《环境工程原理》课程授课教案（讲稿）第09章 吸附

课程名称：环境工程原理摘要第一节吸附分离操作的基本概念一、吸附分离操作的分类二、吸附分离操作的应用第二节吸附剂一、常用吸附剂的主要特性二、几种常用的吸附剂第九章吸附第三节吸附平衡一、单组分气体吸附二、双组分气体吸附三、液相吸附第四节吸附动力学第五节吸附操作与吸附穿透曲线一、接触过滤吸附二、固定床吸附本讲的要求及重点难点：【目的要求】要求学生掌握吸附的基本原理，了解吸附分离操作的分类和应用，了解常用吸附剂及其主要特性，了解吸附等温式的拟合方法，掌握单级吸附、多级吸附、多级逆流吸附的相关计算，了解固定床吸附穿透时间的计算方法，理解固定床穿透曲线、穿透点和穿透时间的概念。【重点】常用吸附剂及其主要特性，吸附的基本原理，固定床吸附穿透曲线、穿透点和穿透时间，单级吸附、多级吸附、多级逆流吸附的相关计算。【难点】吸附的基本原理，单级吸附、多级吸附、多级逆流吸附的相关计算，固定床吸附穿透曲线、穿透点和穿透时间。内容【本讲课程的引入】分离过程包括机械分离和传质分离。机械分离是针对非均相混合体系，比如沉降、过滤，分别为第六、七章内容：传质分离是针对均相混合体系，包括平衡分离过程（如第八章吸收，第九章吸附，第十章中的萃取）和速率分离过程（第十章的离子交换、膜分离）。所以第二篇内容如下：第六章沉降；第七章过滤：第八章吸收；第九章吸附；第十章其他分离过程。下面学习传质分离过程中的吸附。【本章课程的内容】第九章吸附89-1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。基本术语有：①被吸附到固体表面的组分称为吸附质：②吸附吸附质的多孔固体称为吸附剂：③吸附质附着到吸附剂表面的过程称为吸附：④吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程称为解吸。1

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因此，吸附过程发生在“气一固”或“液一固”非均相界面。、吸附分离操作的分类1.按作用力性质分类，分为物理吸附和化学吸除物理吸附：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。有以下特点：①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：②过程是可逆的，易解吸；③相对没有选择性，可吸附多种吸附质：④分子量越大，分子引力越大，吸附量越大；③可形成单分子吸附层或多分子吸附层化学吸附：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CO，→CaCO，有以下特点：①吸附热大，一般在较高温下进行：②具有选择性，单分子层吸附；③化学键力大时，吸附不可逆。2.按吸附剂再生方法分类：变温吸附和变压吸附3.按原料组成分类：大吸附量分离和杂质去除4.按分离机理分类：位阻效应、动力学效应和平衡效应二、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。1.日常生活：木炭吸湿吸臭、防腐剂、吸湿剂（硅胶）。2.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。3.环境领域：水处理中脱色脱臭，去除有害有机物、金属离子、氮、磷：气体净化中用于脱湿、去除有害气体、脱臭等等。【思考题】吸附分离的基本原理。【本节小结】本节要求学生掌握吸附的基本原理，了解吸附分离操作的分类和应用。89-2吸附剂一、常用吸附剂的主要特性1.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。2.选择性高：对要分离的目的组分有较大的选择性。3.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。4.适当的物理特性：适当的堆积密度和强度5.廉价易得二、几种常用的吸附剂（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：200一600度活化：形成发达的细孔。有两种办法气体法：通入水蒸气，温度在800一1000度；2

