第09章吸附..

ka p 1 kd
整理后可得单分子层吸附的Langmuir方程：

(9.3.4)
k1qm p q 1 k1 p
p——吸附质的平衡分压，Pa；
(9.3.5)
q, qm——分别为吸附量和单分子层吸附容量，L/kg； k1——Langmuir常数，与吸附剂和吸附质的性质和温度有关， 该值越大表示吸附剂的吸附能力越强。
(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黏附于有机纤维或玻璃纤维上，也可
以与纸浆混黏制成活性炭纸。 (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）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。
比压<0.05，建立不起多层物理吸附平衡； 比压>0.35，毛细凝聚变得显著，破坏多层物理吸附平衡。
第三节 吸附平衡
二、双组分气体吸附
• 混合气体中有两种组分发生吸附时，每种组分吸附量均受另 一种组分的影响。 • 活性炭对乙烷的吸附较多，而硅胶对乙烯的吸附较多。
吸附相中乙烷的摩尔分数yA
气相中乙烷的摩尔分数xA
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
吸附量＝吸附质组成的函数 温度一定时，称为吸附等温线
第三节 吸附平衡
第三节 吸附平衡
q kb pq m p ( p p0 )[(1 (kb 1) ] p0
(9.3.6)
p0——吸附质组分的饱和蒸气压；
qm——吸附剂表面完全被吸附质单分子层覆盖时的吸附量； kb——常数，与温度、吸附热和冷凝热有关。 BET公式中的参数qm和kb可以通过实验测定。
通常只适用于比压（p/p0）约为0.05～0.35。
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
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
第一节 吸附分离操作的基本概念
• 按吸附剂再生方法分类：变温吸附和变压吸附 • 按原料组成分类：大吸附量分离和杂质去除
• 按分离机理分类：位阻效应、动力学效应和平衡效应
第九章第一节 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
二、吸附分离操作的应用
• 吸附分离操作的应用范围很广，既可以对气体或液体混合 物中的某些组分进行大吸附量分离，也可以去除混合物中 的痕量杂质。 • 日常生活： 木炭吸湿、吸臭；防腐剂；吸湿剂（硅胶）
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
（五）沸石分子筛
化学式：Mex/n[(AlO2)x (SiO2)y]• mH2O 其中Me为阳离子，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。 强极性吸附剂，对极性分子如
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℃ 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℃；
药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等。
• 按作用力性质分类：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；
• 相对分子质量越大，分子引力越大，吸附量越大；
第九章 吸 附
第九章 吸附
本章主要内容
第一节 吸附分离操作的基本概念
第二节 第三节 第四节 第五节 吸附剂 吸附平衡 吸附动力学 吸附操作与吸附穿透曲线
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
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
k——和吸附剂种类、特性、温度以及所用单位有关的常数； n——常数，和温度有关；
p——吸附质气相中的平衡分压， Pa。
随着p增大，吸附量q随之增加。 但p增加到一定程度后，q不再变化。 Freundlich方程为经验公式。
压力范围不能太宽，低压或高压区域不能得到满意的实验拟合 结果。
第三节 吸附平衡
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 他元素如氧、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、－COOH
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：
(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。
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Байду номын сангаас的干燥。
第二节 吸附剂
（四）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200～300 m2/g，对水分有极强的吸附能力。
