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1、第19卷第4期 南京化工大学学报Vol. 19 No. 4 1997年10月JOURNAL OF NANJ I N G UN I V ERSITY OF CHEM ICAL TECHNOLOGYOct.1997 化工数据 凹土及凹土吸附干燥剂的吸附性能 金叶玲马正飞姚虎卿 (南京化工大学化学工程系,南京, 210009) 摘要用流动重量法测定了凹土(A T)及凹土吸附干燥剂(A TM)对水的吸附平衡和吸附动 力学性能。二样品的吸附等温线皆属类型,它们是水以不同吸附方式迭加的结果,经分解可用 L angmuir和BET方程拟合。吸附动力学曲线可用单孔模型Crank方程很好地拟合。 关键词凹凸棒石
2、粘土吸附平衡吸附动力学 中图号TQ 424124 虽然关于分子筛的吸附平衡和吸附动力学的研究已比较成熟,但有关凹凸棒石粘土(简称 凹土)在这一方面的研究很少见报导。本文以盱眙产优质凹土(A T)及由其制得的新型吸附 干燥剂(A TM)进行了系统的吸附水的吸附性能研究,为A T 和A TM 的进一步研究和 工业化应用提供了理论依据和基础数据。 1实验部分 实验采用流动重量法1动力学实验装置,吸附平衡曲线、 吸、 脱附动力学曲线皆由该装置 测得。 载气 : H 2,吸附体系 : H 22H2O饱和蒸汽。 吸附剂:A T、A TM 球形颗粒 534 mm。 2结果和讨论 211吸附平衡 21111吸
3、附平衡曲线 由实验测得的A T 和A TM 的吸附等温线如图1所示。 由图看出,按Brunauer对吸附等温线的分类,A T、A TM 的吸附等温线皆属于类型 。平衡吸附量均随温度升高而降低,A TM 吸附等温线受温度影响较大,说明A TM 对温 度较敏感。由于添加了吸水性强的添加剂,所以A TM 的平衡吸附量比A T 提高了近1倍。 收稿日期: 1997201227 (a)AT (1 20, 2 30, 3 40)(b)ATM(1 20, 2 30, 3 40) 图1不同温度下A T、A TM 对水的吸附平衡等温线 Fig. 1The adsorption isotherin of wate
4、r on AT、ATM at different temperature 21112吸附等温线的拟合 由A T、A TM 的成分和结构可知,A T 和A TM 吸附水具有3种性质,即物理附着 水、 结晶水和结合水,因此实验测得的吸附等温线是3种吸附水综合影响的结果,其中结晶水 和结合水应属拟化学吸附水2。据此,本研究用L angmuir和BET模型的迭加对实验数据拟 合,拟合模型: q= kbqmc?c0 1 +kbc?c0 + kbqmc?c0 1 -c?c01 +(kb- 1) c?c0 (1) 30A TM 吸附平衡数据拟合结果为: q= 2. 149c?c0 1 + 14. 8c?c0
5、 + 0. 978c?c0 (1 - c?c0) (1 + 3. 35c?c0) (2) 脱附平衡实验值 吸附平衡实验值 脱附平衡与的差值 吸附平衡拟合曲线 吸附平衡拟合结果Langmui部分(拟 化学吸附等温线) 图230A TM 对水的吸附和脱 附等温线 Fig. 2The adsorption and desorption isotherm ofwater on ATMat 30 拟合参数如表1所示。将拟合结果(2)作于图2,可见与实验 数据吻合。将式(2)中L angmuir拟合部分作于图2得曲线 。 表130A TM 吸附平衡拟合参数 Table 1The fitting param
6、eter of adsorption isotherm of w inter on ATMat 30 模型参数 ? (cm 3? g) 平衡吸附量 gH2O?gATM 拟合误差 % kb= 14. 8qm= 0. 1454. 67 kb= 36. 5qm= 0. 02680. 53 为了进一步考察水在吸附剂表面的吸附机理,本研究同 时测定了30A TM 的脱附等温线并示于图2中。脱附等 温线与吸附等温线并不重合,在整个相对蒸汽压力范围内, 都有滞后现象存在,但脱附等温线与拟合得到的L angmuir 部分的差值(如图2中的)和吸附等温线相吻合,而在x 0. 35区域则与吸附等温线形成一闭合的滞
7、后回路。这一现 象与文献2研究水在氧化铝上的吸附行为一致,即脱附等 温线与吸附等温线的差值是由拟化学吸附和毛细冷凝所致, 85南京化工大学学报第19卷 闭合的滞后回路反映毛细冷凝的程度3。因此,这是典型的在完成单分子层吸附后,再形成多 分子层及毛细冷凝,当水蒸汽浓度接近饱和蒸汽压时,吸附量迅速增加的吸附过程。 (a)AT (b)ATM (1 20, 2 30, 3 40)(1 20, 2 30, 3 40) 图3不同温度下A T、A TM 的吸附动力学曲线 Fig. 3The adsorption kinetic curve of ATand ATMat different temperatu
8、re 由拟合结果和以上分析表明,实验 测定的吸附平衡实际上是拟化学吸附、 物理吸附和毛细冷凝的共同结果,其吸 附等温线完全可以分解为拟化学吸附等 温线和物理吸附等温线,它们都可以用 简单的理想模型来拟合且吻合较好, L angmuir式适合拟化学吸附,BET式 适合物理吸附。 212吸附动力学 图3为水蒸汽体积百分浓度212% 时, 20、30、50下 水 在A T 和 A TM 上的吸附动力学曲线。 由凹土与分子筛结构相似性,单孔 模型应该适用于凹土,即动力学曲线应 符合Crank方程: M t M = 1 - b 2 n= 1 1 n2exp (- n2 2D t R 2) (3) 用方程
