第六章 3 (吸附净化)

1、l第一节第一节 吸附的基本概念吸附的基本概念l第二节第二节 吸附原理吸附原理l第三节第三节 吸附设备及计算吸附设备及计算l第一节第一节 吸附的基本概念吸附的基本概念v吸附过程吸附过程用多孔性固体物质处理流体混合物，利用用多孔性固体物质处理流体混合物，利用固体表面存在的分子引力或化学键力，固体表面存在的分子引力或化学键力， 把气体混合物中把气体混合物中的某一或某些组分吸留在固体表面并浓集保持于其上，的某一或某些组分吸留在固体表面并浓集保持于其上， 这种分离气体混合物的过程称为气体吸附。气这种分离气体混合物的过程称为气体吸附。气固吸附。固吸附。 v吸附质（吸附质（或被吸附物或被吸附物）：）： 被吸

2、附到固体表面的物质（气被吸附到固体表面的物质（气体组分）称为吸附质；体组分）称为吸附质；v吸附剂吸附剂 ：起吸附作用的多孔固体物质称为吸附剂。起吸附作用的多孔固体物质称为吸附剂。v吸附吸附 ： 吸附质被吸附到多孔固体表面的过程称之为吸附；吸附质被吸附到多孔固体表面的过程称之为吸附； v脱附（脱附（或或解吸）：解吸）： 固体表面吸附了吸附质后，被吸附的吸附质固体表面吸附了吸附质后，被吸附的吸附质可从吸附剂表面脱离到气相中的过程称之为脱附；可从吸附剂表面脱离到气相中的过程称之为脱附； v当吸附剂使用一段时间后，由于表面吸附质的浓集当吸附剂使用一段时间后，由于表面吸附质的浓集甚至达到饱和，使其吸附能

3、力明显下降，而不能满甚至达到饱和，使其吸附能力明显下降，而不能满足吸附净化的要求时，足吸附净化的要求时， 为了重复使用吸附剂或回收为了重复使用吸附剂或回收有效成分，此时就需要采取一定措施，使吸附剂上有效成分，此时就需要采取一定措施，使吸附剂上已吸附的吸附质脱附，以恢复吸附剂的吸附能力，已吸附的吸附质脱附，以恢复吸附剂的吸附能力，这个过程称之为吸附剂的这个过程称之为吸附剂的再生再生，即使之可重复利用。，即使之可重复利用。 v再生：再生： 施用措施恢复吸附剂的吸附能力的过程。利施用措施恢复吸附剂的吸附能力的过程。利用吸附剂的吸附用吸附剂的吸附再生再生再吸附的循环过程，达到再吸附的循环过程，达到除去

4、空气中的有毒物质并回收有用组分的目的。除去空气中的有毒物质并回收有用组分的目的。 l吸附与吸收的区别：吸附与吸收的区别：l吸附过程的吸附质是以分子形态积聚或浓缩敷吸附过程的吸附质是以分子形态积聚或浓缩敷在固体吸附剂的表面上。由于吸附是发生在固在固体吸附剂的表面上。由于吸附是发生在固体表面上，因此，只有那些具有较大内表面的体表面上，因此，只有那些具有较大内表面的固体才具有吸附能力。吸附可看作非均相过程，固体才具有吸附能力。吸附可看作非均相过程，一相为固体吸附剂一相为流体。一相为固体吸附剂一相为流体。l而吸收是用液相吸收剂吸收气体混合物中而吸收是用液相吸收剂吸收气体混合物中种种或数种组分，吸收后，

5、被吸收组分基本上可看或数种组分，吸收后，被吸收组分基本上可看作是均匀分散于液体吸收剂中。作是均匀分散于液体吸收剂中。l吸附剂的表面现象吸附剂的表面现象 l一种物质的内层分子在各个方面受周围分子的引力是相一种物质的内层分子在各个方面受周围分子的引力是相同的。同的。l物质表面层的分子，在一般情况下，受内层分于的引力物质表面层的分子，在一般情况下，受内层分于的引力与受外界分子的引力是不同的。如固体（或液体）受内与受外界分子的引力是不同的。如固体（或液体）受内层分子的引力比从空气方面受到的引力要大，表面存在层分子的引力比从空气方面受到的引力要大，表面存在着剩余的表面自由力场。人们将这个表面层分子比内层

6、着剩余的表面自由力场。人们将这个表面层分子比内层分子所多余的能量称为分子所多余的能量称为表面能表面能。l因在表面存在着剩余的表面自由力场，当某些能被吸附因在表面存在着剩余的表面自由力场，当某些能被吸附的气体分子碰撞到固体表面时就有可能被吸附。的气体分子碰撞到固体表面时就有可能被吸附。l对吸附气体的吸附剂加热，当被吸附气体分子获得的能对吸附气体的吸附剂加热，当被吸附气体分子获得的能量足以克服吸附力场时，被吸附的气体才能重新回到气量足以克服吸附力场时，被吸附的气体才能重新回到气相，此即所谓相，此即所谓脱附过程脱附过程。l吸附剂的表面积吸附剂的表面积l 吸附剂表面能越大吸附能力越强，能吸附吸附剂表面

7、能越大吸附能力越强，能吸附的物质也就越多。的物质也就越多。l物质的表面能与表面积成正比。物质的表面能与表面积成正比。l吸附剂的吸附能力，通常是用该吸附剂的比表吸附剂的吸附能力，通常是用该吸附剂的比表面积的大小来判断的。比表面积是衡量吸附剂面积的大小来判断的。比表面积是衡量吸附剂的最重要的指标。的最重要的指标。 l吸附剂的吸附剂的比表面积比表面积是以每克物质所具有的表面是以每克物质所具有的表面积来表示，其单位为积来表示，其单位为m m2 2g g。l吸附剂的粒径越小，比表面积就越大。但这种吸附剂的粒径越小，比表面积就越大。但这种比表面积是有限的。我们常用的吸附剂希望能比表面积是有限的。我们常用的

