吸附与吸附剂
吸附热力学-吸附及吸附过程
其他实验技术
热力学参数测量
通过测量吸附过程中的热力学参数，如吸附热、焓变、熵变等，来研究吸附过程的热力学性质。这些参数可以提 供关于吸附剂和吸附质之间相互作用的重要信息。
微观结构表征
利用现代分析技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等，对吸附剂 和吸附后的表面进行微观结构表征。这些技术可以揭示吸附剂和吸附质之间的相互作用机制以及吸附过程的本质 。
动态法研究吸附过程
流动法
在一定的温度和压力下，使气体或液体以一定的流速流过吸 附剂，通过测量流出物中吸附质的浓度变化来研究吸附过程 。这种方法可以模拟实际工业过程中的动态吸附现象。
色谱法
利用色谱技术对混合气体或液体进行分离，并通过检测器测 量各组分的浓度变化来研究吸附过程。色谱法具有高灵敏度 、高分辨率和高效率等优点，适用于复杂体系的吸附研究。
动态法研究吸附过程
流动法
在一定的温度和压力下，使气体或液体以一定的流速流过吸 附剂，通过测量流出物中吸附质的浓度变化来研究吸附过程 。这种方法可以模拟实际工业过程中的动态吸附现象。
色谱法
利用色谱技术对混合气体或液体进行分离，并通过检测器测 量各组分的浓度变化来研究吸附过程。色谱法具有高灵敏度 、高分辨率和高效率等优点，适用于复杂体系的吸附研究。
基于经验公式描述多分子层吸附，适用于不均匀表面的吸附过程，但参数缺乏明确的物 理意义。
Freundlich-Temkin模型
引入线性关系描述吸附热与覆盖度之间的关系，改进了Freundlich模型的局限性。
Dubinin-Radushkevich模型
基于微孔填充理论，适用于描述微孔吸附剂的吸附行为，可计算吸附过程的平均自由能 变化。
化工分离工程第7章 吸附
FLGC
活性氧化铝和分子筛的脱水性能比较
活性氧化铝:在水蒸气分压高的范围内吸附容量较高 沸石分子筛：在低水蒸气分压下吸附容量较高 因此，若要求水蒸气的脱除程度高，应选用？ 若吸附容量更为重要，则应选用？ 也可混用，先用氧化铝脱除大部分水，之后用分子筛进 行深度干燥。
FLGC
其他吸附剂
反应性吸附剂：能与气相或液相混合物中多组分进行化学 反应而使之去除。适用于去除微量组分（反应不可逆，不 能现场再生；吸附负荷高时，吸附剂更换过于频繁，不经 济）。 生物吸着剂：利用微生物将吸附的有机物氧化分解成二氧 化碳和水等，如工业废水的生化处理
FLGC
分子筛
分子筛亦称沸石，是一种晶态的金属水合铝硅酸盐晶体。
化学通式：Mex/n[(AlO2)x(SiO2)y]mH2O，其中Me阳离子，n 为原子价数，m为结晶水分子数 每一种分子筛由高度规则的笼和孔组成，它具有高度选择 性吸附性能，是由于其结构形成许多与外部相通的均一微 孔。
FLGC
根据原料配比、组成和制造方法不同可以制成各种孔 径和形状的分子筛。见课本表7-3。 强极性吸附剂，对极性分子如H2O、CO2、H2S等有 很强的亲和力，对氨氮的吸附效果好，而对有机物的 亲和力较弱。 分子筛主要用于气态物的分离和有机溶剂痕量水的去 除。
工业吸附剂可以是球形、圆柱形、片状或粉末状 粒度范围从50μm至1.2cm，比表面积从300至1200m2/g, 颗粒的孔隙度30%—85%, 平均孔径1-20nm 孔径：按纯化学和应用化学国际协会的定义，微孔孔径 小于2nm，中孔为2~50nm，大孔大于50nm
FLGC
1.密度
1）填充密度B（又称体积密度）: 是指单位填充体积的吸 附剂质量。通常将烘干的吸附剂装入量筒中，摇实至体积 不变，此时吸附剂的质量与该吸附剂所占的体积比称为填 充密度。
简述吸附质被吸附剂吸附的过程
简述吸附质被吸附剂吸附的过程吸附是指一种物质在另外一种物质表面上附着的现象，涉及到吸附剂和吸附质两个物质。
例如，在有机玻璃表面上，水珠在表面停留是由于水分子被吸附在表面上。
吸附过程是物质的表面现象之一，也是广泛存在于自然界和工业生产中的重要现象之一。
吸附过程可以被归类为三种类型：物理吸附、化学吸附和生物吸附，每种类型均由不同的机理和方式组成。
1. 物理吸附物理吸附是指吸附剂和吸附质之间的物理相互作用，通常涉及到范德华力和静电相互作用。
