-吸附材料.ppt

吸吸附附分分离离高高分分子子材材料料按化学按化学结构分结构分按吸附按吸附机理分机理分按形态按形态与孔结与孔结构分构分无机吸附剂无机吸附剂高分子吸附剂高分子吸附剂碳质吸附剂碳质吸附剂化学吸附化学吸附物理吸附物理吸附亲和吸附亲和吸附离子交换剂离子交换剂螯合剂螯合剂可再生高分子试剂和催化剂可再生高分子试剂和催化剂阳离子阳离子阴离子阴离子两性离子两性离子非极性非极性中极性中极性强极性强极性免疫免疫仿生仿生球形树脂（大孔、凝胶、大网）球形树脂（大孔、凝胶、大网）离子交换纤维与吸附性纤维离子交换纤维与吸附性纤维无定形颗粒吸附剂无定形颗粒吸附剂吸附分离材料的分类吸附分离材料的分类1 1.2 活性炭活性炭3 沸石沸石1 吸附原理吸附原理4 高分子材料高分子材料.1.1 吸附定义吸附定义吸附吸附(adsorption)当两相组成一个体系时，其组成在两相界当两相组成一个体系时，其组成在两相界面面(Interface)与相内部是不同的，处在两相界与相内部是不同的，处在两相界面处的成分产生了面处的成分产生了积蓄积蓄(浓缩浓缩)。这种现象称为。这种现象称为吸附吸附。.界面现象界面现象在多相体系中，界面的问题非常重要。在多相体系中，界面的问题非常重要。例如吸附、催化、润湿、乳化、破乳、起泡、例如吸附、催化、润湿、乳化、破乳、起泡、分散、消泡、絮凝、聚沉等现象，都与界面密分散、消泡、絮凝、聚沉等现象，都与界面密切相关，都是界面现象。切相关，都是界面现象。.2024/5/9 2024/5/9 周四周四周四周四5 5.2024/5/9 2024/5/9 周四周四周四周四6 6.2024/5/9 2024/5/9 周四周四周四周四7 7.2024/5/9 2024/5/9 周四周四周四周四8 8.2024/5/9 2024/5/9 周四周四周四周四9 9.表面自由能表面自由能.吸附原理的微观表达吸附原理的微观表达吸附质在表面层富集的现象吸附质在表面层富集的现象.吸附质吸附质(adsorbate)被被吸着吸着和和浓缩浓缩的物质的物质吸附剂吸附剂(adsorbent)具有具有选择性选择性吸着溶质的吸着溶质的 多孔多孔表面表面固体固体.例子：用活性炭从废水中去除红色染料例子：用活性炭从废水中去除红色染料.实际上，人们很早就发现并利用了吸附现象，实际上，人们很早就发现并利用了吸附现象，如生活中用如生活中用木炭木炭脱湿和除臭等。随着新型吸附脱湿和除臭等。随着新型吸附剂的开发及吸附分离工艺条件等方面的研究，剂的开发及吸附分离工艺条件等方面的研究，吸附分离过程显示出节能、产品吸附分离过程显示出节能、产品纯度纯度高、可除高、可除去痕量物质、操作温度低等突出特点，使这一去痕量物质、操作温度低等突出特点，使这一过程在过程在化工化工、医药、食品、轻工、环保等行业、医药、食品、轻工、环保等行业得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。.（1 1）气体或液体的脱水及深度干燥，如将乙烯气体中）气体或液体的脱水及深度干燥，如将乙烯气体中的水分脱到痕量，再聚合。的水分脱到痕量，再聚合。（2 2）气体或溶液的脱臭、脱色及溶剂蒸气的回收，如）气体或溶液的脱臭、脱色及溶剂蒸气的回收，如在喷漆工业中，常有大量的有机溶剂逸出，采用活性在喷漆工业中，常有大量的有机溶剂逸出，采用活性炭处理排放的气体，既减少环境的污染，又可回收有炭处理排放的气体，既减少环境的污染，又可回收有价值的溶剂。价值的溶剂。（3 3）气体中痕量物质的吸附分离，如纯氮、纯氧的制）气体中痕量物质的吸附分离，如纯氮、纯氧的制取。取。（4 4）分离某些精馏难以分离的物系，如烷烃、烯烃、）分离某些精馏难以分离的物系，如烷烃、烯烃、芳香烃馏分的分离。芳香烃馏分的分离。（5 5）废气和废水的处理，如垃圾焚烧尾气中去除有害）废气和废水的处理，如垃圾焚烧尾气中去除有害气体，从炼厂废水中脱除酚等有害物质。气体，从炼厂废水中脱除酚等有害物质。.物理吸附与化学吸附物理吸附与化学吸附物理吸附：吸附剂与吸附质之间的作用力是范物理吸附：吸附剂与吸附质之间的作用力是范德华力，包括静电力诱导力和色散力。德华力，包括静电力诱导力和色散力。在吸附过程中物质在吸附过程中物质不改变原来的性质不改变原来的性质，因此吸，因此吸附能小，被吸附的物质很容易再脱离，如用活附能小，被吸附的物质很容易再脱离，如用活性炭吸附气体，只要升高温度，就可以使被吸性炭吸附气体，只要升高温度，就可以使被吸附的气体逐出活性炭表面。