8、吸附剂希望能具有很大的内表面积，其比表面积可达每克数具有很大的内表面积，其比表面积可达每克数百平方米以上。百平方米以上。v1、物理吸附物理吸附 v主要是分子间相互吸引力，范德华力吸附。主要是分子间相互吸引力，范德华力吸附。 v吸附过程可逆，当吸附质分压吸附过程可逆，当吸附质分压降低降低或温度或温度升高升高时，被吸时，被吸附气体易从固体表面逸出，而不改变其原来的性状。附气体易从固体表面逸出，而不改变其原来的性状。 v物理吸附具有以下特征：物理吸附具有以下特征： v（1）放热过程，吸附热不大，与凝结热相同；）放热过程，吸附热不大，与凝结热相同；20KJ/mol v（2）吸附只取决于气体的物理性能及

9、吸附剂的特性；吸附只取决于气体的物理性能及吸附剂的特性； v（3）吸附过程极快：参与吸附的各相间迅速达到平衡；）吸附过程极快：参与吸附的各相间迅速达到平衡； v（4）单层吸附，也可多层吸附。）单层吸附，也可多层吸附。v（5）无选择性。）无选择性。v2、化学吸附化学吸附 v主要是化学键力主要是化学键力 ，需要一定的活化能的吸附。升高温，需要一定的活化能的吸附。升高温度有利于化学吸附。度有利于化学吸附。v吸附过程不可逆，吸附质与吸附剂结合牢固，高温下吸附过程不可逆，吸附质与吸附剂结合牢固，高温下才能脱附。才能脱附。 v化学吸附特征：化学吸附特征： （1 1）化学吸附的吸附热比物理吸附过程大，与化学

10、反应）化学吸附的吸附热比物理吸附过程大，与化学反应热接近。热接近。（2 2）化学吸附有很强的选择性，仅能吸附参与化学反应）化学吸附有很强的选择性，仅能吸附参与化学反应的某些气体。的某些气体。（3 3）化学吸附速率受温度影响很大，随温度的升高而显）化学吸附速率受温度影响很大，随温度的升高而显著变快。著变快。（4 4）化学吸附是单分子层或单原子层吸附。）化学吸附是单分子层或单原子层吸附。（5 5）化学吸附一般是不可逆的，吸附比较稳定，被吸附）化学吸附一般是不可逆的，吸附比较稳定，被吸附的气体不易脱附。的气体不易脱附。项目项目物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附1吸附剂吸附剂一切固体一切固体某些固体某些

11、固体2吸附质吸附质一切气体一切气体某些能与之化学反应的气体某些能与之化学反应的气体3温度范围温度范围低温低温通常是高温通常是高温4吸附热吸附热低，与凝结热相当；低，与凝结热相当；20KJ/mol 高，与反应热数量级相当高，与反应热数量级相当84418KJ/mol 5活化能与活化能与速率速率不需要活化能、吸附脱不需要活化能、吸附脱附速率很快、速率不受附速率很快、速率不受温度影响、吸附量随温温度影响、吸附量随温度升高而下降度升高而下降需要活化能、吸附脱附速率需要活化能、吸附脱附速率较小、温度升高速率显著增较小、温度升高速率显著增加加6覆盖情况覆盖情况单分子层或多分子层单分子层或多分子层（低压时为单

12、分子层、（低压时为单分子层、高压时为多分子层）、高压时为多分子层）、易解吸易解吸单分子层或单原子层、不易单分子层或单原子层、不易解吸解吸7选择性和选择性和可可逆性逆性无多大选择性、无多大选择性、高度可高度可逆逆较高的选择性、较高的选择性、常是不可逆常是不可逆l物理吸附和化学吸附可能同时发生：物理吸附和化学吸附可能同时发生：同一有害气体可能在较低温度下发生物理吸附同一有害气体可能在较低温度下发生物理吸附若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附生化学吸附v工业上对吸附剂的要求工业上对吸附剂的要求 (1)具有较大的比表面积和合适的孔结构，具有较大

13、的比表面积和合适的孔结构，有较大吸附量。有较大吸附量。(2)具有选择性，即对不同吸附质有选择性具有选择性，即对不同吸附质有选择性吸附。吸附。(3)粒度均匀，有较好的机械强度，尤其对粒度均匀，有较好的机械强度，尤其对流动床吸附更为重要。流动床吸附更为重要。(4)具有化学稳定性和热稳定性，如对酸、具有化学稳定性和热稳定性，如对酸、碱、水、高温等均能适应，不受影响。碱、水、高温等均能适应，不受影响。(5)资源丰富，价格低廉。资源丰富，价格低廉。(6)具有较长使用寿命。具有较长使用寿命。 活性炭活性炭 l用含炭为主的物质，如木材、果壳、煤炭、渣油、纸浆废用含炭为主的物质，如木材、果壳、煤炭、渣油、纸浆

14、废液、有机质废物等作原料而制成。液、有机质废物等作原料而制成。l制备方法是把原料加工成型，经炭化和高温活化而成。制备方法是把原料加工成型，经炭化和高温活化而成。l外形和粒度可根据需要制成柱状、球状、粒状或粉状。粒外形和粒度可根据需要制成柱状、球状、粒状或粉状。粒度有度有18毫米。毫米。l主要成分为碳，此外还含有少量的氧、氢、氮、硫等元素，主要成分为碳，此外还含有少量的氧、氢、氮、硫等元素，以及水分和灰分。以及水分和灰分。l平均孔径在平均孔径在1240埃。埃。l具有良好的吸附性能及稳定的化学性能，可耐酸、耐碱，具有良好的吸附性能及稳定的化学性能，可耐酸、耐碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎

15、，它的比表面积能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎，它的比表面积一般在一般在600一一1700米米2克，吸附率在克，吸附率在35以上，净化效率以上，净化效率可达可达99以上，是净化有毒有害气体，特别是有机气体的以上，是净化有毒有害气体，特别是有机气体的良好吸附剂。良好吸附剂。l吸附树脂吸附树脂l它是用苯乙烯、丙烯酸脂和二乙烯苯等原料聚它是用苯乙烯、丙烯酸脂和二乙烯苯等原料聚合而成，这种树脂具有多孔网状结构和较大的合而成，这种树脂具有多孔网状结构和较大的吸附表面，它的性能与活性炭等吸附剂一样，吸附表面，它的性能与活性炭等吸附剂一样，同时具有一般离子交换树脂的优点。同时具有一般离子交换树脂的优点。

