第九章吸附法.
第09章吸附
一、吸附分离操作的分类 1、物理吸附：吸附质与吸附剂之间由于范德华力而 产生的吸附，也称为范德华吸附。 物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没 有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等。 2、化学吸附：又称活性吸附，是由吸附质和吸附剂 分子间的化学键作用而引起的吸附。 化学吸附相当于吸附剂表面分子与吸附质分子发生 了化学反应，形成牢固的吸附化学键和表面络合物， 在红外、紫外-可见光谱中会出现新的特征吸收带。 化学吸附在催化反应中起重要作用，分离过程中极 少应用。
其吸附能力比一般活性炭要高1～10倍。
表面化学特性同活性炭。
3、硅胶 是一种坚硬无定形链状或网状结构的硅酸聚合物颗 粒，化学式：SiO2 · nH2O。
用硫酸处理硅酸钠水溶液，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。 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）。 吸湿，高湿度气体的干燥。
上式为线性表达式，可以表述吸附规律! 事实上：在温度一定的条件下，如V、C0一定，改变 活性炭投加量，则发现水中剩余溶质浓度Ce及qe也随 之改变——说明?? 吸附量与剩余浓度不是线性关系！如何描述之？ 一、单组分气体吸附平衡 1、吸附等温线 五种类型的纯气体物理吸附等温线
I型微孔吸附特征，Ce没有极限值，qe却有极限值，可理 解为吸附剂内表面发生单分子层吸附，Langmuir型。 II、III型大孔吸附特征；Ⅱ型前半段多分子层吸附，后 半段发生毛细凝聚现象， Ce有极限值Cs(饱和浓度)，qe 却无极限值，BET型。Ⅲ型Ce与qe无极限值，吸附热等 于或小于纯吸附质的溶解热，Freundlich型。 Ⅳ型与Ⅱ型比较，V型与Ⅲ型比较，低压下大体相同； 区别在高比压下出现吸附饱和现象，说明吸附剂孔径有 一定范围，在高压时易达到饱和。
环境工程原理第九章 吸附
缺点： 由于吸附剂是固体，难于实现连续操作；吸附剂
的吸附容量小，再生频繁，不适用分离高浓度体系等，
这些使吸附操作的应用受到了一定的限制。
三、吸附分离操作的应用
• 吸附分离操作的应用范围很广，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 的痕量杂质。
日常生活： 木炭吸湿、吸臭；防腐剂；吸湿剂（硅胶）
随着p增大，吸附量q随之增加。但p增加到一定程度后，q不再变化。 Freundlich方程为经验公式。
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。
弗兰德里希等温线
相对吸附量
相对压力
• n一般大于1，n值越大，其吸附等温线与线性偏离越大。 • 当n>10，吸附等温线几乎变成水平线，是不可逆吸附。
（二）按吸 附剂再生方 法分类：
吸附
变温吸附（TSA)
几乎专门用于处理量较小的物料的分 离，吸附剂主要靠加热法得到再生。
变压吸附(PSA)
系统加压时发生吸附，系统减压时 发生解吸。广泛用于大通量气体混 合物的分离。 被吸附组分的质量分数大 于10%
（三）按原料组成 吸附 分类： （四）按分离 机理分类：
——需要进行试验研究
本节思考题
(1)常用的吸附剂有哪些。
(2)吸附剂的主要特性是什么。 (3)简述几种吸附剂的制备、结构和应用特性：活 性炭、活性炭纤维、炭分子筛、硅胶、活性氧 化铝和沸石分子筛。
第三节 吸附平衡
本节的主要内容
一、单组分气体吸附 二、双组分气体吸附
三、液相吸附
吸附平衡与平衡吸附量
活化：形成发达的细孔。两种办法:
气体法：通入水蒸气，温度在800－1000度； 药剂法：加入氯化锌、硫酸、磷酸等
吸附法的分类
吸附法的分类