附的气体逐出活性炭表面。.物理吸附物理吸附吸附剂吸附剂吸附质吸附质.化学吸附：指吸附剂与吸附质之间发生化学作化学吸附：指吸附剂与吸附质之间发生化学作用，生成化学键引起的吸附，在吸附过程中不用，生成化学键引起的吸附，在吸附过程中不仅有引力，还运用仅有引力，还运用化学键化学键的力，因此吸附能较的力，因此吸附能较大，要逐出被吸附的物质需要较高的温度，而大，要逐出被吸附的物质需要较高的温度，而且被吸附的物质即使被逐出，也已经产生了且被吸附的物质即使被逐出，也已经产生了化化学变化学变化，不再是原来的物质了。，不再是原来的物质了。.化学吸附化学吸附吸附剂吸附剂吸附质吸附质.物理吸附 化学吸附 作用力 范德华力 化学键现 象 类似于冷凝 类似于化学反应 热效应 近似于冷凝热 近似于化学反应热 吸附方式 单分子层或多分子层 一般为单分子层 解吸结果 吸附质能还原 吸附质不能还原 吸附过程可逆，速度快不可逆表表1 物理吸附和化学吸附比较物理吸附和化学吸附比较.吸附与比表面积吸附与比表面积比表面积比表面积 =表面积表面积/质量（体积）质量（体积）m m2 2/g/g，m m2 2/m/m3 3比表面积越大，吸附能力越强。比表面积越大，吸附能力越强。怎样才能增加比表面积？怎样才能增加比表面积？（1）形成孔结构（2）转变为粉末.无孔结构固体：很小的比表面积多孔固体:较大的比表面积,孔尺寸，孔体积微粒:微粒尺寸越小比表面积越大多孔结构的概念多孔结构的概念.孔结构类型孔结构类型非贯通孔闭孔内部联通孔贯通孔.三、活性炭的孔隙大小、分类和各类孔隙的特点和性质根据空隙的大小，分为大孔、微孔和介于大孔微孔之间的中孔(又称过渡孔)。1972年国际精细应用化学联合会(IUPAC)根据苏联学者杜宾宁的划分对活性炭的空隙作了以下的分类:.孔隙大小和分类IUPAC分类法(国际精细应用化学联合会)微孔 过渡孔大孔孔隙直径或孔宽小于2nm孔隙直径或孔宽小于2-50nm孔隙直径或孔宽：大于50 nm 2 nm50 nm.孔隙各有它们的特殊作用孔隙各有它们的特殊作用1.微孔：所谓微孔，就是在相当于滞后开始时的相对压力下已经被完全充填的那些孔隙。微孔的半径r相当于被吸附分子的大小。在一般的活性炭中，微孔的容积为 0.20-0.60cm3/g，约占活性炭总比表面积的90%以上，即数百m2/g,甚至超过10002/g，所以它在很大程度上决定着活性炭的吸附能力。.2.2.中孔（过渡孔）中孔（过渡孔）中孔：是那些能发生毛细凝聚使被吸附物质液化而形成弯液面，从而在等温线上出现滞后回线的孔隙。它的容积在0.02-0.1cm3/g，占总比表面积的5%，一般在20-70m2/g。中孔（过渡孔）的有效半径要比被吸附分子大得多，它的作用是捕捉有机蒸汽，为吸附物分子进人微孔的通道，用来吸附大分子物质，常用于溶液的脱色如用ZnCl2法制得过渡孔特别发达的糖用炭.以除去溶液中分子较大的有色杂质或呈胶体分散的颗粒。化学法制得活性炭的过渡孔容积可达0.7cm3/g，它的比表面积达200-450 2m/g。.中孔的作用：在足够高的压力下按毛细凝聚的机理吸附物质蒸气;作为被吸附物质达到微孔的通道;在液相吸附中对大分子的物质有很好的吸附效果。大孔的孔容通常在0.2-0.8 cm3/g，比表面积最小0.5-2.0 m3/g，主要起通道作用。当活性炭用作催化剂载体时，催化剂主要是沉积在中孔和大孔内，但也有沉积在微孔内的。.3.3.大孔大孔活性炭的大孔容积通常在0.2-0.8 cm3/g，它的比表面积只0.5-2 m2/g。半径大于1000-2000 nm的孔隙。在这样大的孔隙内技术上是不能 实现毛细凝聚的。比表面的数值这样小，表明它在吸附中不会起明显作用，一般都不希望有，因它会降低活性炭的充填比重和强度。但是，这些大孔起着输送渠道的作用，当活性炭用作催化剂载体时，较大的孔隙作为催化剂沉积的场所可能是有用的。.吸附剂（吸附材料）工业上常用的吸附剂工业上常用的吸附剂 活性碳、沸石分子筛、硅胶活性碳、沸石分子筛、硅胶 和活性氧化铝和活性氧化铝。吸附剂的主要特征吸附剂的主要特征 多孔特征多孔特征和和具有很大的比表面具有很大的比表面，约约300l 200m2/g，以及具有，以及具有足够强度。足够强度。.1.2 吸附平衡1.2.2 液相吸附平衡液相吸附平衡1.2.1 气相吸附平衡气相吸附平衡.1.2.1 气体吸附平衡吸附平衡吸附平衡 在一定条件下，经过足够长的时在一定条件下，经过足够长的时间，吸附质在两相中的间，吸附质在两相中的浓度不再变化浓度不再变化，称，称为为吸附平衡吸附平衡，对应的浓度称为，对应的浓度称为平衡浓度平衡浓度。