16、l比表面积为比表面积为100一一750米米2克，孔径为克，孔径为50一一250埃。埃。l物理化学性质稳定、强度好、耐酸耐碱。物理化学性质稳定、强度好、耐酸耐碱。l可根据需要，改变和控制它的孔径、比表面积可根据需要，改变和控制它的孔径、比表面积和化学结构，制成不同性质和用途的吸附树脂。和化学结构，制成不同性质和用途的吸附树脂。l l吸附树脂用途很广，它可用于气体净化、催化吸附树脂用途很广，它可用于气体净化、催化剂载体、化学药品的分析提纯、糖液脱色等。剂载体、化学药品的分析提纯、糖液脱色等。在气体净化中它能去除甲苯、二氧化硫、硫化在气体净化中它能去除甲苯、二氧化硫、硫化氢、氨、氯仿等有害气体。氢、

17、氨、氯仿等有害气体。l日本在喷漆、处理金属等车间曾采用吸附树脂日本在喷漆、处理金属等车间曾采用吸附树脂净化苯蒸气，净化效率达净化苯蒸气，净化效率达98，苯浓度由净化，苯浓度由净化前的前的1250PPm降到降到25PPm。l日本德山曹达和淀川化学机械公司共同研制的日本德山曹达和淀川化学机械公司共同研制的净化汞蒸气的特殊树脂，可把汞浓度降低到净化汞蒸气的特殊树脂，可把汞浓度降低到0.001毫克米毫克米3，这种树脂也可以用于处理焊，这种树脂也可以用于处理焊接时产生的锌蒸气。接时产生的锌蒸气。l吸附树脂是离子交换树脂领域近十几年才发展吸附树脂是离子交换树脂领域近十几年才发展起来的一类新型多孔性树脂，是

18、净化有害气体起来的一类新型多孔性树脂，是净化有害气体的一种重要新技术。的一种重要新技术。l活性氧化铝又称活性矾土活性氧化铝又称活性矾土l是以天然氧化铝或铝土矿等为原料经特殊的处是以天然氧化铝或铝土矿等为原料经特殊的处理而制成的多孔性、高分散度的固体物质。理而制成的多孔性、高分散度的固体物质。l根据不同的原料、制备方法和控制温度等条件根据不同的原料、制备方法和控制温度等条件可制成不同类型的氧化铝。同一形态，它的比可制成不同类型的氧化铝。同一形态，它的比表面、孔径分布、孔隙率、密度等均大不相同。表面、孔径分布、孔隙率、密度等均大不相同。l具有较好的热稳定性、化学性能、较大强度和具有较好的热稳定性、

19、化学性能、较大强度和比表面积的物质。比表面积一般约为比表面积的物质。比表面积一般约为150一一350米米2克。克。l氧化铝的形状可根据需要而制成粒状、条状、氧化铝的形状可根据需要而制成粒状、条状、片状、块状等。片状、块状等。l氧化铝主要用作氧化铝主要用作净化有害气体催化剂的载体和净化有害气体催化剂的载体和吸附剂，吸附剂，含氟废气（电解铝厂）的净化、石油含氟废气（电解铝厂）的净化、石油气的脱硫气的脱硫。l分子筛分子筛l是一种是一种人工合成泡沸石人工合成泡沸石，是微孔型具有立方晶格的，是微孔型具有立方晶格的硅铝酸硅铝酸盐盐。在结构上有许多孔径均匀的孔道和排列整齐的孔穴，。在结构上有许多孔径均匀的孔

20、道和排列整齐的孔穴，比孔径小的分子才可以被吸入，比孔径大的分子则不能进比孔径小的分子才可以被吸入，比孔径大的分子则不能进入，从而使分子大小不同的物质分开，起到筛分分子的作入，从而使分子大小不同的物质分开，起到筛分分子的作用，故称为分子筛。用，故称为分子筛。l比表面积在比表面积在400一一750米米2克。克。l对极性分子不饱和分子具有优先选择吸附，在低分压、高对极性分子不饱和分子具有优先选择吸附，在低分压、高温的条件仍有很好的吸附能力。温的条件仍有很好的吸附能力。l广泛用于气体净化、石油和化工等行业的气体分离、干燥、广泛用于气体净化、石油和化工等行业的气体分离、干燥、催化剂载体等方面。催化剂载体

21、等方面。l我国某化工厂生产的丝光沸石，比表而积为我国某化工厂生产的丝光沸石，比表而积为300米米2克，克，吸苯率达吸苯率达0.7克克。克克。l丝光沸石对丝光沸石对NO2有较高的吸附能力，在有较高的吸附能力，在20时其饱和吸附时其饱和吸附量达量达30。含一定。含一定NOx浓度的气体经丝光沸石吸附层后，浓度的气体经丝光沸石吸附层后，尾气尾气NOx浓度可降到浓度可降到10ppm。硅胶硅胶 v（硅酸钠）酸处理为硅酸凝胶，老化、水洗、（硅酸钠）酸处理为硅酸凝胶，老化、水洗、（368403K）干燥脱水干燥脱水 v工业用的硅胶有球型、无定形、加工成型和粉工业用的硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末状四种末状四

22、种 v较强极性较强极性-气体的干燥气体的干燥 v非极性物质靠小孔作用：烃类气体回收非极性物质靠小孔作用：烃类气体回收 吸附剂选择吸附剂选择 v非极性非极性活性炭；活性炭；对于非极性成分，饱对于非极性成分，饱和键成分以及分子直径和分子量大的成和键成分以及分子直径和分子量大的成分有较强的选择性吸附。分有较强的选择性吸附。 v极性极性活性氧化铝、硅胶、分子筛活性氧化铝、硅胶、分子筛（高温、低压）（高温、低压）l吸附剂具有良好的吸附特性，主要是因为它有多孔结吸附剂具有良好的吸附特性，主要是因为它有多孔结构和较大的比表面积。构和较大的比表面积。l与孔结构和比表面积有关的基础性能：与孔结构和比表面积有关的

