1、工业防毒技术第第5 5章有害气体的吸附净化章有害气体的吸附净化第一节第一节 吸附的基本概念吸附的基本概念 第二节第二节 吸附理论吸附理论第三节第三节 吸附过程的计算吸附过程的计算第四节第四节 化学吸附化学吸附第五节第五节 吸附剂再生吸附剂再生-工业防毒技术第一节第一节 吸附的基本概念吸附的基本概念 吸附法：吸附法：是一种常用的净化方法。是一种常用的净化方法。它是利用一些固态物质它是利用一些固态物质对气体的吸附能力来除去废气中某些有害组分，从对气体的吸附能力来除去废气中某些有害组分，从而达到净化目的。而达到净化目的。吸附技术广泛应用于吸附技术广泛应用于工业气体的净化过程工业气体的净化过程，以，以
2、及有毒气体的及有毒气体的个人防护过程个人防护过程。-工业防毒技术吸附剂：吸附剂：具有较大吸附能力的固态物质称为吸附剂，具有较大吸附能力的固态物质称为吸附剂，吸附质：吸附质：被吸附的物质称为被吸附的物质称为吸附质吸附质。吸附法吸附法主要运用于以下几个方面：主要运用于以下几个方面：(1)(1)对于低浓度气体，吸附法的净化效率要比吸收法高，对于低浓度气体，吸附法的净化效率要比吸收法高，吸附法常用于浓度低、毒性大及吸附法常用于浓度低、毒性大及高净化要求的场合高净化要求的场合的的 有害气体，但吸附法处理的气体量不宜过大。有害气体，但吸附法处理的气体量不宜过大。(2)(2)用吸附法净化有机溶剂蒸气具有较高
3、的效率。对各种用吸附法净化有机溶剂蒸气具有较高的效率。对各种有机溶剂蒸气，其净化效率接近有机溶剂蒸气，其净化效率接近100100。(3)(3)当处理的气量较小时，用吸附法灵活方便。当处理的气量较小时，用吸附法灵活方便。-工业防毒技术 一定量的吸附剂所能吸收的气体量是有限度的，一定量的吸附剂所能吸收的气体量是有限度的，在吸附一定时间之后会达到在吸附一定时间之后会达到饱和饱和，这时需要更换吸，这时需要更换吸附剂。用过的吸附剂经过附剂。用过的吸附剂经过再生再生(解吸解吸)后能够重复使后能够重复使用。用。-工业防毒技术吸附法的优势吸附法的优势 在实用上和经济上优于有竞争性的湿式工艺（如在实用上和经济上
4、优于有竞争性的湿式工艺（如洗涤洗涤法法）之处有以下几个方面：）之处有以下几个方面：（1 1）干床层、非腐蚀系统；）干床层、非腐蚀系统；（2 2）良好的控制和对过程变化的敏感；）良好的控制和对过程变化的敏感；（3 3）没有化学品的处理问题；）没有化学品的处理问题；（4 4）全自动、无人管理操作；）全自动、无人管理操作；（5 5）能把生产过程气流中的污染物去除到极低的含量）能把生产过程气流中的污染物去除到极低的含量。-工业防毒技术木炭木炭（吸附剂）的历史（吸附剂）的历史(1)(1)公元前公元前15501550年，埃及有作为年，埃及有作为医用医用的记载；的记载；(2)(2)公元前公元前460-359
5、460-359年，希腊医生年，希腊医生HippocrateHippocrate用以用以 治羊癫疯；治羊癫疯；(3)1518-1593(3)1518-1593年，中国李时珍的年，中国李时珍的本草纲目本草纲目中提及中提及 用于治病；用于治病；(4)1993(4)1993年有外电报道用于溃疡；年有外电报道用于溃疡；(5)1794(5)1794年，英国有家糖厂用于年，英国有家糖厂用于加速脱色加速脱色。(6)(6)中国汉代将木炭用于墓穴中的中国汉代将木炭用于墓穴中的防腐防腐。（长沙马王堆）。（长沙马王堆）上述例证应用的都是木炭，不是上述例证应用的都是木炭，不是活性炭活性炭-工业防毒技术一战（一战（191
6、4191419181918）德国使用毒气（氯气）德国使用毒气（氯气）俄罗斯捷林斯基（俄罗斯捷林斯基（1861186119531953年）年）发明了第一个通用的发明了第一个通用的木炭防毒面具木炭防毒面具。活性炭活性炭：主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料，：主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料，如煤、木材、果壳、椰壳、核桃壳等。这些含碳材如煤、木材、果壳、椰壳、核桃壳等。这些含碳材料在活化炉中，在高温和一定压力下通过热解作用料在活化炉中，在高温和一定压力下通过热解作用被转换成活性炭。具有被转换成活性炭。具有较高的吸附能力较高的吸附能力。-工业防毒技术木炭木炭油脂脱色油脂脱色活性炭活性炭过滤式