吸附平衡关系吸附平衡关系决定了吸附过程的决定了吸附过程的方向和极方向和极限限，是吸附过程的，是吸附过程的基本依据基本依据。1.吸附平衡定义吸附平衡定义.1.2.1 气体吸附平衡（1 1）吸附等温线吸附等温线吸附剂的表面是吸附剂的表面是不均匀不均匀的，被吸附的分子和吸附剂的，被吸附的分子和吸附剂表面分子之间表面分子之间，被吸附的各分子之间的，被吸附的各分子之间的作用力各不作用力各不相等相等，吸附等温线的形状也不相同。，吸附等温线的形状也不相同。Brunauer等人等人把把纯气体纯气体实验的实验的物理吸附物理吸附等温等温线分为线分为五类五类。2.单组分气体吸附平衡.1.2.1 气体吸附平衡类类吸附等温线吸附等温线类是平缓地接近饱和值类是平缓地接近饱和值的的朗格谬尔型等温吸附朗格谬尔型等温吸附曲线曲线。单分子层吸附单分子层吸附，常适用，常适用于于吸附吸附温度温度处于该气体处于该气体临界温度以上临界温度以上。.1.2.1 气体吸附平衡 类类吸附等温线吸附等温线是最普通的是最普通的物理吸附物理吸附；能形成能形成多分子层吸附多分子层吸附，吸附吸附气体的温度气体的温度低于低于其临界其临界温度温度，吸附吸附压力较低，但接压力较低，但接近于饱和蒸汽压。近于饱和蒸汽压。多多分子层吸附分子层吸附单单分子层吸附分子层吸附.1.2.1 气体吸附平衡类类吸附等温线吸附等温线压力低时，吸附量很低，只有在压力低时，吸附量很低，只有在压力高时才容易吸附，相应于压力高时才容易吸附，相应于多多层吸附，层吸附，它的特点是它的特点是吸附热与吸附热与被被吸附组分的吸附组分的液化热液化热大致相等大致相等。第一吸附层第一吸附层的吸附热的吸附热小于小于后继吸后继吸附层附层的的吸附热吸附热；类比较少见。类比较少见。多多分子层吸附分子层吸附.1.2.1 气体吸附平衡类类吸附等温线吸附等温线解吸解吸吸附吸附 Brunauer提出，提出，微孔微孔尺寸可限制吸附的尺寸可限制吸附的层数层数，并且由于发，并且由于发生生毛细管冷凝现象毛细管冷凝现象，在，在达到饱和蒸汽压之前达到饱和蒸汽压之前显示出显示出很大的吸很大的吸附附程度。程度。可以认为是由可以认为是由于产生于产生毛细管凝毛细管凝结结现象所致。现象所致。.1.2.1 气体吸附平衡Langmuir兰茂尔吸附等温式首先发现氢气吸收大量热后离解为原子的现象，首先发现氢气吸收大量热后离解为原子的现象，后被应用于原子氢焊接法。后被应用于原子氢焊接法。在表面吸附方面，提出单分子吸附层的理论和在表面吸附方面，提出单分子吸附层的理论和著名的等温式（即兰茂尔吸附公式）。著名的等温式（即兰茂尔吸附公式）。19171917年设计了年设计了“表面天平表面天平”，用它可以测出液，用它可以测出液面上的不溶物表层的表面积，并由此计算面上的不溶物表层的表面积，并由此计算出这些物质的截面积，建立了表面分子定出这些物质的截面积，建立了表面分子定向说，并论述了单分子表面膜和有关固体向说，并论述了单分子表面膜和有关固体表面吸附性质和行为的理论。表面吸附性质和行为的理论。在原子结构方面，发展了电子价键的近代理论。在原子结构方面，发展了电子价键的近代理论。还研究液面上的表面膜，测定分子在膜内还研究液面上的表面膜，测定分子在膜内的面积，建立了表面分子定向说。的面积，建立了表面分子定向说。首次实现了人工降雨。首次实现了人工降雨。.1.2.1 气体吸附平衡朗格谬尔方程朗格谬尔方程(Langmuir)单分子层单分子层吸附理论，吸附理论，均匀表面均匀表面，被吸附溶质分子之，被吸附溶质分子之间间没有相互作用力没有相互作用力。q吸附量吸附量qm饱和吸附量饱和吸附量p压力压力K 方程方程参数参数该模型在该模型在低浓度低浓度时简化为时简化为亨利定律亨利定律，符合热力学一致，符合热力学一致性要求，公认为性要求，公认为定性定性或或半定量半定量研究变压吸附研究变压吸附的基础的基础。.朗格缪尔的研究认为固体表面的原子或分子存在向外的剩余价力，它可以捕捉气体分子。这种剩余价力的作用范围与分子直径相当，因此吸附剂表面只能发生单分子层吸附。