固体表面(活性炭吸附剂)

6.3.甲苯在活性炭上的平均吸附热
平衡常数Ｋ′与温度T的关系服从van’t Hoff方程：
式中，ΔＨ0为平均吸附热；Ｔ 为吸附温度；Ｒ 为 气体常数。当温度变化不大时，ΔＨ0可近似看作常数， 对上式进行定积分，可以得到：
• ｌｎＫ′与１／Ｔ 成线 性关系，从Langmuir 等温式拟合直线的截距 得到平衡常数Ｋ′，以温 度的倒数1/T对lnK作图 ，如图所示，从甲苯在 活性炭上平均吸附热线 性关系得到直线斜率为 231.018，从而通过上 式可求得实验中甲苯在 活性炭上的平均吸附热 为－1.92kj/mol，吸附 过程为放热过程。
通过这种方法测定的比表 面积我们称之为“等效”比表面 积，所谓“等效”的概念是指： 样品的比表面积是通过其表面 密排包覆（吸附）的氮气分子 的量和分子最大横截面积来表 征。
测量方法的分类
比表面积测试方法有两种分类标准。一是 根据测定样品吸附气体量多少方法的不同，可 分为：连续流动法、容量法及重量法；再者是 根据计算比表面积理论方法不同可分为：直接 对比法比表面积分析测定、Langmuir法比表面 积分析测定和BET法比表面积分析测定等。
• 活性炭是一种黑色粉状、粒状或丸状的 无定形具有多孔的炭。主要成份为炭， 还含有少量氧、氢、硫、氮、氯。也具 有石墨那样的精细结构，只是晶粒较小 ，层层不规则堆积。具有较大的表面积 （500～1000㎡/克）。有很强的吸附能 力，能在它的表面上吸附气体，液体或 胶态固体。对于气、液的吸附可接近于 活性炭本身的质量的。
喷漆/有机废气处理活性炭吸附塔工程平画图示
3.1.活性炭对甲苯的等温吸附
在２０ ℃ 、３０ ℃和４０℃时，测定了甲 苯在活性炭上的吸附等温线如图所示。
通过上图可以看出，在不同温度下， 甲苯在活性炭上的吸附等温线在高浓度时 呈水平或接近水平状平台，按ＩＵＰＡＣ 分类，吸附等温线均为Ⅰ型吸附等温线， 表明其孔隙结构以微孔为主。等温线的初 始部分代表活性炭负载氧化锌的微孔填充 ，在较高相对压力下平台的斜率是非微孔 表面上的多层吸附所致，甲苯的吸附容量 随着温度的升高而降低，在吸附质气体分 压很低时，吸附剂在气相中也有很高的吸 附量。
7.总结
• 总结：吸附作用不仅在生活中有很 大应用 材料的生产和研究过程中有 很大应用，对于材料性能的改良， 以及新材料的研究都有很大帮助。
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方法简介：取一定量活性炭，装入样品管并置 于 脱气口，在250℃下抽真空脱气12 h． 然后测定不同分压p下活性炭对高纯度N2的 平衡吸附附量Va。以1/va对1/p拟合直线作 图，由直线的截距求出饱和吸附量。根据下 式：
L为阿伏伽德罗常数 （6.02x10^23） Vo为摩尔体积（22400mL/mol） As被测样品比表面积 (m2/g) Am氮分子等效最大横截面积（密排 六方理论值Am = 0.162 nm2）
常用的吸附剂有：硅胶、分子筛、 活性炭等。
物理吸附与化学吸附比较
物理源自文库附
分子间作 用力 选择性
范德华引力
无选择性
化学吸附
化学键
有选择性 稳定，不易解吸
吸附稳定 性
吸附分子 层数 吸附速率
不稳定，易解吸
单分子层，多分子层
较快，不需活化 能，不受温度影响
单分子层 较慢，需活化 能，受温度影响
什么是活性炭？？？
界面现象的应用
——活性炭吸附剂
目 录
1.吸附的相关概念 2.活性炭吸附塔的概述及工作原理 3.活性炭对甲苯的等温吸附 4.langmuir吸附理论、吸附等温式及 活性炭对甲苯的饱和吸附量 5.比表面积及孔径对吸附效率的影响 6.吸附热力学及甲苯在活性炭上的平 均吸附热 7.总结
1.1.吸附的概念
4.1.朗缪尔单分子层吸附理论的基本 假设
(1)单分子层吸附 (2)固体表面是均匀的 (3)被吸附在固体表面上的分子之间无相互 作用力 (4)吸附平衡是一种动态平衡
4.2.朗缪尔等温式的推导
A( g ) M (表面) AM
K 1 K1
设θ为任一瞬间固体表面被覆盖的分数，称为覆盖率，即
Θ=
Rk称为凯尔文半径，它完全取决于相对压力 P/P0。凯尔文公式也可以理解为对于已发生凝聚 的孔，当压力低于一定的P/P0时，半径大于Rk的 孔中凝聚液将气化并脱附出来。理论和实践表明， 当P/P0大于0.4时，毛细凝聚现象才会发生，通过 测定出样品在不同P/P0下凝聚氮气量，可绘制出 其等温吸脱附曲线，通过不同的理论方法可得出 其孔容积和孔径分布曲线。最常用的计算方法是 利用BJH理论，通常称之为BJH孔容积和孔径分布。
