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1、吸附水处理溶液吸附和气体吸附吸附吸附基本概念和吸附的应用领域吸附原理吸附平衡与吸附等温线吸附类型吸附剂活性炭、吸附树脂吸附工艺和设计一基本概念一基本概念 n吸附发生在吸附发生在气气-固、气固、气-液、液液、液-液液或或液液-固固相界面相界面n以以气气-固、液固、液-固吸附固吸附应用广泛，故常有定义成应用广泛，故常有定义成n吸附是通过多孔固体物质与某一混合组分体系（吸附是通过多孔固体物质与某一混合组分体系（气体或气体或液体液体）接触，有选择地使体系中的一种或多种组分附着）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过程。于固体表面，从而实现特定组分分离的过程。n被
2、吸附到固体表面的组分被吸附到固体表面的组分称为吸附质称为吸附质n吸附吸附质的多孔固体吸附吸附质的多孔固体称为吸附剂称为吸附剂n吸附质附着到吸附剂表面的过程吸附质附着到吸附剂表面的过程称为吸附称为吸附n吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相的过程称为解吸称为解吸在在相界面相界面上，物质上，物质自动自动发生发生累积或浓集累积或浓集的现象的现象吸附的应用吸附的应用n吸附的应用范围很广，既可以对气体或液体混合物中吸附的应用范围很广，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。的痕量杂质。n
3、日常生活：日常生活：木炭吸湿、吸臭；防腐剂；吸湿剂（硅胶）木炭吸湿、吸臭；防腐剂；吸湿剂（硅胶）n 化工领域：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，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，得到洁净的产品，提高产品品质。吸附其中杂质，得到洁净的产品，提高产品品质。n 环境领域：环境领域：水：水：脱色脱臭，有害有机物的去除，金属离子，氮、磷脱色脱臭，有害有机物的去除，金属离子，氮、磷空气：空气：脱湿，有害气体，脱臭脱湿，有害气体，脱臭 特别适合于低浓度混合物的分离特别适合于低浓度混合物的分离二二 吸附原理吸附原理吸吸附附物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附
4、剂与吸附物质之间是通过吸附剂与吸附物质之间是通过分子间引力分子间引力(即范徳华力即范徳华力)而产而产生的吸附生的吸附吸附剂与被吸附物质之间产生吸附剂与被吸附物质之间产生化学化学作用，作用，生成化学键生成化学键引起吸引起吸附附固体表面会自发地利用其未饱和的自由价来捕获气相固体表面会自发地利用其未饱和的自由价来捕获气相或液相中的分子或液相中的分子,使之在相界面上浓集使之在相界面上浓集,以降低其表面以降低其表面吉布斯自由能，称为固体对气体或液体的吉布斯自由能，称为固体对气体或液体的吸咐吸咐.流流体体分分子子从从流流体体相相被被吸吸附附到到固固体体表表面面，其其分分子子的的自自由由焓焓降降低低，与与未
5、未吸吸附附前前相相比比，其其分分子子的的熵熵也也降降低低了了。按按照照热热力力学学定定律律，自自由由焓焓变变化化(G)(G)、焓焓变变化化(H)(H)及及熵熵变变化化(S)(S)关关系系如如下下:G=H-TS G=H-TS 上上式式中中GG、SS均均为为负负值值。故故HH肯肯定定为为负负值值。因因此此，吸附吸附过过程必然是个程必然是个放放热过热过程程。所放出的所放出的热热，称，称为该为该物物质质在此固体表面上的吸附在此固体表面上的吸附热热。原因：原因：多孔性固体表面的分子或原子因受力不均而具有剩余多孔性固体表面的分子或原子因受力不均而具有剩余的表面能，当流体中的某些物质碰撞固体表面时，受到这些
6、的表面能，当流体中的某些物质碰撞固体表面时，受到这些不平衡力的作用就会停留在固体表面上。不平衡力的作用就会停留在固体表面上。第三节第三节 吸附平衡吸附平衡 在一定条件下，当流体（气体或液体）和吸附剂接触，流在一定条件下，当流体（气体或液体）和吸附剂接触，流体中的吸附质将被吸附剂所吸附。体中的吸附质将被吸附剂所吸附。吸附速度吸附速度解吸速度解吸速度当吸附速度和解吸速度相等时，当吸附速度和解吸速度相等时，流体中吸附质浓度不再改变时流体中吸附质浓度不再改变时 吸附平衡吸附平衡吸附剂吸附能力用吸附剂吸附能力用吸附量吸附量q表示。表示。2.1吸附平衡与平衡吸附量吸附平衡与平衡吸附量气相单气相单组分吸附组