第三节 吸附平衡
如何求解Langmuir公式参数？
公式变换得：
1 1 1 1 q k1qm p qm
或
1/q
1/(k1qm)
1/qm 1/p
p p 1 q qm k1qm
第三节 吸附平衡
Langmuir 公式分析：
当p很小时，则：q=k1qmp 呈亨利定律，即吸附量与气体的平衡分压成正比。 当p时， q=qm 此时，吸附量与气体分压无关，吸附剂表面被占满，形成 单分子层。
乙烷-乙烯混合气体的平衡吸附(25℃，101.325 kPa)
第三节 吸附平衡
各组分的吸附量
• qA0、qB0分别为各组分单独存在且压力等于双组分总压时的 平衡吸附量。 • qA、qB为混合气体吸附平衡时的吸附量。
qA qB 1 qA0 qB0
(9.3.12)
第三节 吸附平衡
三、液相吸附
1.液相吸附的特点
弗兰德里希(Freundlich)等温线
相对吸附量q/q0
相对压力
• n一般大于1，n值越大，其吸附等温线与线性偏离越大。 • 当n>10，吸附等温线几乎变成矩形，是不可逆吸附。
第三节 吸附平衡
弗兰德里希公式参数的求解： 对吸附等温式两边取对数：
1 lg q lg k lg p n
1/n
lg q
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 当吸附速率和解吸速率相等时， 流体中吸附质浓度不再改变时 → → 吸附平衡
吸附速度
吸附剂吸附能力用吸附量q表示。
第三节 吸附平衡
设吸附表面覆盖率为θ，则θ可以表示为：
q qm
饱和吸附量。
(9.3.3)
qm为吸附剂表面所有吸附点均被吸附质覆盖时的吸附量，即
气体的脱附速率与θ成正比，可以表示为：kdθ
气体的吸附速率与剩余吸附面积(1－θ)和气体分压成正比，
可以表示为：ka p(1－θ)
第三节 吸附平衡
吸附达到平衡时，吸附速率与脱附速率相等，则：
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
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、碳分子筛、硅胶、活性氧 化铝和沸石分子筛。
• 1/n越小，说明吸附可在相当宽的浓 度范围下进行。
k
lg p
双对数坐标
• 一般认为 1/n = 0.1 ～ 0.5 时容易吸 附。
第三节 吸附平衡
2. 朗格谬尔（Langmuir)公式
方程推导的基本假定： • 吸附剂表面性质均一，每一个具有剩余价力的表面分子或原子
吸附一个气体分子。
• 吸附质在吸附剂表面为单分子层吸附。 • 吸附是动态的，被吸附分子受热运动影响可以重新回到气相。 • 吸附过程类似于气体的凝结过程，脱附类似于液体的蒸发过程 • 吸附在吸附剂表面的吸附质分子之间无作用力。
• 可形成单分子吸附层或多分子吸附层 。
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作用力 的大小。 • 如石灰吸附CO2 → CaCO3
• 吸附热大，一般在较高温下进行；
• 具有选择性，单分子层吸附；
• 化学键作用力大时，吸附不可逆。
液相吸附的机理比气相复杂。在吸附质发生吸附时，溶剂也有可
能被吸附。 影响因素包括：除温度和溶质浓度外，溶剂种类、吸附质的溶解 度和离子化、各种溶质之间的相互作用等。 在溶剂的吸附作用忽略不计时，可以认为是单组分吸附。
第三节 吸附平衡
2. 吸附等温线测定方法：
假设溶剂不被吸附，或者液体混合物是溶质的稀溶液 测定溶液与吸附剂接触前后的浓度变化 达到吸附平衡时：
第一节 吸附分离操作的基本概念
• 化工领域： 产品的分离提纯，如制糖品工业，用活性炭处理糖液， 吸附 其中杂质，得到洁白的产品。 • 环境领域： 水：脱色脱臭，有害有机物的去除，金属离子，氮、磷 空气：脱湿，有害气体，脱臭
特别适合于低浓度混合物的分离
第一节 吸附分离操作的基本概念
本节思考题
(1)简述吸附分离的基本原理。
一、单组分气体吸附
（一）吸附平衡理论
气体吸附等温线测定方法： 重量法、容量法
q=f(p,T)
(9.3.1)
分压较低：近似为直线 分压较高：趋于平缓 不同温度下NH3在木炭上的吸附等温线
第三节 吸附平衡
1.弗兰德里希（Freunlich）方程：
q kp
q——平衡吸附量，L/kg；
1/ n
(9.3.2)
q = V(0-)/m
V——液体容积； m——吸附剂质量；
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——吸附质 • 吸附吸附质的多孔固体——吸附剂 • 吸附质附着到吸附剂表面的过程——吸附 • 吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程——解吸
• 吸附过程发生在“气-固”或“液-固”非均相界面
第一节 吸附分离操作的基本概念
一、吸附分离操作的分类
第三节 吸附平衡
3.BET公式
由Brunaner, Emmett和Teller 3人提出的。 基于多分子层吸附，在Langmuir公式基础上推导出来的。
假设：
• 吸附分子在吸附剂上是按各个层次排列的。
• 吸附过程取决于范德华引力，吸附质可以在吸附剂表面一 层一层地累叠吸附。
• 每一层吸附都符合Langmuir公式。
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 响吸附速度。