吸附处理技术

②
N=ksa(qi-q)
孔隙扩散速率公 式
ks—吸附质外表面至内表面的传质系数 qi—吸附量颗粒外表面的吸附量
q—颗粒的平均吸附量
3吸附的影响因素
吸附是溶剂，溶质和固体 吸附剂三者间的作用。因此三 者均会对吸附速率产生影响。
组织结构
溶质和溶剂之间的作用
1吸附质的性质
溶质分子的大小 电离和极性
吸附的影响因素
水溶液中有无机离子共存 时对有机物的吸附几乎没有什 么影响，当有汞，铬，铁等金 属离子在活性炭表面发生氧化 还原沉积时，会使活性炭的孔 隙变窄，妨碍有机物的扩散。
4一句话总结
多种因 素通过吸附 过程的三过 程而影响吸 附速率。
溶质分子 吸附剂
电离极性
吸附 三过 程
作用力
pH
共存物质
吸附剂指能有效地从气体或液体中吸附其中 某些成分的固体物质。 吸附剂一般有以下特点： 大的比表面、适宜的孔结构及表面结构； 对吸附质有强烈的吸附能力； 一般不与吸附质和介质发生化学反应; 制造方便，容易再生； 有良好的机械强度等。
活性炭的种类
粉末状活性炭：颗粒极细呈粉末状，是活性炭 中吸附力最强的一类。 颗粒状活性炭：由粉末状活性炭制成的颗粒， 便于装柱使用。
锦纶 -- 活性炭：以锦纶为粘合剂，将粉末活性 炭制成颗粒，可用来分离因前两种活性炭吸附力 太强而不易洗脱的吸附物。
活 性 炭（Active carbon）
活性炭种类 颗粒大小 粉末活性炭
1 n
q e KCe
式中
K——Freundlich吸附系数，n ——常数，通常大于1。 Ce ——平衡浓度，mg/L。 一般认为，1／n值介于0.1～0.5之间时易于吸附，而＞2时难以 吸附。
两边取对数，得：
lg q lg K 1/ n lg C
Freundlich等温式
应当指出：
• （1）上述吸附等温式，仅适用于单组分吸附体系；
BET等温式
BET等温式是表示吸附剂上有多层溶质分子被吸附的吸 附模式，各层的吸附符合朗谬尔单分子吸附等温式。总 吸附量等于各层吸附量之和，由此导出的BET等温式为：
BaCe qe (Cs - Ce)1 (B - 1)(Ce/Cs)
式中 a ，B——常数； Cs Cs ——吸附质饱和浓度，mg/L Ce ——平衡浓度，mg/L。
2吸附剂的性质
pH
3溶液的性质
温度 共存物质
①溶质和溶剂之间的作用：溶质在水中的
溶解度越大就不容易转向吸附剂界面而被 吸附，反之亦然。 活性炭 甲酸＞乙酸＞丙酸＞丁酸 芳香烃化合物＞脂肪族化和物
②溶质分子的大小：
膜扩散—吸附质分子质量，吸附量
孔隙扩散—吸附质分子质量 ，吸附量
③电离：简单的化合物，非解离的分子较离
三、吸附类型
特征
物理吸附 化学吸附 交换吸附
吸 附 剂 表 面
分子间力 化学键力 静电引力
靠吸附质离子 与吸附剂表面 带电点上的静 电引力聚集在 吸附剂表面， 同时放出等当 量的同号离子。
吸附等温线
在一定T下，q（吸 附质浓度）随平衡浓度C 变化的曲线（q=f(C)） 叫吸附等温线。用数学
公式描述则叫吸附等温
子化合物的吸附量大，但随着化合物结构 的复杂化，电离对吸附的影响较小。 极性：不对称的有机物分子都带有极性， 吸附过程服从极性相容原理。
极性吸附剂容易从非极性溶液中吸附极性溶 剂 非极性吸附剂很难从极性吸附中的极性溶质
组织结构
溶质和溶剂之间的作用
1吸附质的的性质
溶质分子的大小 电离和极性
吸附的影响因素
· 过渡孔：2~100nm，0.02~0.10mL/g，占比 表面积<5%，吸附量不大，起吸附作用和 通道作用。 · 大孔：100~1000nm，0.2~0.5mL/g，占 比表面积很小，吸附量小，提供通道。
二、吸附作用 1、吸附规则 “相似相吸”。 2、离子选择吸附规则（规律） 固体吸附剂优先吸附与其组成相关的离子。 3、离子交换吸附 ① 离子浓度越大，则其交换能力便越强。 ② 离子价数越高，则其交换能力越强。 ③ 同价离子的交换能力随其水化半径增 大而减弱。
常用的吸附剂主要有以下几种
活性炭
活性氧化铝
硅胶和硅藻土 沸石分子筛 吸附树脂
（1）活性炭