7、分吸附 气体混合物中，只有某一种组分被吸附气体混合物中，只有某一种组分被吸附液相单液相单组分吸附组分吸附 液相混合物中，只有某一种组分被吸附液相混合物中，只有某一种组分被吸附气相多气相多组分吸附组分吸附 气体混合物中，两种以上的组分被吸附气体混合物中，两种以上的组分被吸附液相多液相多组分吸附组分吸附 液相混合物中，两种以上的组分被吸附液相混合物中，两种以上的组分被吸附吸附量吸附质组成的函数吸附量吸附质组成的函数温度一定时，称为吸附等温线温度一定时，称为吸附等温线达到吸附平衡时：达到吸附平衡时：q q=V(C=V(C0 0-C)/m-C)/mV V：液体容积，：液体容积，m m：吸附剂质量：吸附
8、剂质量 C C：吸附：吸附平衡时平衡时，液相中溶质浓度，液相中溶质浓度C C0 0：吸附前，液相中溶质浓度：吸附前，液相中溶质浓度 吸附等温线测定方法：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测定溶液与吸附剂接触前后的浓度变化三、吸附等温式三、吸附等温式表达等温吸附平衡关系，表达等温吸附平衡关系，表明被吸附物的量与浓度之表明被吸附物的量与浓度之间的间的数学关系式数学关系式吸附等温式吸附等温式由于吸附过程比较复杂，吸附机理尚无统一定论，等温由于吸附过程比较复杂，吸附机理尚无统一定论，等温吸附
9、式都是在一定假设条件下导出的，分别适用于不同吸附式都是在一定假设条件下导出的，分别适用于不同的体系和范围。的体系和范围。1.1.弗兰德里希弗兰德里希（Freunlich）公式：公式：q q吸附量，吸附量，L/kgL/kg（气相）或（气相）或kg/kgkg/kg（液相）（液相）k k和吸附剂种类、特性、温度以及所用单位有关的常数和吸附剂种类、特性、温度以及所用单位有关的常数n n常数，和温度有关常数，和温度有关p p吸附质气相中的平衡分压吸附质气相中的平衡分压,Pa,PaC C吸附质在液相中的平衡浓度吸附质在液相中的平衡浓度随着随着p p或或C C的增大，吸附量的增大，吸附量q q随之增加。随之
10、增加。但但p p或或C C增加到一定程度后，增加到一定程度后，q q不再变化。不再变化。气相吸附气相吸附液相吸附液相吸附弗兰德里希公式是弗兰德里希公式是经验公式经验公式，适用于，适用于低浓度低浓度气体或气体或低低浓度浓度溶液。溶液。对于气体：对于气体：压力范围不能太宽，低压或高压区域不能压力范围不能太宽，低压或高压区域不能得到满意的实验拟合结果。得到满意的实验拟合结果。弗兰德里希等温线弗兰德里希等温线n值一般大于值一般大于1，n值越大，其吸附等温线与线性偏离越大。值越大，其吸附等温线与线性偏离越大。当当n10，吸附等温线几乎变成矩形，是不可逆吸附。，吸附等温线几乎变成矩形，是不可逆吸附。相对压
11、力相对压力相对吸附量相对吸附量弗兰德里希公式参数的求解：弗兰德里希公式参数的求解：对吸附等温式两边取对数：对吸附等温式两边取对数：k双对数坐标双对数坐标1/n1/n越小，说明吸附可在相当宽的浓越小，说明吸附可在相当宽的浓度范围下进行。度范围下进行。一般认为一般认为 1/n=0.1 0.5 时容易吸附时容易吸附 k双对数坐标双对数坐标1/n2.2.朗格谬尔朗格谬尔（langmuir)公式公式方程推导的基本假定：方程推导的基本假定：n吸附剂表面性质均一，每一个具有剩余价力的表面分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分子。子或原子吸附一个分子。n吸附质在吸附剂表面为单分子层
12、吸附。吸附质在吸附剂表面为单分子层吸附。n吸附是动态的，被吸附分子受热运动影响可以重新回吸附是动态的，被吸附分子受热运动影响可以重新回到气相。到气相。n吸附在吸附剂表面的吸附质分子之间无作用力。吸附在吸附剂表面的吸附质分子之间无作用力。设吸附表面覆盖率为设吸附表面覆盖率为，则，则可以表示为：可以表示为：气体的脱附速度气体的脱附速度与与成正比，可以表示为：成正比，可以表示为：kd 气体的吸附速度气体的吸附速度与剩余吸附面积与剩余吸附面积(1)和气体分压成正和气体分压成正比，可以表示为比，可以表示为：kap(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，为吸附剂表面所有吸附点均被吸附质覆
13、盖时的吸附量，即饱和吸附量。即饱和吸附量。以气体分子的吸附为例：以气体分子的吸附为例：吸附达到平衡时，吸附速度与脱附速度相等，则：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整理后可得单分子层吸附的Langmuir方程：方程：p吸附质的平衡分压，吸附质的平衡分压，Paq,qm分别为吸附量和单分子层吸附容量，分别为吸附量和单分子层吸附容量，kg/kgk1Langmuir常数，常数，与吸附剂性质和温度有关，与吸附剂性质和温度有关，该值该值越大越大表示吸附剂的表示吸附剂的吸附能力越强吸附能力越强。Langmuir公式对于液相吸附，可以写成下式：公式对于液相吸附，可以写成下式：