23、基础性能：l密度（密度（g/cm3）l 1）填充密度）填充密度 B（又称堆积密度）又称堆积密度） 是指单位填充体积是指单位填充体积的吸附剂质量。通常将烘干的吸附剂装入量筒中，摇的吸附剂质量。通常将烘干的吸附剂装入量筒中，摇实至体积不变，此时吸附剂的质量与该吸附剂所占的实至体积不变，此时吸附剂的质量与该吸附剂所占的体积比称为填充密度。体积比称为填充密度。l2）表观密度）表观密度 P（又称颗粒密度）又称颗粒密度） 为单位体积吸附剂为单位体积吸附剂颗粒本身的质量。颗粒本身的质量。l3）真实密度）真实密度 t 是指扣除颗粒内细孔体积后单位体积是指扣除颗粒内细孔体积后单位体积吸附剂的质量。吸附剂的质量。

24、l吸附剂的比表面积吸附剂的比表面积l 指单位质量的吸附剂所具有的吸附表面积，指单位质量的吸附剂所具有的吸附表面积，g。l 吸附剂孔隙的孔径大小直接影响吸附剂的比表吸附剂孔隙的孔径大小直接影响吸附剂的比表面积，孔径的大小可分三类：大孔、过渡孔、微面积，孔径的大小可分三类：大孔、过渡孔、微孔。吸附剂的比表面积以微孔提供的表面积为主。孔。吸附剂的比表面积以微孔提供的表面积为主。l吸附容量吸附容量 一定条件下单位质量吸附剂所吸附的吸附质的一定条件下单位质量吸附剂所吸附的吸附质的量量 ， kg吸附质吸附质kg吸附剂，吸附剂，它反映了吸附剂吸附它反映了吸附剂吸附能力的大小。能力的大小。l吸附吸附容容量可以

25、通过吸附前后吸附质体积或质量的量可以通过吸附前后吸附质体积或质量的变化测得。变化测得。吸附剂类型吸附剂类型活性炭活性炭活性氧化活性氧化铝铝硅胶硅胶沸石分子筛沸石分子筛4A5A13x堆 积 密 度堆 积 密 度 /kg/kgm m-3-32006007501000800800800800热容热容/kJ(kgK)-1-10.8361.2540.8361.0450.920.7940.794操作温度上操作温度上限限/K423773673873873873平均孔径平均孔径/15251848224513再 生 温 度再 生 温 度 /K37341347352339342347357347357347357

26、3比表面积比表面积 / /g-16001600210360600常用吸附剂的特性常用吸附剂的特性比表面比表面积积a(m2/g)孔隙孔隙体积体积V(cm3/g)微孔微孔/宏观孔宏观孔松散密松散密度度b (g/L)真密度真密度P (g/cm3)微粒密度微粒密度P (g/cm3)比热比热(J/kgK)活性炭（木活性炭（木炭）炭）100015000.60.80.50.83005002.20.6840木炭窄孔木炭窄孔60010000.30.60.30.44005002.00.8840木炭木炭1000.050.100.20.36001.90.9840氧化硅胶氧化硅胶窄孔窄孔6008500.350.450.

27、17008002.21.1920氧化硅胶氧化硅胶大孔大孔2503500.30.450.050.104008002.21.1920活性氧化铝活性氧化铝1004000.40.17008003.01.2880分子筛分子筛50010000.250.300.30.46009002.61.11.5920一、吸附平衡一、吸附平衡 吸附吸附 脱附脱附吸附平衡吸附平衡 吸附：吸附： 同一时间吸附剂的吸附量同一时间吸附剂的吸附量脱附量；脱附量； 吸附速度减慢；脱附速度不断增大；吸附速度减慢；脱附速度不断增大； 吸附平衡吸附平衡： 同一时间吸附剂的吸附量同一时间吸附剂的吸附量=脱附量脱附量 吸附过程停止吸附过程停止

28、平衡浓度平衡浓度：平衡时吸附质在流体（气相）中的浓度：平衡时吸附质在流体（气相）中的浓度平衡吸附量平衡吸附量：当温度、压强一定时，吸附剂与流体当温度、压强一定时，吸附剂与流体长时间接触，吸附量不再增加，吸附相（吸附剂长时间接触，吸附量不再增加，吸附相（吸附剂和已吸附的吸附质）与流体和已吸附的吸附质）与流体（气相）（气相）达到平衡时达到平衡时的吸附量。的吸附量。v研究平衡的意义研究平衡的意义 ：选择评价吸附剂；选择评价吸附剂； 确定工艺条件确定工艺条件: T、p、脱附脱附 确定吸附量、设计吸附器确定吸附量、设计吸附器 v吸附等温线吸附等温线 吸附平衡时，吸附质在固相中的浓度和气相中吸附平衡时，吸

29、附质在固相中的浓度和气相中的浓度之间具有一定的函数关系，气体吸附的平衡的浓度之间具有一定的函数关系，气体吸附的平衡关系：关系： X=f(p,T) 式中：式中：X平衡吸附量（平衡吸附量（g吸附质吸附质/g吸附剂）；吸附剂）； P平衡时吸附质在气相中的分压；（平衡时吸附质在气相中的分压；（Pa）；）； T吸附温度。吸附温度。1）T不变，可测得不变，可测得平衡吸附量平衡吸附量X与与平衡时吸附质在平衡时吸附质在气相中的分压气相中的分压p间的变化关系；间的变化关系； 吸附等温线（等吸附等温线（等温吸附线）温吸附线） 2）p不变，可测得不变，可测得平衡吸附量平衡吸附量X与与T间的变化关系；间的变化关系；

30、吸附等压线吸附等压线 （等压吸附线（等压吸附线 ）3）平衡吸附量平衡吸附量X不变，可测得不变，可测得p与与T间的变化关系；间的变化关系； 吸附等量线吸附等量线 （等量吸附线（等量吸附线 ）v吸附过程中温度变化不大，吸附过程中温度变化不大，吸附等温线为最常吸附等温线为最常用。用。v吸附等温线和吸附等温式：吸附等温线和吸附等温式： 把在一定温度下，达到吸附平衡时，吸附量随把在一定温度下，达到吸附平衡时，吸附量随平衡浓度平衡浓度(或压力或压力)而变化的曲线称为而变化的曲线称为吸附等温线吸附等温线，而把描述吸附等温线的方程式称为而把描述吸附等温线的方程式称为吸附等温方程式吸附等温方程式。NH3在活性炭