活性炭是一类碳质吸附剂的总称，品种很多。几乎所 有的有机物都可以作为制造活性炭的原料，如泥炭、 褐煤、烟煤、重质石油馏分、木材、果壳、纸浆废液 等。将原料在隔绝空气的条件下加热至600℃左右（有 时还加添加剂），使其热分解，得到的残碳再在800℃ 以上高温下与空气、水蒸气或二氧化碳反应使其烧蚀 ，便生成多孔的活性炭。 活性炭具有吸附力强，分离效果好，来源比较容易， 价格便宜。但由于活性炭生产原料和制备方法不同， 因此吸附性能的可重复性很难控制。另外活性炭色黑 质轻，有时会造成环境污染。
BET等温式
• 为计算方便，可将上式改为倒数式：
由吸附试验数据，按上式作图可求常数a、B。作 图时需要知道饱和浓度Cs，如果知道准确的Cs值可以 通过一次作图即可得出直线来，当Cs未知时需要通过 假设不同的值多次才能得到直线。
BET等温式
Freundlich等温式
• 此为指数函数型式的经验公式：
颗粒活性炭 锦纶活性炭
表面积 大
较大 小
吸附力 吸附量 大
较小 小
洗脱 难
难 易
小
较小 大
大
较小 小
活性炭生产工艺
（2）活性氧化铝
活性氧化铝（ Al2O3·nH2O ）是氢氧化铝胶体经加热脱 水后制成的一种多孔大表面吸附剂。 通过控制氢氧化铝晶粒尺寸和堆积配位数可以控制氧 化铝的孔容、孔径和表面积。由铝土矿加热脱水可制 成天然活性氧化铝。氧化铝按品型可分为α、γ、θ 、δ、η、χ、κ、和ρ共8种。通常所说的“活性氧 化铝”是指γ-Al2O3 或是γ、χ和η氧化铝的混和物 。 活性氧化铝具有相当大的比表面积（ 200 ～ 400m2/g ） ，且机械强度高，物化稳定性高，耐高温，抗腐蚀， 但不宜在强酸、强碱条件下使用。活性氧化铝表面的 活性中心是羟基和路易斯酸中心，极性强，对水有很 强的亲和作用。活性氧化铝广泛应用于脱除气体中的 水，也常用作色谱柱填充材料。
工业上常用的吸附剂有：硅胶、活性氧化 铝、活性炭、分子筛等，另外还有针对某种组 分选择性吸附而研制的吸附材料。气体吸附分 离成功与否，极大程度上依赖于吸附剂的性能 ，因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题 。 吸附剂按其化学结构可分为有机吸附剂和 无机吸附剂。 常用的有机吸附剂有活性炭、球性炭化树 脂、聚酰胺、纤维素、大孔树脂等； 常用的无机吸附剂有硅胶、活性氧化铝、 硅藻土、分子筛等。
①pH：pH对吸附质在溶液中存在的形态
（电离，络合）和溶解度均有影响， 因而对吸附性能也产生影响。水中的 有机物一般在低pH时，电离度较小。
②温度：吸附反应时放热的，因此温度
越低对吸附越有利，但是在水处理中， 一般变化不大，因而温度的影响较小， 可以忽略。
③共存物质：其影响较复杂，有的可以
相互诱发吸附，有的能独立的被吸附， 有的则相互起干扰作用。
活性炭的制造
高温炭化 活化,800~900℃
木材、煤、果壳
炭渣
隔绝空气，600℃
活性炭
活化剂：ZnCl2
蒸汽高温活化 粉末状活性炭 粒状活性炭（园柱状、球状），粒径2~4mm 棒状活性炭：Φ 50mm，L=255mm
2.活性炭的细孔构造和分布
1.比表面积 每g活性炭所具有的表面积。活性炭的 比表面积为：500~1700m2/g，99.9%的表面 积，在多孔结构颗粒的内部。 2.细孔构造 · 小孔：<2nm，0.15~0.90mL/g，占比表面 积的95%以上，起吸附作用，吸附量以小孔 吸附为主。
吸附现象
蔚蓝的大海 木炭的吸附
一、概述 1、1 吸附
当气体或液体与某些固体接触时，气体
或液体的分子会积聚在固体的表面上，这
种现象称之为吸附。它可以被人认为是某
些物质从气体混合物（或溶液）中凝聚到
某表面上的一种物理化学现象。
区别于吸收
• 与吸附不同，吸收时，液相中物质分子是 均匀分散的。而吸附是流体分子富集在固 体表面上，形成一吸附层（或称吸附膜） ，而没有向固体内部渗透。由于吸附是一 种表面现象，所以只有那些具有较大内表 面的多孔性固体才具有吸附能力。吸附过 程是由流体（气体或液体）与固体构成一 个体系，是非均相过程。
abC e qe 1 bC e
式中 a ——与最大吸附量有关的 常数 b——与吸附能有关的常数
附量qe与液相平衡浓度Ce 的关系为：
Langmuir 吸附等温式
为方便计算，常将上式改为倒数式：
1 1 1 1 ＋ q e ab Ce a