14、C液相中吸附质浓度液相中吸附质浓度Langmuir公式分析：公式分析：当当p（或（或C）很小时，）很小时，则：则：q=k1qmp（或（或q=k1qmC）满足亨利定律，即吸附量与流体的平衡分压（或浓满足亨利定律，即吸附量与流体的平衡分压（或浓度）成正比。度）成正比。当当p（或（或C）时，时，q=qm此时，吸附量与流体的浓度无关，吸附剂表面被占此时，吸附量与流体的浓度无关，吸附剂表面被占满，形成单分子层。满，形成单分子层。求解求解langmuir公式参数公式参数公式公式 变换得：变换得：1/p1/q1/qm1/(k1qm)或或上述公式和用法用上述公式和用法用C代替代替p即即可用于求水中吸附的相关参
15、可用于求水中吸附的相关参数数3.BET3.BET公式公式由由Brunaner,Emmett和和Teller 3人提出的。人提出的。大多数吸附体系属于大多数吸附体系属于II型等温线型等温线。基于多分子层吸附，基于多分子层吸附，在在Langmuir公式基础上推导出来的。公式基础上推导出来的。假设：假设：吸附分子在吸附剂上是按各个层次排列的。吸附分子在吸附剂上是按各个层次排列的。吸附过程取决于吸附过程取决于范德华引力范德华引力，吸附质可以在吸附剂表面，吸附质可以在吸附剂表面一层一层地累叠吸附一层一层地累叠吸附。每一层吸附都符合每一层吸附都符合Langmuir公式。公式。p0吸附质组分的饱和蒸气压吸附
16、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常数常数BETBET公式中的参数公式中的参数q qm m和和k kb b可以通过实验测定。可以通过实验测定。通常只适用于比压（通常只适用于比压（p/pp/p0 0）约在）约在0.050.050.350.35比压小于比压小于0.050.350.35，毛细凝聚变得显著，破坏多层物理吸附平衡。，毛细凝聚变得显著，破坏多层物理吸附平衡。毛细管凝结现象是指被吸附的蒸气在多孔性的吸附剂孔隙中凝结为液体的现象。毛细管凝结现象是指被吸附的蒸气在多孔性的吸附剂孔隙中凝结为液体的现象。外区络合外区络合
17、outer sphere complex 内区络合内区络合iner sphere complex表面沉积表面沉积surface precipitateCu(II)-Al2O3SeO32-针铁矿针铁矿 EXAFS氧化物表面络合氧化物表面络合(配合配合)结构结构吸附衡量指标和影响因素吸附衡量指标和影响因素衡量衡量指标指标吸附能力吸附能力吸附速度吸附速度固体吸附剂用吸附量衡量固体吸附剂用吸附量衡量单位质量吸附剂在单位单位质量吸附剂在单位时间内所吸附的物质量时间内所吸附的物质量吸附吸附阶段阶段颗粒外部颗粒外部扩散阶段扩散阶段孔隙扩散孔隙扩散阶段阶段吸附反应吸附反应阶段阶段吸附质从溶液中扩散到吸附吸附质
18、从溶液中扩散到吸附剂表面剂表面吸附质在吸附剂孔隙中继续吸附质在吸附剂孔隙中继续向吸附点扩散向吸附点扩散吸附质被吸附在吸附剂孔隙吸附质被吸附在吸附剂孔隙内的吸附点表面内的吸附点表面吸附速度吸附速度主要取决于主要取决于外部扩散速度外部扩散速度和和孔隙扩散速度孔隙扩散速度。外部扩外部扩散速度散速度与溶液浓度成正比与溶液浓度成正比与吸附剂的比表面积的大小成正比与吸附剂的比表面积的大小成正比吸附剂颗粒直径越小，速度越快吸附剂颗粒直径越小，速度越快增加溶液与颗粒间的相对运动速度，增加溶液与颗粒间的相对运动速度，可提高速度可提高速度孔隙扩孔隙扩散速度散速度吸附剂颗粒越小，速度越快吸附剂颗粒越小，速度越快吸附
19、动力学吸附动力学 吸附剂从流体中吸附吸附质的传质过程分以下三步：吸附剂从流体中吸附吸附质的传质过程分以下三步：(1)吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面吸附质从流体主体扩散到吸附剂外表面外扩散外扩散(2)吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散吸附质由吸附剂的外表面向微孔中的内表面扩散内扩散内扩散(3)吸附质在吸附剂的吸附质在吸附剂的内部表面上被吸附内部表面上被吸附 一般第一般第(3)步的速度很快，吸附传质速率主要取决于步的速度很快，吸附传质速率主要取决于第第(1)和和(2)两步。两步。外扩散速度很慢外扩散速度很慢外扩散控制外扩散控制内扩散速度很慢内扩散速度很慢内扩散控制内扩散控制N单位体积吸
