华北理工环境工程原理课件09吸附

第九章吸附第九章吸附第一节吸附分离操作的基本概念第二节吸附剂第三节吸附平衡第四节吸附动力学第五节吸附操作与吸附穿透曲线本章主要内容一、吸附分离操作的分类二、吸附分离操作的应用本节的主要内容第一节吸附分离操作的基本概念•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——称为吸附质•吸附吸附质的多孔固体——称为吸附剂•吸附质附着到吸附剂表面的过程——称为吸附•吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程——称为解吸•吸附过程发生在——“气－固”或“液－固”非均相界面基本术语第一节吸附分离操作的基本概念•按作用力性质分类：分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；•分子量越大，分子引力越大，吸附量越大；•可形成单分子吸附层或多分子吸附层。一、吸附分离操作的分类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；•化学键力大时，吸附不可逆。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）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•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，脱臭第一节吸附分离操作的基本概念一、常用吸附剂的主要特性二、几种常用的吸附剂本节的主要内容第二节吸附剂吸附容量大：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。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.一、常用吸附剂的主要特性第二节吸附剂（一）活性炭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度活化：形成发达的细孔。两种办法:气体法：通入水蒸气，温度在800－1000度；药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等特点：吸附容量大，热稳定性高，化学稳定性好，解吸容易二、几种常用的吸附剂第二节吸附剂（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。脱除恶臭最为有效。废气废水处理中吸附能力均高于活性炭活性炭纤维分为两种：(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粘附于有机纤维或玻璃纤维上，也可以与纸浆混粘制成活性炭纸。(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）炭分子筛通过吸附的优先顺序和尺寸大小来区分不同物质的分子，所以被形象的称为“分子筛”。吸附功能：筛分功能：炭分子筛是一种炭质吸附剂,它具有接近被吸附分子直径的楔形极微孔,而且孔径分布均匀、能够把立体结构大小有差异的分子分离。炭分子筛具有表面疏水的特性，耐酸碱性、耐热性和化学稳定性较好，但不耐燃烧。第二节吸附剂（四）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硅胶的化学式：SiO2nH20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，高湿度气体的干燥。第二节吸附剂（五）活性氧化铝化学式：Al2O3nH2O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200～300m2/g，对水分有极强的吸附能力。主要用于气体和液体的干燥、石油气的浓缩与脱硫。第二节吸附剂（六）沸石分子筛化学式：Mex/n[(AlO2)x(SiO2)y]•mH2O其中Me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。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一、单组分气体吸附二、双组分气体吸附三、液相吸附本节的主要内容第三节吸附平衡在一定条件下，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。吸附速度解吸速度当吸附速度和解吸速度相等时，流体中吸附质浓度不再改变时→→吸附平衡吸附剂吸附能力用吸附量q表示。吸附平衡与平衡吸附量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（一）吸附平衡理论一、单组分气体吸附不同温度下NH3在木炭上的吸附等温线分压较低：近似为直线分压较高：趋于平缓第三节吸附平衡q=f(p,T)(9.3.1)1.弗兰德里希（Freunlich）方程：q——平衡吸附量，L/kgk——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，一般大于1p——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。