吸附法主要可以分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三类。
1. 物理吸附：基于吸附剂与溶质之间的分子间作用力即范德华力。
溶质在吸附剂上吸附与否或吸附量的多少主要取决于溶质与吸附剂极性的相似性和溶剂的极性。
一般物理吸附发生在吸附剂的整个自由表面，被吸附的溶质可通过改变温度、PH和盐浓度等物理条件脱附。
2. 化学吸附：会释放大量的热，吸附热高于物理吸附。
化学吸附一般为单分子层吸附，吸附稳定，不易脱附，故洗脱化学吸附质一般需采用破坏化学结合的化学试剂为洗脱剂。
化学吸附具有高选择性。
3. 离子交换吸附：所用吸附剂为离子交换剂。
离子交换剂表面含有离子基团或可离子化基团，通过静电引力吸附带有相反电荷的离子，吸附过程发生电荷转移。
离子交换的吸附质可以通过调节PH或提高离子强度的方法洗脱。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
第九章吸附法
机理不同： 离交法－静电引力吸附； 吸附法－范德华引力吸附。
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（2）大孔树脂吸附剂结构与类型
按骨架极性： 非极性（苯乙烯-二乙烯苯） 中等极性（甲基丙烯酸酯） 极性 (硫氧基、酰胺、N-O基、磺酸基)
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（3）大孔树脂吸附剂吸附条件选择
将吸附剂填装在玻璃 或不锈钢管中，构成层析 柱，层析时欲分离的样品 自柱顶加入，当样品溶液 全部流入吸附层析柱后， 再加入溶剂冲洗。冲洗的 过程称为洗脱，加入的溶 剂称为洗脱剂。
25
26
1、上样和洗脱
样品体积一般应小于床体积的1/2 。 待样品液的液面流到固定相表面时，开始冼脱立即进行 分级收集(按体积或时间分管收集)。
CED=δ2=E/V
E—摩尔内能；V—摩尔体积
分子结构越相似，就越接近 两个物质溶解度参数的数值接近时，有利于互相溶
解。
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大孔吸附剂解吸条件
溶剂的溶解度参数和聚合物的溶解度参数接近时， 溶剂愈易溶胀聚合物。 （洗 聚）
聚苯乙烯等聚合物的溶解度参数约为18.4
溶剂 丁酮 丙酮 丁醇 丙醇 乙醇 甲醇 水 δ 19.0 20.4 23.3 24.3 2互溶） ：
非极性吸附剂从极性溶剂中吸附非极性物质 高极性吸附剂从非极性溶剂中吸附极性物质 中等极性吸附剂对两种情况均有吸附能力 孔径与比表面（孔径6倍于分子直径）
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非极性吸附剂
中等极性吸附剂 中等非极性吸附剂
吸附法提取的生化物质大多是弱极性或 非极性，一般选非极性或中等极性。
一、 吸附法概述
吸附：利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有
选择吸附的能力，使其富集在吸附剂表面， 而从混合物中的分离的过程。
环境工程原理第九章吸附
环境工程原理第九章吸附1.引言吸附是环境工程中一种常见的处理技术，它利用固体表面与溶质之间的相互作用力，将溶质从溶液中去除。
吸附过程是一个动力学过程，它包括吸附平衡和吸附速率两个方面。
本章将重点介绍吸附原理及其在环境工程中的应用。
2.吸附原理吸附是一种表面现象，它是在固体表面上形成一个液体或气体分子层的过程。
吸附分为物理吸附和化学吸附两种类型。
物理吸附是指分子在吸附剂表面上凝聚形成薄层的过程。
物理吸附的主要作用力是范德华力，范德华力是由于电子云的不规则运动而引起的，它的作用范围很短，只有几个分子层的距离。
物理吸附的吸附热一般在20-60 kJ/mol之间。
化学吸附是指溶质分子在吸附剂表面上与吸附剂形成化学键的过程。
化学吸附的主要作用力是化学键，它的作用范围比范德华力要长，可以达到几个分子层的距离。