20、附床层中，吸附质的扩散速率（单位体积吸附床层中，吸附质的扩散速率（kg/(s m3)）q吸附质在吸附剂上的吸附量吸附质在吸附剂上的吸附量(kg/kg)S吸附剂颗粒密度吸附剂颗粒密度(kg/m3)t吸附时间吸附时间(s)kF流体中的传质系数流体中的传质系数(m/s)aV单位体积床层中吸附剂颗粒的外表面积单位体积床层中吸附剂颗粒的外表面积(m2/m3)c,ci吸附质在流体主体及颗粒外表面上的浓度吸附质在流体主体及颗粒外表面上的浓度(kg/m3)1吸附剂颗粒外表面界膜传质速率吸附剂颗粒外表面界膜传质速率2吸附剂颗粒内表面扩散速率吸附剂颗粒内表面扩散速率 N单位体积吸附床层中，吸附质的扩散速率单位体积
21、吸附床层中，吸附质的扩散速率,kg/(s m3)qi与吸附剂外表面上流体呈平衡的吸附剂外的吸附量与吸附剂外表面上流体呈平衡的吸附剂外的吸附量,kg/kgq吸附剂上吸附质的平均吸附容量，吸附剂上吸附质的平均吸附容量，kg/kg S吸附剂颗粒密度吸附剂颗粒密度(kg/m3)t吸附时间吸附时间(s)kS吸附剂外表面至内表面的传质系数，吸附剂外表面至内表面的传质系数，kg/(m2s)aV单位体积床层中吸附剂颗粒的外表面积单位体积床层中吸附剂颗粒的外表面积(m2/m3)3总传质速率方程总传质速率方程由于吸附剂表面上的吸附质浓度和与它相平衡的吸附剂由于吸附剂表面上的吸附质浓度和与它相平衡的吸附剂的吸附量都
22、很难求出，通常应用总传质速率方程：的吸附量都很难求出，通常应用总传质速率方程：KF：以流体相浓度差表示推动力的总传质系数，：以流体相浓度差表示推动力的总传质系数，m/sKS：以吸附相吸附量差表示推动力的总传质系数，：以吸附相吸附量差表示推动力的总传质系数，kg/(m2s)c*：与吸附剂吸附量：与吸附剂吸附量q呈平衡的液相溶质浓度，呈平衡的液相溶质浓度，kg/m3q*：与液相溶质浓度：与液相溶质浓度c呈平衡的吸附剂吸附量呈平衡的吸附剂吸附量,kg/kg4吸附扩散速率的计算吸附扩散速率的计算 n内表面扩散阻力控制时的吸附过程内表面扩散阻力控制时的吸附过程n外表面界膜控制时的吸附过程外表面界膜控制时
23、的吸附过程 n外表面界膜阻力和内表面扩散阻力同时存在时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的吸附过程 三吸附类型三吸附类型按作用力性质分类：分物理吸附和化学吸附按作用力性质分类：分物理吸附和化学吸附n物理吸附：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。华力所引起的，也称为范德华吸附。吸附热较小，可在低温下进行；吸附热较小，可在低温下进行；过程是可逆的，易解吸；过程是可逆的，易解吸；相对没有选择性，可吸附多种吸附质；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；分子量越大，分子引力
24、越大，吸附量越大；可形成单分子吸附层或多分子吸附层可形成单分子吸附层或多分子吸附层 。n化学吸附：化学吸附：又称活性吸附，是由吸附剂和吸附质之间发又称活性吸附，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。键力的大小。如石灰吸附如石灰吸附COCO2 2 CaCO CaCO3 3 吸附热大，一般在较高温下进行；吸附热大，一般在较高温下进行；具有选择性，单分子层吸附；具有选择性，单分子层吸附；化学键力大时，吸附不可逆。化学键力大时，吸附不可逆。物理与化学吸附的比较物理与化学吸附的比较n按吸附剂再生方法分类：按吸附
25、剂再生方法分类：变温吸附和变压吸附变温吸附和变压吸附如果压力不变，在常温或低温的情况下吸附，用高温解吸的方法，如果压力不变，在常温或低温的情况下吸附，用高温解吸的方法，称为称为变温吸附变温吸附。温度不变，在加压的情况下吸附，用减压（抽真。温度不变，在加压的情况下吸附，用减压（抽真空）或常压解吸的方法，称为空）或常压解吸的方法，称为变压吸附变压吸附。对于。对于同一被吸附气体同一被吸附气体（吸附质），在吸附平衡情况下，温度越低，压力越高，吸附量（吸附质），在吸附平衡情况下，温度越低，压力越高，吸附量越大。反之，温度越高，压力越低，则吸附量越小。越大。反之，温度越高，压力越低，则吸附量越小。n按原料
