环境工程原理课件 第09章吸附

1、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

2、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

3、； 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

4、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(1)简述吸附分离的基本原理。(2)简要说明吸附根据不同的分类方法可以分为哪些类型。(3)吸附在环境工程领域有哪些应用，举例说明。本节思考题第一节 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

5、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：200600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8001000度；药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等比表面积：5001700 m2/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

6、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：1lglglgqkpnk 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 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，

7、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：气体的脱附速度与成正比，可以表示为：kd 气体的吸附速度与剩余吸附面积(1)和气体分压成正比，可以表示为：ka p(1) qm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。mqq第三节 吸附平衡 (9.3.3)pkkda1吸附达到平衡时，吸附速度与脱附速度相等，则：整理后可得单分子层吸附的Langmuir方程： 111mk q pqk pp吸附质的平衡分压，Paq, qm分别为吸附量和单

8、分子层吸附容量，L/kgk1Langmuir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？11111mmqk qpq1/p1/q1/qm1/(k1qm)11mmppqqk q或第三节 吸附平衡 公式变换得：当p很小时，则：q=k1qmp呈亨利定律，即吸附量与气体的平衡分压成正比。当p时， q=qm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Brunaner, Emmett和Teller 3人提出的。基于多分子层

9、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 00()(1(1)bmbk pqqpppkpp0吸附质组分的饱和蒸气压qm吸附剂表面完全被吸附质单分子层覆盖时的吸附量kb常数，与温度、吸附热和冷凝热有关。BET公式中的参数qm和kb可以通过实验测定。通常只适用于比压（p/p0）约在0.050.35比压小于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

10、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 各组分的吸附量 qA0、qB0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 qA、qB为混合气体吸附平衡时吸附量001ABABqqqq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

11、 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-)/m3.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)(1)吸附平衡是如何定义的。平衡吸附量如何计算。(2)环境条件如何影响吸附平衡。(3)等温吸附线的物理意义是什么

12、？温度对吸附是如何影响的。(4)Freundlich方程的形式和适用范围。方程式中的常数如何求解。本节思考题第三节 吸附平衡 (5)Langmuir方程的基本假设是什么。方程的形式和适用范围？方程式中的常数如何求解。(6)BET方程的物理意义是什么。(7)如何评价不同吸附剂对污染物的吸附性能。(8)液相吸附和气相吸附相比有何特点。简要说明液体吸附的吸附等温式形式和适用范围。本节思考题第三节 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

13、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()mAPidqNVkAdNA 吸附质的扩散速率（kg/s）qm 吸附质在吸附剂颗粒内的平均吸附量(kg/kg)P 吸附剂颗粒密度(kg/m3)V 吸附剂颗粒体积(m3)A 吸附剂颗粒表面积(m2) 吸附时间(s)k 界膜传质系数(m/s), I 流体相及颗粒表面流体的吸附

14、质浓度(kg/m3)一、吸附剂颗粒外表面界膜传质速率第四节 吸附动力学(9.4.1)二、吸附剂颗粒内表面扩散速率 222()peqDrrrq从颗粒中心到距离r处的吸附量(kg/kg)r处流体中吸附质浓度(kg/m3)p吸附剂颗粒密度(kg/m3)吸附时间(s)De吸附剂在颗粒中有效扩散系数(m2/s)假设q和的平衡关系用直线方程近似表示：q=mm 吸附平衡常数0drrr0第四节 吸附动力学(9.4.2)(9.4.3)积分的边界条件 =0时，q=0； r=0时， r=r0时，0r()eiDkr求解求解q求解颗粒的积求解颗粒的积分平均吸附量分平均吸附量qm第四节 吸附动力学/()1226(/)(1

15、 1/)npmemnenneqqqff 00/1/ppeekr mmrDfDk内表面阻力外表面阻力第四节 吸附动力学设对应于浓度的平衡吸附量为qe，则可得(9.4.4)式中：20cot1nennnDrf 是的第 个正根。三、内表面扩散阻力控制时的吸附过程 第四节 吸附动力学2226exp()emepqqnqm 2n=11n当f1时，式（9.4.4）可以整理为(9.4.5)当较大时，式（9.4.5）可以迅速收敛，取第一项22206exp()emeepqqDqr m(9.4.6)第四节 吸附动力学2*20()mepdqDdr对上式微分，并设与qm平衡的流体中的浓度为 *，可以得到吸附颗粒的吸附速率

16、方程：(9.4.8)考虑式（9.4.5）所有项时，吸附速率方程为(9.4.9)*2015()mepdqDdr四、外表面界面膜阻力和内表面扩散阻力同时存在时的吸附过程 第四节 吸附动力学 以 i的时间变化为边界条件，由式（9.4.2）可以求得吸附剂颗粒内部的传质速率，可以表示为整理为(9.4.10)*2015()mepdqDVVdr第四节 吸附动力学将式（9.4.10）与（9.4.1）联立，设总传质系数为KF（m/s），得(9.4.12)(9.4.11)*()mpFdqVK Ad201115FeArKkDV五、外表面界面膜控制时的吸附过程 第四节 吸附动力学 外表面界膜控制通常发生在液相吸附的情