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药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等特点：吸附容量大，热稳定性高，化学稳定性好，解吸容易（二）活性炭纤维活性炭纤维吸附能力比一般活性炭要高1～10倍。脱除恶臭最为有效。废气废水处理中吸附能力均高于活性炭。活性炭纤维分为两种：(1)将超细活性炭微粒加入增稠剂后与纤维混纺制成单丝，或用热熔法将活性炭粘附于有机纤维或玻璃纤维上，也可以与纸浆混粘制成活性炭纸。(2)以人造丝或合成纤维为原料，与制备活性炭一样经过炭化和活化两个阶段，加工成具有-一定比表面积和一定孔分布结构的活性炭纤维。（三）炭分子筛吸附功能：分子筛对物质的吸附来源于物理吸附（范德华力），其晶体孔穴内部有很强的极性和库仑场，对极性分子（如水）和不饱和分子表现出强烈的吸附能力。筛分功能：分子筛的孔径分布非常均一，只有分子直径小于孔穴直径的物质才可能进入分子筛的晶穴内部。通过吸附的优先顺序和尺寸大小来区分不同物质的分子，所以被形象的称为“分子筛”。炭分子筛是一种炭质吸附剂，它具有接近被吸附分子直径的楔形极微孔，而且孔径分布均匀、能够把立体结构大小有差异的分子分离。炭分子筛具有表面疏水的特性，耐酸碱性、耐热性和化学稳定性较好，但不耐燃烧。20世纪70年代初前西德采矿研究公司（BF公司）率先开发成功用于变压吸附空分制氮的炭分子筛，目前该公司所生产的炭分子筛仍处于国际领先地位。国际上生产炭分子筛的公司主要有德国BF公司、日本Takeda公司和美国的Calgon炭化公司。我国从70年代末开始了对炭分子筛的研究。目前，炭分子筛已在食品卫生、医疗、催化、空分制氮、焦炉气中氢气的回收等方面得到广泛的应用。例如在氧和氮的分离过程中，当微孔孔径控制在0.3~0.4nm时，氧在孔隙中的扩散速度比氮快，因而在短时间内主要吸附氧，氮则从床层中流出。（四）硅胶硅胶是一种坚硬无定形链状或网状结构的硅酸聚合物颗粒，化学式：SiO2nH2O。硅胶是极性吸附剂，难于吸附非极性物质，易于吸附极性物质（如水、甲醇等），主要用手吸湿，例如高湿度气体的干燥。（五）活性氧化铝化学式：Al2O3nH2O，是由含水氧化铝加热脱水制成的一种极性吸附剂。与硅胶相比，具有良好的机械强度。比表面积约为200～300m2/g，对水分有极强的吸附能力。主要用于气体和液体的干燥、石油气的浓缩与脱硫。（六）沸石分子筛沸石分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物。分子筛具有均匀的微孔结构，它的孔穴直径大小均勾，这些孔穴能把比其直径小的分子吸附到孔腔的内部，并对极性分子和不饱和分子具有优先吸附能力，因而能把极性程度不同，饱和程度不同，分子大小不同及沸点不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称分子筛。天然沸石有颜色，合成沸石为白色，不溶于水，热稳定性和耐酸性随着Si0z/A1,0,组成比的增加而提高。分子筛有很大的比表面积，达300～1000m㎡/g。总之，吸附剂的选择需要根据被分离对象、分离条件和吸附剂本身的特点确定，另外需要进行试验研究。3

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【本节小结】要求学生了解常用吸附剂及其主要特性【思考题】(1)常用的吸附剂有哪些。(②吸附剂的主要特性是什么。【本讲课程的引入】由于分子之间的化学键力远大于物理吸附的作用力，化学吸附往往是不可逆过程，而工业化吸附操作过程中，吸附质的回收、吸附剂的再生利用都是有一定的经济效益的。因此，本节主要介绍物理吸附。【本讲课程的内容】S9-3吸附平衡一、单组分气体吸附23.5℃（一）吸附平衡理论150在一定条件下，当流体（气体或液体）和吸附剂接触，0℃3流体中的吸附质将被吸附剂所吸附。当吸附速度和解30℃100吸速度相等时，流体中吸附质浓度不再改变时达到吸服附平衡。吸附剂吸附能力用吸附量9表示。5080°℃q=f(p,T)151.5℃1.弗兰德里希（Freunlich）方程：0.61.0q=kpl/n0.20.40.8(9.3.2)吸附质分压p/101.325kPa式中，q—一平衡吸附量，L/kg9-3-1k一一和吸附剂种类、特性、温度以及所用单位有关的常数n——常数，和温度有关p——吸附质气相中的平衡分压,Pa随着p增大，吸附量q随之增加。但p增加到一定程度后，q不再变化。2.朗格谬尔（langmuir)公式kqmp单分子层吸附的Langmuir方程：:q=1+kp式中，p——吸附质的平衡分压，Pa9,qm——分别为吸附量和单分子层吸附容量，L/kgki一一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。3.BET公式由Brunaner,Emmett和Teller3人提出的。BET方程基于多分子层吸附，在Langmuir公式基础上推导出来的。k,pqmq=(p-po)[(1-(k, -1)P1Po式中，Po——吸附质组分的饱和蒸气压；qm一一吸附剂表面完全被吸附质单分子层覆盖时的吸附量；kb一一常数，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/po）约在0.05~0.35，比压小于0.35，毛细凝聚变得显著，破坏多层物理吸附平衡。4.温度对吸附平衡的影响（了解）4