26、组成分类：按原料组成分类：大吸附量分离和杂质去除大吸附量分离和杂质去除n按分离机理分类：按分离机理分类：位阻效应、动力学效应和平衡效应位阻效应、动力学效应和平衡效应吸附过程的特点吸附过程的特点优点：优点：1、有一定有一定选择性选择性、可回收有用物料可回收有用物料 2、深度处理深度处理、进水预处理要求高进水预处理要求高 3、常压、常温下进行。操作费用少。、常压、常温下进行。操作费用少。缺点：缺点：1、吸附量少、消耗吸附剂、设备庞大、吸附量少、消耗吸附剂、设备庞大、费用费用高高。2、吸附、吸附运行难度高运行难度高。3、吸附剂、吸附剂、吸附理论不完善。吸附理论不完善。四吸附剂四吸附剂 吸附剂吸附剂：
27、表面有：表面有浓集浓集溶解及胶体物质能力的物质。溶解及胶体物质能力的物质。比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力。比表面积很大的活性炭等具有很高的吸附能力。绝大多数物质都对某些物质有一定的吸附能力。绝大多数物质都对某些物质有一定的吸附能力。什么样的物质适合作吸附剂？什么样的物质适合作吸附剂？常用吸附剂的主要特性常用吸附剂的主要特性吸附容量大：吸附容量大：由于吸附过程发生在吸附剂表面，所以吸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。附容量取决于吸附剂表面积的大小。选择性高：选择性高：对要分离的目的组分有较大的选择性对要分离的目的组分有较大的选择性。稳定性好：稳定性好：
28、吸附剂应具有较好的热稳定性，在较高温度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。有耐酸碱的良好化学稳定性。适当的物理特性：适当的物理特性：适当的堆积密度和强度适当的堆积密度和强度廉价易得廉价易得 具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂具有一定吸附能力的多孔物质都可以作吸附剂.（一）活性炭（一）活性炭 非极性非极性吸附剂，在水中吸附能力吸附剂，在水中吸附能力大于大于有机溶剂中的有机溶剂中的吸附能力。针对不同的物质，活性炭的吸附规律遵吸附能力。针对不同的物质，活性炭的吸附规律遵循
29、以下规律：循以下规律：（1 1）对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团）对极性基团多的化合物的吸附力大于极性基团少的化合物少的化合物（2 2）对）对芳香族化合物芳香族化合物的吸附能力大于的吸附能力大于脂肪族脂肪族化合物化合物;（3 3）对）对相对分子量大相对分子量大的化合物的吸附力大于的化合物的吸附力大于相对分相对分子量小子量小的化合物的化合物;（4 4）pHpH值的影响值的影响 （5 5）温度）温度 未平衡前未平衡前 随随温度升高温度升高而增加而增加;活性炭的制备活性炭的制备活性炭是应用最为广泛的吸附剂。是由煤或木质原料加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
30、切含碳的物料，如煤、木材、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，经果核、秸秆等都可以加工成黑炭，经活化后活化后制成活性制成活性炭。炭。碳化：碳化：把原料热解成碳渣，温度：把原料热解成碳渣，温度：200200600600度度 活化：活化：形成发达的细孔。两种办法形成发达的细孔。两种办法:气体法气体法：通入水蒸汽，温度在通入水蒸汽，温度在80080010001000度；度；药剂法药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等加入氯化锌、硫酸、磷酸等比表面积：比表面积：5005001700 m1700 m2 2/g/g a.a.比表面积越大，吸附量越大：比表面积越大，吸附量越
31、大：但对一些大分子，微孔但对一些大分子，微孔所提供的比表面积基本上不起作用。所提供的比表面积基本上不起作用。活性炭细孔分布情况：活性炭细孔分布情况：微孔：微孔：2 nm2 nm，占总比表面，占总比表面9595：主要支配吸附量：主要支配吸附量 过渡孔：过渡孔：2-100nm2-100nm，55：起通道和吸附作用：起通道和吸附作用 大孔：大孔：100-10000 nm100-10000 nm，不足，不足1 1：主要起通道作用，：主要起通道作用，影响吸附速度。影响吸附速度。b.b.表面化学特性：表面化学特性：活性炭本生是非极性的，但由于表面共价健不饱和易活性炭本生是非极性的，但由于表面共价健不饱和易