所以，假定条件为：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；气体分子；气体分子在固体表面为单层吸附；气体分子在固体表面为单层吸附；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吸附过程类似于气体的凝结过程凝结过程，脱附类似于液体的，脱附类似于液体的蒸发过程蒸发过程。达到。达到吸吸附平衡附平衡时，吸附速度等于脱附速度；时，吸附速度等于脱附速度；气体分子在固体表面的凝结速度正比于该组分的气相气体分子在固体表面的凝结速度正比于该组分的气相分压分压；吸附在固体表面的气体分子之间无作用力。吸附在固体表面的气体分子之间无作用力。.1.2.1 气体吸附平衡Freundlich吸附等温方程吸附等温方程 n值越大值越大，等温线与线性偏离大，变成非线性等温线。，等温线与线性偏离大，变成非线性等温线。当当n10，变成矩形，是不可逆吸附。，变成矩形，是不可逆吸附。参数参数K和和n依赖于依赖于平衡温度平衡温度，关系很复杂。，关系很复杂。Freundlich方程是描述平衡的最早的方程是描述平衡的最早的经验经验关系式关系式之一，之一，其表达式：其表达式：.1.2.1 气体吸附平衡Langmuir和和Freundlich方程结合起来，称方程结合起来，称为为LangmuirFreundlich方程方程：该式该式纯属经验纯属经验关系。关系。LangnluirFreundlich方程方程.1.2.1 气体吸附平衡（1 1）扩展）扩展Langmuir方程方程假设各组分互不影响，假设各组分互不影响，Langmuir方程用于含方程用于含n个组分个组分的混合物，组分的混合物，组分i的吸附量为：的吸附量为：3.气体混合物吸附平衡.1.2.2 液相吸附平衡 液相吸附的机理液相吸附的机理比气相复杂。影响液相吸附机理的因比气相复杂。影响液相吸附机理的因素除了素除了温度温度、浓度浓度和和吸附剂的结构性能吸附剂的结构性能外，外，溶质和溶剂溶质和溶剂的性质的性质对其吸附等温线的形状都有影响。对其吸附等温线的形状都有影响。.1.2.2 液相吸附平衡1.液相吸附等温线液相吸附等温线Giles 研究了研究了一批有机溶一批有机溶剂组成剂组成的溶液，按吸附的溶液，按吸附等温线离原点最近一段等温线离原点最近一段曲线的斜率变化，可将曲线的斜率变化，可将液相吸附等温线分成液相吸附等温线分成四四类类，如图，如图77所示。所示。.1.2.2 液相吸附平衡1.液相吸附等温线液相吸附等温线图图7-7吸附等温线形状吸附等温线形状的变化与的变化与吸附吸附层层分子和分子和溶液中分子溶液中分子的的相互作用相互作用有关。有关。如果溶质形成如果溶质形成单层吸附单层吸附，它，它对溶对溶液中溶质液中溶质分子的分子的引力较弱引力较弱，则曲线，则曲线有一段较长的有一段较长的平坡线段平坡线段。如果如果吸附层吸附层对溶液中对溶液中溶质分子溶质分子有有强烈的吸引力强烈的吸引力，则曲线陡升。，则曲线陡升。图中图中H2、L3、Sl，L4和和S2这五种曲这五种曲线与线与Brunauer气相气相吸附等温线吸附等温线相当相当。H2L3SlL4S2.1.2.2 液相吸附平衡2.吸附等温方程吸附等温方程吸附类型 吸附等温方程 应用 单溶质、低浓度溶液的吸附 Langmuir方程 Freundlich方程 有机物或水溶液的脱色，环保中生化处理后污水中总有机氮的脱除。多溶质、低浓度 溶液的吸附 扩展的Langmuir方程.LangmuirLangmuirFreundlichFreundlich.1.3 吸附动力学和传递1.3.2 外扩散传质过程外扩散传质过程1.3.3 颗粒内部传质过程颗粒内部传质过程1.3.1 吸附机理吸附机理.吸附速度：单位时间、单位吸附剂的吸附量 吸附速度V决定了废水和吸附剂的接触时间，V越大，则接触时间越短，所需设备容积就越小，反之亦然。.吸附过程一般分为3个阶段：1.液膜扩散（颗粒外部扩散）阶段 2.颗粒内部扩散阶段 3.吸附反应阶段：吸附质被吸附在细孔内表面上。吸附反应速度非常快，V主要取决于第I、II阶段速度，而颗粒外部扩散速度（液膜扩散）U=f(c、d、搅动).溶液浓度C，则U 颗粒直径d，则U 加强搅动，则U 而颗粒内部扩散速度V=f（细孔大小与构造，吸附质的d）吸附剂颗粒直径d，V。d的大小对内、外部扩散都有很大影响，d,V。所以，粉末状活性炭比粒状活性炭的吸附速度要快，接触时间短，设备容积小。.1.3.1 吸附机理 吸附质在吸附剂的多孔表面上被吸附的过程分为吸附质在吸附剂的多孔表面上被吸附的过程分为下列四步：下列四步吸附质从流体主体通过吸附质从流体主体通过分子扩散分子扩散与与对流扩散对流扩散穿穿过过薄膜薄膜或或边界层边界层传递到吸附剂的外表面，称为传递到吸附剂的外表面，称为外外扩散过程扩散过程。