31、上的吸附等温线在活性炭上的吸附等温线l为了说明吸附的性质和过程，许多学者在为了说明吸附的性质和过程，许多学者在大量实验的基础上，提出了各种吸附理论，大量实验的基础上，提出了各种吸附理论，但一般都只能解释一种或几种吸附现象。但一般都只能解释一种或几种吸附现象。l从实验测得的很多系统的吸附等温线来看，从实验测得的很多系统的吸附等温线来看，大致可归纳成五种类型大致可归纳成五种类型，如下图所示。，如下图所示。l型等温吸附线型等温吸附线 l 低压下组分吸附量低压下组分吸附量随压力的增加而增随压力的增加而增加；加；l当当p增加到某一值，增加到某一值，吸附量随压力的增吸附量随压力的增加变化小加变化小,甚至趋

32、于甚至趋于水平。水平。 l一般认为这是单分一般认为这是单分子层吸附的特征曲子层吸附的特征曲线，也有人认为它线，也有人认为它是由微孔充填形成是由微孔充填形成的曲线。的曲线。吸附等温线吸附等温线v型等温吸附线型等温吸附线 v多层吸附多层吸附 无孔无孔/中间孔中间孔 v典型典型S型曲线，随着压力的型曲线，随着压力的无限量地被吸附，无限量地被吸附，接近达到饱和接近达到饱和 v型等温吸附线型等温吸附线 v 吸附剂与吸附质相互作用较弱吸附剂与吸附质相互作用较弱v多分子层吸附多分子层吸附 v型等温吸附线型等温吸附线 v多分子层吸附；多分子层吸附； v323K、苯在苯在FeO上的吸附（毛细管现象）上的吸附（毛

33、细管现象） v型等温吸附线型等温吸附线 v373K、水蒸汽在活性炭上的吸附水蒸汽在活性炭上的吸附 同同、相互作用较弱（毛细管现象）相互作用较弱（毛细管现象） v多分子层吸附多分子层吸附 l吸附等温方程式吸附等温方程式1、弗罗德里希（、弗罗德里希（Freundlich）方程（）方程（I型等温线中压部分）型等温线中压部分）npmxq1lglg1lglgpnmxqq单位吸附剂在吸附平衡时的饱和吸附量单位吸附剂在吸附平衡时的饱和吸附量kgkg；x被吸附组分的量，被吸附组分的量，kg；m吸附剂的量，吸附剂的量，kg；p吸附平衡时被吸附组分在气相中的分压，吸附平衡时被吸附组分在气相中的分压，Pa；、n经验

34、常数；对于一定的吸附物质仅与平衡时的分压和温度有关经验常数；对于一定的吸附物质仅与平衡时的分压和温度有关，其值需由实验确定，而，其值需由实验确定，而 n 1。l2、朗格缪尔（、朗格缪尔（Langmuir）方程（）方程（I型等温线）型等温线）l在推导等温吸附方程式的过程中，首先假定：在推导等温吸附方程式的过程中，首先假定：l （1）吸附剂表面性质是均一的。也就是说，每一个具）吸附剂表面性质是均一的。也就是说，每一个具有剩余价力的表面层分子或原子吸住一个气体分子。有剩余价力的表面层分子或原子吸住一个气体分子。l （2）气体分子在固体表面的吸附只有一层。）气体分子在固体表面的吸附只有一层。l （3）

35、吸附是动态的，被吸附分子受热运动的影响，可）吸附是动态的，被吸附分子受热运动的影响，可重新回到空间而成为气态，这种现象称为脱附。重新回到空间而成为气态，这种现象称为脱附。l （4）吸附过程类似于气体的凝结过程，脱附类似于液）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。在达到动态平衡时，蒸发速度等于凝结速体的蒸发过程。在达到动态平衡时，蒸发速度等于凝结速度。也就是脱附速度等于吸附速度。度。也就是脱附速度等于吸附速度。l （5）气体分子在固体界面上的吸附速度正比于该组分）气体分子在固体界面上的吸附速度正比于该组分在气相中的分压在气相中的分压l （6）被吸附在固体表面上的气体分子之间无作

36、用。）被吸附在固体表面上的气体分子之间无作用。l根据上面假设，可以作如下推导：根据上面假设，可以作如下推导：l设设代表任一瞬间巳吸附的固体表面积与代表任一瞬间巳吸附的固体表面积与固体总面积之比固体总面积之比l或或代表已被吸附分子数和固体表面全部代表已被吸附分子数和固体表面全部吸附时的分子总数的比值，即吸附时的分子总数的比值，即maxqq固固体体总总面面积积已已覆覆盖盖的的面面积积 式中式中 q已被吸附的量已被吸附的量 q max饱和吸附量饱和吸附量l气体的脱附速度与气体的脱附速度与成正比，成正比，l于是于是 脱附速度脱附速度 k1l式中式中 k1在一定温度下脱附速度常在一定温度下脱附速度常数。

37、数。l则则（1）代表未吸附的表面积对总面积的分代表未吸附的表面积对总面积的分数，可以看作式吸附过程的推动力，气体的吸数，可以看作式吸附过程的推动力，气体的吸附速度与固体未吸附的表面积和气相中的分压附速度与固体未吸附的表面积和气相中的分压成正比成正比,l于是于是 吸附速度吸附速度k2 p（1）l式中式中 k2在一定温度下的吸附速度常数。在一定温度下的吸附速度常数。l当吸附达到平衡时，脱附速度等于吸附速度，当吸附达到平衡时，脱附速度等于吸附速度，即即lk1k2 p（1）lk1k2 pk2 plk1k2 pk2 pl（k1k2 p）k2 pl此式即为朗格谬尔吸附等温式。此式即为朗格谬尔吸附等温式。p