32、与其它元素如氧、氢结合，生成各种含氧官能团。与其它元素如氧、氢结合，生成各种含氧官能团。目前已证实的含氧官能团有：目前已证实的含氧官能团有：OHOH基、基、COOHCOOH基基由于这种微弱极性，使极性溶质竞争吸附加强。由于这种微弱极性，使极性溶质竞争吸附加强。活性炭常用吸附指标活性炭常用吸附指标碘吸附值体现活性炭中孔径略大于1.0nm微孔的发达程度,表征比表面积大小；四氯化碳（CTC）吸附值表示活性炭对气体物质的吸附能力；甲基蓝值则代表孔径大于1.5nm的微孔和中孔发达程度;表示活性炭脱色能力的。苯酚值可表征活性炭对于小分子芳环类和极性有机物的吸附能力.（二）活性炭纤维（二）活性炭纤维活性炭纤
33、维吸附能力比一般活性炭要高活性炭纤维吸附能力比一般活性炭要高1 11010倍。倍。活性炭纤维分为两种：活性炭纤维分为两种：(1)(1)将超细活性炭微粒加入增稠剂后与纤维混纺制成单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。上，也可以与纸浆混粘制成活性炭纸。(2)(2)以人造丝或合成纤维为原料，与制备活性炭一样经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
34、。一定孔分布结构的活性炭纤维。（三）硅胶（三）硅胶硅胶的化学式：硅胶的化学式：SiOSiO2 2 nH nH2 20 0用硫酸处理硅酸钠水溶液，使生成凝胶。水洗除去用硫酸处理硅酸钠水溶液，使生成凝胶。水洗除去硫酸钠后经干燥，便可得到玻璃状的硅胶。硫酸钠后经干燥，便可得到玻璃状的硅胶。硅胶是极性吸附剂，难于吸附非极性物质，易于吸硅胶是极性吸附剂，难于吸附非极性物质，易于吸附极性物质（如水、甲醇等）附极性物质（如水、甲醇等）吸湿，各种气体的干燥。吸湿，各种气体的干燥。（四）活性氧化铝（四）活性氧化铝化学式：化学式：AlAl2 2O O3 3 n H n H2 2O O含水氧化铝加热脱水制成的一种极
35、性吸附剂。含水氧化铝加热脱水制成的一种极性吸附剂。比表面积约为比表面积约为200200300m300m2 2/g/g，对水分有极强的吸附能力。，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；磷的主要用于气体和液体的干燥、石油气的浓缩与脱硫；磷的吸附。吸附。（五）沸石分子筛（五）沸石分子筛化学式：化学式：MM2 2(I)(I)M(II)O M(II)O Al Al2 2O O3 3 nSiO nSiO2 2 mH mH2 2O O其中其中M(I)M(I)为为1 1价元素，价元素，M(II)M(II)为为2 2价元素，价元素，n n为硅铝比，为硅铝比，m m为结晶水摩尔数为
36、结晶水摩尔数沸石分子筛由高度规则的笼和孔组成沸石分子筛由高度规则的笼和孔组成每一种分子筛都有特定的均匀孔径每一种分子筛都有特定的均匀孔径强极性吸附剂强极性吸附剂，对极性分子如，对极性分子如H H2 2O O、COCO2 2、H H2 2S S等有很强的亲和等有很强的亲和力，对氨氮的吸附效果好，而力，对氨氮的吸附效果好，而对有机物的亲和力较弱。对有机物的亲和力较弱。（六）大孔网状吸附树脂（六）大孔网状吸附树脂特点：脱色去臭效果理想；对有机物选择性良好；物化性质特点：脱色去臭效果理想；对有机物选择性良好；物化性质稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再生容易。稳定；机械强度好；吸附速度快；解吸、再生
37、容易。但价格昂贵，吸附效果易受流速及溶质浓度等因素的影响。但价格昂贵，吸附效果易受流速及溶质浓度等因素的影响。大孔网状吸附树脂的种类：大孔网状吸附树脂的种类：（1）非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯）非极性吸附树脂：苯乙烯交联而成，交联剂为二乙烯苯，又称芳香族吸附剂。苯，又称芳香族吸附剂。（2）中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂）中等极性吸附树脂：甲基丙烯酸酯交联而成，交联剂亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。亦为甲基丙烯酸酯，故又称脂肪族吸附剂。（3）极性吸附剂：丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，通常含有）极性吸附剂：丙烯酰胺或亚砜经聚合而成，通常含有硫氧、酰胺、氮氧等基团
