环工原理教学课件：第09章 吸附.ppt

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,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,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：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；,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作用力的大小。,如石灰吸附,CO,2,CaCO,3,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。,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,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,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,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。,比表面积：,500,1700 m,2,/g,二、几种常用的吸附剂,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,，,10,，吸附等温线几乎变成矩形，是不可逆吸附。,相对压力,相对吸附量,q,/,q,0,第三节 吸附平衡,弗兰德里希等温线,弗兰德里希公式参数的求解：,对吸附等温式两边取对数：,k,双对数坐标,1/,n,1/,n,越小，说明吸附可在相当宽的浓度范围下进行。,一般认为,1/,n,=0.1,0.5,时容易吸附。,第三节 吸附平衡,lg,p,lg,q,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。,第三节 吸附平衡,设吸附表面覆盖率为,，则,可以表示为：,气体的脱附速率,与,成正比，可以表示为：,k,d,气体的吸附速率,与剩余吸附面积,(1,),和气体分压成正比，可以表示为：,k,a,p,(1,),q,m,为吸附剂表面所有吸附点均被吸附质覆盖时的吸附量，即饱和吸附量。,第三节 吸附平衡,(9.3.3),吸附达到平衡时，吸附速率与脱附速率相等，则：,整理后可得单分子层吸附的,Langmuir,方程p,吸附质的平衡分压，,Pa,；,q,q,m,分别为吸附量和单分子层吸附容量，,L/kg,；,k,1,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。,第三节 吸附平衡,(9.3.4),(9.3.5),如何求解,Langmuir,公式参数？,1/p,1/q,1/q,m,1,/(k,1,q,m,),或,第三节 吸附平衡,公式变换得：,当,p,很小时，,则：,q,=,k,1,q,m,p,呈亨利定律，即吸附量与气体的平衡分压成正比。,当,p,时，,q,=,q,m,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。,Langmuir,公式分析：第三节 吸附平衡,3.BET,公式,由,B,runaner,E,mmett,和,T,eller 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。,第三节 吸附平衡,p,0,吸附质组分的饱和蒸气压；,q,m,吸附剂表面完全被吸附质单分子层覆盖时的吸附量；,k,b,常数，与温度、吸附热和冷凝热有关。,BET,公式中的参数,q,m,和,k,b,可以通过实验测定。,通常只适用于比压（,p/p,0,）约为,005,0.35,。,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,(9.3.6),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。,乙烷,-,乙烯混合气体的平衡吸附,(25,，,101.325 kPa),第三节 吸附平衡,气相中乙烷的摩尔分数,x,A,吸附相中乙烷的摩尔分数,y,A,各组分的吸附量,q,A0,、,q,B0,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。,q,A,、,q,B,为混合气体吸附平衡时的吸附量。,第三节 吸附平衡,(9.3.12),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：,V,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。,q,=,V,(,0,-,)/,m,3.,吸附等温式,Freundlich,吸附等温方程式：,q,平衡吸附量，,kg/kg,；,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；,吸附质在液相中的平衡浓度,mg/L,。,第三节 吸附平衡,(9.3.13),3.,吸附等温式,朗格谬尔（,Langmuir),吸附等温方程式：,第三节 吸附平衡,(9.3.13),C,e,平衡时的溶液浓度，,mol/L,；,q,e,q,m,分别为平衡时吸附量和吸附剂饱和吸附量，,L/kg,；,k,1,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。,4.,实验室的研究工作中,可以拿到的实验数据：浓度,-,吸附量之间的关系,吸附热力学问题，即等温吸附线：判断平衡吸附量,吸附动力学问题：判断吸附速度的快慢，一级模拟，二级模拟,颗粒内扩散模拟,.,第三节 吸附平衡,一、吸附剂颗粒外表面界膜传质速率,二、吸附剂颗粒内表面扩散速率,三、内表面扩散阻力控制的吸附过程,四、外表面界膜阻力和内表面扩散阻力同时,存在时的吸附过程,五、外表面界膜控制时的吸附过程,本节的主要内容,第四节 吸附动力学,（,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),步的速率很快，吸附传质速率主要取决于,第,(1),和,(2),两步外扩散速率很慢,外扩散控制,内扩散速率很慢,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,活性炭,染料废水,处理水,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,（一）单级吸附,G,0,G,1,L,x,0,L,x,1,溶剂量,G,和吸附剂量,L,不变。,根据质量守恒定律：,G,溶剂量,，,m,3,；,L,吸附剂量,，,kg,；,x,0,x,1,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）,/m,3,（溶剂）。,吸附剂,溶液,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.1),过端点（,x,0,0,）和（,x,1,1,），,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（,x,1,1,）点在平衡线上。,0,1,x,0,x,1,x,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,x,1,1,。,如何求出固、液相的极限浓度,x,1,1,？,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,x,k,1/n,(9.3.13),或已知,x,1,1,，求固液比,L,/,G,：,x,0,0,时,n,1,0,1,x,-,L,/,G,(9.5.2),（二）多级吸附,G,0,G,1,L,1,x,0,L,1,x,1,G,2,L,2,x,0,L,2,x,2,对于第,1,级：,对于第,2,级：,第,1,级,第,2,级,吸附剂,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.1),(9.5.1),0,1,x,0,x,1,x,操作线,平衡线,x,2,2,A,1,A,2,如果吸附平衡可表示为：,x,0,=0,时，,每一级都是理论级，即（,x,1,1,）和（,x,2,2,）都在平衡线上。,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,x,k,1/n,(9.5.5),对于最小吸附剂总用量，,d(,L,1,+,L,2,)/,G,/d,1,0,对于一定体系和,分离要求,，,k,n,0,及,2,为常数，则得：,即当,1,符合上式时，总吸附剂用量为最小。,由上式求出1,然后再计算各级所需要的吸附剂用量。,吸附剂用量如何计算？,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,(9.5.6),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,穿透时间？,动态吸附量：,在流体流动的情况下，流体和吸附剂之间的平衡关系，与体系及温度、压力、物质的传质速率、流体的流动形状以及吸附剂的形状尺寸等性质有关。,静态吸附量：,静止时的吸附平衡,（吸附等温线）,动态吸附量一般小于静态吸附量,动态吸附量与静态吸附量,第五节 吸附操作与吸附穿透曲线,Li Yanxu,Chen Jiangyao,Sun Yinghuang,，,Adsorption of multicomponent volatile organic compounds on semi-coke.Carbon,4 6(2 0 0 8)8 5 8 8 6 3,Aparna Roy,Sumit Chakraborty,Sarada Prasad Kundu,Basudam Adhikari,Subhasish Basu Majumder,.Lignocellulosic Jute Fiber as a Bioadsorbent for the Removal of Azo Dye from Its Aqueous Solution:Batch and Column Studies.J.APPL.POLYM.SCI.2013,课堂作业：,1.,采用吸附的方法处理含酚废水,5 m,3,，酚浓度为,1.0 kg/m,3,，要求吸附后酚浓度达到,0.1 kg/m,3,以下，假设该吸附满足,Freundlich,吸附方程，常数,K,为,5.0 m/s,，常数,n=2,，吸附剂为新鲜未用过的，问需要加多少吸附剂？并画出相平衡曲线与操作线的示意图。,