吸附质通过吸附质通过孔扩散孔扩散从吸附剂的外表面传递到微从吸附剂的外表面传递到微孔结构的内表面，称为孔结构的内表面，称为内扩散内扩散。.1.3.1 吸附机理.1.3.1 吸附机理.1.3.1 吸附机理吸附质沿孔表面的吸附质沿孔表面的表面扩散表面扩散。吸附质被吸附质被吸附吸附在孔表面上。在孔表面上。对于对于物理吸附物理吸附，由于吸附速率仅仅取决于吸附质分，由于吸附速率仅仅取决于吸附质分子与孔表面的子与孔表面的碰撞频率碰撞频率和和定向作用定向作用，几乎是瞬间完，几乎是瞬间完成的，成的，吸附速率吸附速率由由前三步控制前三步控制，统称为，统称为扩散控制扩散控制。.1.3.3 颗粒内部传质过程 由由于于微微孔孔贯贯穿穿颗颗粒粒内内部部，吸吸附附质质从从颗颗粒粒外外表表面面的的孔孔口口到到内内表表面面吸吸着着处处的的路路径径不不同同，所所以以吸吸附附质质的的内内部部传传质质是是一个一个逐步渗入的过程逐步渗入的过程。吸附质在微孔中的扩散有吸附质在微孔中的扩散有两种形式两种形式沿孔截面的扩散沿孔截面的扩散沿孔表面的表面扩散沿孔表面的表面扩散.1.3.3 颗粒内部传质过程沿孔截面的扩散沿孔截面的扩散沿孔表面的表面扩散沿孔表面的表面扩散分子扩散分子扩散 纽特逊扩散纽特逊扩散 介于这两者之间的扩散介于这两者之间的扩散 当当微微孔孔表表面面吸吸附附有有吸吸附附质质时时，沿沿孔孔口口向向里里的的表表面面上上存存在在着着吸吸附附质质的的浓浓度度梯梯度度，吸吸附附质质可可以以沿沿孔孔表表面向颗粒内部扩散。面向颗粒内部扩散。.第一节第一节 、活性炭的概述、活性炭的概述第二节、活性炭的微观结构第二节、活性炭的微观结构第三节第三节、活性炭的吸附性能活性炭的吸附性能活性炭活性炭.第一节第一节 、活性炭的概述、活性炭的概述活性炭（活性炭（AC:activated carbonAC:activated carbon）是由含碳材料）是由含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、表面积制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、表面积大，吸附能力强的一类微晶质碳素材料。大，吸附能力强的一类微晶质碳素材料。表观密度约表观密度约0.080.080.450.45。含碳量。含碳量10%10%98%98%。.粉末活性炭粉末活性炭v颗粒活性炭v纤维活性炭纤维活性炭.目前活性炭的发展目前活性炭的发展为保护环境和节省能源，活性炭用途已扩大为保护环境和节省能源，活性炭用途已扩大到到空气净化、废水处理、香烟滤嘴、制糖空气净化、废水处理、香烟滤嘴、制糖等等方面。方面。原料来源转向原料来源转向煤、石油煤、石油。目前其中以煤为原。目前其中以煤为原料加工制成的活性炭占料加工制成的活性炭占60%60%以上。以上。.活性炭的理论发展活性炭的理论发展吸附理论和空隙结构研究吸附理论和空隙结构研究体积填充理论体积填充理论计算活性炭孔分布的计算活性炭孔分布的D-R(Dubinin-D-R(Dubinin-Radushkevioh)Radushkevioh)和和D-A(Dubinin-Astakhor)D-A(Dubinin-Astakhor)方程方程.体积填充理论体积填充理论吸附剂的孔按规定分为大孔吸附剂的孔按规定分为大孔 (5 0 n m)(5 0 n m)、中孔中孔 (2 5 0nm)(2 5 0nm)和微孔和微孔 (2n m)(颗粒密度堆积密度.(二二)、比孔容积和孔隙率比孔容积和孔隙率 1、比孔容积比孔容积：1g活性炭所含有的颗粒内部孔隙的总体活性炭所含有的颗粒内部孔隙的总体积称作比孔容积，简称为比孔容。比孔容大的活性炭积称作比孔容积，简称为比孔容。比孔容大的活性炭孔隙结构发达。孔隙结构发达。2、孔隙率孔隙率：活性炭颗粒内部孔隙体积占颗粒体积的比：活性炭颗粒内部孔隙体积占颗粒体积的比率，常用百分率表示。孔隙率大的活性炭孔隙结构发率，常用百分率表示。孔隙率大的活性炭孔隙结构发达。达。.(三三)、比表面积比表面积 比表面积比表面积：1g活性炭所具有的颗粒外表面积与颗粒内部活性炭所具有的颗粒外表面积与颗粒内部孔隙的内表面积之总和孔隙的内表面积之总和。活性炭的比表面积为。活性炭的比表面积为8001500/g，但，但3000/g也能制备（高比表面）。