化学吸附的吸附热一般在80-400 kJ/mol之间。
吸附过程是一个动态平衡过程，它可以用等温吸附线来描述。
等温吸附线是指在一定温度下，吸附系统中吸附剂表面上吸附物浓度与溶液中吸附物浓度之间的关系。
等温吸附线分为等温吸附线和等温吸附线两种类型。
等温吸附线是指在固定温度下，将吸附剂暴露在饱和蒸气中，记录吸附剂表面上吸附物的浓度和蒸气中吸附物的浓度之间的关系。
等温吸附线一般呈现为S型曲线，这是由于吸附过程的初始阶段存在物理吸附和化学吸附两个阶段的共存，随着吸附物浓度的增加，物理吸附的贡献逐渐减小而化学吸附的贡献逐渐增加。
等量吸附线是指在固定温度下，将吸附剂暴露在不同浓度的溶液中，记录吸附剂表面上吸附物的浓度和溶液中吸附物的浓度之间的关系。
等量吸附线和等温吸附线相似，都呈现为S型曲线。
3.吸附过程的影响因素吸附过程受多种因素的影响，主要包括吸附剂的性质、溶质的性质、溶液的性质和操作条件等。
吸附剂的性质是影响吸附过程的主要因素之一、吸附剂的孔径大小、比表面积和表面官能团等特征决定了它的吸附性能。
孔径大小对吸附剂的吸附能力有很大影响，较小的孔径能提高吸附剂的选择性，较大的孔径则有助于更大分子的扩散。
6气态污染物的治理-吸收法
• 缺点： • 化学吸收流程长，设备较多，操作也较复
杂，吸收剂价格较贵，同时由于吸收能力 强，吸收剂不易再生。
③酸性吸收液 浓硝酸和浓硫酸吸收NOx和SOx
④有机吸收液 吸收有机气体
7、吸收设备：
①气液接触面大，接触时间长； ②气液之间扰动强烈，吸收效率高； ③流动阻力小，工作稳定； ④结构简单，维修方便，投资和运行维修费用低 ⑤具有抗腐蚀和防堵塞能力。
7.1.2、板式塔
1、工作过程：吸收液体由 上部喷头喷入，被吸收气 体由下部送入，气液在中 间塔板层相互接触。常用 的塔板有筛孔板、斜孔板、 筛网等。
2、特点：吸收效率高等。 缺点是板孔容易堵塞，吸 收过程必须保持恒定的作 业条件，且体积大，构造 复杂，造价较高。
浮阀塔浮阀（a）V-4型，（b）T型
• 催化转化法是在催化剂的作用下，将废气中气态 污染物化为非污染物或其他易于清除的物质。
• 冷凝法是利用气体沸点不同，通过冷凝将气态 污染物分离。
• 生物法主要依靠微生物的生化降解作用分解污 染物。
• 膜分离法利用不同气体透过特殊薄膜的不同速 度，使某种气体组分得以分离。
• 电子辐射-化学净化法则是利用高能电子射线激 活、电离、裂解废气中的各组分，从而发生氧 化等一系列化学反应，将污染物转化为非污染 物。
–吸收剂对溶质应有良好的选择性，即对于混合气中待吸 收组分的溶解度要大，对其余组分的溶解度要小；
–溶剂的挥发性要小，以减少溶剂的损失量； –溶剂的粘度要低，这样有利于气、液接触，提高吸收速
率，也便于输送；
–无毒；难燃；腐蚀性小；易得价廉； –易于再生利用；不污染环境。
①水是常用的吸收剂。常用于净化煤气中的CO2和 废气中的SO2、HF、SiF4以及去除NH3和HCl等。
《大气污染控制工程》教案 第九章
《大气污染控制工程》教案第九章《大气污染控制工程》教案第九章第九章固定源氮氧化物污染控制第一节氮氧化物性质及来源氮氧化物是造成大气污染的主要污染源之一。
我们通常所说的氮氧化物主要包括：n2o,no,n2o3,no2,n2o4和n2o5,大气中nox主要以no，no2形式存在，但最近研究发现n2o不仅对全球气候变暖有显著影响，而且也参与对臭氧层的破坏。
n2o又称笑气，是一种具有麻醉特征的惰性气体，它在环境大气中的含量非常少，显著低于对生物产生影响的限值。
大气中氮氧化物的来源主要存有两方面。
一方面就是由自然界中的固氮菌、雷电等自然过程所产生；另一方面就是化工生产中的硝酸生产、硝化过程、炸药生产和金属表面硝酸处置等。
第二节燃烧过程中氮氧化物的形成机理一、热力型氮氧化物构成的热力学1.一氧化氮生成量与温度的关系2.一氧化氮与二氧化氮之间的转变3.烟气冷却对一氧化氮和二氧化氮平衡的影响二、热力型氮氧化物构成的动力学―泽利多维奇模型三、瞬时一氧化氮的构成四、燃料型氮氧化物的构成第三节低氮氧化物燃烧技术一、传统的高氮氧化物冷却技术早期开发的低氮氧化物燃烧技术不要求对燃烧系统作大的改动，只是对燃烧装置的运行方式或部分运行方式作调整或改进。
