第四章 吸收及吸附

1、1第四章第四章 吸收与吸附吸收与吸附2本章内容4.1 吸收吸收 4.1.1 概述 4.1.2 吸收与解析过程 4.1.3 多组分吸收和解析过程分析4.2 吸附吸附 4.2.1 吸附原理和吸附剂 34.1 吸收吸收4.1.1 概述概述吸收吸收-气体混合物中的一种或多种组分从气相转移到液相的过程。解吸解吸-溶质从液相中分离出来转移到气相的过程。吸收和解吸为互为逆过程。吸收是分离气体混合物的重要方法之一。45 分类分类 吸收剂与溶质之间相互作用不同，可分为 物理吸收物理吸收：吸收过程纯属气体的溶解过程。 a 单组分吸收： b 多组分吸收： 吸收过程有无热效应，可分为等温吸收等温吸收：贫气吸收（吸收微

2、量气体）非等温吸收非等温吸收：吸收量大时，一般放热，产生吸收热，T ;6吸收过程的气液相平衡关系吸收过程的气液相平衡关系 气体在液体中的溶解度 平衡问题：平衡问题：物质传递的方向和限度；传质速率问题：传质速率问题：传质推动力和阻力。过程快慢的问题。相平衡：相平衡：相间传质已达到动态平衡动态平衡，从宏观上观察传质已不再进行。气体吸收涉及到相际传质过程。7亨利定律亨利定律 当气压不太高（5*105Pa）时，在一定的温度下稀溶液中的溶质溶解度与气相中溶质平衡分压成正比。即*)(HPPfcEPx/* E：亨利常数Pa H：溶解度常数Kmol/m2s pa K：相平衡常数EmEmssssH1ssmEHm

3、xy *K KEPPPm*总K K总PEm K K8化学吸收：化学吸收：带有化学反应的吸收。a 带有可逆反应的吸收带有可逆反应的吸收2H0CH2CH2NH2+C02+H20 ( H0CH2CH2NH3)2C03一乙醇胺 碳酸醇胺汽液平衡关系的非线形性，而且吸收速率吸收速率又受化学反应速率反应速率的影响，分析这类吸收过程比物理吸收困难。b 带有不可逆反应的吸收带有不可逆反应的吸收 C02+2Na0HNa2C03+H20 H2S+2Na0HNa2S+H20吸收反应过程是连串反应或反应速度慢时比较复杂。9吸收过程的气液相平衡关系吸收过程的气液相平衡关系 气体在液体中的溶解度 平衡问题：平衡问题：物质

4、传递的方向和限度；传质速率问题：传质速率问题：传质推动力和阻力。过程快慢的问题。相平衡：相平衡：相间传质已达到动态平衡动态平衡，从宏观上观察传质已不再进行。气体吸收涉及到相际传质过程。10 为了计算填料塔高度，必须把传质速度方程式和传质速度方程式和物料平衡方程式物料平衡方程式联立求解。计算的空间基准为单单位塔截面位塔截面，高为dH的微元体积，其中相界面积为相界面积为adH；由于稳定操作，时间基准可以任意取t。一一. 物理吸收物理吸收4.1.2 物理吸收和化学吸收物理吸收和化学吸收11121314物理吸收：物理吸收：12*YYYYYdYaKVZ12*XXXXXdXaKLZ及G、L为单位塔截面上惰

5、性组分的摩尔流量15反应式为反应式为A（气）（气）+B（液）（液）产品。产品。采用逆流稳定操作。采用逆流稳定操作。气相中失去组分气相中失去组分A的物质的量的物质的量=1/b液相中失去组分液相中失去组分B的的物质的量物质的量=液相中反应掉的液相中反应掉的A的物质的量。的物质的量。 其中 宏观反应速度 bB的反应系数与A的反应系数之比。adHrbLdxGdYABAArAr 二二. 化学吸收化学吸收16adHrbLdxGdYABA17ATAtdcCLdppG当处理稀溶液时，PtPu CTCU 可得到微分物料平衡方程Bb对塔内任一截面的组分积分, 求得G/Pt (PAPA1) = L/bCT (CBC

6、B1)当处理稀溶液时，填料层的高度H为：18例例1：采用填料塔净化废气。使尾气中某有害组分的体积分：采用填料塔净化废气。使尾气中某有害组分的体积分率从率从0.1%降低到降低到0.02%。试比较用纯水吸收和采用不同。试比较用纯水吸收和采用不同浓度的浓度的B组分溶液化学吸收时的塔高。总压为组分溶液化学吸收时的塔高。总压为1.01105Pa。（1）已知：）已知：G，L，Pt ，CT, kAG a, kAL a, HA，求填料层高，求填料层高H=?（2）A，B等摩尔反应，等摩尔反应，CB=800mol/m3, 设设kAL=kBL=kL, H=?（3） B为低浓度时，为低浓度时，CB=32mol/m3,