38、。硫氧、酰胺、氮氧等基团。（七）（七）腐植酸类吸附剂腐植酸类吸附剂 种类：天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐种类：天然的富含腐植酸的风化煤、泥煤、褐煤等，它们可以直接使用或经简单处理后使用；将煤等，它们可以直接使用或经简单处理后使用；将富含腐植酸的物质用适当的黏合剂制备成的腐植酸富含腐植酸的物质用适当的黏合剂制备成的腐植酸系树脂。系树脂。腐植酸是一组芳香结构的，性质与酸性物质相腐植酸是一组芳香结构的，性质与酸性物质相似的复杂混合物。似的复杂混合物。腐植酸类物质能吸附工业废水中的许多金属离腐植酸类物质能吸附工业废水中的许多金属离子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。在吸
39、附重金属在吸附重金属离子后离子后,可以用可以用H2SO4、HCl、NaCl等进行解吸。等进行解吸。腐植酸对阳离子的吸附，包括离子交换、螯合、腐植酸对阳离子的吸附，包括离子交换、螯合、表面吸附、凝聚等作用。表面吸附、凝聚等作用。吸附剂的选择吸附剂的选择如何选择适宜的吸附剂？如何选择适宜的吸附剂？需要根据被需要根据被分离对象、分离条件和吸附剂分离对象、分离条件和吸附剂本身的本身的特点确定特点确定吸附剂吸附剂的物理化学性质和的物理化学性质和吸附质吸附质的物理化学性质的物理化学性质对吸附有很大影响。对吸附有很大影响。相似相吸相似相吸需要进行需要进行试验研究试验研究 极性分子极性分子(或离子或离子)型型
40、的吸附剂容易吸附的吸附剂容易吸附极性分子极性分子(或离子或离子)型型的吸附质。的吸附质。非极性分子型非极性分子型的吸附剂容易吸附的吸附剂容易吸附非极性的吸附质非极性的吸附质。四、吸附工艺和设备操操作作方方式式连续式连续式间歇式间歇式将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌将废水和吸附剂放在吸附池内进行搅拌30min左右，然后静置沉淀，排除澄清液左右，然后静置沉淀，排除澄清液固定床固定床移动床移动床流化床流化床吸附剂固定填放在吸附柱吸附剂固定填放在吸附柱(或或塔塔)中中在操作过程中定期地将接近饱在操作过程中定期地将接近饱和的一部分吸附剂从吸附柱中和的一部分吸附剂从吸附柱中排出，并同时将等量的新鲜吸排出
41、，并同时将等量的新鲜吸附剂加入柱中附剂加入柱中吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态，吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态，悬浮于由下而上的水流中悬浮于由下而上的水流中吸附过程与吸附穿透曲线吸附过程与吸附穿透曲线 吸附工艺过程吸附工艺过程为适用不同的过程特点和分离要求，吸附有各种不同的为适用不同的过程特点和分离要求，吸附有各种不同的操作工艺，如：操作工艺，如：间歇式接触吸附间歇式接触吸附 固定床吸附操作固定床吸附操作流化床吸附操作流化床吸附操作移动床吸附操作移动床吸附操作固定床吸附操作固定床吸附操作（一）吸附过程分析（一）吸附过程分析穿透点终点穿透曲线吸附带传质区形成期传质区下移期传质区离开期Z1.固定床顶部吸
42、附传质区形成期：固定床顶部吸附传质区形成期：吸附质浓度从顶部入口处由大到吸附质浓度从顶部入口处由大到0变化。变化。在该区的吸附剂尚未达到饱和之前，随着流体的进入，在该区的吸附剂尚未达到饱和之前，随着流体的进入，区内任意一点吸附质的浓度随时间增大区内任意一点吸附质的浓度随时间增大从入口处向下形成一个吸附质浓度由饱和至从入口处向下形成一个吸附质浓度由饱和至0的区域的区域吸附传质区（吸附带）吸附传质区（吸附带）由流体开始流入到此刻所需的时间由流体开始流入到此刻所需的时间传质区形成时间传质区形成时间传质区高度传质区高度Ha，此后随流体进入而下移，但高度不变。，此后随流体进入而下移，但高度不变。2.吸附
43、传质区下移期：吸附传质区下移期：随流体进入，吸附传质区以恒定高度和速度下移。随流体进入，吸附传质区以恒定高度和速度下移。饱和区形成，并不断扩大。饱和区形成，并不断扩大。固定床分成三个区：饱和区、吸附传质区、未用区固定床分成三个区：饱和区、吸附传质区、未用区传质区内吸附质浓度随高度而变化传质区内吸附质浓度随高度而变化吸附负荷曲线吸附负荷曲线传质区下部抵达床层底部时，流出液中的吸附质浓度突传质区下部抵达床层底部时，流出液中的吸附质浓度突然上升，吸附操作达到然上升，吸附操作达到“穿透点穿透点”。3.吸附传质区离开固定床时期：吸附传质区离开固定床时期：传质区由开始离开到完全离开吸附床。传质区由开始离开