也能制备（高比表面）。测试方法测试方法：液氮温度下吸附氮气的：液氮温度下吸附氮气的BET法是常用的方法法是常用的方法之一之一.(四四)、平均孔隙半径平均孔隙半径 平平均均孔孔隙隙半半径径表表示示活活性性炭炭孔孔隙隙半半径径大大小小的的平平均均值值。它它能在一定程度上宏观地反映活性炭孔隙的大小。能在一定程度上宏观地反映活性炭孔隙的大小。r=nr=nV Vg g/s/s 式式中中：r r为为平平均均孔孔隙隙半半径径；V Vg g 为为比比孔孔容容积积；S S为为比比表表面面积积；n为为孔孔隙隙形形状状系系数数：球球形形孔孔隙隙n3，圆圆筒筒状状孔孔隙隙n=2，狭缝性孔隙，狭缝性孔隙n=1。.(五五)、孔径分布孔径分布 孔径分布孔径分布表示随着孔隙有效半径大小而变化的孔表示随着孔隙有效半径大小而变化的孔容积分布状况，是掌握活性炭孔隙结构的最佳手容积分布状况，是掌握活性炭孔隙结构的最佳手段。段。测试方法测试方法活性炭孔径分布的测定方法有压汞法活性炭孔径分布的测定方法有压汞法（半径大于（半径大于10nm10nm以上的孔隙以上的孔隙 ）、毛细凝聚法）、毛细凝聚法（半径（半径2 230nm30nm的孔隙的孔隙 ）、）、N吸附法（吸附法（2nm）.-N吸附法测定.第三节第三节 活性炭的吸附性能活性炭的吸附性能.非极性吸附非极性吸附 活性碳是疏水性的非极性吸附剂，能活性碳是疏水性的非极性吸附剂，能选择性地吸附非极性物质，而对不饱和的含碳化选择性地吸附非极性物质，而对不饱和的含碳化合物，如含双键或三键的化合物，选择性吸附的合物，如含双键或三键的化合物，选择性吸附的能力小。能力小。硅胶、沸石硅胶、沸石吸附剂是极性吸附剂是极性(亲水性亲水性)吸吸附剂，对极性分于的选择性吸附能力大，即对不附剂，对极性分于的选择性吸附能力大，即对不饱和的含碳化合物的吸附力大。饱和的含碳化合物的吸附力大。.物理吸附物理吸附 杜宾宁认为，在活性炭的吸附中，主要是范德华力杜宾宁认为，在活性炭的吸附中，主要是范德华力作用引起物理吸附。活性炭吸附有如下规律：作用引起物理吸附。活性炭吸附有如下规律：1 1、对芳香族化合物的吸附优于对非芳香族化合物的吸附，、对芳香族化合物的吸附优于对非芳香族化合物的吸附，如对如对苯的吸附优于对环己烷苯的吸附优于对环己烷的吸附；的吸附；2 2、对带有、对带有支链的烃类支链的烃类吸附，总是优于对直链烃类的吸附；吸附，总是优于对直链烃类的吸附；3 3、对有机物中含有和不含有无机基团的吸附不一样，凡含、对有机物中含有和不含有无机基团的吸附不一样，凡含有有无机基团的总是低于不含有无机基团无机基团的总是低于不含有无机基团的化合物。如对吡啶的化合物。如对吡啶的吸附总是低于对苯的吸附的吸附总是低于对苯的吸附;4 4、对分子量大的和沸点高的化合物的吸附总是高对分子量大的和沸点高的化合物的吸附总是高于分子量于分子量小的和沸点低的化合物，等等。小的和沸点低的化合物，等等。.孔径与吸附质分子孔径与吸附质分子活性炭具有发达的孔隙结构，除活性炭分子筛以外，孔活性炭具有发达的孔隙结构，除活性炭分子筛以外，孔径分布范围较广，因此，能吸附径分布范围较广，因此，能吸附分子大小不同的各种物分子大小不同的各种物质质，但选择性的吸附分离效果较差。吸附质分子的大小，但选择性的吸附分离效果较差。吸附质分子的大小与活性炭孔隙大小相对应时有利于吸附。有人认为，与活性炭孔隙大小相对应时有利于吸附。有人认为，当当活性炭的孔隙半径比吸附质分子的半径大活性炭的孔隙半径比吸附质分子的半径大3-43-4倍时，最有倍时，最有利于吸附利于吸附。液体分子一般比气体分子大，一般过渡孔较发达的活性液体分子一般比气体分子大，一般过渡孔较发达的活性炭有利于液相吸附炭有利于液相吸附，例如，糖用炭适用于除去糖液个的，例如，糖用炭适用于除去糖液个的大分子杂质；微孔发达的活性炭适用于气相吸附，对于大分子杂质；微孔发达的活性炭适用于气相吸附，对于低浓度的和低沸点的气体和蒸汽的吸附能力也是很大的。低浓度的和低沸点的气体和蒸汽的吸附能力也是很大的。.大多数有机物在有机溶中的吸附量要比在水溶液大多数有机物在有机溶中的吸附量要比在水溶液中少，中少原因之一就是有机物在有机溶剂中的溶解原因之一就是有机物在有机溶剂中的溶解度较大。另一个因素是溶剂也被吸附。度较大。另一个因素是溶剂也被吸附。水被炭吸附的作用较小，相反，有机溶剂则能强水被炭吸附的作用较小，相反，有机溶剂则能强烈地被吸附。