7、 其余情况与上相同，其余情况与上相同， H=？（4） B为中等浓度时，为中等浓度时， CB=128mol/m3,其余情况与上相其余情况与上相同，同， H=？19ATAtdcCLdppGPT=1.01105Pa, PA1= 20Pa, PA2=100Pa20akHakaKAAAGAG111气相总传质系数 PA=20 PA CA=0 PA*=HACA =0得操作线方程为：PA1=20 PA CA1=0; PA2=100 PA CA2=6.4mol/m321塔顶： 塔底： (2) CB 高时气相传质控制22塔顶： 塔底： 液膜传质控制23 塔顶： 塔底： 24 结论结论: 1 气相反应速率较慢，由较

8、慢的控制。 2 反应在液相内进行，为液相控制。BBAAGaCkapk1化学吸收可以大大降低塔的高度，而物理吸收塔过高，不能够实现。 化学吸收化学吸收aCkapkBAAG1B254.1.3 多组分吸收和解吸过程分析多组分吸收和解吸过程分析 吸收吸收 多组分吸收和精馏都是传质过程，有共同点也有区别。 共同点：共同点：不能对所有组分规定分离要求，只能对吸收和解吸操作关键作用的组分即关键组分关键组分规定分离要求。吸收操作中必须控制其分离要求的组分称为控制其分离要求的组分称为关键组分关键组分。吸收塔的吸收塔的Na=1 ，吸收塔只有一个关键组分。吸收塔只有一个关键组分。26关键组分关键组分 多组分吸收（物

9、理吸收）时，各组分是 1. 在同一塔体内进行吸收，N理相同；2. L/V相同。 各组分的吸收量由它们各自的挥发度或各组分的吸收量由它们各自的挥发度或Ki 所决定，而所决定，而且相互之间有一定的关系。且相互之间有一定的关系。所以不能对所有组分规定分离要求，而指定某一组分的分离要求，由其分离要求确定N理，而且N理已确定其它组分的分离要求随之而确定。27区别区别/41、精馏塔是一处一处进料，塔顶和塔釜出料； 吸收塔或解吸塔是两处两处进料、两处出料，相当于复杂塔。2、精馏过程中有的物系可当作理想物系理想物系，在吸收中吸收剂与溶质的沸点差较大，有的甚至在临界温度以上进行吸收。是溶质的溶解过程，故不能视为

10、理想系不能视为理想系，气液关系比较复杂。 283、精馏操作是双向传质双向传质：汽相中的重组分冷凝进入液相，汽液；液相中的轻组分汽化进入汽相，液汽；传质过程往两个方向两个方向进行。如果各组分的Hv 相近时，成立恒摩尔流的假设成立恒摩尔流的假设，使计算过程简化。而吸收吸收只是气相中的某些组分溶解到不挥发的吸收剂中去的单相传质过程。单相传质过程。一般沿塔从上往下，气体量、液体量增加。除了贫气吸收（吸收质量很小）外不能不能视为恒摩尔流。视为恒摩尔流。 294、气体中易溶组分溶到吸收剂中时，有溶解热效应，由于是单相传质，这一热效应就会使液相和气相的热效应就会使液相和气相的温度上升温度上升。吸收塔温度变化

11、主要取决于热量平衡，这使得吸收塔的温度分布比较复杂。而精馏过程中，往往可认为气相中较重组分冷凝时放出的热量，正好用来使液相中轻组分汽化，不会不会由于相变时的潜热而引起温度的变化引起温度的变化。30解吸解吸(脱吸脱吸)解吸过程也是单相传质过程，但传质的方向与吸收相反。解吸过程也是单相传质过程，但传质的方向与吸收相反。吸收中的所有方法在这里都适用，只是： 溶质从液相传递到气相，气相物质不进入液相； 2. 逆流操作时, 塔顶为浓端, 塔底为稀端； 3. 以回收溶剂为目的时，可用惰性气体，但不易得到纯溶质； 以得到纯溶质为目的时，若溶质不溶于水，则1. 可用水蒸气，最后冷凝分层分离。脱脱吸吸塔塔X1X

12、2Y2Y1解吸主要用于两个方面： 1、用于回收吸收剂。、用于回收吸收剂。 2、获取被吸收的组分。、获取被吸收的组分。31二、解吸方法温度增大，压强降低，L减小，V增大对解吸有利。解吸剂作用下的解吸过程解吸剂作用下的解吸过程 （1）使用惰性气体或贫气的解吸 （2）直接蒸气解吸 （3）间接蒸气加热解吸 （4）多种方法结合解吸324.1.4 多组分吸收和解吸的多组分吸收和解吸的简捷简捷计算法计算法 在多级逆流吸收中由于吸收是一个放热放热过程，因此吸收剂和富气通常都在低于塔的平均操作温度下进入塔内。 12n-1nn+1Nvnln-1原料气Vn+1吸收液LN尾气V1L0吸收剂吸收模型33一一. 吸收因子

13、法吸收因子法1) 吸收因子吸收因子 A任一组分的相平衡关系可表示为 yi=mxi 式中 yi气相中组分i的摩尔分数 xi液相中组分i的摩尔分数 m组分的相平衡常数y=v/Vx=l/L式中l液相中组分i的摩尔流量 L液相的（总）摩尔流量 v气相中组分i的摩尔流量 V气相的（总）摩尔流量l=Aiv 34 2) Horton-Franklin(哈顿哈顿-富兰可林富兰可林)方程方程第j级作组分i的物料衡算有ij,i1,ji1,- jij,v-vl -l假定图所示的吸收塔的每一块板均为一个平衡级，则对于组分i可导得：1j1 - j1 - j1jjAvAvv+112n-1nn+1Nvnln-1原料气Vn+