1/nqkp第三节吸附平衡(9.3.2)单分子层吸附的Langmuir方程：111mkqpqkpp——吸附质的平衡分压，Paq,qm——分别为吸附量和单分子层吸附容量，L/kgk1——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。方程适用于低、中压吸附。第三节吸附平衡(9.3.5)2.朗格谬尔（langmuir)公式一、单组分气体吸附二、双组分气体吸附三、液相吸附本节的主要内容第三节吸附平衡1.液相吸附的特点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。三、液相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第三节吸附平衡达到吸附平衡时：q:平衡吸附量，kg/kgV：液体容积，m：吸附剂质量：吸附平衡时，液相中溶质浓度0：吸附前，液相中溶质浓度)(0Vmq3.吸附等温式Freundlich吸附等温方程式：q——平衡吸附量，kg/kgk——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——吸附质在液相中的平衡浓度,mg/L1/nqk第三节吸附平衡(9.3.13)111mkqpqkpaaqqm1(1)Langmuir拟合气-固相吸附maqaq11液-固相吸附mmaqqq1ρq根据上表数据，求出ρ/q与ρ线性相关性，相关系数为0.91nkq/1（2）Freundlich拟合knqlnln1lnρq根据上表数据，求出lnρ与lnq线性相关性，相关系数为0.99knqlnln1lnnkq/1一、单组分气体吸附二、双组分气体吸附三、液相吸附本节的主要内容第三节吸附平衡第九章吸附第一节吸附分离操作的基本概念第二节吸附剂第三节吸附平衡第四节吸附动力学第五节吸附操作与吸附穿透曲线本章主要内容（1）吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面——外扩散（2）吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散——内扩散（3）吸附质在吸附剂的内部表面上被吸附一般第(3)步的速度很快，吸附传质速率主要取决于第(1)和(2)两步。外扩散速度很慢——外扩散控制内扩散速度很慢——内扩散控制吸附剂从流体中吸附吸附质的传质过程第四节吸附动力学一、接触过滤吸附二、固定床吸附本节的主要内容第五节吸附操作与吸附穿透曲线为适用不同的过程特点和分离要求，吸附有各种不同的操作工艺，如：•液体接触过滤器•固定床吸附塔•流化床吸附塔•移动床吸附塔吸附工艺过程第五节吸附操作与吸附穿透曲线一、接触过滤吸附接触过滤吸附是一种专门用于液体吸附的方法。将吸附剂与被处理的溶液加入到搅拌的吸附槽中，经过足够的接触时间后，将液体和吸附剂分离。操作方式可以分为单级吸附、多级吸附和逆流吸附等第五节吸附操作与吸附穿透曲线液体接触过滤器示意图（一）单级吸附G,0G,1L,x0L,x1•溶剂量G和吸附剂量L不变。•根据质量守恒定律：G：溶剂量，m3；L：吸附剂量，kgx0,x1：吸附质在进、出吸附槽的吸附剂中的浓度，kg（吸附质）/kg（吸附剂）0,1：吸附质在进、出吸附槽的溶液中的浓度，kg（吸附质）/m3（溶剂）0110()()GLxx吸附剂溶液第五节吸附操作与吸附穿透曲线(9.5.1)x0x1ρ0ρ1过端点（x0,0）和（x1,1），斜率为－L/G的直线假设在该级操作中，固－液之间达到平衡，即为一个理论级，则（x1,1）点在平衡线上。01x0x1x操作线平衡线单级吸附操作线第五节吸附操作与吸附穿透曲线如果稀薄溶液吸附平衡关系可用弗兰德里希公式表示，则吸附平衡可表示为：联立操作线方程和平衡线方程，可求出固、液相的极限浓度x1,1。如何求出固、液相的极限浓度x1,1？第五节吸附操作与吸附穿透曲线x＝k1/n(9.3.13)011/1/()nLGk或已知x1,1，求固液比L/G：x0＝0时n101x-L/G(9.5.2)（二）多级吸附G,0G,1L1,x0L1,x1G,2L2,x0L2,x2对于第1级：对于第2级：第1级第2级01110()()GLxx12220()()GLxx吸附剂第五节吸附操作与吸附穿透曲线(9.5.1)(9.5.1)01x0x1x操作线平衡线x22A1A2（三）逆流多级吸附G,012mL,x1L,xm+1x2x312m上式为逆流吸附操作线方程。理论级数，可通过在平衡线和操作线之间做阶梯确定。吸附剂溶液第五节吸附操作与吸附穿透曲线以整个流程为体系，做吸附质的物料衡算：011()()mmGLxx(9.5.7b)0xm+1x1x操作线平衡线m理论级数：2理论级数的图解法第五节吸附操作与吸附穿透曲线吸附剂量的计算•在给定级数后，过B点做不同斜率的操作线，求出最小吸附剂量。0xm+1x1xm0xm+1x1xm（L/G)min第五节吸附操作与吸附穿透曲线（L/G)min一、接触过滤吸附二、固定床吸附本节的主要内容第五节吸附操作与吸附穿透曲线二、固定床吸附G第五节吸附操作与吸附穿透曲线(一)穿透点和穿透曲线固定床吸附器吸附传质过程示意图吸附带第五节吸附操作与吸附穿透曲线穿透曲线示意图第五节吸附操作与吸附穿透曲线1.吸附的基本原理。2.吸附在环境工程领域有哪些应用，举例说明。3.常用的吸附剂有哪些。4.吸附剂的主要特性是什么。5.吸附过程有哪几个步骤。6.接触过滤