• 最简单的测量方法（容量法）测定样品 吸附气体量多少是利用气态方程来计算 。在预抽真空的密闭系统中导入一定量 的吸附气体，通过测定出样品吸脱附导 致的密闭系统中气体压力变化，利用气 态方程P*V/T=nR换算出被吸附气体摩 尔数变化
活性炭孔径（孔隙度）分布测定
气体吸附法孔径(孔隙度)分布测定利用的是毛细 凝聚现象和体积等效代换的原理，即以被测孔中充满 的液氮量等效为孔的体积。吸附理论假设孔的形状为 圆柱形管状，从而建立毛细凝聚模型。由毛细凝聚理 论可知，在不同的P/P0下，能够发生毛细凝聚的孔 径范围是不一样的，随着P/P0值增大，能够发生凝 聚的孔半径也随之增大。对应于一定的P/P0值，存 在一临界孔半径Rk，半径小于Rk的所有孔皆发生毛 细凝聚，液氮在其中填充，大于Rk的孔皆不会发生毛 细凝聚，液氮不会在其中填充。临界半径可由凯尔文 方程给出了：
已被吸附质覆盖的固体表面积 固体总得表面结
吸附速率 解吸速 率 动态平衡
V吸附 K1P(1 ) N
V解吸 K1N
θ=
bp 1 bp
4.3.活性炭对甲苯的饱和吸附量
• 以langmiur等温式为基础，对３０℃时的 实验数据进行模型拟合分析，研究活性炭在 不同分压下压强与甲苯平衡吸附量之间的关 系。
• 以分压的倒数对平衡 吸附量的倒数作图， 如图６所示，实验数 据经过langmuir方程 拟合后，直线的相关 系数R2＝0.918，从 直线截距的倒数可以 计算出在该条件下活 性炭的饱和吸附量为 273.23ｍｇ／ｇ。
5.活性炭吸附效率的影响因素：
△ 比表面积 △ 孔径
比外表积 ：单位分量的吸附剂所具 有的外表积称为比外表积（㎡/g）， 比外表积越大，吸附才能越强，通 常比外表积随物质多孔性的增大而 增大。因为孔性活性炭的比外表积 可达1000㎡/g以上。 孔径：只有当活性炭的孔隙结构略 大于有害气体分子的直径，能够让 有害气体分子完全进入的情况下 （过大或过小都不行）才能达到最 佳吸附效果。
为使表面能降低，固体表面会自发地利用其未饱 和的自由价来捕获气相或液相中的分子，使之在固 体表面上浓集，这一现象称为固体对气体或液体的 吸咐。 具有吸附能力的固体物质称为吸附剂(adsorbent) 被吸附的物质称为吸附质(adsorbate)。 按吸附剂和吸附质的本质的不同，吸附可以分 为物理吸附和化学吸附。两者的本质不相同，所以 表现出许多不同的吸附性质。具体见下表：
2.1.活性炭吸附塔的概述
GHF系列活性炭吸附过滤塔一 种废气过滤吸附异味的环保设备产 品，活性炭吸附塔具有吸附效率高 、适用面广、维护方便、能同时处 理多种混合废气等优点，活性炭具 有去除甲醛、甲苯等有害气体和消 毒除臭等作用，活性炭吸附塔现广 泛用于酸洗作业、实验室排风、冶 金、化工、医药、涂装、食品、酿 造等废气处理。
公式的推导与克-克方程的推导十分类似，得到
ads H P 2 nRT / P T n
即
ads H m ln p 2 RT T n
ads H m ads H / n 为摩尔吸附焓
RT2T1 p2 ads H m ln T2 T1 p1
6.1.吸附热力学
吸附热 在吸附过程中的热效应称为吸附热。
物理吸附过程的热效应相当于气体凝聚热，很小； 化学吸附过程的热效应相当于化学键能，比较大。 固体在等温、等压下吸附气体是一个自发过程，Δ G<0 气体从三维运动变成吸附态的二维运动，Δ S<0
ΔH=ΔG+TΔS， ΔH<0
吸附是放热过程。
6.2.吸附热的计算
2.2.工作原理: 含尘气体由风机提供动力，正压 或负压进入活性炭吸附塔体，由于 活性炭固体表面上存在着未平衡和 未饱和的范德华力或化学健力，同 时存在物理吸附和化学吸附。因此 当此固体表面与气体接触时，就能 吸引气体分子，使其浓聚并保持在 固体表面，污染物质从而被吸附， 废气经过滤器后，进入设备排尘系 统，净化气体高空达标排放。
如何测量活性炭比表面积及孔径？
5.1.气体吸附法测活性炭比表面
氮分子模型
原理：依据气体在固体表面的
氮气因其易 获得性和良 好的可逆吸 附特性，成 为最常用的 吸附质。
吸附 特性，在一定的压力下， 被测样品颗粒（吸附剂）表面在 超低温下对气体分子（吸附质） 具有可逆物理吸附作用，并对应 一定压力存在确定的平衡吸附量 。通过测定出该平衡吸附量，利 用理论模型来等效求出被测样品 的比表面积。由于实际颗粒外表 面的不规则性，严格来讲，该方 法测定的是吸附质分子所能到达 的颗粒外表面和内部通孔总表面 积之和，如图所示意位置。