38、kkpkqq212max l为了分析和使用方便，令为了分析和使用方便，令k2/k1=k（吸收（吸收系数），上式变换并代入后得，系数），上式变换并代入后得，pkkkkpkkpkkpkqq121112212max 则：则：maxmaxmaxmax1111qqkpPkpqqkpkpPkpkpqqq则则可忽略可忽略大得多，分母中大得多，分母中比比很大时，很大时，当压力当压力则则可忽略可忽略小得多，分母中小得多，分母中比比很小时，很小时，当压力当压力 l有时将朗格谬尔公式改写为倒数形式，有时将朗格谬尔公式改写为倒数形式，即即maxmaxmaxmaxmaxmax111111111qpkqqkpqkpkpq

39、kpqkpkpkpqql此式为一直线方程式此式为一直线方程式l(1)“外扩散外扩散”过程过程 l(2)“内扩散内扩散”过程过程 l (3)吸附过程吸附过程 l(4)脱附过程脱附过程l(5)内孔中吸附质的反内孔中吸附质的反扩散过程扩散过程 l (6)外表面反扩散过程外表面反扩散过程 吸附质的外扩散传质速率可表示为：吸附质的外扩散传质速率可表示为：)(yyakdtdqAPyA吸附质的内扩散传质速率可表示为：吸附质的内扩散传质速率可表示为：)(AAPxAxxakdtdq式中：式中： - - dt时间内吸附质时间内吸附质A从气相主体扩散从气相主体扩散 Adq到固体表面的质量（到固体表面的质量（kg/m

40、3）；）；- -外扩散吸附分系外扩散吸附分系数数（kg/hm2）；）；yk- -内扩散吸附分系内扩散吸附分系数数（kg/hm2）；）；xk- -吸附剂比表面积（吸附剂比表面积（m2/m3）；）；Pa- -吸附质吸附质A A在在气相主体气相主体、固固相相外表面外表面气体中气体中的的浓度（浓度（kg(吸附质吸附质)/kg(惰性气体惰性气体)）；）；AyAy- -吸附质吸附质A A在在吸附剂吸附剂内表面内表面、外表面外表面的浓的浓度度（kg(吸附质吸附质)/kg（吸附剂）。吸附剂）。AxAx)(yyakdtdqAPyA)(AAPxAxxakdtdq因外表面上吸附质的浓度不易测定，因而吸附速率因外表面

41、上吸附质的浓度不易测定，因而吸附速率也常用总吸附系数表示：也常用总吸附系数表示：式中：式中： Ky、Kx- -分别为气相与吸附相总传质系数；分别为气相与吸附相总传质系数；- - 气相和固相的平衡浓度气相和固相的平衡浓度。 *Ay*Ax()(*xA )xaKyyaKdtdqAPxApyAA吸附过程中吸附质在吸附剂上的吸附达到平衡时，气吸附过程中吸附质在吸附剂上的吸附达到平衡时，气相中吸附质相中吸附质A A的浓度与吸附相上的吸附质的浓度与吸附相上的吸附质A浓度有如下浓度有如下关系：关系：AAmxy*式中： m-平衡曲线斜率。则：pxpyPyakmakaK11由此可得：mPyPxpxakakaK11

42、11yxKKm由 式可知，当 时， ，即外扩散的阻力可忽略不计，整个吸附过程的阻力以内扩散阻力为主；当 时，则 ，则内扩散阻力可忽略不计，总传质系数等于外扩散分系数，整个吸附过程的阻力以外扩散阻力为主。mkkxy/mkkxy/yykKpxpyPyakmakaK11mkKxyl式中： - 扩散系数（m2/s）； - 气相混合物流速（m/s）； - 运动粘度，（m2/s）； - 吸附剂颗粒直径，（m）。 DVvd 由于吸附机理较为复杂，传质系数目前还常从经验公式求得。 对于一般粒度的活性炭吸附蒸汽的过程，总传质系数可用以下经验公式计算：46. 154. 054. 06 . 1dDVaKPy一、固定

43、床吸附器类型一、固定床吸附器类型l固定床吸附器是应用最广的吸附设备。固定床吸附器是应用最广的吸附设备。 l优点：结构简单、制作容易、价格低廉优点：结构简单、制作容易、价格低廉等等 立式固定床吸附器立式固定床吸附器 l分上流式和分上流式和下流式下流式两种。两种。l吸附剂装填高度以保证吸附剂装填高度以保证净化效率和一定的阻力净化效率和一定的阻力降 为 原 则 ， 一 般 取降 为 原 则 ， 一 般 取0520m。l床层直径以满足气体流床层直径以满足气体流量和保证气流分布均匀量和保证气流分布均匀为原则进行设计。为原则进行设计。l处理腐蚀性气体时应注处理腐蚀性气体时应注意采取防腐蚀措施，一意采取防腐

44、蚀措施，一般是加装内衬。般是加装内衬。l立式固定床吸附器适合立式固定床吸附器适合于于小气量浓度低小气量浓度低的情况。的情况。左图为左图为常用卧式吸常用卧式吸附器，附器，其壳体为圆其壳体为圆柱形、吸附剂床层柱形、吸附剂床层高高0.51.0米。米。 优点：优点：处理气量大，处理气量大，流体阻力小流体阻力小、压降、压降小小，动力消耗少。，动力消耗少。 缺点：吸附剂床层缺点：吸附剂床层横截面面积大，易横截面面积大，易产生气流分布不均产生气流分布不均现象，现象，在设计时特在设计时特别注意气流均布的别注意气流均布的问题。问题。l固定床吸附器也存在一些缺点：固定床吸附器也存在一些缺点：l (1)间歇操作间歇

45、操作 为使气流连续，操作必然不断地周期为使气流连续，操作必然不断地周期性切换，为此必须配置较多的进出口阀门，操作十分性切换，为此必须配置较多的进出口阀门，操作十分麻烦。即使实现了自动化操作，控制程序也是比较复麻烦。即使实现了自动化操作，控制程序也是比较复杂的。杂的。l (2)需设有备用设备需设有备用设备 即当一部分吸附器进行吸附时，即当一部分吸附器进行吸附时，要有一部分吸附床进行再生，这些吸附床中的吸附剂要有一部分吸附床进行再生，这些吸附床中的吸附剂即处于非生产状态。即使处于生产中的设备里，为了即处于非生产状态。即使处于生产中的设备里，为了保证吸附区的高度有一定富余，也需要放置多于实际保证吸附

