热质交换原理与设备 (9)-吸附材料处理空气的机理和方法.pdf
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1、4.4吸附材料处理空气的机理和方法4A1吸附的基本知识和概念(1)吸附、吸附剂和吸附质 吸附:是指多孔固体材料与流体接触,流体相中的某 一组分或多种组分累积在固体表面,使流体发生数量和浓度改变的过程。解吸(脱附):被吸附的物质重新回到气相;吸附剂:使气体浓缩的物质;吸附质:被浓缩的物质例:活性碳吸附空气中的有害气体、沸石分子筛分离 空气制氧 选择性吸附:吸附剂对不同种类吸附能力的大小或差 异,应用在化工行业的气体分离行业。(1)吸附、吸附剂和吸附质(续)吸附现象产生的原因-范德华力存在于所有物质的分子之间 表面的分子或原子处于非平衡力作用之下,具有表面 能;总内能:U=umM+usATT A单
2、位质量的总内能:=+5 当物质的比表面积很大时,表面能很大,使得气体分子 在固体表面积聚,即吸附。多孔性介质具有较强吸附能 力(2)吸附的种类-物理吸附:只依靠普遍存在于分子间的 范德华力起作用,可以是单层吸附和多 层吸附;-化学吸附:起因于吸附质分子与吸附剂 表面分子的化学作用,在吸附过程中发 生化学反应,多为单层吸附。物理吸附和化学吸附的区别 吸附的性质:物理吸附:范德华力的作用,不发生电子转移和 化学键的生成和破坏,凝聚现象。化学吸附:生成表面吸附键,形成表面化合物。吸附热:所有吸附过程都是放热反应。物理吸附:热效应小(范德华力作用小),21-63kJ/mol,相当于1.5-3倍凝结热;
3、化学吸附:热效应大,42T25kJ/mol,相当于化学反应热 可逆性:物理吸附可逆、易脱附或解吸;化学吸附不可逆,不 易脱附或解吸。吸附速度:物理吸附速度很快,容易达到吸附平衡,受温度影 响小;化学吸附需要一定的活化能,吸附速度较慢,受温度影响 很大。物理吸附和化学吸附的区别(续)物理吸附可以是单分子层,也可以是多分子层吸附;化学吸附 只是单分子层吸附。物理吸附与凝聚有关,只有在低于或接近吸附物质的沸点温度 下才会发生。化学吸附只有当温度高于某一最低值时才会以显 著的速度进行。化学吸附和物理吸附的区别在于吸附质的光谱不同,随着条件(如温度)的不同两者之间是可以相互转化的。I对固体吸附剂的要求:
4、(1)比表面积大网格结构的微孔-(2)吸附容量大(3)吸附力小,再生温度低,活化后残余吸附物少(4)吸附热小,循环的经济性高(5)与吸附物之间无破坏作用(6)吸附速度快,易达到吸附平衡(7)比热小,热传导性好(8)耐热而抗磨,不产生粉末,不易破碎(9)气流阻力小(10)多次使用,来源充足,价格便宜A吸附剂的活化处理两种方法:加热脱附和降压脱附(3)吸附平衡、吸附等温线和吸附等压线吸附量:吸附剂的吸附能力,用吸附量表示,即当吸附达到平衡时,单位质 量吸附剂吸附气体的体积(标准状态)或摩尔数。夕=/,p,气体,固体)往往通过实验确定。对于给定的吸附剂和吸附质:9=/(,,)气体,固体q.t.p固定
5、一个变量,研究其他两个变量之间的关系,所得到的曲线称为吸 附曲线。t=const,q=f(p)等温吸附曲线(a)p=const,q=f(T)-等压吸附曲线(b)(3)吸附曲线吸附量与压力的关系曲线q吸附量与温度关系曲线吸附等温线吸附等压线典型的等温吸附线(a)合成沸石等吸附系(b)硅胶(c)活性铝等吸附系(d)活性碳吸附水蒸汽(e)B ET型吸附(f)线性的吸附等温线(4)吸附剂的结构吸附剂为多孔介质;多孔介质中孔的分类:微孔、过渡孔和大孔。微孔孔径(埃,0.Inm)5 一 1 5比表面积(m2/g)大于4 0 0特点在微孔的整个空 间存在吸附力场代表物质ZMS、CMS过渡孔大孔15-2000
6、大于2 0 0 010-40000.5-2进入微孔的主要 通道通向吸附剂颗 粒内部的粗孔 道硅胶、铝凝胶(5)吸附剂的特性参数多孔介质的体积:唳7隙+V孔+V真(5)吸附剂的特性参数(续)孔径分布:多孔介质中孔体积按孔大小(尺寸)的分 布情况。单位体积表面积 V.=Sp/图2硅胶(a)和M IPNilira(6)的孔径分布4.4.2吸附等温线-表示等温条件下,平衡吸附量与气相组 分压力的关系;Henry定律低浓度气体吸附于均一的表面时,认为吸附质 分子相互独立,并且保持原分子的状态。此时,气 相和吸附相之间的平衡浓度呈线性关系,可以采用 Hemy定律表示平衡吸附量和气相浓度的关系q=K*p4.
7、4.2吸附等温线(续)Langmuir 方程分子吸附于吸附剂表面有限的已知局部空位上;每个 空位吸附一个吸附质分子;在理想均匀的表面上,所有的 空位具有相同的能量;吸附于相邻空位上的分子互相不发 生作用。在以上假设的基础上,利用简单的动力学推导方 法可以得出Langmu i r方程。q _ bpQm 1+bp.4.3常用吸附剂的类型和性能常用的固体吸附剂分类 极性吸附剂:具有亲水性。有硅胶、多孔活性铝、沸石等铝硅酸盐类吸附剂。非极性吸附剂:具有憎水性,吸附剂 对油的亲和性比水强。活性碳、碳分子筛(1)硅胶是传统的吸附除湿剂,是硅酸的胶体溶液通过受控脱水凝结后形 成的吸附剂颗粒。优点:具有较大的
8、表面积和优异的表面性质,在较大相对湿度范围 内对水蒸汽有较好的吸附特性。缺点:若暴露在水滴中很快裂解成粉末,失去除湿性能。常规密度硅胶:表面积为750850 n)2/g,平均孔径为2226埃(2.22.6nm);低密度硅胶:相应值分别为300350 m2/g和100150埃(10 15nH1);再生:加热到150即可再生。硅胶颗粒00o o o O 4 2(志段M M M 0 0 0 U W 3)触段320 40 60 80 100相对湿度()不同吸附剂在25 c下对常压空气中水蒸汽的平衡吸附曲线氧化铝-A粒状,B球状;C-硅胶;D-5 A沸石;E-活性碳根据微孔尺寸分布,商业上硅胶分为A、B
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