14、1吸收液LN尾气V1L0吸收剂吸收模型35j=1时，有 1AvAvv1002i1,000lvA1Alvv1021l0为吸收剂组分的摩尔流量。j=2时，1AvAvv21132(9-2)式(9-2)代入整理得1AAAlA1)v(Av221013121AAAAAAlAA1)vAA(Av332321021422131AAAAAAAlAAA1)vAAAAAA(AvNN32N2101 -N211N1 -N1 -N321 -N21N36对全塔进行物料衡算，有 011NNlv-vlN011NNAlv-vv1AAAAAAAA1AAAAAAAvl- 1AAAAAAAAAAAAAAvv-vNN32N321NN43N

15、321N0NN32N21NN32N211N11N整理得该式关联了吸收率、吸收因子和平衡级数吸收率、吸收因子和平衡级数，称为汉顿（汉顿（Horton）-富兰克林（富兰克林（Franklin）方程）方程。 (9-3)37二二. 平均吸收因子法平均吸收因子法 a 假设假设： 各板的吸收因子相同各板的吸收因子相同，并用全塔的平均吸收因子代替各板的A。 液气比液气比L/V采用塔顶和塔底条件下的平均值采用塔顶和塔底条件下的平均值或L0/VN+1; 用全塔的平均温度全塔的平均温度计算相平衡常数m。 由以上假设可以看出，此种方法适用于低浓度（贫气）吸收。高浓度（富气）吸收时，溶解热较大，温升高，不适用。、A、

16、N 的关系的关系38b 公式推导：公式推导：A1=A2=A#=AN=A, 代入式(vN+1 -v1)/ vN+ 1 =1.2121AAAAAAAANNNNNN10Nvl1.1.2121AAAAAAANNNNN - （） =1.2121AAAAAAAANNNNNN -AvlN10 - （ 1.2121AAAAAAAANNNNNN） =（1-AvlN 10） 1.2121AAAAAAAANNNNNN11AA（ ） =（1-AvlN 10） （111NNAAA）l0=Av0 39 (vN+1 -v1)/ v N+ 1=(1- )( ) =( )( ) 10Nvv111NNAAA101NNvvv111

17、NNAAA111NNAAA(vN+1 -v1)/ (vN+ 1-v0)= 式中：v0=A0l0是与进料吸收剂中某一吸收质成平衡的气相组分的摩尔分率；vN+1-v0i组分的最大可能的吸收量，v1v0 组分最大可能吸收量组分的吸收量ii(vN+1 -v1)/ (vN+ 1-v0)=-相对吸收率相对吸收率= = 克列姆塞尔克列姆塞尔(Kremser)方程方程40当进塔吸收剂中不含吸收质时， v0=0 (vN+1 -v1)/ vN+ 1=-吸收率吸收率AN+1= 1A1A(N+1)lgA=lg1AN= lg/ lgA 1 K 分离要求给定的分离要求给定的，为已知条件。为已知条件。AK=（L/V）/m=

18、操作线斜率操作线斜率/平衡线斜率（由平衡线斜率（由T,P确定）确定） 111NNAAA=41c) L/V的求法的求法 最小液气比（L/V）min的计算 N时，由吸收因子图看出，L/V最小 =A（P127）, 适宜的液气比: L/V=(1.2 2) （L/V）min d 非关键组分的吸收率计算非关键组分的吸收率计算所有组分在同一个塔内吸收各组分与关键组分N理、L/V相同。流体性质相似时，各组分的板效率近似相等。各组分具有相同的N理。 （由A的定义得）（L/V）min=m 42f ) 平均吸收因子法的计算步骤平均吸收因子法的计算步骤选关键组分，确定 K；N时, K=AK, 求（L/V）min，求L

19、/V; 由m求AK (烃类的m查P-T-K图)由AK , K 求N理；求非关键组分的Ai 或求 I;由塔的物算求L0,LN ,y1i ,V1 。 43 三三. 蒸出因子法蒸出因子法 解吸为吸收的逆过程，吸收的计算方法都可以引用来计算解吸过程。参数的定义不同： 吸收因子 A=（L/V） /m 解吸因子 S=1/A=mV/L吸收 l=Av 解吸 v=Sl相对吸收率 (vN+1 -v1)/ (vN+ 1-v0)=相对蒸出率=0111llllNN 44N-1n+1nn-11vnln-1惰性气体V0,yo解吸液L1，x1解吸气(L)N+1 吸收液解吸模型N(V)N对于塔板序号由下而上计算的逆流解吸塔可以

20、导出： 111NNlll1.32213221NNNNNNSSSSSSSSSSSSSS=1N0lv1.1.32214332NNNNNNSSSSSSSSSSSSSS-（） 式中：v0进塔（惰性气体）气体中 溶质组分的流率；=45四四. 平均解吸因子法平均解吸因子法解吸剂用量较大，V/L 变化不大，温度变化小时可使用 用全塔的平均解吸因子代替Sn。即S1=S2=SN=S)() l0=v0/S ,l0与v0成平衡时液相中的溶质摩尔分率。 C0=所解吸的 i组分量/最大可能解吸的i组分量。当v0=0 ,l0=0。 SCCSlg1lg00 N= - 1 0111llllNN111NNSSS=()=C0 -

