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郑成航郑成航2015年年4月月能源与环境中的吸附材料及应用能源与环境中的吸附材料及应用2目录目录一、吸附概述及常用吸附剂一、吸附概述及常用吸附剂二、吸附原理和评价方法二、吸附原理和评价方法三、常用吸附材料三、常用吸附材料活性炭活性炭四、碳材料吸附污染物控制技术四、碳材料吸附污染物控制技术五、工程应用案例五、工程应用案例11吸附概述及常用吸附剂吸附概述及常用吸附剂吸附在两相界面中,其中一相物质能自动地富集到另一相上的现象。
吸附剂具有吸附能力的物质(如活性炭)。
吸附质被吸附在吸附剂表面的物质。
吸附力通过氢键、偶极矩作用、范德华力和化学键力等多种化学作用和物理化学作用,使得吸附质被吸附在吸附剂表面。
脱附与吸附过程相反,即吸附在吸附剂表面的吸附质从吸附剂表面脱落的过程。
吸附平衡当吸附为可逆时,吸附速度和脱附速度相等时,吸附过程达到平衡状态。
吸附平衡时溶液浓度不再降低。
基本概念基本概念11吸附概述及常用吸附剂吸附概述及常用吸附剂举例:
水处理吸附水处理吸附可有效地去除水中的臭味,使水中大部分比较大的有机物分子、芳香族化合物、卤代烃等能牢固地吸附在吸附剂表面上或孔隙中,并使腐殖质、合成有机物和低分子量有机物有明显的去除效果。
吸附类型(作用力)可分为:
物理吸附、化学吸附物理吸附物理吸附作用力为分子间作用力即范德华力,其吸热比较低、吸附速度快而且没有选择性。
化学吸附化学吸附作用力为化学键力,其吸热比较高、吸附速度根据化学键的类型不同而有较大的差别,并且有一定的选择性。
物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附两者之间的本质区别是气体分子与固体表面之间的作用力性质两者之间的本质区别是气体分子与固体表面之间的作用力性质不同。
物理吸附是由范德华力引起的,它的性质类似于蒸汽的不同。
物理吸附是由范德华力引起的,它的性质类似于蒸汽的凝聚和气体的液化;化学吸附涉及化学成键,吸附质分子和吸凝聚和气体的液化;化学吸附涉及化学成键,吸附质分子和吸附剂之间有电子的交换、转移和共有。
附剂之间有电子的交换、转移和共有。
性质性质物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附力吸附力范德华力范德华力化学键力化学键力吸附热吸附热较小,与液化热相似较小,与液化热相似较大,与反应热相似较大,与反应热相似吸附速率吸附速率较快,不受温度影响,一般不需要较快,不受温度影响,一般不需要活化能活化能较慢,随温度升高速率加快,需要较慢,随温度升高速率加快,需要活化能活化能吸附层吸附层单分子层或多分子层单分子层或多分子层单分子层单分子层吸附温度吸附温度沸点以下或低于临界温度沸点以下或低于临界温度无限制无限制吸附稳定性吸附稳定性不稳定,常可完全脱附不稳定,常可完全脱附比较稳定,脱附时常伴有化学反应比较稳定,脱附时常伴有化学反应选择性选择性无选择性无选择性有选择性有选择性11吸附概述及常用吸附剂吸附概述及常用吸附剂11吸附概述及常用吸附剂吸附概述及常用吸附剂活性炭活性炭种类很多,一般为粉末状或颗粒状。
粉末状的活性炭吸附能力强,制备容易,价格较低,再生困难,一般不能重复使用。
颗粒状的活性炭价格较贵,但可再生后重复使用,操作管理方便。
因此在空气净化和水处理中较多采用颗粒状活性炭。
活性炭的比表面积(单位重量的吸附剂所具有的表面积称为比表面积)可达8002000m2/g,有很强的吸附能力。
11吸附概述及常用吸附剂吸附概述及常用吸附剂活性炭活性炭柱状活性炭椰壳活性炭果壳活性炭木质活性炭煤质活性炭11吸附概述及常用吸附剂吸附概述及常用吸附剂介孔碳介孔碳孔径小于2纳米的称为微孔;孔径大于50纳米的称为大孔;孔径在2到50纳米之间的称为介孔(或称中孔)。
介孔碳是一类新型的非硅基介孔材料,具有巨大的比表面积(可高达2500m2/g)和孔体积(可高达2.25cm3/g),可在催化剂载体、储氢材料、电极材料等方面得到重要应用,因此受到人们的高度重视。