46、区的高度有一定富余，也需要放置多于实际需要的吸附剂，因而总吸附剂用量增多。需要的吸附剂，因而总吸附剂用量增多。l (3)吸附剂层导热性差吸附剂层导热性差 吸附时产生的吸附热不易导出，吸附时产生的吸附热不易导出，操作时容易出现局部床层过热。另外，再生时加热升操作时容易出现局部床层过热。另外，再生时加热升温和冷却降温都很不容易，因而延长了再生的时间。温和冷却降温都很不容易，因而延长了再生的时间。l (4)压力损失较大压力损失较大 对于采用厚床层，压力损失也较大，对于采用厚床层，压力损失也较大，因此，能耗增加。因此，能耗增加。l适于小型、分散、间歇性的气体毒害物适于小型、分散、间歇性的气体毒害物治理

47、。在连续性的气体毒害物治理中应治理。在连续性的气体毒害物治理中应用也相当普遍。用也相当普遍。 l固定床吸附器有方型、圆型及立式、卧固定床吸附器有方型、圆型及立式、卧式之分，内设吸附层可以是单层、多层式之分，内设吸附层可以是单层、多层l二、固定床吸附过程及计算二、固定床吸附过程及计算l 在气态毒害物的吸附净化设计中，由于所涉及到的在气态毒害物的吸附净化设计中，由于所涉及到的物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸物系是低浓度的气态混合物，且气量一般比较大，吸附热相对较小，因此可附热相对较小，因此可近似地按等温过程处理近似地按等温过程处理。l计算过程的前提：计算过程的前提：一般是在一般是在吸

48、附剂吸附剂的选择、的选择、吸附设备吸附设备的选择和的选择和吸附效率吸附效率确定之后进行的。确定之后进行的。l设计计算的任务：设计计算的任务：是求出吸附器的是求出吸附器的床层直径床层直径和和高高度吸附剂的用量度吸附剂的用量，吸附器的一次循环工作时间床吸附器的一次循环工作时间床层压降层压降等。等。 l吸附剂的活性吸附剂的活性 活性大小是以单位重量活性大小是以单位重量(或体积或体积)吸吸附剂所能吸附的吸附质重量附剂所能吸附的吸附质重量(或体积或体积)的多的多少表示。少表示。 吸附剂的活性分为吸附剂的活性分为静活性静活性和和动活性动活性。l动活性动活性是指在一定温度和一定浓度的情况下，是指在一定温度和

49、一定浓度的情况下，气体通过一定厚度的吸附剂床层，当出口出现气体通过一定厚度的吸附剂床层，当出口出现该气体时，单位重量或体积吸附剂所吸附气体该气体时，单位重量或体积吸附剂所吸附气体量。量。 l静活性静活性是指在一定温度和一定浓度的情况下，是指在一定温度和一定浓度的情况下，吸附剂吸附气体达到饱和状态，即吸附量与脱吸附剂吸附气体达到饱和状态，即吸附量与脱吸量处于平衡状态时，单位重量或体积吸附剂吸量处于平衡状态时，单位重量或体积吸附剂所吸附的气体最大量。所吸附的气体最大量。l动活性小于静活性动活性小于静活性，用吸附法净化有害气体时，用吸附法净化有害气体时，应按动活性来计算。应按动活性来计算。 l吸附负

50、荷曲线吸附负荷曲线l 对于对于个固定床吸附器，气体以等速进入床个固定床吸附器，气体以等速进入床层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所层，气体中的吸附质就会按某种规律被吸附剂所吸附。吸附。吸附一定时间后，在吸附剂上吸附质就会吸附一定时间后，在吸附剂上吸附质就会有一定的浓度有一定的浓度，此浓度称为该时刻的，此浓度称为该时刻的吸附负荷吸附负荷。 l 在一定温度下，吸附剂中所吸附的吸附质在一定温度下，吸附剂中所吸附的吸附质（被吸附物）沿床层不同高度（或长度）的浓度（被吸附物）沿床层不同高度（或长度）的浓度变化曲线，称为变化曲线，称为吸附负荷曲线吸附负荷曲线。l 或在流动状态下或在流动状态下,气相中

51、的吸附质（被吸附物）气相中的吸附质（被吸附物）沿床层不同高度（或长度）的浓度变化曲线，称沿床层不同高度（或长度）的浓度变化曲线，称为吸附负荷曲线。为吸附负荷曲线。l 也就是说，吸附负荷曲线也就是说，吸附负荷曲线是吸附床层内吸附是吸附床层内吸附质浓度质浓度x随床层高度（或长度）随床层高度（或长度） Z变化的曲线变化的曲线。l 在理想状态下，若床层完全没有阻在理想状态下，若床层完全没有阻力，吸附会在瞬间达到平衡，即吸附速力，吸附会在瞬间达到平衡，即吸附速率无穷大，则在床层内所有断面上的吸率无穷大，则在床层内所有断面上的吸附负荷均为一个相同的值，吸附负荷曲附负荷均为一个相同的值，吸附负荷曲线将是一个

52、直角形的折线，如图所示：线将是一个直角形的折线，如图所示：l但实际上是不可能的，但实际上是不可能的，在实际操作中由于床层中在实际操作中由于床层中存在着阻力，在某存在着阻力，在某瞬间瞬间床层内各个截面上的吸附床层内各个截面上的吸附负荷会有差异。负荷会有差异。 l介于介于平衡区（平衡区（饱和区饱和区 ）与与未用区未用区之间的这一部分床之间的这一部分床层，其吸附质负荷由饱和层，其吸附质负荷由饱和浓度的浓度的xe，变化到起始吸，变化到起始吸附质负荷附质负荷x0，形成一个，形成一个s形形曲线曲线。l在这段床层里在这段床层里有有部分吸部分吸附剂还正在吸附附剂还正在吸附，故，故s形波形波所占的这一部分床层为