因此简单易行，可方便的用于现存装置，但一氧化氮的降低幅度有限。
这类技术包括低氧燃烧、烟气循环燃烧、分段燃烧、浓淡燃烧技术等。
1.高空气短缺系数运转技术氮氧化物排放量随着炉内空气量的增加而增加，为了降低氮氧化物的排放量，锅炉应在炉内空气量较低的工况下运行。
采用低空气过剩系数运行技术，不仅可以降低氮氧化物的排放，而且减少了锅炉排烟热损失，可提高锅炉热效率。
-1-2.降低助燃空气预热温度课堂教学说明，这一措施不必用作燃煤、燃油锅炉，对于燃气锅炉，则存有减少氮氧化物排放量的显著效果。
3.烟气循环燃烧烟气循环冷却法使用冷却产生的部分烟气加热后，在循环送到冷却区，起著减少氧浓度和冷却区温度的促进作用，以达至增加一氧化氮生成量的目的。
环境工程原理吸附
1/n • 1/n越小，说明吸附可在相当宽的浓 度范围下进行。 k
• 一般认为 1/n = 0.1 – 0.5 时容易吸附
双对数坐标
上节回顾
特征
吸 附 剂 表 面
分子间力 化学键力 静电引力
物理吸附 化学吸附 交换吸附
靠吸附质离子 表面能降低， 吸附剂与吸附 为放热反应； 与吸附剂表面 质之间由于化 带电点上的静 吸附无选择性， 电引力聚集在 学键力发生了 分子引力随分 吸附剂表面， 子量增大而增 化学反应。 同时放出等当 加； 量的同号离子。 无化学反应发 生。
子筛的作用，故称为分子筛。
第二节 吸附剂
吸附剂的选择
如何选择适宜的吸附剂？ ——需要根据被分离对象、分离条件和吸附剂本身的特点 确定 ——需要进行试验研究
第三节 吸附平衡
本节的主要内容
一、单组分气体吸附
二、双组分气体吸附 三、液相吸附
第三节 吸附平衡
吸附平衡与平衡吸附量
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。 解吸速度 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 → → 吸附平衡
脱附” 。
上节回顾
吸附平衡与平衡吸附量
活性炭有吸附汞和汞化合物的性能，但因其吸附能力有限，只适宜于处理 含汞量低的废水。
第一节 吸附分离操作的基本概念
炼油厂、印染厂废水的深度处理
某炼油厂含油废水，经隔油，气浮和生物处理后，
再经砂滤和活性炭过滤深度处理。
废水的含酚量从0.1mg/L(生物处理后)降至0.005mg/L， 氰从0.19mg/L降至0.048mg/L，COD从85mg/L降至18mg/L。
活性炭纤维吸附能力比一般活性炭要高1～10倍。
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(硫氧基、酰胺、N-O基、磺酸基)
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（3）大孔树脂吸附剂吸附条件选择
1 ）吸附剂的选择（相似互溶） ： 非极性吸附剂从极性溶剂中吸附非极性物质 高极性吸附剂从非极性溶剂中吸附极性物质 中等极性吸附剂对两种情况均有吸附能力 孔径与比表面（孔径6倍于分子直径）
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非极性吸附剂
中等极性吸附剂
一、 吸附法概述
利用吸附剂对液体或气体中某一组分具有 吸附：
选择吸附的能力，使其富集在吸附剂表面， 而从混合物中的分离的过程。
典型的吸附过程包括四个步骤：
待分离的料液 通入吸附剂 吸附质被吸附 在吸附剂表面 吸附质解吸 吸附剂再生
2
料液流出
吸 附 法 特点
（1） 不用或少用有机溶剂 （2） 操作简便、安全、设备简单 （3） 从稀溶液分离溶质 （4） 选择性较差，收率低
3
吸附法的应用
气体过滤 水处理 脱色、除臭 目标产物的分离