11吸附概述及常用吸附剂吸附概述及常用吸附剂介孔碳介孔碳介孔碳材料表现出特殊的性质,有高的比表面积,高孔隙率;孔径尺寸在一定范围内可调;介孔形状多样,孔壁组成、结构和性质可调;通过优化合成条件可以得到高热稳定性和水热稳定性;合成简单、易操作、无生理毒性。
它的诱人之处还在于其在燃料电池,吸附,催化反应,电化学等领域的潜在应用价值。
近年来,介孔材料科学已经成为国际上跨化学、物理、材料、生物等学科交叉的热点研究领域之一,更成为材料科学发展的一个重要里程碑。
有序介孔碳的合成11吸附概述及常用吸附剂吸附概述及常用吸附剂分子筛分子筛1932年,“分子筛”的概念被提出。
分子筛是指具有均匀的微孔,其孔径与一般分子大小相当的一类物质。
可以作高效干燥剂、选择性吸附剂、催化剂、离子交换剂等。
常用分子筛为结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐,是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小(通常为0.32nm)的孔道和空腔体系,因吸附分子大小和形状不同而具有筛分大小不同的流体分子的能力。
硅藻土的分子筛结构11吸附概述及常用吸附剂吸附概述及常用吸附剂沸石分子筛沸石分子筛一种网架状铝硅酸盐火山岩矿物。
沸石的特点是具有分子筛的作用,它有均匀的孔径,如3A、4A、5A、10A细孔。
分子筛依据其晶体内部孔穴的大小对分子进行选择性吸附,也就是吸附一定大小的分子而排斥较大物质的分子。
它已广泛用于气体吸附分离、气体和液体干燥、催化剂载体等。
11吸附概述及常用吸附剂吸附概述及常用吸附剂活性氧化铝活性氧化铝又名活性矾土,在催化剂中使用氧化铝(AL2O3)的通常专称为活性氧化铝,它是一种多孔性、高分散度的固体材料,有很大的表面积,其微孔表面具备催化作用所要求的特性,如吸附性能、除氟性能,干燥性能,表面活性、优良的热稳定性等,所以广泛地被用作家庭干燥剂以及化学反应的催化剂和催化剂载体。
11吸附概述及常用吸附剂吸附概述及常用吸附剂硅胶硅胶一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒,主要分布在中国、美国、丹麦、法国等。
由无定形的SiO2组成。
硅藻土通常呈浅黄色或浅灰色,多孔而轻,工业上常用来作为保温材料、过滤材料、填料、研磨材料、水玻璃原料、脱色剂及催化剂载体等。
性能:
性能:
多孔性、较低的浓度、较大的比表面积、相对的不可压缩性及化学稳定性,被广泛用于冶金、化工建材、石油、食品、环境保护等工业。
22吸附原理和评价方法吸附原理和评价方法吸附剂的重要特征吸附剂的重要特征吸附剂吸附量吸附剂吸附量定义:
吸附剂所能吸附的吸附质的量。
吸附剂吸附量与溶液/气体浓度和温度有关,一般须通过吸附等温线试验来确定。
吸附等温线吸附等温线在恒温及吸附平衡状态下,单位吸附剂的吸附容量qe和平衡溶液/气体浓度Ce之间的关系曲线。
常见的几种吸附等温线常见的几种吸附等温线qeCeqeCeqeCe22吸附原理和评价方法吸附原理和评价方法吸附等温线的实验方法:
吸附等温线的实验方法:
在恒温下,于几个烧杯中放入V(L)溶质浓度为C0(mg/L)的水样,在烧杯中同时投加不同量m(mg)的活性炭,分别进行搅拌,搅拌时间等于接触时间。
实验中,不断测定各烧杯水样中的溶质浓度Ci,直到溶质浓度不变的平衡浓度Ce(mg/L)为止。
吸附容量吸附容量由试验结果可以算出单位重量活性炭可吸附的溶质量。
V(C0-Ce)/m=x/m=qe由吸附容量qe=x/m和平衡浓度Ce的关系所绘出的曲线吸附吸附等温线等温线(活性炭柱泄漏曲线或叫穿透曲线)22吸附原理和评价方法吸附原理和评价方法HenryHenry方程方程FreundlichFreundlich方程方程单分子层吸附理论单分子层吸附理论LangmuirLangmuir方程方程多分子层吸附理论多分子层吸附理论BETBET方程方程毛细孔凝聚理论毛细孔凝聚理论KelvinKelvin方程方程微孔填充理论微孔填充理论DRDR方程方程经典的吸附理论:
经典的吸附理论:
22吸附原理和评价方法吸附原理和评价方法1.弗里德里希弗里德里希(Freundlich)吸附等温式吸附等温式Freundlich吸附等温式是一个经验公式,表达形式为:
Qe饱和吸附容量Ce平衡浓度K,n常数对等式两边取对数可将等式线性化为:
22吸附原理和评价方法吸附原理和评价方法1.弗里德里希弗里德里希(Freundlich)吸附等温式吸附等温式参数K主要与吸附剂对吸附质的吸附容量有关,而1/n是吸附力的函数。
对于确定的Ce和1/n,K值越大吸附容量qe越大。
对于确定的K和Ce,l/n值越小吸附作用越强。
当1/n值很小时,吸附容量几乎与Ce无关,吸附等温线逼近水平线。
若l/n值大,则吸附作用力弱,qe随着Ce的微小改变而产生明显的改变。
吸附常数K以及l/n可以通过实验确定。
22吸附原理和评价方法吸附原理和评价方法2.朗格谬朗格谬(Langmuir)吸附等温式吸附等温式单分子层吸附理论单分子层吸附理论朗格谬从动力学观点出发,通过一些假设推导出单分子层吸附理论公式。
qmax、b是常数,b与表面吸附能量有关。
将上式改为倒数:
1/qe=(1/qmaxb)(1/Ce)+1/qmaxb由试验得qe和Ce,则可求出qmax和b22吸附原理和评价方法吸附原理和评价方法
(1)
(1)吸附质的回收率吸附质的回收率(当吸附质是有价值的物料时)或吸附质或吸附质的净化率的净化率(当吸附质是有害物质时);
(2)
(2)设备的操作强度:
设备的操作强度:
单位设备体积所能处理的混合气体或溶液的流量;(3)(3)能量消耗:
能量消耗:
包括输送物料和吸附剂的能耗、脱附时升温的热能消耗等。
选用平衡吸附量大选用平衡吸附量大、吸附选择性高的吸附剂可以显著改善过程的经济性吸附选择性高的吸附剂可以显著改善过程的经济性。
此外此外,吸附剂的用量以及操作的温度和压力吸附剂的用量以及操作的温度和压力,对上述指标有重要影响对上述指标有重要影响,必须谨慎决定必须谨慎决定。
吸附设备评价指标:
吸附设备评价指标:
衡量吸附剂的主要指标有:
衡量吸附剂的主要指标有:
对不同气体杂质的吸附容量对不同气体杂质的吸附容量、磨耗率磨耗率、松装堆积密度松装堆积密度、比表面积比表面积、抗压抗压碎强度等碎强度等。
33常用吸附材料常用吸附材料活性炭活性炭
(1)活性炭本身的特性:
1)活性炭材质2)孔穴率3)孔径分布4)表面官能团特性应有三项要求:
吸附容量大、吸附速度快、机械强度好。
应有三项要求:
吸附容量大、吸附速度快、机械强度好。
(2)吸附质特性:
1)分子量大小2)亲水性(3)污染物因素:
1)本底有机物含量2)温度3)其它竞争性吸附质(4)吸附操作条件:
吸附装置的型式、接触时间(流速)等对吸附效果有影响。
影响活性炭吸附的因素较多。
主要与活性炭的性质、污染物的性质、影响活性炭吸附的因素较多。
主要与活性炭的性质、污染物的性质、活性炭处理的过程原理以及选择的运转参数与操作条件等有关。
活性炭处理的过程原理以及选择的运转参数与操作条件等有关。
33常用吸附材料常用吸附材料活性炭活性炭
(1)
(1)活性炭污染物处理装置占地面积小,易于自动控制,活性炭污染物处理装置占地面积小,易于自动控制,运转管理简单。
运转管理简单。
(2)
(2)活性炭对某些活性炭对某些重金属化合物也有较强围吸附能力重金属化合物也有较强围吸附能力,如,如汞、铅、铁、镍、锌等,活性炭可用于电镀废水、冶炼废汞、铅、铁、镍、锌等,活性炭可用于电镀废水、冶炼废水的处理。
水的处理。
(3)(3)饱和炭可经再生后重复使用,不产生二次污染。
饱和炭可经再生后重复使用,不产生二次污染。
(4)(4)可回收有用物质可回收有用物质间歇式:
将待处理物和吸附剂放在反应器内进行充分混合,然后静置。
此方法主要用在小量污染物的处理和实验研究。
连续式:
采用固定床、移动床和流化床固定床、移动床和流化床。
固定床:
固定床:
是把吸附剂固定在吸附柱(或池)中;移动床:
移动床:
是定期地将接近饱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附剂加入柱中;流化床:
流化床:
是指吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态,悬浮于由下而上的烟气中。
33常用吸附材料常用吸附材料活性炭活性炭吸附操作方式吸附操作方式一般活
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