7、防过滤式防毒面具毒面具消防消防防毒面具防毒面具-工业防毒技术活性炭的作用活性炭的作用1.1.新房吸附有害气体、厨房吸油烟、卫生间除臭、干新房吸附有害气体、厨房吸油烟、卫生间除臭、干燥防霉、烟嘴过滤、汽油吸附、净水、污水处理等。燥防霉、烟嘴过滤、汽油吸附、净水、污水处理等。2.2.在工业发展史上最大的作用在工业发展史上最大的作用是作为净水滤料用于污是作为净水滤料用于污水处理。活性炭在污水处理中做主要的净水滤料，水处理。活性炭在污水处理中做主要的净水滤料，吸附污水中的杂质，起到吸附过滤作用，通常放于吸附污水中的杂质，起到吸附过滤作用，通常放于滤池中与石英砂滤料、无烟煤滤料等配合使用。滤池中与石英砂
8、滤料、无烟煤滤料等配合使用。3.3.椰壳活性炭椰壳活性炭 净水效果最好。椰壳活性炭的粒径最小，空隙半径最净水效果最好。椰壳活性炭的粒径最小，空隙半径最小，空隙率高，表面积最大，吸附效率最好。小，空隙率高，表面积最大，吸附效率最好。-工业防毒技术 第一节吸附的基本概念第一节吸附的基本概念一、吸附原理一、吸附原理1 1、和吸收过程不同、和吸收过程不同吸收过程中吸收剂是吸收过程中吸收剂是液体液体，而吸附过程中吸附剂是，而吸附过程中吸附剂是固体固体；吸收时吸收质均匀分散在液相中（例如，吸收时吸收质均匀分散在液相中（例如，硫酸或石硫酸或石灰吸收水分灰吸收水分），而吸附时吸附质只吸附在吸附剂），而吸附时吸
9、附质只吸附在吸附剂表面，形成一层吸附层。表面，形成一层吸附层。2 2、分类、分类 吸附过程可以分为吸附过程可以分为物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附两类。两类。-工业防毒技术第一节吸附的基本概念第一节吸附的基本概念物理吸附物理吸附 固体吸附剂与气体分子之间普遍存在着分子间的固体吸附剂与气体分子之间普遍存在着分子间的引力，即引力，即范德华力范德华力。产生物理吸附的原因是分子间。产生物理吸附的原因是分子间的引力。的引力。物理吸附主要特征为：物理吸附主要特征为：固体表面与被吸附的气体之间固体表面与被吸附的气体之间不发生化学反应不发生化学反应；对吸附的气体没有选择性，对吸附的气体没有选择性，可吸附一
10、切气体可吸附一切气体；既可以是既可以是单分子层单分子层吸附也可形成吸附也可形成多分子层吸附多分子层吸附；吸附过程为吸附过程为放热过程放热过程。-工业防毒技术物理吸附分离原理大体上可分为以下四种类型物理吸附分离原理大体上可分为以下四种类型：1 1）选择性吸附。）选择性吸附。吸附力为固体表面的原子或基团与外来分子间的吸附力为固体表面的原子或基团与外来分子间的引力，本质是范德华力。吸附力的大小与引力，本质是范德华力。吸附力的大小与表面和分表面和分子两者的性质有关子两者的性质有关。这些性质的差异引起了吸附力。这些性质的差异引起了吸附力的差异，这就是选择性吸附。的差异，这就是选择性吸附。2 2）分子筛效
11、应。）分子筛效应。多孔固体的微孔孔径是均一的，而且与分子多孔固体的微孔孔径是均一的，而且与分子尺寸尺寸相当相当。小于微孔孔径的分子可以进入微孔而被吸附，。小于微孔孔径的分子可以进入微孔而被吸附，比孔径大的分子则被排斥在外，这种现象称为比孔径大的分子则被排斥在外，这种现象称为分子分子筛效应筛效应。-工业防毒技术3）通过微孔的扩散。通过微孔的扩散。气体在多孔固体中的气体在多孔固体中的扩散速率扩散速率与气体的性质、吸与气体的性质、吸附剂材料的性质以及微孔尺寸等因素有关。利用扩附剂材料的性质以及微孔尺寸等因素有关。利用扩散速率的差别可以将混合物分离。散速率的差别可以将混合物分离。4 4）微孔中的凝聚。
12、微孔中的凝聚。毛细管中液体曲面上的蒸气压与其正常蒸气压不毛细管中液体曲面上的蒸气压与其正常蒸气压不同。多数情况下毛细管上的可凝气体会在小于其正同。多数情况下毛细管上的可凝气体会在小于其正常蒸气压的压力下在毛细管中凝聚。在一定温度下常蒸气压的压力下在毛细管中凝聚。在一定温度下凝聚压力与毛细管半径有关。因此，凝聚压力与毛细管半径有关。因此，多孔固体周围多孔固体周围的可凝缩气体会在与其孔径对应的压力下在微孔中的可凝缩气体会在与其孔径对应的压力下在微孔中凝聚。凝聚。-工业防毒技术第一节第一节 吸附的基本概念吸附的基本概念化学吸附化学吸附 化学吸附也称化学吸附也称活性吸附活性吸附，它是由于固体表面与吸
13、附气体分子，它是由于固体表面与吸附气体分子之间的之间的化学键化学键所造成。所造成。化学吸附的特征为：化学吸附的特征为：具有明显的选择性；具有明显的选择性；单分子层吸附；单分子层吸附；吸附热量大。吸附热量大。吸附速率随温度升高而增加。故化学吸附宜在较高温度下进行。吸附速率随温度升高而增加。故化学吸附宜在较高温度下进行。为不可逆吸附。为不可逆吸附。-工业防毒技术-工业防毒技术影响气体吸附的因素影响气体吸附的因素(1)(1)操作条件操作条件 低温有利于物理吸附，提高温度有利于化学吸附。低温有利于物理吸附，提高温度有利于化学吸附。增大气相主体的压力、从而增大了吸附质的分压，增大气相主体的压力、从而增大