21、111NNlll10NSlv111NNSSS=(1-46多组分多级分离的严格计算多组分多级分离的严格计算简捷计算法只能适用于：初步设计。严格计算法能完成最终设计，可确定：Tj, Pj, Lj, Vj, yij, xij, Qj 。严格计算法的核心是联立求解：物算式、相平衡关系式、热算式。这些关系式都非线性，一般手算是困难的。计算机的出现与应用，对于多组分多级分离的计算产生了显著影响，用程序化的方法求解联立方程组。47吸收设备吸收设备: : 填充床（填充床（packed column reactor) )LLGG用于气液反应时，也可以并流操作用于气液反应时，也可以并流操作填料塔的塔体横截面有圆形

22、，矩形及多边形等，但绝大部分是圆形。48 一、填料塔适用性及分类一、填料塔适用性及分类 适用于：适用于： 1. 真空操作的精馏，产生泡沫的物料。真空操作的精馏，产生泡沫的物料。 填料对泡沫有限制和破碎的作用。 2. 对于超小型的塔填料塔更有优势对于超小型的塔填料塔更有优势,塔径在塔径在2.5以下。以下。 对于塔径在2.5以上，一般选择板式塔。 3. 对于高腐蚀性的物料精馏。对于高腐蚀性的物料精馏。 但冷却移除反应热或溶解热时，结构复杂化。板式塔不宜堵塞，填料塔则不然，所以有串连的做法。49单纯吸收流程当吸收剂与被吸收组分一起作为产品吸收剂使用之后不需要解吸，只有吸收塔只有吸收塔而没有解吸塔。而

23、没有解吸塔。可分为单塔一次吸收和多塔串联吸收。4.1.5 吸收和解吸过程吸收和解吸过程50吸收塔解析塔循环吸收剂解吸用气体H20或惰性气体再沸解析塔循环解吸剂进口气体吸收塔补充吸收剂补充吸收剂(b)(a)伴有吸收剂回收的流程图气体进口吸收吸收解吸法的工艺流程解吸法的工艺流程51 解吸有三种方法：解吸有三种方法： 加热加热，因温度升高，溶解度降低； 减压减压，因压力降低，溶解度降低； 惰性气体与溶液逆流接触惰性气体与溶液逆流接触(气提法气提法)，一般采用过热蒸汽，一方面由于较高温度较高温度，另一方面由于惰性气体可以降低溶质气体的分压分压，从而带出溶质气体。524.2 吸附吸附4.2.1 吸附原理

24、和吸附剂吸附原理和吸附剂 吸附：吸附：某些固体有选择性地从溶液（气体、液体混合物）中把某些组分凝聚到其它表面其它表面（而达到分离目的）的一种物理化学现象。 吸附剂：用其表面吸附气相或液相中物质的固体。 吸附质：被吸附剂所吸附的流体分子。 吸附现象是一种非均相过程。5354吸附机制：吸附机制： 固体表面分子(或原子)处于特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称的，故彼此处于平衡。界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。大多数固体比液体具有更高的表面能。干燥剂、防大多数固体比液体具有更高的表面能。干燥剂、防毒面具、脱色

25、剂、色谱、污水处理、催化剂、毒面具、脱色剂、色谱、污水处理、催化剂、55 吸附与吸收的区别：吸附与吸收的区别：吸收时液相中的分子是基本上均匀分散均匀分散的。而吸附，吸附剂固体表面与内部所受的力不对成，表面有过剩的力，能吸引分子。所以吸附只在固体表面固体表面上进行上进行，形成一层吸附层（吸附膜）。吸附是固体表面现象吸附是固体表面现象，只有具有较大内表面的固体才具有吸附能力。吸附剂都是多孔性的物质，具有内表面，且内表面积外表面积内表面积外表面积。 56吸附热：吸附过程是放热过程吸附过程是放热过程，就成为该物质在此固体表面上的吸附热。吸附热与吸附剂、吸附质有关。 57吸附法的特点：吸附法的特点：常用

26、于从稀溶液中将溶质分离出来，由于受固常用于从稀溶液中将溶质分离出来，由于受固体吸附剂的限制，体吸附剂的限制，处理能力较小处理能力较小；对溶质的作用较小对溶质的作用较小，这一点在蛋白质分离中特，这一点在蛋白质分离中特别重要；别重要；可直接可直接从发酵液中分离所需的产物从发酵液中分离所需的产物，成为发酵，成为发酵与分离的耦合过程，从而可消除某些产物对微与分离的耦合过程，从而可消除某些产物对微生物的抑制作用；生物的抑制作用；溶质和吸附剂之间的相互作用及吸附平衡关系溶质和吸附剂之间的相互作用及吸附平衡关系通常是通常是非线性关系非线性关系，故设计比较复杂，实验的，故设计比较复杂，实验的工作量较大。工作量