当两个物质接近时，吸附剂的表面吸引吸附质分子，并将分子“强烈地”拉近吸附剂表面，形成一个薄的吸附层。
随着温度的升高，吸附质分子变得更加粗糙，并呈现不规则排列的状态。
物理吸附过程不消耗能量，吸附强度一般较弱，也可以被外部力量（例如冲洗）移除。
2. 化学吸附化学吸附是吸附剂和吸附质之间形成化学键，大部分情况下是共价键。
当吸附质和吸附剂表面化学官能团发生作用时，它们会形成一个新的化合物，吸附质分子被更紧密地固定在吸附剂表面。
这种吸附过程通常需要提供能量，因为化学键的形成是需要能量的，吸附强度比物理吸附要大，难以被化学诱导清除。
3. 生物吸附生物吸附是指由微生物（如细菌）来吸附其他物质，也包括多肽、DNA、酵素和抗体等生物分子。
生物吸附通常通过将吸附质周围的物质聚集在一起，例如利用丝状分子聚集的特性将微生物附着在底板上。
生物吸附在环境保护和医疗领域中具有重要的应用。
综上所述，不同类型的吸附过程具有不同的机理和特征，但它们都是涉及到吸附剂和吸附质之间的相互作用。
吸附过程已经被广泛应用于许多领域，例如环境保护、化学工业和医疗领域等。
通过了解各种吸附过程的特征和机理，我们可以更好地理解它们的应用和优化各种工业流程。
问题与讨论解释下列名词吸收absorption吸附adsorption吸附剂
問題與討論1.解釋下列名詞:吸收(absorption)、吸附(adsorption)、吸附劑(absorbent)、受吸相(adsorbed phase)、受吸物貨吸附質(adsorbate)、收附(sorption)、物理吸附(physical adsorption)、化學吸附(chemical adsorption)。
吸收(absorption)藉氣體與液體的接觸，使氣相中的溶質傳送到液相中，以達到分離的目的。
化學吸收：氣相中溶質溶於液相，會與溶劑起反應的。
物理吸收：氣相中溶質溶於液相，不會與溶劑起反應的。
吸附(Adsorption)氣相或液相內部的濃度，常異於再另一個接觸面的液相或固相上的濃度，通常介面上的濃度會比較高，這種物質集中在液體或固體界面上吸附的物質稱為吸附(Adsorption)。
吸附劑(absorbent)吸附劑是能有效地從氣體或液體中吸附其中某些成分的固體物質。
吸附質(Adsorbate)或受吸相(Adsorbate phase)被界面吸附的物質稱為吸附質(Adsorbate)或受吸相(Adsorbate phase)。
物理吸附(physical adsorption)物理吸附不與發生反應，具有吸附熱低，吸附平穩是可逆且快速的特點。
化學吸附(chemical adsorption)化學吸附則會與之發生反應，常伴隨較高的熱量變化。
2.本實驗所用的過濾器材，以選用玻璃燒結過濾裝置，較使用濾紙為佳，有什麼理由？若只能用濾紙如何改進？3.顆粒狀的活性碳如何產生？在缺氧及高溫﹝300–500度C﹞的條件下，將原料熱解形成多裂孔性的炭結構體。
在炭化期間，大部份的非炭元素，例如氫和氧，藉由原料之裂解程序而以揮發性氣體產物被去除，如此炭化產物炭原子組合─芳香族環之片狀結構，由於非常不規則，故會形成一些裂隙，這些裂隙將會在活化程序中，形成更發達的微孔結構。
再利用活化劑放出的氣體，或用活化劑浸漬原料，在高溫處理後都可得到活性炭。
吸附剂与吸附质之间的作用力
吸附剂与吸附质之间的作用力吸附作用力可分为物理吸附和化学吸附两种。
物理吸附是指吸附剂与吸附质之间的相互作用力主要是范德华力。
范德华力主要包括静电力、诱导力和色散力。
静电力是由于吸附剂表面存在带电粒子所产生的相互作用力。
诱导力是由于吸附剂表面带电粒子在吸附质的作用下引起周围电荷的重排，从而引发相互作用力。
色散力是由于吸附剂表面的分子间距不规则导致的分子间碰撞引发的相互作用力。
化学吸附是指吸附剂与吸附质之间的相互作用力主要是化学键力。
化学吸附是通过化学键的形成来进行的。
吸附剂的表面活性中心与吸附质的活性基团进行化学反应，形成共价键或离子键，从而实现吸附。
吸附作用力的强弱受到多种因素的影响。
首先是吸附剂和吸附质之间的相互作用力大小。
相互作用力愈强，吸附作用力就愈大。
其次是吸附剂和吸附质的表面性质。