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压力不变，温度升高，吸附量减小。（二）吸附热（了解）吸附是放热过程，与气体冷凝过程相似，吸附热通常比蒸发潜热大，有时可能高出数倍。二、双组分气体吸附（了解）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。三、液相吸附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。2.吸附等温式Freundlich吸附等温方程式：q=kpln式中，q一平衡吸附量，kg/kgk一一和吸附剂种类、特性、温度以及所用单位有关的常数n一一常数，和温度有关p一一吸附质在液相中的平衡浓度,mg/L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，达到吸附平衡时：mq=V(Po-p)式中，q吸附平衡时，-平衡吸附量，kg/kg：V一一液体容积；m一一吸附剂质量；P-液相中溶质浓度：Po-一吸附前，液相中溶质浓度。【本节小结】本节要求了解吸附等温式的拟合方法，掌握吸附剂用量的计算。S9-4吸附动力学吸附剂从流体中吸附吸附质的传质过程包括：（1）吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面一一外扩散（2）吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散一一内扩散（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。外扩散速度很慢即为外扩散控制：内扩散速度很慢即为内扩散控制。S9-5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微自：三w求，吸附有各种不同的操作工艺，如：立液体接触过滤器、压缩空气固定床吸附塔、流化床吸附塔、移动床吸附塔和其它各种各样的连续或间歇的吸附塔。一、接触过滤吸附接触过滤吸附是一种专门用于液体脱色后的油吸附的方法。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5

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方式可以分为单级吸附、多级吸附和逆流吸附等。t（一）单级吸附GPa+溶剂量G和吸附剂量L不变。根据质量守恒定律：XG(Po- P)= L(x, -xo)式中，G一一溶剂量，m；PL-—吸附剂量，kg:一吸附质在进、出吸附槽的吸附剂中的浓度，kg（吸Xo,Xi—QF附质）/kg（吸附剂）：xoplXoXX单级吸附操作线为过端点（xo，po）和（xi，pl)，斜率为9-5-1-LIG的直线。假设在该级操作中，固一液之间达到平衡，即为一个理论级，则（x1,Pl）点在平衡线上。【思考】如何求出固、液相的极限浓度xI、P,？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：X=kpl/n(9.3.13)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,p1。或已知x1、P1，求固液比L/G：L_ Po-PiX0=0时(9.5.2)kpl/nGLi*oL20（二）多级吸附GPo对于第1级：G(P-P)=L(-x)1级2级对于第2级：G(p-P)=L,(x2-)1x2x重复单级吸附相同的操作，可求得多级吸附后溶液及吸Po附剂中溶质的浓度。G0Pi(-L,/G)P29-5-3服m级（三）逆流多级吸附1以整个流程为体系，做吸附质的物料衡算：(9.5.7b)G(Po - Pm)= L(xj -Xm+1)上式为逆流吸附操作线方程。D理论级数，可通过在平衡线和操作线之间做阶梯确定。B理论级数的图解法如图。.n9-5-46

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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，Po求出最小吸附剂量。三、固定床吸附2A从填充有吸附剂的固定床的上方原道G水花迷水或下方送入要连续处理的流体，检查孔/部空气P.使之在填充层内吸附分离的方法整流板表洗水进口在工业上得到了广泛的应用，如m+气体的分离精馏、空气或气体的(a)活性炭，除湿、油品的脱色等。饱和炭出口P(一)穿透点和穿透曲线垫房当连续向床层通入流体时，吸附处出递区逐渐下移，当吸附区的下端达理水洗水后口到床层底部时，出口流体的浓度培告不断增大，当吸附区的上端通过床层底部时，出口流体的浓度等于初始浓度。此时，整个吸附塔X都称为饱和区，失去了吸附能力。(b)固定床吸附器吸附传质过程示意图9-5-5PotPotPotPot传质区饱传质区格和未和未区A区用区区传质区2(d)(c)(b)(a)穿透曲线示意图以流出流体量或流出时间为横坐标，出口流体浓度为纵坐标得到的浓度变化曲线称为穿透曲线，如右图。一般情况下为一条S形曲线。图中浓度急(终点剧上升的点为穿透点。穿透曲线穿透时间即为吸附开始到吸附饱和的时间。穿透点【本节小结】aeapα(时间或流出物体积)要求学生掌握接触过滤吸附中，单级吸附、多级错9-5-8流吸附、多级逆流吸附操作线和理论级数的关系，以及固定床吸附中，什么是穿透点、穿透曲线、穿透时间。7

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