27、较大。58优点优点： 有机溶剂掺入少有机溶剂掺入少 操作简便，安全，设备简单操作简便，安全，设备简单 pHpH变化小，适于稳定性差的物质变化小，适于稳定性差的物质缺点缺点： 选择性差选择性差 收率低收率低 无机吸附剂性能不稳定无机吸附剂性能不稳定 不能连续操作，劳动强度大不能连续操作，劳动强度大 碳粉等吸附剂有粉尘污染碳粉等吸附剂有粉尘污染5960物理吸附物理吸附 吸附质和吸附剂之间的作用力：吸附质和吸附剂之间的作用力：范德华力范德华力。 定向力定向力: :极性分子之间静电力极性分子之间静电力. .由极性分子的永久偶由极性分子的永久偶极距产生极距产生. . 诱导力诱导力：极性与非极性之间引力：

28、极性与非极性之间引力. .极性分子产生的电极性分子产生的电场作用会诱导非极性分子极化场作用会诱导非极性分子极化, ,产生诱导偶极距产生诱导偶极距. . 色散力色散力：非极性分子之间引力非极性分子之间引力. .瞬时偶极距瞬时偶极距. . 61物理吸附与化学吸附比较物理吸附与化学吸附比较物理吸附：物理吸附：1) 在固体表面上发生分子吸附是靠范德华力范德华力，选择性差。2) 是可逆过程可逆过程。T 对吸附有利，T 对脱附有利。吸附剂可以再生使用。3) 吸附热小吸附热小。一般20KJ/mol 左右,吸附速率随温度的变化不显著，低温下也相当快。4)物理吸附，低压时为单分子层单分子层，高压时为多分子层。6

29、2化学吸附：化学吸附：1) 吸附是靠化学亲和力化学亲和力；吸附选择性物理吸附；吸附选择性物理吸附；2) 一般化学吸附是不可逆过程不可逆过程, 用得较少;3) 化学吸附热大于物理吸附热化学吸附热大于物理吸附热，一般8442 KJ/mol。化学吸附速率随温度的变化显著，需要活化过程；4)化学吸附为单分子层；63吸附剂吸附剂对吸附剂的要求：) 具有很大的表面积具有很大的表面积。硅胶300m2/g; 活性炭1000 m2/g;x型分子筛1030 m2/g； ) 活性高。活性高。吸附量单位体积或单位质量吸附剂； ) 选择性高选择性高； ) 要有较好的机械强度和物理性质； ) 具有良好的化学稳定性和热稳定

30、性； ) 制造简单，价廉，来源丰富。64工业用吸附剂的种类) 各种活性炭活性炭; 2) 硅胶硅胶：是粒状无晶形氧化硅，其化学式是SiO2.nH2O;) 活性氧化铝活性氧化铝：化学式为Al2O3.nH2O。其表面积为250 m2/g4) 分子筛分子筛 MeX/n(AlO2)x(SiO2)y.mH2O5） 高分子树脂高分子树脂（聚酰胺、大空吸附树脂）聚酰胺、大空吸附树脂）6) 各种天然活性矿产品天然活性矿产品，活性土活性土（漂白土等）。 其表面积为150250 m2/g; 65 66 67 对极性物质的亲和力强于弱极性物质。对极性物质的亲和力强于弱极性物质。 溶剂极性弱，吸附剂对溶质吸附力强，溶剂

31、极性弱，吸附剂对溶质吸附力强，溶剂极性增强，吸附剂对溶质吸附力弱。溶剂极性增强，吸附剂对溶质吸附力弱。溶质被硅胶、氧化铝吸附，当加入极性溶质被硅胶、氧化铝吸附，当加入极性较强的溶剂时，又可被后者置换洗脱下来。较强的溶剂时，又可被后者置换洗脱下来。683） 分子筛分子筛化学通式：是结晶性的硅铝酸盐硅铝酸盐的晶体人工合成的产物。 化学通式为MeX/n(AlO2)x(SiO2)y.mH2O 式中：x/n 价数为n的金属阳离子数； Me 金属如K ,Na ,Ca; m 结晶水的摩尔数。69分子筛的分类分子筛的分类a 结晶中SiO2AlO2的摩尔比不同，孔径的大小不同，分为A、X、Y型。型号SiO2Al

32、O2（y/x） 孔径，A0 A 2 3-5 X 2.3-3.3 8-10 Y 3.3-6 10b 同一类型的分子筛，金属离子不同，其尺寸有差别。70 分子筛的吸附特点分子筛的吸附特点1) 分子筛只能吸附直径小于其孔径的分子。这就把大把大小不同的分子分开小不同的分子分开了。很象过筛子一样，是筛筛分子的筛子分子的筛子，故称分子筛。如A 分子筛孔径为.0 3.3A0,只能通过H2 ,O2 ,N2 ,H2O等。2) 分子筛是一种极性吸附剂极性吸附剂，对极性分子具有较大对极性分子具有较大的亲和力。的亲和力。如4A分子筛按分子大小通过H2 ,H2O，C10,C20等，但H2O极性最大，首先吸附水。713)