二 吸附过程的理论基础
吸附：物质从流体相浓缩到固体表面而达到分离 的过程。
吸附剂：在表面能发生吸附作用的固体。
吸附物：被吸附的物质
5
固体内部分子所受分子间的作用力是对称的，而固
体表面分子所受力是不对称的。向内的一面受内部分子
溶剂 丁酮 δ 19.0 丙酮 20.4 丁醇 23.3 丙醇 24.3 乙醇 25.9 甲醇 水
29.6 47.3
溶剂的解吸能力逐渐降低
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大孔吸附剂解吸条件
b. 洗脱剂对被吸附物有较大的溶解度。
例 赤霉素(920)：吸附时选XAD-2树脂（聚苯乙烯型）聚18.4 洗脱剂选乙酯
∵ ① 乙＝18.6，溶解度参数接近，易溶胀XAD-2树脂；
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2 工业废水的处理和利用
大孔吸附树脂对工业废水，废液的处理也有着广泛的 应用。 如废水中含苯、硝基苯、氯苯、氟苯、苯酚、硝基酚、 对甲酚、奈酚、苯胺、对苯二胺、水杨酸、奈磺酸等 有机物均具有很好的吸附、回收净化作用。 且对废液中有害物质的浓度含量适应性强。
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四、 影响吸附因素
吸附剂性质：
中等非极性吸附剂
吸附法提取的生化物质大多是弱极性或 非极性，一般选非极性或中等极性。
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大孔树脂吸附剂吸附条件选择
2）无机盐的影响 3）吸附pH 弱酸物质：pH<pK 弱碱物质：pH>pK （呈分子状态） 中性物质：pH无影响（不会电离）。 促进作用
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（4）大孔吸附剂解吸条件
1） 选择洗脱剂原则
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◆大孔树脂吸附法与离子交换法的比较：
相同：骨架结构
区别： 介质不同：离交法－离交树脂，骨架上接有离子交换基团； 吸附法－吸附树脂，无离交基团。
机理不同： 离交法－静电引力吸附；
吸附法－范德华引力吸附。
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（2）大孔树脂吸附剂结构与类型
按骨架极性：
非极性（苯乙烯-二乙烯苯） 中等极性（甲基丙烯酸酯） 极性
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大孔吸附剂解吸条件
6. 洗脱pH： 弱酸性物质：吸附偏酸性(pH<pK)，洗脱碱性水溶液 弱碱性物质：吸附偏碱性(pH>pK)，洗脱酸性水溶液
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大孔吸附树脂的应用
1 生化制药方面的应用
抗生素分离纯化（再生容易、产品灰分少）：β-内酰胺类、 大环内酯类、氨基糖苷类、肽类、博莱霉素类、含氮杂环类 及其他新抗生素 维生素的提取纯化： VB12，VB2，VC 天然产物的分离：生物碱，黄酮，多糖，苷类 、红景天甙等 生化药物：酶, 氨基酸, 蛋白质, 肽,甾体
吸附容量（a 比表面，b 孔隙度） 吸附速度（a 粒度，b 孔径分布） 机械强度（使用寿命）
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吸附物性质:
①溶质在易溶解的溶剂中吸附量小 ②极性吸附剂易吸附极性物质
溶液pH 的影响 （解离度） 温度的影响 （吸附热，溶解度） 其它组分的影响（促进/干扰/互不影响）
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五 、吸附柱层析法操作法
a.