根据吸附试验数据，按上式作图可求出a、b值。
Langmuir 吸附等温式
1.2 吸附机制
固体表面分子(或原 子)处于特殊的状态。固 体内部分子所受的力是对 称的，故彼此处于平衡。 但在界面分子的力场是不 饱和的，即存在一种固体 的表面力，它能从外界吸 附分子、原子、或离子， 并在吸附表面上形成多分 子层或单分子层。
吸附作用: 物质从气体或液体浓缩到固体表面 从而实现分离的过程 吸附剂: 在表面上能发生吸附作用的固体 吸附物: 被吸附的物质
膜扩散
吸附速率
孔隙扩散 内表面吸附
膜扩散:吸附质通过 液相扩散到吸附剂 的表面。 孔隙扩散:吸附质通 过细孔向吸附内剂 内部扩散 内表面吸附:吸附 质在吸附剂内表面 上 的吸附
（三步过程）
2吸附速率公式 膜扩散速 率公式 ① N=kLa(c-ci)
N—扩散速率 kL—界膜传质系数 a—界膜面积 c—流体主体中吸附质的浓度 ci—吸附剂颗粒外表面中吸附质浓度
2吸附剂的性质
pH
3溶液的性质
温度 共存物质
•
吸附剂的性质 吸附量的多少会随着吸附剂表面积得的 增大而增大，吸附剂的孔径，颗粒度等都会 影响比表面积的大小，从而影响吸附性能。
组织结构
溶质和溶剂之间的作用
1吸附质的性质
溶质分子的大小 电离和极性
吸附的影响因素
2吸附剂的性质
pH
3溶液的性质
温度 共存物质
1、3吸附分类
物理吸附 : 吸附剂和吸附物通过分子力产 生的吸附。
特点 是放热过程 吸附物分子状态变化不大，需要的活化 能很小，多数在较低温下进行。 达吸附平衡时间非常短 吸附过程可逆
化学吸附： 化学吸附是由于吸附剂和吸附物之间的 电子转移，发生化学反应而产生。 特点 释放大量的热 单分子层吸附，稳定，不易解吸
（3）硅胶和硅藻土
• 硅胶是应用很广的一种极性吸附剂。是具有硅氧交联结 构，表面有许多硅醇基的多孔性微粒。硅醇基可与极性 化合物或不饱和化合物形成氢键而使硅胶具较强的吸附 力。 • 主要优点是化学惰性，具有较大的吸附量，易制备不同 类型的多孔硅胶，一般以SiO2.nH2O通式表示。 • 硅胶的活性与含水量有关：含水量高则吸附力减弱。当 游离水含量17%以上时，吸附能力极低，可作为分配色谱 的载体。 • 硅胶具有微酸性，适用于分离酸性和中性物质，如有机 酸、氨基酸、甾体等。
吸附热
• 流体分子从液体相被吸附到固体表面，其 分子的自由焓降低，与吸附前相比，其分 子的熵也降低了，按照热力学定律，自由 焓变化(△H)、焓变化（△S）关系如下 △G=△H-T△S • 上式中△G、△S均为负值，故△H肯定为 负值。 • 可见它是一个放热的过程。
• 所放出的热，成为该物质在此固体表面上 得吸附热。 • 原因：多孔性固体表面的分子或原子因 受力不均匀而具有剩Baidu Nhomakorabea的表面能，当流体 中的某些物质碰撞到固体表面时，受到这 些不平衡力懂得作用就会停留在固体表面 上。
式。
吸附等温式
• 吸附平衡
朗繆尔（Langmuir）吸附等温式
• 吸附等温线
BET等温式
弗罗因德利希（Freundlich）吸附等温式
一、吸附平衡
• 吸附平衡
当溶液中吸附质 的浓度和吸附剂单位 吸附量不再发生变化 时；溶液中吸附质的 浓度称为平衡浓度。
qe
V ( Ce Ce ) W
式中 V ——溶液体积，L C0，Ce ——分别为溶质的初始 和平衡浓度，mg/L W ——吸附剂量，g
二、吸附等温线
在一定T下，q随平衡浓度C变化的曲线（q=f(C)）
叫吸附等温线。用数学公式描述则叫吸附等温式。 常见吸附等温式有Langmuir公式 、Freundlich公 式 、BET公式三种 。
Langmuir 吸附等温式
理论假设：
吸附剂表面均一，各处的 吸附能相同 吸附是单分子层的，平衡 状态时，吸附和脱附速率 相等 由动力学方法推导出平衡吸
• （2）对于一组吸附试验数据，究竟采用哪一公式 整理，并求出相应的常数来，只能运用数学的方 式来选择。通过作图选用能画出最好的直线的那 一个公式，但也有可能出现几个公式都能应用的 情况，此时宜选用形式最为简单的公式。
主要内容
1
2 3
影响吸附速率的过程 吸附速率公式
吸附影响因素
4
总结
1影响吸附速率的过程