14、了吸附质的分压，有利于吸附、但压力增大会增加能耗，且操作要求有利于吸附、但压力增大会增加能耗，且操作要求高。气体流速大压损大并使吸附质和吸附剂接触高。气体流速大压损大并使吸附质和吸附剂接触时间短、不利于吸附，气流速度应控制在一定范围时间短、不利于吸附，气流速度应控制在一定范围内，对固定床吸附器而言，气流速度控制在内，对固定床吸附器而言，气流速度控制在 0.20.2一一0.6m0.6ms s范围内。范围内。-工业防毒技术(2)(2)吸附剂性质吸附剂性质 吸附剂的孔隙率、孔径、颗粒度等影响其比表面吸附剂的孔隙率、孔径、颗粒度等影响其比表面面积的大小，因而影响吸附效果。面积的大小，因而影响吸附效果。
15、3)(3)吸附质的性质与浓度吸附质的性质与浓度 其临界直径、分子量、沸点和饱和性等影响吸附。其临界直径、分子量、沸点和饱和性等影响吸附。若用同种活性炭吸附结构相似的有机物时，吸附若用同种活性炭吸附结构相似的有机物时，吸附质分子量越大，沸点越高，不饱和性越大，越易被质分子量越大，沸点越高，不饱和性越大，越易被吸附。吸附。-工业防毒技术吸附平衡吸附平衡(一一)吸附过程吸附过程 吸附过程中吸附质的传送过程可以分为四个阶段吸附过程中吸附质的传送过程可以分为四个阶段（1)1)吸附质分子通过吸附质分子通过气膜气膜扩散到吸附剂外表面；扩散到吸附剂外表面；(2)(2)吸附质分子在吸附质分子在微孔微孔中扩散到
16、达内表面；中扩散到达内表面；(3)(3)吸附质分子被吸附在吸附质分子被吸附在内表面活性点内表面活性点上；上；(4)(4)吸附质分子由吸附剂内表面向晶格内部扩散。吸附质分子由吸附剂内表面向晶格内部扩散。-工业防毒技术-工业防毒技术(二二)静活性与动活性静活性与动活性 单位质量吸附剂在一定的单位质量吸附剂在一定的温度、压力温度、压力下，达到下，达到饱饱和状态和状态时所吸附的气体量称为吸附剂的时所吸附的气体量称为吸附剂的静活性静活性，又，又称称平衡吸附量平衡吸附量。静活性静活性是表示吸附剂对气体吸附量的是表示吸附剂对气体吸附量的极限极限，是，是吸附操作的重要指标，是吸附操作的重要指标，是设计和控制吸
17、附过程设计和控制吸附过程的重的重要参数。要参数。-工业防毒技术 气流通过一定厚度的吸附层时，出口处的气流通过一定厚度的吸附层时，出口处的吸附质浓度随时间变化的曲线吸附质浓度随时间变化的曲线如图所示如图所示。从图。从图中看出，开始时吸附层出口出的气体浓度为零，中看出，开始时吸附层出口出的气体浓度为零，经一段时间后，在吸附层出口处出现吸附质，经一段时间后，在吸附层出口处出现吸附质，这种现象称为这种现象称为穿透穿透，所经历的这段时间称为，所经历的这段时间称为穿穿透时间透时间。-工业防毒技术-工业防毒技术吸附过程出现穿透后，吸附层出口处的吸附过程出现穿透后，吸附层出口处的有害气体浓度迅速增加，直至与有
18、害气体浓度迅速增加，直至与进口浓进口浓度相等度相等为止。为止。吸附层从操作开始到穿透，吸附层的单吸附层从操作开始到穿透，吸附层的单位质量吸附剂所吸附的气体量叫做吸附位质量吸附剂所吸附的气体量叫做吸附剂的剂的动活性动活性。在净化通风系统的排气时，吸附层穿透在净化通风系统的排气时，吸附层穿透后一般应当立即更换吸附剂。后一般应当立即更换吸附剂。-工业防毒技术三、吸附剂的选择三、吸附剂的选择 (一一)吸附剂的特性吸附剂的特性 吸附剂具有许多微孔，内表面积很吸附剂具有许多微孔，内表面积很大，例如大，例如1kg1kg活性炭的总表面积可达活性炭的总表面积可达10106 6m m2 2。活性炭的内表面积和微孔
19、大小对其吸附活性炭的内表面积和微孔大小对其吸附性能有很大影响。吸附剂的特性参数均性能有很大影响。吸附剂的特性参数均与多孔结构有关。与多孔结构有关。-工业防毒技术 1 1比表面积比表面积-工业防毒技术2 2孔半径孔半径 微孔大小通常用孔半径微孔大小通常用孔半径rgrg来表示，根据孔半径大来表示，根据孔半径大小，可以把微孔分为小，可以把微孔分为大孔大孔(rg(rg0.10.11.0um)1.0um)，大孔用来吸附液体分子大孔用来吸附液体分子 比较有效比较有效 中孔中孔(rg(rg0.0020.0020.1um)0.1um)中孔吸附蒸气分子中孔吸附蒸气分子 比较有效比较有效小孔小孔(rg(rg0.0