表面活性更好的物质具有更强的吸附能力。
例如，具有更多活性基团和更大表面积的物质具有更强的吸附能力。
此外，温度、压力和物质浓度也会影响吸附作用力的强弱。
一般来说，温度越高，吸附作用力越弱。
在较高的压力和浓度条件下，吸附作用力也会增强。
吸附作用力的研究对于理解和应用很多领域都有重要意义。
在环境领域，吸附作用力有助于处理水和空气中的污染物。
吸附剂可以通过吸附作用力将有害物质从环境中去除，改善环境质量。
在材料科学领域，吸附作用力有助于设计和开发高效的吸附剂材料。
吸附剂的性能取决于其吸附作用力的强弱，因此了解吸附作用力对于材料设计具有重要意义。
在化工和制药工业中，吸附作用力有助于分离和纯化物质。
根据吸附作用力的不同强弱，可以实现对混合物中的组分的选择性吸附和分离。
总结起来，吸附剂与吸附质之间的作用力主要是吸附作用力，其中物理吸附以范德华力为主，而化学吸附以化学键力为主。
吸附作用力的强弱受到多种因素的影响，如相互作用力的大小、表面性质、温度、压力和物质浓度等。
吸附作用力的研究对于环境、材料科学、化工和制药工业等领域具有重要意义。
吸附剂
吸附剂（吸收剂）用以选择性吸附气体或液体混合物中某些组分的多孔性固体物质称吸附剂。
吸附剂通常制成球形、圆柱形或无定形的颗粒或粉末。
优良吸附剂应具有的特性主要是单位质量吸附剂具有较大的表面积，对吸附质具有较大的吸附能力（即平衡吸附量大）。
并且具有良好的选择性，即能优先吸附混合物中某些组分。
此外，还要求容易再生（即平衡吸附量对温度或压力的变化敏感），具有足够的强度和耐磨性等。
常用的吸附剂有：①活性白土、硅藻土等天然物质。
常用于油品和糖液的脱色精制；②活性炭。
由各种含炭物质经炭化和活化处理而成，耐酸碱但不耐高温，吸附性能良好，多用于气体或液体的除臭、脱色、以及溶剂蒸气回收和低分子烃类的分离；③硅胶。
由硅酸钠水溶液脱钠离子制成的坚硬多孔的凝胶颗粒，能大量吸收水分，吸附非极性物质量很少，常用于气体或有机溶剂的干燥以及石油制品的精制；④活性氧化铝。
由氧化铝的水合物加热脱水制成的多孔凝胶和晶体的混合物，常用于气体和有机物的干燥；⑤合成沸石。
又称分子筛，人工合成的硅铝酸盐，具有均匀的孔径，热稳定性高，选择性好，用于气体和有机溶剂的干燥及石油馏分的吸附分离等；⑥合成树脂。
具有巨型网状结构，常用的有非极性树脂，如苯乙烯-二乙烯基苯共聚体；极性树脂，如聚甲基丙烯酸酯，用于废水处理、维生素的分离、药剂的脱色和净制等。
1、吸附分离应用背景：吸附操作在化工、轻工、炼油、冶金和环保等领域都有着广泛的应用。
如气体中水分的脱除，溶剂的回收，水溶液或有机溶液的脱色、脱臭，有机烷烃的分离，芳烃的精制等。
2、吸附的定义及概念：固体物质表面对气体或液体分子的吸着现象称为吸附。
其中被吸附的物质称为吸附质，固体物质称为吸附剂。
3、吸附机理的分类：根据吸附质和吸附剂之间吸附力的不同，吸附操作分为物理吸附与化学吸附两大类。
⑴、物理吸附或称范德华吸附：它是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果，因其分子间结合力较弱，故容易脱附，如固体和气体之间的分子引力大于气体内部分子之间的引力，气体就会凝结在固体表面上，吸附过程达到平衡时，吸附在吸附剂上的吸附质的蒸汽压应等于其在气相中的分压。
吸附剂和吸附质吸附剂
❖ 吸附剂与吸附质之间发 生了化学反应。
❖ 表面能降低，靠吸附质 离子与吸附剂表面带电 点上的静电引力聚集在 吸附剂表面，同时放出 等当量的同号离子。
第1节 概 述
四、吸附平衡与吸附等温线 (一) 吸附平衡
平衡浓度
当溶液中吸附质的 浓度和吸附剂单位吸附 量不再发生变化时，达 到了吸附平衡。
过吸 滤附
悬浮物、油类、胶体; 水质、水量调节
混凝、沉淀、气浮 调节池 中和
曝气生物滤池 生物炭技术 MBBR
排放
第 3 节 吸附工艺设计
固
定
床
流
动
床
第 3 节 吸附工艺设计
流化床
第 3 节 吸附工艺设计
(二) 工艺设计 1 吸附塔
塔径1.0～3.5m；填充高度3.0～10m；填充层与塔径比1～4。 2 控制条件
第 3 节 吸附工艺设计
一 、设计参数的来源
1 借鉴同类设计参数 2 进行吸附实验