33、 分子的不饱和程度越大，越易被分子筛所吸附不饱和程度越大，越易被分子筛所吸附。吸附能力C2 C2= C20 炔烃烯烃烷烃在满足上述条件下，Tb ,M 越不易被吸附。H2的M最小，Tb=-252.8,不易被吸附。4) 分子筛对水的吸附能力较大分子筛对水的吸附能力较大，裂解气的分离中可以深度干燥脱水。使水含量小到ppm的数量级中。PH2O高时硅胶、活性氧化铝对水的吸附容量较高，PH2O低时分子筛对水的吸附容量较高，所以可以设计串联流程。72分子筛的出现，大大开拓了使用吸附分离的领域，常用于吸附分离的分子筛有3A,4A,13X,10X等，比表面积为1000m2/g左右，孔径为3A0-10A0,用于用

34、于深度干燥、制氢和富氧、混合二甲苯分离等。深度干燥、制氢和富氧、混合二甲苯分离等。 7374755. 大孔吸附树脂：大孔吸附树脂： 大孔吸附树脂是一种大孔吸附树脂是一种没有可解离基团没有可解离基团具有具有大孔大孔结构结构的高分子吸附剂。分为的高分子吸附剂。分为非极性非极性与与中等极性中等极性两类。两类。76 交换吸附交换吸附极性吸附极性吸附: 吸附剂表面如为极性分子所组成，则会吸吸附剂表面如为极性分子所组成，则会吸引溶液中逞相反极性的物质或离子而形成双电层，这引溶液中逞相反极性的物质或离子而形成双电层，这种吸附称为极性吸附。种吸附称为极性吸附。 离子交换离子交换: : 在吸附剂与溶液间发生离子

35、交换，即吸附在吸附剂与溶液间发生离子交换，即吸附剂吸附离子后，它同时要放出等当量的离子于溶液中。剂吸附离子后，它同时要放出等当量的离子于溶液中。 吸附剂表面键合的离子基团或可离子化基团吸附剂表面键合的离子基团或可离子化基团, ,通过通过静电引力吸附带有相反电荷的离子静电引力吸附带有相反电荷的离子, ,吸附过程发生电吸附过程发生电子转移子转移. .77大网格聚合物吸附剂大网格聚合物吸附剂大网格聚合物吸附剂的类型和结构大网格聚合物吸附剂的类型和结构按骨架的极性强弱：按骨架的极性强弱：非极性系列非极性系列：苯乙烯：苯乙烯- -二乙烯苯，芳香族吸附剂二乙烯苯，芳香族吸附剂中等极性中等极性：甲基丙烯酸酯

36、，脂肪族吸附剂：甲基丙烯酸酯，脂肪族吸附剂78大网格聚合物吸附剂的合成大网格聚合物吸附剂的合成步骤：聚合：高分子聚合：单体，交联剂，引发剂， 制孔剂和分散剂。悬浮聚合和乳液聚合。修饰：在基质表面键合所需的功能基团。举例：悬浮聚合法制备多孔高分子微球。79介质A（1,000 ) 介质A（10,000 )介质B（1,000 ) 介质B（10,000 )80应用应用: 脱色脱色:食品等食品等. 水中溶解度小的生化产品的吸附水中溶解度小的生化产品的吸附:维生素维生素B12;脂溶性的抗生素脂溶性的抗生素:四环素四环素, 土霉素土霉素,红霉素红霉素,大环内脂类大环内脂类. 污水处理污水处理: 色谱柱的载体

37、色谱柱的载体:81 活性炭的制造活性炭的制造 高温炭化高温炭化 活化活化,800900木材、煤、果壳木材、煤、果壳 炭渣炭渣 活性炭活性炭 隔绝空气，隔绝空气，600 活化剂：活化剂：ZnCl2 蒸汽高温活化蒸汽高温活化 粉末状活性炭粉末状活性炭 粒状活性炭（园柱状、球状），粒径粒状活性炭（园柱状、球状），粒径24mm 棒状活性炭：棒状活性炭：50mm，L=255mm 82吸附剂的性能表征吸附剂的性能表征 化学成分化学成分 材料结构材料结构 比表面积：单位质量物体所具有的表面积比表面积：单位质量物体所具有的表面积(m(m2 2/g) /g) 测量方法：测量方法：BETBET法法 一般采用B.E

38、.T(Brunueer-Emmett-Teller)法：在液氮温度下(-196C)，用吸附剂吸附氮气，在吸附剂表面形成单分子吸附层，测定氮气的吸附体积vm(cm3/g)，计算比表面积a(cm2/g):N-阿弗加德罗常数，s-被吸附分子的横截面积，在-196C 氮气分子的s = 1.6210-15 cm2。83 平均孔径、或平均粒度平均孔径、或平均粒度, , 及其分布，孔隙率及其分布，孔隙率 测量方法：压汞法测量方法：压汞法 孔径及分布测定：孔径及分布测定：吸附剂的孔径及分布可采用水银压入法，利用汞孔度计测定。当压力升高时，水银可进入到细孔中，压力p与孔径d的关系为-水银的表面张力(0.48N/