因此，给溶质分子剩下的游离有效烈地被吸附。因此，给溶质分子剩下的游离有效表面积就小了。表面积就小了。不同溶剂中的吸附性能不同溶剂中的吸附性能.由表可以看出，吸附量的降低是各不相同的，用乙醇代替水作溶剂时，对孔雀绿的吸附量的降低比亚甲基蓝互显著。从表中还可以看出，吸附量降低的比例也与所用的炭种有关。表表3-4-10.吸附操作方式吸附操作方式1 1、静态吸附静态吸附 使废水与吸附剂搅拌混合，而废水没有自上而下流过使废水与吸附剂搅拌混合，而废水没有自上而下流过吸附剂的流动，这种吸附操作叫静态吸附。吸附剂的流动，这种吸附操作叫静态吸附。在废水处理中采用较少。在废水处理中采用较少。粉末活性炭粉末活性炭味精、糖类脱色味精、糖类脱色高附加值，高效，用量少高附加值，高效，用量少.2、动态吸附、动态吸附 动态吸附是在废水流动条件动态吸附是在废水流动条件下进行的吸附操作。当废水连下进行的吸附操作。当废水连续通过填充吸附剂的吸附设备续通过填充吸附剂的吸附设备时，废水中的吸附质便被吸附时，废水中的吸附质便被吸附剂吸附，从吸附设备流出的废剂吸附，从吸附设备流出的废水中吸附质的浓度可以降低，水中吸附质的浓度可以降低，吸附剂使用一段时间后，出水吸附剂使用一段时间后，出水中的吸附质的浓度逐渐增加，中的吸附质的浓度逐渐增加，当增加到某一数值时，将吸附当增加到某一数值时，将吸附剂进行再生。剂进行再生。.活性炭材料表面官能团活性炭材料表面官能团 活性炭材料在制备过程中由于灰分和其他杂原活性炭材料在制备过程中由于灰分和其他杂原子的存在，使其基本结构产生缺陷和不饱和价，氧和子的存在，使其基本结构产生缺陷和不饱和价，氧和其他杂原子在活化过程中可以吸着于这些缺陷上，形其他杂原子在活化过程中可以吸着于这些缺陷上，形成各种官能团，官能团的存在可以成各种官能团，官能团的存在可以改变活性炭的基础改变活性炭的基础吸附特性吸附特性。活性炭表面含氧官能团活性炭表面含氧官能团：羧基、酸酐、酚羟基、羰基、：羧基、酸酐、酚羟基、羰基、醌基、内酯基、乳醇基、醚基，还有酰胺、酰亚胺、醌基、内酯基、乳醇基、醚基，还有酰胺、酰亚胺、内酰胺、吡咯和嘧啶等含氮官能团。内酰胺、吡咯和嘧啶等含氮官能团。.沸石材料沸石材料.1 1 沸石概述沸石概述2 2 沸石的结构特点、性质及应用沸石的结构特点、性质及应用3 3 沸石的合成方法沸石的合成方法.沸石（沸石（zeolitezeolite）是一种矿石，最早发现于）是一种矿石，最早发现于17561756年。瑞典的矿物学家克朗斯提年。瑞典的矿物学家克朗斯提（CronstedtCronstedt）发现有一类天然硅铝酸盐矿石）发现有一类天然硅铝酸盐矿石在灼烧时会产生沸腾现象，因此命名为在灼烧时会产生沸腾现象，因此命名为“沸石沸石”（瑞典文（瑞典文zeolitzeolit）。在希腊文中意为）。在希腊文中意为“沸腾沸腾”（zeozeo）的）的“石头石头”（lithoslithos）。）。.工业中使用的沸石工业中使用的沸石.实验室用的沸石实验室用的沸石.沸石沸石有很多种有很多种，它们的共同特点就是具有架状结构，它们的共同特点就是具有架状结构，晶体内分子像搭架子似地连在一起，中间形成很多晶体内分子像搭架子似地连在一起，中间形成很多空空腔腔。因为在这些空腔里还存在很多水分子，这些水分在遇因为在这些空腔里还存在很多水分子，这些水分在遇到高温时会排出来。比如用火焰去烧时，大多数沸石到高温时会排出来。比如用火焰去烧时，大多数沸石便会发泡，像是沸腾一般。沸石的名字就是因此而来。便会发泡，像是沸腾一般。沸石的名字就是因此而来。.自然界已发现的沸石有自然界已发现的沸石有3030多种，较常见的有方多种，较常见的有方沸石、菱沸石、钙沸石、片沸石、钠沸石、丝沸石、菱沸石、钙沸石、片沸石、钠沸石、丝光沸石、辉沸石等。它们含水量的多少随外界光沸石、辉沸石等。它们含水量的多少随外界温度和湿度的变化而变化。晶体所属晶系随矿温度和湿度的变化而变化。晶体所属晶系随矿物种的不同而异，以单斜晶系和正交晶系（斜物种的不同而异，以单斜晶系和正交晶系（斜方晶系）的占多数。方晶系）的占多数。.2 2 沸石的结构特点、性质及应用沸石的结构特点、性质及应用沸石结构式为沸石结构式为A(x/q)(AlOA(x/q)(AlO2 2)x(SiO)x(SiO2 2)y n(H)y n(H2 2O)O)其中：其中：A A为为CaCa、NaNa、K K、BaBa等阳离子，等阳离子，p p为阳离子化合为阳离子化合价，价，n n为水分子数，为水分子数，(y/x)(y/x)通常在通常在1 15 5之间，之间，(x+y)(x+y)是单位晶胞中四面体的个数。