9、(3)对图3中动力学曲线进行全段拟合,结果列于表2。可以看出,不同温度下A T 的吸附速率比A TM 快,这是因为添加剂的加入虽提高了A TM 的吸附量,却降低了其 传质速率,分析原因可能是添加剂溶解于粘结剂中,其分子渗进凹土微孔,阻塞部分孔道,降低 了扩散速度。 表2A T、A TM 的吸附动力学拟合结果 Table 2The fitting result of adsorption kinetics of AT and ATM 温度M(gH2O?100g样品)D?R2(103m in- 1)拟合误差(a10- 2) ? ATATMATATMATATM 2012. 0836. 251. 18
10、0. 784. 97. 74 308. 3818. 552. 462. 324. 988. 53 505. 4010. 362. 311. 76 213扩散机理的判别 实验中已排除了外扩散的影响,上面讨论实际上也假设微孔扩散,但2样品的吸附体系究 竟受何种扩散控制,还需作一判别。 根据T imofeev4提出的粗孔模型: 1 t t= 1 -1 - 2 1? 3 (4) 及L ee和Ruthven 5在同样假设下运用同样机理得到的粗孔模型: Da R 2 a t= 3 2 1 - (1 - ) 2?3 -(5) 在粗孔扩散时, 1- (1- 2)1?3 t或 3 2 1- (1- ) 2?3
11、-t应为直线。对图3中的动力学 95第4期金叶玲等:凹土及凹土吸附干燥剂的吸附性能 曲线用(5)、(4)式处理,其结果见图4。 由图4可以看出,二者吸附剂的吸附动力学曲线皆不符合(4)或(5)式,即二样品的扩散机 理不是粗孔扩散。 (a)Timofen(b)Lee和Ruthven 图4粗孔扩散模型处理结果 1 ATM20, 2 ATM30, 3 ATM 50, 4 AT20H2O 2. 2% Fig. 4The im itating result 由前面讨论知,二种吸附剂对微孔扩散模型Crank方程吻合较好,可判断其扩散机理为 微孔扩散控制。 3结论 1水在A T、A TM 上的吸附等温线属于
12、类型,水在两吸附剂上的吸附是拟化学吸附、 物理吸附和毛细冷凝的共同结果,实验测得的等温线是拟化学吸附等温线和物理吸附等温线 的迭加,它们可分别用简单的理想模型(L angmuir和BET)拟合。 2A T、A TM 的动力学曲线可用单孔模型Crank方程很好地拟合,结果显示A TM 的 吸附速度慢于A T。在消除外扩散影响的条件下,两吸附剂的吸附为微孔扩散控制。 符 号 说 明 C气体中水蒸汽的体积百分数Co气体中水蒸汽的饱和浓度,体积百分数 kb(kb)Langmuir系数(BET系数)qm(qm)平衡吸附量gH2O?g吸附剂 q瞬间吸附量gH2O?g吸附剂 相对吸附量(亦称吸附速率)= q
13、 qm = Mt M Mt吸附剂在某一时间的吸附量gH2O?100g吸附剂M吸附剂吸附达平衡时的吸附量gH2O?100g吸附剂 t吸附时间m int吸附达平衡所需时间m in D、Da扩散系数cm2?m inR、Ra吸附剂颗粒半径mm 06南京化工大学学报第19卷 参考文献 1姚虎卿,刘晓勤,马正飞 1 活性炭对CO的吸附性能的研究 1 南京化工学院学报, 1990, 12(3): 611 2Desai R, Hussain M , Ruthven D M. Adsorption of water vapour on activated alum ina 12equilibrium behal
14、iour. Can J Chem Eng, 1992, 70(4): 699706 3Gregg S J, Sing K SW. Adsorption, surface Aera and Porosity, 2nd ed. London: Academ ic Press, 1982 4Timofeev D P1Molecular Sieve Zeolites2 1Adv.in Chem, 1971, (102): 247 5Lee L K.The kinetics of sorption in a biporous adsorbent particle. A IChEJ.1978, 24(3)
15、: 531 ADSORPTI ON STUD IESOF ATTAPULGITE AND ITSDESICCANT J in YelingM a Zhengf eiYao H uqing Department of Chem ical Engineering, N anjing U niversity of Chem ical Technology, N anjing, China, 210009 AbstractThe water adsorption equilibrium and adsorption kinetics of A ttapulgite(A T) and its desic
16、cant(A TM)have been determ ined by the flow weight method. The effects of temperature and concentration on adsorption equilibrium and rate have been studied. The ad2 sorption isotherm s of the two samples belong to type, and can be described by the combi2 nation of L angmuir eq.and BET eq. .The adsorption kinetic curve can be fitted by Crank eq. .The obtained results can be used for the application of A TM . Key wordsattapulgiteadsorption equilibriumadsorption kinetics 16第4期金叶玲等:凹土及凹土吸附干燥剂的吸附性能