吸 静 ❖最水佳质吸条附件
动
附 实
态 ❖剂吸选附择时间
❖ 饱和吸附量
实 ❖吸单附位类废型水吸
态 实
验 验 确附定剂用量；
验
提供设计参数
❖ 串联级数 ❖ 吸附周期 ❖ 通水倍数m3/kg ❖ 空塔流速v ❖ 接触时间 t = h/v ❖ 设备规模 ❖ 投资及运行费用
容积速度：固定床< 2m3/m3·h； 移动床< 5m3/m3·h以下。
空塔流(线)速：固定床 2.0～10.0m/h； 移动床 10.0～30.0m/h。
接触时间：10~50min
第 3 节 吸附工艺设计
3 连续吸附串联级数的确定
吸附剂和吸附质吸附剂
立式多段再生炉、旋转再生炉。
第 4 节 吸附剂的再生
二、溶剂再生 1 原理
吸附质与熔剂的亲和力大于与吸附剂的亲和力。
2 常用再生剂
酸碱类、有机溶剂。 吸附的酚、醋酸可用氢氧化钠再生。 吸附的DDT可用异丙醇再生。
三、其它再生方法
氧化法、生物法等
第 5节 应用及进展
一、应用
给水处理 嗅、味的吸附净化； 微量污染物的吸附净化。
四、设计
(一) 工艺流程与设备
间歇式操作
废水
预处理
吸附
排放
去除废水中影 响吸附的杂质:
悬浮物、油类、胶 体
废水和吸附剂在相对 运动过程中完成吸附
混凝、沉淀、过滤
固定床、流化床、移动床
第 3 节 吸附工艺设计
混凝沉淀(气浮) 催化氧化
厌氧—好氧 好氧
有机物 胶体
深度处理技术
废水 预处理
生 化
高效物化技术 强化生物技术
于什么状态？
Company
LOGO
x b( x / m)0 e
m
1be
第1节 概 述
五、影响吸附的因素
(一) 吸附剂的性质 1 物理性质：孔的大小、比表面积；
2 表面化学特性：表面的极性。
(二) 吸附质的性质 1 溶解度； 2 分子量； 3 分子极性；
第1节 概 述
(三) 操作条件
温度：物理吸附、化学吸附； pH 值：影响吸附质的存在状态和吸附剂表面特性。 接触时间： 共存物质：诱发物；干扰物； 生物协同作用：繁殖微生物，有利于有机物的分解。
原水浓度C0
10 8 6 4 2
0
10
A
B
20
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Gas phase
Adsorption space
Solid phase, Vs
Gibbs surface Surface of the solid
1.2 发展历程
吸附剂的发展历程：
木炭、活性炭、碳纳米管、石墨烯 沸石分子筛、有序介孔材料、MOF
1.2 发展历程
吸附理论的发展历程：
1918年提出吸附领域第一个理论公式：Langmuir方程
U (r ) ar br
6
12
2.2 偶极子相互作用
色散力 > 偶极子作用 > 四极子作用 r-3
静电力
2.3 在吸附质和吸附剂之间或吸附剂相 四极子相互作用
互之间也产生静电引力或斥力。当固体表 面有酸性位或碱性位时，表面就带正电荷 或负电。这种表面在溶液中就会发生离 子交换。
氢键
吸附质（adsorbate）被吸附的物质。
吸附等温线（adsorption isotherm）温度一定时， 吸附量与压力（气相）或浓度（液相）的关系。 吸附等压线（adsorption isobar）压力一定时，吸附 量与温度的关系。 吸附定量线（adsorption isostere）吸附量一定时， 压力与温度的关系。
BY-2
BY-2-HNO3 3.50 1834 1.04 1.00 3.46 1.35 0.17 1.81 0.13
BY-2-H3PO4 2.86 1794 0.98 0.92 2.15 1.36 0.07 0.70 0.023
BY-2-NH3H2O 3.61 2061 3.92 1.01 1.09 0.44 0.34 0.28 0.03
孔
IUPAC 分类： 微孔 中孔 （micropore）: <2.0nm (mesopore) : 2.0-50nm
大孔
(macropore) : >50nm
1.6 密度
真密度：质量除以不包括孔容积（但包括闭 孔孔容）在内的体积得到的密度。 表观密度：质量处以包括孔容积在内的体积 得到的密度。 容积密度（堆密度）：质量处以包含粉末粒 子间隙的体积得到的密度。