53、所占的这一部分床层为“传质区传质区”l而而s形曲线称为形曲线称为“吸附波吸附波”或或“传质波传质波”，也称为，也称为“传质前沿传质前沿”。l由于流体是以稳态进入床层，由于流体是以稳态进入床层，则吸附波以等速向前移动，则吸附波以等速向前移动，其曲线形状基本不变。其曲线形状基本不变。l当当吸附波的下端吸附波的下端到达床层出到达床层出口端时，就产生所谓的口端时，就产生所谓的“穿穿透现象透现象”，吸附波稍微再向，吸附波稍微再向前移动一点就出到床层以外，前移动一点就出到床层以外，在流出物分析中，将发现有在流出物分析中，将发现有吸附质漏出来（吸附质漏出来（这时床层被这时床层被穿透穿透 ）。）。l当床层被穿

54、透的这个时刻，当床层被穿透的这个时刻，称为称为“破点破点”（或穿透点）（或穿透点）。l此时流出气体中吸附质的浓此时流出气体中吸附质的浓度称为度称为“破点浓度破点浓度”。l从开始进气到出现破点的这从开始进气到出现破点的这段时间称为段时间称为“穿透时间穿透时间” B 。l当吸附流动继续进当吸附流动继续进行，则逐渐地使行，则逐渐地使吸吸附波的顶端附波的顶端也到达也到达床层的出口，这时床层的出口，这时所需的时间称为所需的时间称为“平衡时间平衡时间e”。如图如图f。l此时床层中全部吸此时床层中全部吸附剂与进料流体中附剂与进料流体中吸附质浓度达到平吸附质浓度达到平衡状态，吸附剂容衡状态，吸附剂容量全部被用

55、完，床量全部被用完，床层失去吸附能力。层失去吸附能力。l实际上吸附操作进实际上吸附操作进行到穿透点时就要行到穿透点时就要停止操作，进行再停止操作，进行再生处理。生处理。l 通常改用在通常改用在一定的时间间隔一定的时间间隔内，分析内，分析床层流床层流出物中吸附质浓出物中吸附质浓度的变化度的变化，以，以流流出物中吸附质浓出物中吸附质浓度度y为纵坐标，为纵坐标，时 间时 间 为 横 坐为 横 坐标则随着时间标则随着时间的推移可画出一的推移可画出一条条y曲线。曲线。如图所示。如图所示。l 开始时流出物中吸开始时流出物中吸附质浓度为附质浓度为yB，到到B时时流出物中吸附质浓度开流出物中吸附质浓度开始上升

56、，到始上升，到E时升到时升到yE，即接近床层进口浓即接近床层进口浓度，这时床层已完全没度，这时床层已完全没有吸附能力，吸附波的有吸附能力，吸附波的末端也离了开床层。末端也离了开床层。l 在在y图上，从图上，从B到到E呈现一个呈现一个S型型曲线，这条曲线称为曲线，这条曲线称为“透过曲线透过曲线”。它的形。它的形状与吸附负荷曲线是完状与吸附负荷曲线是完全相似的，只是方向相全相似的，只是方向相反。反。 l 保护作用时间是固定床吸保护作用时间是固定床吸附器的附器的有效工作时间有效工作时间。l 它定义为它定义为从吸附操作开始到从吸附操作开始到床层被穿透所经历的时间称为床层被穿透所经历的时间称为保护作用时

57、间保护作用时间(即穿透时间即穿透时间)。l 如图所示的如图所示的0到到B所经历所经历的时间。的时间。l 时间到达时间到达E时，吸附波整个时，吸附波整个移出床层，说明床层内的吸附移出床层，说明床层内的吸附剂已完全饱和，完全失去了吸剂已完全饱和，完全失去了吸附能力，这个时刻称为附能力，这个时刻称为“耗竭耗竭点或称干点点或称干点”。l到达到达“干点干点”时，床层内流出时，床层内流出的气体中，吸附质浓度基本回的气体中，吸附质浓度基本回复到进口浓度。复到进口浓度。l在理想状态下，在理想保护作用时间在理想状态下，在理想保护作用时间B内通过吸附床的吸附质将全部被吸附内通过吸附床的吸附质将全部被吸附l即即通过

58、床层的吸附质的量通过床层的吸附质的量一定等于一定等于床层床层内所吸附的量内所吸附的量，即：，即：气体中毒害物初始浓度气体中毒害物初始浓度由上式可得：由上式可得：对于一定的吸附系统和操作条件，对于一定的吸附系统和操作条件， 均己确定，因此可令：均己确定，因此可令：则则 式可变成：式可变成：B KZ 但对一个实际的操作过程，由于床层存但对一个实际的操作过程，由于床层存在阻力，因此在阻力，因此实际上的保护作用时间实际上的保护作用时间B要比要比理想保护作用时间理想保护作用时间B短短，我们，我们把被缩短的这把被缩短的这段时间称为段时间称为保护作用时间损失，用保护作用时间损失，用0来表示来表示。 阻力越大

59、，阻力越大，0越大。越大。三个时间的关系可表示如下：三个时间的关系可表示如下：l将将B KZ 式代入式代入B = B 0， 即得：即得： B KZo令令oKZol式中：式中：lo 为保护作用时间损失；为保护作用时间损失； lK为吸附层保护作用系数；为吸附层保护作用系数；lZo 为床层长度损失或称死层（床层中未被利用的吸为床层长度损失或称死层（床层中未被利用的吸附层长度）。附层长度）。l则则 lB KZo KZKZol K（ZZo）lB KZo K（ZZo）即为具有实用价值的希洛夫公式即为具有实用价值的希洛夫公式0和和Zo均可由实验求得均可由实验求得根据希洛夫公式来确定吸附剂床层长度根据希洛夫公

60、式来确定吸附剂床层长度Z ：Z （B o）/ K B / K Zol流体流过床层的压力降，主要是由于流流体流过床层的压力降，主要是由于流体与颗粒表面间的摩擦阻力和流体在孔体与颗粒表面间的摩擦阻力和流体在孔道中的收缩、扩大和再分布等局部阻力道中的收缩、扩大和再分布等局部阻力引起。引起。l当流动状态为层流时，以摩擦阻力为主，当流动状态为层流时，以摩擦阻力为主，当流动状态为湍流时，以局部阻力为主当流动状态为湍流时，以局部阻力为主 l影响压力降的因素很多，目前尚无一个较完影响压力降的因素很多，目前尚无一个较完善的通用计算公式善的通用计算公式 l欧根欧根从大量实验中导出了单一流体通过固定从大量实验中导出