20、02um)0.002um)小孔吸附气体分子较有效小孔吸附气体分子较有效-工业防毒技术-工业防毒技术3 3孔隙率孔隙率 吸附剂内部的微孔体积和吸附剂个体总体积之比称为吸附剂内部的微孔体积和吸附剂个体总体积之比称为其其孔隙率孔隙率4 4饱和吸附量饱和吸附量 饱和吸附量即饱和吸附量即静活性静活性。-工业防毒技术(二二)对吸附剂的要求对吸附剂的要求对吸附剂的主要要求是：对吸附剂的主要要求是：吸附能力吸附能力强，吸附容量大强，吸附容量大。吸附吸附容量容量是指在一定的温度、吸附质浓度下是指在一定的温度、吸附质浓度下，单位，单位质量质量(或单位体积或单位体积)吸附剂所能吸附的最大量。吸附吸附剂所能吸附的最大
21、量。吸附量大，可降低处理单位流体所需的吸附剂用量。量大，可降低处理单位流体所需的吸附剂用量。具具有大的比表面积和孔隙率有大的比表面积和孔隙率。具有良好的选择性具有良好的选择性。-工业防毒技术机械强度、化学稳定性、热稳定性等性能良好，机械强度、化学稳定性、热稳定性等性能良好，使用寿命长。使用寿命长。颗粒均匀。如果颗粒颗粒均匀。如果颗粒大大小不均匀，易造成短路和流速小不均匀，易造成短路和流速分布不均，引起气流返混，降低吸附分离效率：若分布不均，引起气流返混，降低吸附分离效率：若颗粒太小，床层阻力过大，严重时会将吸附剂带出颗粒太小，床层阻力过大，严重时会将吸附剂带出器外。器外。再生再生容容易。易。（
22、7 7）价格低廉易得价格低廉易得-工业防毒技术-工业防毒技术2 2工业吸附剂工业吸附剂吸附剂可分为两大类，吸附剂可分为两大类，一类是天然的吸附剂一类是天然的吸附剂，如硅藻土、白土、天然，如硅藻土、白土、天然沸石等。沸石等。另一类是人工制作的吸附剂另一类是人工制作的吸附剂，主要有，主要有活性炭活性炭、硅胶硅胶、活性氧化铝、合成沸石分子筛、有机树、活性氧化铝、合成沸石分子筛、有机树脂吸附剂等。脂吸附剂等。-工业防毒技术（1 1）活性炭）活性炭 活性炭是许多具有较高吸附性能的碳基物质的总称。活性炭是许多具有较高吸附性能的碳基物质的总称。活性炭是最常用的活性炭是最常用的非极性吸附剂非极性吸附剂。为疏水
23、性和亲有机物的吸附剂，具。为疏水性和亲有机物的吸附剂，具有很高的比表面积，活性炭的主体是炭，表面上的官能团较少，极性较弱，有很高的比表面积，活性炭的主体是炭，表面上的官能团较少，极性较弱，对烃类及衍生物的吸附能力强。对烃类及衍生物的吸附能力强。化学稳定性好，抗酸耐碱，热稳性高，再生容易。用于回收气体中的化学稳定性好，抗酸耐碱，热稳性高，再生容易。用于回收气体中的有机气体，脱除废水中的有机物，脱除水溶液中的色素。有机气体，脱除废水中的有机物，脱除水溶液中的色素。合成纤维经炭化后可制成活性炭纤维吸附剂，使吸附容量提高数十倍，合成纤维经炭化后可制成活性炭纤维吸附剂，使吸附容量提高数十倍，而且可以编制
24、成各种织物，使装置更为紧凑并减少流体阻力。而且可以编制成各种织物，使装置更为紧凑并减少流体阻力。活性炭也可加工成炭分子筛，活性炭也可加工成炭分子筛，孔径范围孔径范围0.2-1nm0.2-1nm，能起到分子筛的作，能起到分子筛的作用又有活性炭的基本性质，对同系物或有机异构体有良好的选择性。用又有活性炭的基本性质，对同系物或有机异构体有良好的选择性。活性炭的缺点是它的活性炭的缺点是它的可燃性，因而使用温度一般不能超过可燃性，因而使用温度一般不能超过473K473K：-工业防毒技术(2 2)硅胶硅胶 硅胶的分子式通常用硅胶的分子式通常用SiOSiO2 2nHnH2 2O O表示。由表示。由H H2
25、2SiOSiO3 3溶溶液经过缩合、除盐、脱水等处理制得。比表面积达液经过缩合、除盐、脱水等处理制得。比表面积达800 m2/g800 m2/g。工业用的硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末工业用的硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末状四种。硅胶含硅大于状四种。硅胶含硅大于9595，硅胶是，硅胶是亲水性的极性亲水性的极性吸附剂吸附剂，对不饱和烃、甲醇、水分等有明显的选择，对不饱和烃、甲醇、水分等有明显的选择性。性。硅胶是硅胶是工业上和实验室工业上和实验室常用的吸附剂。主要用于常用的吸附剂。主要用于气体或液体的干燥：烃类气体的回收；废气气体或液体的干燥：烃类气体的回收；废气(含含SOSO2 2，N