洗脱剂应容易溶胀大孔树脂吸附剂。
溶质对聚合物的溶胀能力可用溶解度参数δ来表征。
CED=δ2=E/V
E—摩尔内能；V—摩尔体积
分子结构越相似，就越接近 两个物质溶解度参数的数值接近时，有利于互相溶 解。
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大孔吸附剂解吸条件
溶剂的溶解度参数和聚合物的溶解度参数接近时，
溶剂愈易溶胀聚合物。 （洗 聚） 聚苯乙烯等聚合物的溶解度参数约为18.4
2、洗脱剂的选择
①纯度较高；
②稳定性好；
③能较完全洗脱所分离的成分； ④黏度小；
⑤易和所需要的成分分开。
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选择洗脱剂的顺序是由极性小到极性大（正向吸附）。 当把极性小的洗脱剂换成极性大的时，宜先将极性大的和极 性小的洗脱剂混合使用，浓度则由低到高。
② 易溶于乙酯中。
洗脱容易，洗脱峰很集中。
18
大孔吸附剂解吸条件
2.吸附在高浓度盐溶液中（加盐析剂），则洗 脱可仅用水。
3.易挥发性物质，用热水或蒸汽解吸。
4.流速（空间速度，线速度）洗脱液的流速务 必恰当控制。如果太快，洗脱物在两相中的 平衡过程不完全；如果太慢，洗脱物会扩散。 5.树脂高径比（3:1）
将吸附剂填装在玻璃 或不锈钢管中，构成层析 柱，层析时欲分离的样品 自柱顶加入，当样品溶液 全部流入吸附层析柱后， 再加入溶剂冲洗。冲洗的 过程称为洗脱，加入的溶 剂称为洗脱剂。
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1、上样和洗脱
样品体积一般应小于床体积的1/2 。 待样品液的液面流到固定相表面时，开始冼脱立即进行 分级收集(按体积或时间分管收集)。
吸附剂通常应具备以下特征：
表面积大、颗粒均匀 对被分离的物质具有较强的吸附能力 有较高的吸附选择性 机械强度高 再生容易、性能稳定 价格低廉。
8
按化学结构分
有机吸附剂：活性炭、大孔树脂、聚酰胺等。
无机吸附剂：氧化铝、硅胶、羟基磷灰石等。
9
大孔树脂吸附剂
（1）什么是大孔树脂吸附法？ 将多孔的大孔树脂作为吸附剂，利用表面分子 与物质分子间范德华引力，把液相中物质吸附到吸 附树脂表面。
的作用力较大，故能够从外界吸附物质。
图21-1界面上分子和内部分子所受的力
6
按吸附剂和吸附物之间的作用力分：
1、物理吸附: 依据范德华力，放热，可逆，单
分子层或多分子层，选择性差
2、化学吸附: 依据化学键，放热量大，单分子，
选择性强
3、交换吸附: 吸附剂吸附后同时放出等当量的离
子到溶液中
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三、常用吸附剂种类