是单位晶胞中四面体的个数。.沸石基础结构为硅氧四面体，其中的硅原子，沸石基础结构为硅氧四面体，其中的硅原子，可被铝原子置换而构成铝氧四面体。可被铝原子置换而构成铝氧四面体。但铝原子是三价的，所以在铝氧四面体中，但铝原子是三价的，所以在铝氧四面体中，有一个氧原子的电价没有得到中和，而产生有一个氧原子的电价没有得到中和，而产生电荷不平衡，使整个铝氧四面体带负电。电荷不平衡，使整个铝氧四面体带负电。为了保持中性，必须有带正电的离子来抵消，为了保持中性，必须有带正电的离子来抵消，一般是由碱金属和碱土金属离子来补偿，如一般是由碱金属和碱土金属离子来补偿，如NaNa、CaCa及及SrSr、BaBa、K K、MgMg等金属离子。等金属离子。.沸石的晶体结构是由沸石的晶体结构是由硅（铝）氧四面体硅（铝）氧四面体连成三连成三维的格架，格架中有各种大小不同的空穴和通维的格架，格架中有各种大小不同的空穴和通道，具有很大的开放性。道，具有很大的开放性。碱金属或碱土金属离碱金属或碱土金属离子子和和水分子水分子均分布在空穴和通道中，与格架的均分布在空穴和通道中，与格架的联系较弱联系较弱。.沸石的构造与石英、长石的骨架有些不同。石沸石的构造与石英、长石的骨架有些不同。石英、长石的骨架构造比较严紧，比重英、长石的骨架构造比较严紧，比重2.62.72.62.7，而沸石的骨架构造比较空疏，比重，而沸石的骨架构造比较空疏，比重2.02.22.02.2。其脱水后的空腔可大至。其脱水后的空腔可大至47%47%，如菱沸石。合，如菱沸石。合成沸石甚至可达成沸石甚至可达50%50%。.沸石的水分子与骨架离子和可交换金属阳离沸石的水分子与骨架离子和可交换金属阳离子的联系一般都是松弛而微弱的。且金属阳子的联系一般都是松弛而微弱的。且金属阳离子位于晶体构造较大并相互通连的孔道或离子位于晶体构造较大并相互通连的孔道或空洞间。因此，阳离子可空洞间。因此，阳离子可自由地通过孔道自由地通过孔道发发土土交换作用交换作用，而不能影响其晶体骨架。，而不能影响其晶体骨架。水分子水分子比阳离子更自由地可以移动和出入孔比阳离子更自由地可以移动和出入孔道。在有热力的趋使下，可道。在有热力的趋使下，可自由地脱附自由地脱附而不而不影响其骨架构造。影响其骨架构造。.在长石构造中，金属阳离子都限制在在长石构造中，金属阳离子都限制在O O离子构离子构成的晶体骨架的空隙间，除非晶体被破坏，成的晶体骨架的空隙间，除非晶体被破坏，这些金属阳离子是很难自由活动的。这些金属阳离子是很难自由活动的。NaNa或或K K被被CaCa里换，必须与里换，必须与SiSi、AlAl的置换同时进行，即的置换同时进行，即成对置换，必然引起成对置换，必然引起Si/AISi/AI比的改变。比的改变。.沸石分子筛沸石分子筛19321932年，年，McBainMcBain提出了提出了“分子筛分子筛”的概念。表的概念。表示可以在分子水平上筛分物质的多孔材料。虽示可以在分子水平上筛分物质的多孔材料。虽然沸石只是分子筛的一种，但是沸石在其中最然沸石只是分子筛的一种，但是沸石在其中最具代表性，因此具代表性，因此“沸石沸石”和和“分子筛分子筛”这两个这两个词经常被混用。词经常被混用。.分子筛过滤分离分子筛过滤分离在具体的应用上，分子在具体的应用上，分子筛的孔尺寸非常重要。筛的孔尺寸非常重要。沸石体.3 3 沸石的合成方法沸石的合成方法沸石一般为自然资源，虽然人们已经掌握了沸石一般为自然资源，虽然人们已经掌握了沸石的人工制备技术，但极少数的沸石是人沸石的人工制备技术，但极少数的沸石是人工合成的。工合成的。因为全世界的沸石产量实在多的不象话，甚因为全世界的沸石产量实在多的不象话，甚至在有些国家大部分的石头都是沸石，且目至在有些国家大部分的石头都是沸石，且目前沸石有前沸石有50%50%以上是用于制造水泥，可见其普以上是用于制造水泥，可见其普遍的程度，因此人工合成沸石很不经济。遍的程度，因此人工合成沸石很不经济。尽管如此，人工合成沸石的科学研究一直都尽管如此，人工合成沸石的科学研究一直都在进行中。在进行中。.粉煤灰合成沸石粉煤灰合成沸石.粉煤灰粉煤灰碱液.扫面电镜图片扫面电镜图片.XRDXRD分析分析.孔结构分析（孔结构分析（BETBET方法）方法）.吸附实验吸附实验针对某一种类型的污染物进行吸附实验。做针对某一种类型的污染物