39、m2)，-水银与细孔壁的接触角(=140)。通过测定水银体积与压力之间的关系即可求出孔径的分布情况。8485 活性炭的细孔构造和分布活性炭的细孔构造和分布 1.比表面积比表面积 每每克克活性炭所具有的表面积。活性炭的比表面积活性炭所具有的表面积。活性炭的比表面积为：为：5001700m5001700m2 2/g/g，99.9%99.9%的表面积，在多孔结构颗的表面积，在多孔结构颗粒的内部。粒的内部。 2. 2.细孔构造细孔构造 小孔：小孔：2nm2nm，0.150.90mL/g0.150.90mL/g，占比表面积的，占比表面积的95%95%以上，起吸附作用，吸附量以上，起吸附作用，吸附量以小孔

40、吸附为主以小孔吸附为主。 86 过渡孔：过渡孔：2 2100nm100nm，0.020.020.10mL/g0.10mL/g，占比表面，占比表面积积5%5%，吸附量不大，起吸附作用和通道作用。吸附量不大，起吸附作用和通道作用。大孔：大孔：1001000nm，0.20.5mL/g，占比表，占比表面积很小，面积很小，吸附量小，提供通道吸附量小，提供通道。 87 其他类型的吸附其他类型的吸附 疏水作用吸附疏水作用吸附 盐析吸附盐析吸附 亲和吸附亲和吸附 染料配位体吸附染料配位体吸附 免疫吸附免疫吸附 固定金属螯合吸附固定金属螯合吸附 羟基磷灰石吸附羟基磷灰石吸附884.2.2 吸附平衡理论吸附平衡理

41、论 吸附是一种平衡分离方法吸附是一种平衡分离方法，根据不同溶质在液固，根据不同溶质在液固两相间分配平衡的差别实现分离。两相间分配平衡的差别实现分离。 当溶质在液固两相间达到吸附平衡时，吸附剂上当溶质在液固两相间达到吸附平衡时，吸附剂上的的平衡吸附质浓度平衡吸附质浓度q q是液相游离溶质浓度是液相游离溶质浓度c c和温度和温度T T的函数。的函数。 吸附等温线吸附等温线 当当温度温度一定时，平衡吸附量一定时，平衡吸附量q q与液相游离溶质浓度与液相游离溶质浓度c c之间的函数关系称为吸附等温线。之间的函数关系称为吸附等温线。89Adsorption curves 通常固定一个变量，求出另外两个变

42、量之间的通常固定一个变量，求出另外两个变量之间的关系，例如：关系，例如：(a)T=常数，常数，q = f (p)，得吸附等温线。，得吸附等温线。(b)p=常数，常数，q = f (T)，得吸附等压线。，得吸附等压线。(c)q=常数，常数，p = f (T)，得吸附等量线。，得吸附等量线。90a) 常见吸附平衡等温线常见吸附平衡等温线1.Henry型 （线性）：q =mc 在低浓度范围内成立在低浓度范围内成立2. Freundlich型 （非线性）q=kc适于中等浓度吸附适于中等浓度吸附3. Langmuir型（非线性）单分子吸附层单分子吸附层qm：饱和吸附量；Kd：吸附平衡的解离常数4. Re

43、ctangle 型：亲和吸附91Langmuir 吸附平衡吸附平衡 理论基础：吸附剂上存在许多活性位点，每个活性位点具有相同的能量，只能吸附一个分子，并且被吸附的分子间无相互作用，从而形成单分子吸附层单分子吸附层。 92 BET公式（多层吸附）公式（多层吸附） 取倒数：取倒数： 式中: qo单分子吸附层的饱和吸附量,g/g Cs吸附质的饱和浓度,g/L B常数；C平衡浓度，g/L SsCCBCCBCqq/) 1(1)(0SSCCBqBBqqCCC 0011)(93 BETBET公式包括了朗谬尔公式：公式包括了朗谬尔公式： 设设 ， 且且CCCCs s，则，则BETBET公式可写成：公式可写成：

44、令令a=1/ma=1/m，b=qb=qo o 朗谬尔式朗谬尔式 mCBsmCCqmSCCmCSCCqmSCSCCmSCCSCCqmSCq/10/1)/(10/1)/(1)(0/ acabcq 194 BET公式可以适应更广泛的吸附现象。公式可以适应更广泛的吸附现象。吸附量吸附量q是选择吸附剂和吸附设备的重要参数，是选择吸附剂和吸附设备的重要参数，q决定吸附剂再生周期的长短，决定吸附剂再生周期的长短，q越大，再生周期越大，再生周期越长，再生剂用量及其费用越小。越长，再生剂用量及其费用越小。q通过吸附试通过吸附试验来确定。验来确定。 95 吸附过程一般分为吸附过程一般分为3个阶段：个阶段： 1.液

45、膜扩散（颗粒外部扩散）阶段液膜扩散（颗粒外部扩散）阶段 2.颗粒内部扩散阶段颗粒内部扩散阶段 3.吸附反应阶段吸附反应阶段：吸附质被吸附在细孔内表面上。：吸附质被吸附在细孔内表面上。 吸附反应速度非常快，吸附反应速度非常快，V主要取决于第主要取决于第I、II阶段阶段速度，而颗粒外部扩散速度（液膜扩散）速度，而颗粒外部扩散速度（液膜扩散）U=f(c、d、搅动、搅动) 96 吸附的影响因素吸附的影响因素1.吸附剂的性质：吸附剂的性质：吸附剂的种类、颗粒大小、比表吸附剂的种类、颗粒大小、比表面积，颗粒的细孔构造与分布、吸附剂是否是极面积，颗粒的细孔构造与分布、吸附剂是否是极性分子等。性分子等。2.吸