26、NO Ox)x)净化等。净化等。-工业防毒技术果冻型果冻型硅橡胶硅橡胶硅胶条硅胶条硅胶硅胶干燥干燥剂剂硅胶干硅胶干燥剂燥剂3克克(爱华纸爱华纸)-工业防毒技术（3 3）活性氧化铝）活性氧化铝 活性氧化铝的化学式是活性氧化铝的化学式是AlAl2 2o o3 3nHnH2 2o o。活性氧化铝表面上。活性氧化铝表面上具有高官能团密度，这些官能团为极性分子的吸附提供了活具有高官能团密度，这些官能团为极性分子的吸附提供了活性中心。因此活性氧化铝是一种极性吸附剂，其比表面积约性中心。因此活性氧化铝是一种极性吸附剂，其比表面积约为为200200500 m2/g500 m2/g，对水分有很强的吸附能力，对水
27、分有很强的吸附能力。用不同的原料，用不同的原料，在不同的工艺条件下，可制得不同结构、不同性能的活性氧在不同的工艺条件下，可制得不同结构、不同性能的活性氧化铝。化铝。活性氧化铝主要用于气体的干燥和液体的脱水，如汽油、活性氧化铝主要用于气体的干燥和液体的脱水，如汽油、煤油、芳烃等化工产品的脱水；空气、氦、氢气、氯气、氯煤油、芳烃等化工产品的脱水；空气、氦、氢气、氯气、氯化氢和二氧化硫等气体的干燥。化氢和二氧化硫等气体的干燥。-工业防毒技术活性氧活性氧化铝干化铝干燥剂燥剂食品环保食品环保防潮珠防潮珠活性活性-Al2O3微粉微粉-工业防毒技术(4)(4)分子筛分子筛 分子筛是一种人工合成的泡沸石。孔径
28、分子筛是一种人工合成的泡沸石。孔径(0.3(0.310)nm10)nm，与天然泡沸石一样是水合铝硅酸盐晶体。分，与天然泡沸石一样是水合铝硅酸盐晶体。分子筛在结构上有许多孔径均匀的孔道与排列整齐的子筛在结构上有许多孔径均匀的孔道与排列整齐的孔穴，这些孔穴不但提供了很大的比表面积，而且孔穴，这些孔穴不但提供了很大的比表面积，而且只允许直径比孔径小的分子进入，故称为分子筛。只允许直径比孔径小的分子进入，故称为分子筛。对极性分子，特别是对水有很大的亲和能力，一对极性分子，特别是对水有很大的亲和能力，一般比表面积可达般比表面积可达750 m2/g750 m2/g，具有很强的选择性。常，具有很强的选择性。
29、常用于石油馏分的分离、各种气体和液体的干燥等场用于石油馏分的分离、各种气体和液体的干燥等场合，如从混合二甲苯中分离出对二甲苯，从空气中合，如从混合二甲苯中分离出对二甲苯，从空气中分离氧。分离氧。-工业防毒技术纳米级硅铝沸石分子纳米级硅铝沸石分子筛（筛（ZSM-5）分子分子筛筛（合成沸石）合成沸石）-工业防毒技术（5 5）吸附树脂）吸附树脂 吸附树脂是具有网状结构的高分子聚合物，常用吸附树脂是具有网状结构的高分子聚合物，常用的有聚苯乙烯树脂和聚丙烯酸树脂。单体的变化和的有聚苯乙烯树脂和聚丙烯酸树脂。单体的变化和单体上官能团的变化可以赋予树脂各种特殊的性能。单体上官能团的变化可以赋予树脂各种特殊的
30、性能。吸附树脂有强极性、弱极性、非极性、中极性吸附树脂有强极性、弱极性、非极性、中极性4 4大类。大类。用于废水中的有机物处理、维生素等天然产物和生用于废水中的有机物处理、维生素等天然产物和生物化学品的分离与精制。物化学品的分离与精制。-工业防毒技术第二节 吸附理论吸附平衡吸附平衡 就固相吸附剂对气相组分吸附而言，如果吸附过程是可逆的，当混合气体就固相吸附剂对气相组分吸附而言，如果吸附过程是可逆的，当混合气体与吸附剂充分接触后，一方面吸附质被吸附剂吸附，另一方面，又有一部与吸附剂充分接触后，一方面吸附质被吸附剂吸附，另一方面，又有一部分已被吸附的吸附质，由于热运动的结果，能够脱离吸附剂的表面，
31、又回分已被吸附的吸附质，由于热运动的结果，能够脱离吸附剂的表面，又回到混合气体中去。到混合气体中去。当吸附达到平衡时，被吸附组分在固相中的浓度及平衡时吸附组分在气相中当吸附达到平衡时，被吸附组分在固相中的浓度及平衡时吸附组分在气相中的浓度之间具有一定的函数关系，即；的浓度之间具有一定的函数关系，即；X=f(Y)X=f(Y)式中式中 XX被吸附组分在固相中的浓度，即单位重量的吸附剂所吸附的组分被吸附组分在固相中的浓度，即单位重量的吸附剂所吸附的组分量；量；YY平衡时被吸附组分在气相中的浓度，平衡时被吸附组分在气相中的浓度，(kg(kgkgkg情性组分情性组分)。-工业防毒技术第二节第二节 吸附理
32、论吸附理论一、吸附等温线一、吸附等温线关于吸附的大量实验数据是表达平衡关系的，即吸附达到平衡时，吸附量与关于吸附的大量实验数据是表达平衡关系的，即吸附达到平衡时，吸附量与温度及平衡浓度或分压之间的关系，可以表示为：温度及平衡浓度或分压之间的关系，可以表示为：在恒温条件下，考察吸附量与平衡压力的关系，可以得到吸附等温线。如图在恒温条件下，考察吸附量与平衡压力的关系，可以得到吸附等温线。如图P173P173。-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论（一）弗伦德里希方程（一）弗伦德里希方程通过归纳总结实验结果，弗伦德里希提出了一个被广泛应用的经验公式通过归纳总结实验结果，弗伦德里希提出了一个被广