Ⅳ和Ⅴ型等温线
n
n
B
ห้องสมุดไป่ตู้
0 p/p0
1
0 p/p
0
1
中孔凝聚
Ⅵ类等温线
n
p/p0
均匀表面，每一台阶相当于吸满一层分子
参考文献
1、F. Rouquerol, J. Rouquerol, K. Sing, Adsorption by powders and porous solids, Academic Press, 1999 2、 Duong D.Do. Adsorption analysis: equilibria and kinetics. Imperial College Press, 1998 3、J. Toth. Adsorption theory, modeling, and analysis. New York: Marcel Dekker, Inc, 2002, 175 叶振华，化工吸附分离工程，1992 R.T.Yang, 吸附法气体分离，1991 严继民，吸附与凝聚，1986
羟基-OH、羧基-COOH、磺酸基-SO3H、氨基-NH2 等官能团 O、S、N、F、Cl
H
氢键作用力是范德华力的5-10倍。
1.6 吸附剂
表面性质 比表面积和孔径分布 密度、硬度等
吸附剂表面特性
理想表面
非理想表面
极性表面
非极性表面
表面修饰
MCM-41 有序介孔材料的透射电镜图（TEM）
真密度测量
C pref
Vt
p
1.3 吸附等温线
n=f(T，p)
氧气在活性炭上吸附等温线
吸附量 n
B
B
相对压力 p/p0
Ⅰ型等温线
n
0 p/p0
1
化学吸附，单分子层，极限吸附量 微孔吸附剂，孔填充 超临界吸附
Ⅱ型和Ⅲ型等温线
n
n
B
0 p/p0
1
0 p/p0
1
无孔固体，开放表面，表面覆盖机理
吸附质离开界面引起吸附量减少的现象称为 脱附（desorption）。 吸附热：积分吸附热和微分吸附热。 物理吸附—分子间作用力 化学吸附—化学键
1.5 吸附作用
色散力 偶极子作用 四极子作用
范德华力（van der waals ）
静电力 氢键、络合键
色散力
势能曲线U(r) Lenard－Jones公式
活性炭的TEM图（椰壳基和石油焦基）
表面修饰
35
30
25
n/mmolg
-1
20
15 BY-2-NH3H2O BY-2-HF BY-2 BY-2-HNO3 BY-2-H3PO4 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
10
5
p/p0
活性炭BY-2化学改性后的表面性质和储氢容量
样品 n(mmol/g)a
BY-2-HF
3.48 1964 3.92 0.98 2.27 0.48 0.48 1.27 0.04
3.67 2001 1.9 1.04 1.59 0.89 0.02 0.02 0.66
SBET (m2/g)
灰分含量(%) 孔容(cm3/g) m(总含氧官能团) mmol/g m(-COOH) m(-COOR) m(酚羟基) m(醌型羰基)
1932年获得诺贝尔奖
Irving Langmuir)（1881－1957)是本世纪卓越的美国化学家和物理学家
1.2 发展历程
吸附理论的发展历程：
BET方程（1938年）；
1.2 发展历程
吸附理论的发展历程：
Kelvin方程：毛细凝聚 Polanyi吸附势理论: DA方程、Freundlich方程 分子模拟。
第一讲 吸附及其等温线
1.1 吸附现象
日常生活中的吸附：
干燥剂；竹炭
吸附：adsorption 吸收: absorption
吸附
吸附（adsorption）是指在固相－气相、固相－液相、 固相－固相、液相－气相、液相－液相等体系中，某个 相的物质密度或溶于该相中的溶质浓度在界面上发生改 变（与本体相不同）的现象。
1.3 吸附技术应用
应用领域： 化工、医药、环保、能源、食品、轻工等多个领 域。 1) 气体或液体的脱水及深度干燥； 2) 气体或液体的脱臭、脱色、溶剂回收等； 3) 痕量物质吸附分离； 4) 物系分离； 5) 废气和废水的处理。
1.4 基本概念
吸附剂（Adsorbent）具有吸附作用的物质。