44、到完全离开吸附床。吸附床完全饱和。吸附床完全饱和。（二）吸附负荷曲线和穿透曲线（二）吸附负荷曲线和穿透曲线吸附负荷曲线对于研究固定床内吸附传质机理、固吸附负荷曲线对于研究固定床内吸附传质机理、固定床的设计计算都非常重要，但直接测定很困难。定床的设计计算都非常重要，但直接测定很困难。ZXtb,Yb：穿透点时间和吸附质浓度穿透点时间和吸附质浓度te,Ye：饱和点时间和吸附质浓度饱和点时间和吸附质浓度Wb,We：tb,te时惰性流体的流出总量时惰性流体的流出总量tY穿透曲线可以通过实验测得，穿透曲线可以通过实验测得，影响因素：吸附剂性质、流体性质、速度、吸附平衡等影响因素：吸附剂性质、流体性质、速度
45、、吸附平衡等吸附柱连续实验吸附柱连续实验穿透曲线如何求得？穿透曲线如何求得？（三）固定床吸附操作的工艺计算（三）固定床吸附操作的工艺计算主要计算什么？主要计算什么？n确定床层高度确定床层高度n吸附饱和度吸附饱和度n循环周期循环周期 与吸附速率有关与吸附速率有关体现在：传质区高度体现在：传质区高度 穿透曲线形状穿透曲线形状 穿透时间穿透时间G：流体流经固定床的速率，流体流经固定床的速率，kg/(m2h)。Y0：流体初始浓度，流体初始浓度，kg(吸附质吸附质)/kg(纯溶剂纯溶剂)。稀溶液的情。稀溶液的情况，可按溶液考虑。况，可按溶液考虑。W：t时间时流出溶剂总量，时间时流出溶剂总量，kg/m2。
46、Y：t时间流出物中吸附质浓度时间流出物中吸附质浓度1)1)穿透曲线法穿透曲线法穿透点穿透点tb吸附质浓度吸附质浓度Yb，流出物总量，流出物总量Wb饱和点饱和点te吸附质浓度吸附质浓度Ye，流出物总量，流出物总量We吸附区高度吸附区高度Za穿透曲线出现期间所累积的流出物量为：穿透曲线出现期间所累积的流出物量为：WaWeWb设设ta为吸附传质区沿床层下移一段等于其本身高度为吸附传质区沿床层下移一段等于其本身高度Ha的距的距离所需要的时间，即为穿透点至流出物浓度离所需要的时间，即为穿透点至流出物浓度Ye时的时间。时的时间。taWa/G G：流体流经固定床的速率。流体流经固定床的速率。设设te为流体进
47、入床层，经吸附传质区形成，至移出床层所为流体进入床层，经吸附传质区形成，至移出床层所需要的时间：需要的时间：teWe/G吸附床层总高吸附床层总高H，吸附传质区高，吸附传质区高Ha且保持不变，且保持不变，下移速度不变，则：下移速度不变，则：tF吸附区形成所需要的时间，吸附区形成所需要的时间，s由穿透曲线可知，吸附传质区内尚可吸附的吸附质容量为：由穿透曲线可知，吸附传质区内尚可吸附的吸附质容量为：吸附传质区能吸附的吸附质总量为：吸附传质区能吸附的吸附质总量为：则：则：未吸附饱和率未吸附饱和率若若f0，即吸附区中吸附剂基本上被饱和，则床层顶部，即吸附区中吸附剂基本上被饱和，则床层顶部吸附区的形成时间
48、吸附区的形成时间tF，应基本上与吸附区移动一段等于，应基本上与吸附区移动一段等于其本身高度的距离所需的时间其本身高度的距离所需的时间ta相同。相同。若若f1，即吸附区中吸附剂基本上不含吸附质，则吸附，即吸附区中吸附剂基本上不含吸附质，则吸附区的形成时间很短，基本上等于区的形成时间很短，基本上等于0。根据以上这两种情况根据以上这两种情况：tF（1 f）ta吸附区吸附区高度高度设：设：X*：与进口流体平衡的吸附剂中吸附质浓度，与进口流体平衡的吸附剂中吸附质浓度，kg（吸附（吸附质）质）/kg（吸附剂）（吸附剂）S：床层中吸附剂的堆积密度（床层中吸附剂的堆积密度（kg/m3）吸附剂吸附剂流体中吸附质
49、流体中吸附质吸附平衡床层（床层（Z-Za）中，吸附剂基本饱和，其中吸附质的量为：）中，吸附剂基本饱和，其中吸附质的量为：故穿透点出现时床层的故穿透点出现时床层的饱和率饱和率为为：选定流体的选定流体的空床速度空床速度及其在床内的停留时间，并已知及其在床内的停留时间，并已知Y0和要和要求的求的Yb，可通过实验测出穿透曲线的形状及其出现时间。，可通过实验测出穿透曲线的形状及其出现时间。应用上述的关系式，就可以进行固定床的设计计算。应用上述的关系式，就可以进行固定床的设计计算。达到穿透点时，高度为达到穿透点时，高度为Ha的吸附区并未饱和，其中的吸的吸附区并未饱和，其中的吸附质的量为：附质的量为：流体的
50、空床速度根据具体的体系来确定。流体的空床速度根据具体的体系来确定。液体吸附时一般为：液体吸附时一般为：0.10.4 m/min气体吸附时一般为：气体吸附时一般为：0.30.6 m/s液体吸附时流体在床内的停留时间为：液体吸附时流体在床内的停留时间为：1550 min动态吸附量：动态吸附量：在流体流动的情况下，流体和吸附剂之间的在流体流动的情况下，流体和吸附剂之间的平衡关系，与体系及温度、压力，物质的传质速率、流体平衡关系，与体系及温度、压力，物质的传质速率、流体的流动性状以及吸附剂的形状尺寸等性质有关。的流动性状以及吸附剂的形状尺寸等性质有关。静态吸附量：静态吸附量：静止时的吸附平衡静止时的吸