33、泛应用的经验公式此式只适用此式只适用第一类等温线中压部分的等温吸附第一类等温线中压部分的等温吸附，而不适用于低压和高压部分。，而不适用于低压和高压部分。当对上式两边取对数后，方程变为：当对上式两边取对数后，方程变为：-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论（二）朗格缪尔吸附等温线二）朗格缪尔吸附等温线 朗格缪尔根据固体表面存在着朗格缪尔根据固体表面存在着表面能表面能的观点指出，由于固体表面存在着不饱的观点指出，由于固体表面存在着不饱和力场，表层原子具有某种和力场，表层原子具有某种剩余价键力剩余价键力，若气体分子碰撞到固体表面，就，若气体分子碰撞到固体表面，就有可能被此键力所吸附。他认为这种
34、吸附于普通化学反应并无不同，只是有可能被此键力所吸附。他认为这种吸附于普通化学反应并无不同，只是一种较松懈的化学反应，被吸附的气体分子与表面的作用力可以看成化合一种较松懈的化学反应，被吸附的气体分子与表面的作用力可以看成化合键的剩余价键力。此力的作用范围大约在分子直径的范围内，固体表面的键的剩余价键力。此力的作用范围大约在分子直径的范围内，固体表面的吸附作用，只能是吸附作用，只能是单分子层的吸附单分子层的吸附，所以此理论又称为单分子层吸附理论，所以此理论又称为单分子层吸附理论 从动力学的观点出发，朗格缪尔提出过一个关于气体吸附的理论，其中心内从动力学的观点出发，朗格缪尔提出过一个关于气体吸附的
35、理论，其中心内容如下：气体分子碰撞固体表面时，可以是容如下：气体分子碰撞固体表面时，可以是弹性的弹性的，即碰撞后分子立刻自，即碰撞后分子立刻自表面弹回，无能量交换。而通常的碰撞时表面弹回，无能量交换。而通常的碰撞时非弹性的非弹性的，即分子将在表面停留，即分子将在表面停留一些时间，然后离去。吸附现象就是这种暂时停留造成的。一些时间，然后离去。吸附现象就是这种暂时停留造成的。-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论朗格谬尔在推导公式的过程中，做了如下的假设：朗格谬尔在推导公式的过程中，做了如下的假设：1 1、只有撞在空白表面上的分子才会被吸附，倘若撞在一个已被吸附的分子上，、只有撞在空白表面上
36、的分子才会被吸附，倘若撞在一个已被吸附的分子上，则是弹性碰撞。也就是说，吸附式单分子层的。则是弹性碰撞。也就是说，吸附式单分子层的。2 2、分子从表面逃逸的几率不受周围环境和位置的影响。也就是说，相邻的被、分子从表面逃逸的几率不受周围环境和位置的影响。也就是说，相邻的被吸附分子之间无作用力，而且表面是均匀的。吸附分子之间无作用力，而且表面是均匀的。设设代表某一瞬间已吸附的固体表面积对固体总面积的比值，（代表某一瞬间已吸附的固体表面积对固体总面积的比值，（1-1-）代表）代表未吸附的面积对总面积之比。因气体的未吸附的面积对总面积之比。因气体的解吸速度与解吸速度与成正比成正比，则解吸速度，则解吸速
37、度=k=k1 1,k,k1 1是一定温度时的解吸速度；同理，气体的吸附速度和未吸附的面是一定温度时的解吸速度；同理，气体的吸附速度和未吸附的面积成正比，并且和气相中的分压成正压，即积成正比，并且和气相中的分压成正压，即吸附速度吸附速度=k=k2 2p(1-p(1-),),吸附达到平衡时，解吸速度等于吸附速度吸附达到平衡时，解吸速度等于吸附速度，即，即k k1 1 =k=k2 2p(1-p(1-)因此，因此，-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论 如果用如果用表示某一定量吸附剂上吸附气体的摩尔数，而表示某一定量吸附剂上吸附气体的摩尔数，而N N0 0为此一定量的吸为此一定量的吸附剂所能吸附
38、分子的最大数目，附剂所能吸附分子的最大数目，N N为阿弗加罗数，则这一定量吸附剂所能为阿弗加罗数，则这一定量吸附剂所能吸附的气体的最大摩尔数吸附的气体的最大摩尔数A=NA=N0 0/N/N，A A又称为又称为饱和吸附量饱和吸附量。未饱和时，被吸。未饱和时，被吸附的气体的摩尔数附的气体的摩尔数与吸附面积分数与吸附面积分数成正比，所以：成正比，所以：-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论对于第一类吸附等温线，当气体压强很低时，对于第一类吸附等温线，当气体压强很低时，1+bp1,1+bp1,上式可简化为上式可简化为=m mbp,bp,此时此时 与与p p成直线关系；当气体压强很高时，成直线关系