17、况。(9.4.13)*()mpdqVkAd 达到颗粒表面的吸附剂被迅速吸附，颗粒内的吸附质平均吸附量为qm，其与液相中吸附质浓度的平衡关系为用qmm *表示的直线关系，则吸附速度可以表示为 0时，qm0；rr0时， * qm/m 。解（9.4.13）可以求得半径为r0的吸附剂颗粒的吸附量qm与时间关系为(9.4.14)03exp()emepqqkqr m(1)吸附过程有哪几个基本步骤。(2)吸附过程可能的控制步骤是什么。(3)吸附剂颗粒外表面、内表面扩散速率方程的物理意义何在。本节思考题第四节 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

18、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, 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

19、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()()GL xx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（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。01x0 x1x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x1, 1。如何求出固、液相的极限浓度x1, 1？第五节

20、吸附操作与吸附穿透曲线 xk1/n(9.3.13)011/1/()nL Gk或已知x1, 1，求固液比L/G：x00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()()GL xx12220()()GL xx吸附剂第五节 吸附操作与吸附穿透曲线 (9.5.1)(9.5.1) 0 1x0 x1x 操作线操作线平衡线平衡线x2 2A1A2如果吸附平衡可表示为：x0=0时，0112121/1/121nnLLGk每一级都是理论级，即（x1, 1）和（x2, 2）都在平衡线上。第五

21、节 吸附操作与吸附穿透曲线 xk1/n(9.5.5)对于最小吸附剂总用量，d(L1+L2)/G/d10对于一定体系和分离要求，k, n, 0及2为常数，则得：1/0121111nnn 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)（三）逆流多级吸附G, 0 1 2 mL, x1L, xm+1x2 x312m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 对第m级做物料衡算：11()()mmmmGL xx(9.5.7a)以

22、整个流程为体系，做吸附质的物料衡算：011()()mmGL xx(9.5.7b)0 xm+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。0 xm+1x1xm0 xm+1x1xm（L/G) min第五节 吸附操作与吸附穿透曲线 （L/G) min若体系的平衡关系可用弗兰德里希公式表示，且所用的吸附剂不含吸附质，xm+1=0时，吸附剂用量可通过计算求得。以二级吸附为例：1/01122211n 由该式可求得离开第1级的液相组成1，再求出吸附剂用量等其他参数。第五节 吸附操作与吸附穿透曲线 (

23、9.5.8)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 G: 溶液流入速率（m3/(m2s)） 0: 溶液中溶质浓度（kg/m3） z: 固定床吸附塔填充高度（m） B: 穿透点浓度（kg/m3） E: 穿透曲线终点浓度（kg/m3） B: 出口处溶质浓度达到B时的流量(m3/m2) a: 吸附区移动了吸附区高度za区间的流量(m3/m2)各符号的意义第五节 吸附操作与吸附穿透曲线 0()EBWdB, E间被吸附的吸附质量W(kg/m2)：吸附塔中的吸附区

24、吸附剂全部被饱和时的吸附量为0a吸附区形成后吸附剂可吸附的吸附量与饱和吸附量之比f为：000()EBaadWf （二）穿透时间1.韦伯（Weber）法第五节 吸附操作与吸附穿透曲线 (9.5.10)(9.5.9) 设床层的填充密度为b (kg/m3) 与0平衡的吸附浓度为x0(kg-溶质/kg-吸附剂) 则吸附塔全部被饱和时的吸附量为zb x0(kg/m2) 穿透点的吸附量（kg/m2）为： 穿透点吸附剂的饱和度为： 000()(1)()abababzzxzxfzz fx000()(1)abababzzxzxfzfzzxz第五节 吸附操作与吸附穿透曲线 (9.5.11)假设吸附区不动，吸附塔以

25、一定速度与溶液流向相反的方向移动假设吸附塔高度与吸附区高度相比足够高，塔顶：吸附剂与溶液中的吸附质达到平衡。塔底：流出的溶液中吸附质浓度为0。第五节 吸附操作与吸附穿透曲线 对吸附塔做物料平衡： 0000(0)(0),LGL xGx*()FaGdKdz*对应操作线的浓度的平衡浓度， kg/m3；KF吸附过程中的总括传质容量系数，1/s。过原点和平衡线（x0,0）的操作线第五节 吸附操作与吸附穿透曲线 针对吸附区微小高度dz，溶液中溶质浓度变化为：(9.5.12)(9.5.13) 吸附区高度za=Nt HTU0 当给定传质单元高度HTU0时，即可以求出za的值。 假设za高度中浓度为的层高为z 0*BEaaFtzz KdNHTUG*BBEBaadzdz第五节 吸附操作与吸附穿透曲线 (9.5.14)(9.5.15)用面积积分法求解式(9.5.15)作出穿透曲线 /0为纵坐标，(-B)/a 为横坐标*BBEBadd由穿透曲线和式(9.5.10)求出f值计算穿透点吸附剂的饱和度计算达到该饱和度的穿透时间计算吸附区高度计