上升带出溶剂 主体，达到净化主体液、浓缩待分离物质的目的。可见它的分离作用主要取 决于组分在气－液界面上吸附的选择性和程度，其本质是各种物质在溶液中 表面活性的差异。
泡沫吸附净化法

原理：泡沫分离是以气泡为介质，利用组分的表面活性差进行分离的一种分离方法。通过 向溶液鼓泡并形成泡沫层，使表面活性物质聚集在泡沫内；再将此泡沫层与液相主体分离， 达到浓缩表面活性物质或净化液相主体的目的。 作用：被浓缩的物质包括表面活性物质，或者是与表面活性物质相结合的任何溶质，如矿 石颗粒、沉淀颗粒、阴离子、阳离子、染料、蛋白质、酶、病毒、细菌或某些有机物等。