39、当气体压强很高时，1+bpbp,1+bpbp,上式可简化为上式可简化为=m m，即在高压范围内，吸附量达恒定值，与压强无关。，即在高压范围内，吸附量达恒定值，与压强无关。（三）（三）BETBET方程式方程式布鲁若、埃默勒三人在朗格缪尔理论的基础上提出了多分子层吸附理论。他们接受了布鲁若、埃默勒三人在朗格缪尔理论的基础上提出了多分子层吸附理论。他们接受了朗格缪尔的一个假定，而放弃了另一个假定，即认为：（朗格缪尔的一个假定，而放弃了另一个假定，即认为：（1 1）固体表面是均匀的，）固体表面是均匀的，且分子逃逸时不受周围其他分子的影响；（且分子逃逸时不受周围其他分子的影响；（2 2）在物理吸附中，
40、固体和气体是依靠）在物理吸附中，固体和气体是依靠范德华力而发生吸附的，但是吸附的分子对外也有引力，在第一层吸附层之上，范德华力而发生吸附的，但是吸附的分子对外也有引力，在第一层吸附层之上，还可以吸附第二层、第三层还可以吸附第二层、第三层，即不只是单分子层吸附，还可以是多分子层吸附；，即不只是单分子层吸附，还可以是多分子层吸附；在多层吸附的情况下，气体吸附量等于各层吸附量的总和。根据这个原则可导出：在多层吸附的情况下，气体吸附量等于各层吸附量的总和。根据这个原则可导出：-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论这就是二常数这就是二常数BETBET方程，式中方程，式中代表在平衡压力代表在平衡压力
41、p p时的吸附量，时的吸附量，m m代表表面代表表面被一层分子盖满时所需的气体量，被一层分子盖满时所需的气体量，p p0 0是平衡温度下吸附质的饱和蒸气压，是平衡温度下吸附质的饱和蒸气压，c c是与吸附热有关的常数。另外是与吸附热有关的常数。另外BETBET方程又可以写成如下形式：方程又可以写成如下形式：BETBET方程的作用之一是用来计算多孔固体的比面积，方法如下方程的作用之一是用来计算多孔固体的比面积，方法如下在恒温下测得不同分压下的吸附体积在恒温下测得不同分压下的吸附体积V V，所得的实验数据以，所得的实验数据以 对作对作图，这图，这p/pp/p0 0样得到一条直线。样得到一条直线。-工
42、业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论由斜率和截距可以计算单分子层饱和吸附量由斜率和截距可以计算单分子层饱和吸附量若每个气体分子的横截面积为已知，就可用下式求出该吸附剂的表面积若每个气体分子的横截面积为已知，就可用下式求出该吸附剂的表面积-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论（四）关于等温线的讨论（四）关于等温线的讨论通过对大量实验结果的分析，气体与蒸气的物理吸附等温线可归纳为五种类通过对大量实验结果的分析，气体与蒸气的物理吸附等温线可归纳为五种类型。型。吸附等温线在固体表面与孔的研究，吸附的微观状态及吸附的工程设计上有吸附等温线在固体表面与孔的研究，吸附的微观状态及吸附的工程设计上有
43、重要的作用。下面讨论等温线在吸附器的设计应用中对操作过程的影响。重要的作用。下面讨论等温线在吸附器的设计应用中对操作过程的影响。在吸附操作中，混合气体通过吸附剂床层时，以吸附剂上流体内吸附质的平在吸附操作中，混合气体通过吸附剂床层时，以吸附剂上流体内吸附质的平衡浓度与气流主体内吸附质浓度的关系绘制成的吸附等温线就表示了等温衡浓度与气流主体内吸附质浓度的关系绘制成的吸附等温线就表示了等温条件下的吸附平衡关系。条件下的吸附平衡关系。分为三种情况：分为三种情况：1.1.优惠型吸附等温线优惠型吸附等温线2.2.线性吸附等温线线性吸附等温线3.3.非优惠型吸附等温线非优惠型吸附等温线-工业防毒技术第二节
44、第二节 吸附理论吸附理论二、吸附位势理论二、吸附位势理论吸附具有位势能的概念，是由俄国学着爱坚与波辽尼等人提出的，他们认为：吸附具有位势能的概念，是由俄国学着爱坚与波辽尼等人提出的，他们认为：吸附时吸附引力的作用范围相当大，因此吸附剂的表面能吸留若干层吸附吸附时吸附引力的作用范围相当大，因此吸附剂的表面能吸留若干层吸附质分子。由于外层吸附质分子的吸引力及压力逐层降低，离吸附剂表面越质分子。由于外层吸附质分子的吸引力及压力逐层降低，离吸附剂表面越远，则该多分子层的密度越低。因此，最紧密的吸附层是直接与吸附剂表远，则该多分子层的密度越低。因此，最紧密的吸附层是直接与吸附剂表面接触的第一层。在吸附空