46、附质的性质吸附质的性质：（1）溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响。）溶解度：越低越容易吸附，具有较大的影响。（2）使液体表面自由能）使液体表面自由能W降低得越多的吸附质则降低得越多的吸附质则越容易被吸附。越容易被吸附。97 （3）极性：）极性： 极性吸附剂易吸附极性的吸附质极性吸附剂易吸附极性的吸附质。 （物以类聚）（物以类聚） 非极性吸附剂易吸附非极性的吸附质。非极性吸附剂易吸附非极性的吸附质。（4）吸附质分子的大小和不饱和度。）吸附质分子的大小和不饱和度。 活性炭：易吸附分子直径较大的饱和化合物活性炭：易吸附分子直径较大的饱和化合物 合成沸石：易吸附分子直径小的不饱和化合物合成沸石：易

47、吸附分子直径小的不饱和化合物（5）吸附质的浓度较低时，提高）吸附质的浓度较低时，提高C可增加吸附量。可增加吸附量。以后以后C，q增加很小，直至为一定值。增加很小，直至为一定值。 98 3.废水的废水的PH值值 活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中吸附效果较活性炭一般在酸性溶液中比在碱性溶液中吸附效果较好。好。4.共存物质共存物质：对于物理吸附，共存多种物质时的吸附比：对于物理吸附，共存多种物质时的吸附比单一物质时的吸附要差。单一物质时的吸附要差。5.温度温度：对于物理吸附，：对于物理吸附，T高则不利，吸附量减少。高则不利，吸附量减少。6.接触时间接触时间：应保证吸附达到平衡时的时间，而该时间：

48、应保证吸附达到平衡时的时间，而该时间的大小取决于吸附速度的大小取决于吸附速度V，V大则所需时间短。大则所需时间短。99 吸附剂的再生吸附剂的再生 用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除用某种方法将被吸附的物质，从吸附剂的细孔中除去，以达到能重复使用的目的。去，以达到能重复使用的目的。 1.加热再生法：加热再生法：由脱水、干燥、炭化，活化、冷却由脱水、干燥、炭化，活化、冷却等等5步组成步组成 2.药剂再生法药剂再生法：无机酸或：无机酸或NaOH，有机溶剂（苯、，有机溶剂（苯、丙酮等）丙酮等） 3.化学氧化法化学氧化法：电解氧化法，：电解氧化法，O3氧化法，湿式氧化氧化法，湿式氧化法。法。

49、4.生物法生物法：利用微生物的作用，将被活性炭吸附的：利用微生物的作用，将被活性炭吸附的有机物加以氧化分解。有机物加以氧化分解。100吸附法在废水处理中的应用吸附法在废水处理中的应用1.活性炭对有机物的吸附活性炭对有机物的吸附 特别适合于难降解的有机物和用一般方法难以去特别适合于难降解的有机物和用一般方法难以去除的溶解性有机物除的溶解性有机物用吸附实验确定去除率。用吸附实验确定去除率。2. 对无机物的吸附对无机物的吸附 活性炭对金属具有很强的吸附能力。活性炭对金属具有很强的吸附能力。101 102 吸附势能曲线(H2在Ni上）H2(g) H2(表面) 2H(表面）Ed: 解吸活化能解吸活化能E

50、a: 化学吸附活化能化学吸附活化能aH: 物理吸附热物理吸附热rH: 化学吸附化学吸附(反应反应)热热DHH: H2的离解能的离解能rHmEdEaaHrEpH2(g)HDHH103一、吸附设备的类型一、吸附设备的类型吸附设备的类型吸附设备的类型固定床吸附器固定床吸附器移动床吸附器移动床吸附器流化床吸附器流化床吸附器其它其它旋转床吸附器旋转床吸附器浆液吸附浆液吸附4.2.3 吸附设备吸附设备104二、吸附设备的特点吸附设备的特点 1、固定床吸附器固定床吸附器: 结构简单、工艺成熟、性能可靠，特别适合于结构简单、工艺成熟、性能可靠，特别适合于小型、分散、间歇性的污染源治理。小型、分散、间歇性的污染

51、源治理。 2、移动床吸附器移动床吸附器: 克服了固定床间歇操作的缺点，适用于稳定、克服了固定床间歇操作的缺点，适用于稳定、连续、量大的气体净化。连续、量大的气体净化。1053、流化床吸附器流化床吸附器: 气、固接触相当充分，吸附速度快，但吸附剂气、固接触相当充分，吸附速度快，但吸附剂的损耗较多。流化床吸附器适用于连续、稳定的的损耗较多。流化床吸附器适用于连续、稳定的大气量污染源治理。大气量污染源治理。4、旋转床吸附器旋转床吸附器: 解决了移动床移动时吸附剂的磨损问题。解决了移动床移动时吸附剂的磨损问题。1065、浆液吸附器：、浆液吸附器： 克服了固体吸附剂容易产生局部过热和温度不克服了固体吸附剂容易产生局部过热和温度不稳定的问题，以及固定床的生产力不高，移