45、间内，被吸附的分子相互间的作用力与它们在面接触的第一层。在吸附空间内，被吸附的分子相互间的作用力与它们在自由状态下的相互作用力是相同的，即气体在被吸附时与自由时的状态方自由状态下的相互作用力是相同的，即气体在被吸附时与自由时的状态方程式是相同的。因此，对于被吸附的气体可采用范德华状态方程式。吸附程式是相同的。因此，对于被吸附的气体可采用范德华状态方程式。吸附质所具有的密度和聚集状态，将与吸附容积内的压力相对应。质所具有的密度和聚集状态，将与吸附容积内的压力相对应。吸附层上每吸附层上每一点有其相应的所谓吸附势，而吸附势为该点至吸附剂表面距离的函数。一点有其相应的所谓吸附势，而吸附势为该点至吸附剂
46、表面距离的函数。爱坚首先将吸附力视为分子力位势的梯度，而用定量公式表示位势理论应当爱坚首先将吸附力视为分子力位势的梯度，而用定量公式表示位势理论应当归功于波辽你。归功于波辽你。波辽尼把吸附势波辽尼把吸附势定义为吸附力将一个分子从无限远，吸定义为吸附力将一个分子从无限远，吸到与吸附剂表面的距离为到与吸附剂表面的距离为x x的一点上所做的功。的一点上所做的功。=（x x）-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论在吸附空间中，吸附势的分布曲线在吸附空间中，吸附势的分布曲线=（W W）称为特性曲线。按照势能理论，）称为特性曲线。按照势能理论，特性曲线与温度无关，仅取决于吸附质的种类。当两个不同物质
47、的吸附特性曲线与温度无关，仅取决于吸附质的种类。当两个不同物质的吸附空间容积相等时，其吸附势之比（即特性曲线纵坐标之比）是恒定的，空间容积相等时，其吸附势之比（即特性曲线纵坐标之比）是恒定的，并以并以a a表示。表示。把纵坐标具有恒定比值的特性曲线称之为亲和特性曲线，把纵坐标具有恒定比值的特性曲线称之为亲和特性曲线，a a称之为亲和系称之为亲和系数。以上两条曲线特性方程式的区别仅在于这固定的系数数。以上两条曲线特性方程式的区别仅在于这固定的系数a a，如果表示，如果表示第一个物质的特性曲线为第一个物质的特性曲线为 1 1=（W W）则对于第二个物质为则对于第二个物质为1=a（W）-工业防毒技术
48、第二节第二节 吸附理论吸附理论或或取近似值可以认为取近似值可以认为 W=W=V V式中式中单位吸附剂所吸附物质的摩尔数，单位吸附剂所吸附物质的摩尔数，molmol；VV吸附质的摩尔体积，吸附质的摩尔体积，m m3 3/mol/mol；(一）亲和系数的计算一）亲和系数的计算吸附势概念的引入，有可能利用某种物质在某一温度下的吸附等温线而把其他吸附势概念的引入，有可能利用某种物质在某一温度下的吸附等温线而把其他物质在任何温度下的吸附等温线求出来。按照杜宾和季莫菲叶夫的意见，物质在任何温度下的吸附等温线求出来。按照杜宾和季莫菲叶夫的意见，蒸气态物质的亲和系数用下式计算，可得到充分满意的近似值。蒸气态物
49、质的亲和系数用下式计算，可得到充分满意的近似值。-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论（二）等温线的换算（二）等温线的换算在实际应用中，当对所研究的物质缺乏应有的吸附平衡数据或等温线时，可借助已有在实际应用中，当对所研究的物质缺乏应有的吸附平衡数据或等温线时，可借助已有某物质的吸附等温线通过换算来求得所研究物质的吸附等温线。某物质的吸附等温线通过换算来求得所研究物质的吸附等温线。位势论认为，位势论认为，在恒温条件下，吸附力将在恒温条件下，吸附力将1 1摩尔蒸气自吸附力实际上不再其作用的地方摩尔蒸气自吸附力实际上不再其作用的地方吸至吸附剂表面所做的功，等于将吸至吸附剂表面所做的功，等于将1
50、 1摩尔蒸气自体积摩尔蒸气自体积V V恒温压缩至恒温压缩至VsVs所做的功，所做的功，即即有有-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论应用公式时曾假设理想气体状态方程式的使用范围一直达到饱和压力，不过应用公式时曾假设理想气体状态方程式的使用范围一直达到饱和压力，不过一直到接近临界温度为止，用以修正蒸气与理想气体两者性质差异的修正一直到接近临界温度为止，用以修正蒸气与理想气体两者性质差异的修正系数在这里不大，可不予以考虑。系数在这里不大，可不予以考虑。如果某一种物质的吸附势如果某一种物质的吸附势-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论于是-工业防毒技术第二节第二节 吸附理论吸附理论由公式
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