吸附动力学简介ppt
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第八章-化学吸附PPT课件
学吸附
不可逆，吸、脱时吸 附物发生了变化。
eg： 低压活性碳吸附氧，高温脱附 出CO、CO 。 2
CO
CO 2
9 影响因素
O 2
物理吸附: T, p, 表面大小
化学吸附: T, p, 表面大小,表面的微观结构
.
7
总之：物理吸附与化学吸附并不能完全 截然分开，有时可能共同存在。
§8-3 活化吸附理论 §8-3-1 吸附等压线 用粉末吸附剂吸附气体的实验：
设单位时间内有n 个分子撞到单位表面上， v
则单位表面吸附的分子数：
n =n av 为吸附分子在固体表面上的平均滞留时间
吸脱附平衡时，
U = U = n = n / a dva
.
29
若吸附是一位的，则f ()= n
a
U = K f () e(-Ed/RT)
d = K n e(-Ed/RT) a
0.
38
/( -1)= b p eq0 (1- ) /RT
0
取对数移项得：
lnp = -lnB +
q
+0ln
0
RT
1-
其中B = b e(q/RT)是与无关的常数
00
对化学吸附， lnp变化主要有
决定
RT
= q0lnB0 p
q
0 RT
不管吸附是否解离，表面是否均一都可用。
.
39
三个公式的比较
.
4
4 选择性
物理吸附
无
化学吸附
有
5 吸附温度
物理吸附
在吸附物沸点附近
化学吸附
较高温度
6 吸附的压力范围
物理吸附
比压力p/p >0.01 0
不可逆，吸、脱时吸 附物发生了变化。
eg： 低压活性碳吸附氧，高温脱附 出CO、CO 。 2
CO
CO 2
9 影响因素
O 2
物理吸附: T, p, 表面大小
化学吸附: T, p, 表面大小,表面的微观结构
.
7
总之：物理吸附与化学吸附并不能完全 截然分开，有时可能共同存在。
§8-3 活化吸附理论 §8-3-1 吸附等压线 用粉末吸附剂吸附气体的实验：
设单位时间内有n 个分子撞到单位表面上， v
则单位表面吸附的分子数：
n =n av 为吸附分子在固体表面上的平均滞留时间
吸脱附平衡时，
U = U = n = n / a dva
.
29
若吸附是一位的，则f ()= n
a
U = K f () e(-Ed/RT)
d = K n e(-Ed/RT) a
0.
38
/( -1)= b p eq0 (1- ) /RT
0
取对数移项得：
lnp = -lnB +
q
+0ln
0
RT
1-
其中B = b e(q/RT)是与无关的常数
00
对化学吸附， lnp变化主要有
决定
RT
= q0lnB0 p
q
0 RT
不管吸附是否解离，表面是否均一都可用。
.
39
三个公式的比较
.
4
4 选择性
物理吸附
无
化学吸附
有
5 吸附温度
物理吸附
在吸附物沸点附近
化学吸附
较高温度
6 吸附的压力范围
物理吸附
比压力p/p >0.01 0
吸附等温线及动力学ppt
-
（4）BET法 BET法计算是建立在Brunauer（布鲁诺），Emmett（埃麦特）和Teller（泰
勒）三人从经典统计理论推导出的多分子层吸附公式的基础上，提出的一种计 算方法。即著名的BET方程：
-
（1）连续流动法 是相对于静态法而言，整个测试过程是在常压下进行，吸附剂是在处于连续
流动的状态下被吸附。连续流动法是在气相色谱的原理基础上发展而来的，籍 由热导检测器来测定样品吸附量的多少。连续动态氮吸附是以氮气为吸附气。 以氦气或氢气为载气，两种气体按照一定的比例混合，使氮气达到指定的相对 压力，流经样品颗粒表面。当样品管置于液氮环境下时，粉体材料对混合气体 中的氮气产生物理吸附，而载气则不被吸附，造成混合气体成分比例变化，从 而导致热导系数变化，这时就能从热导池检测器中检测到信号电压，即出现吸 附峰。吸附饱和后让样品重新回到室温，被吸附的氮气就会脱附出来，形成与 吸附峰相反的脱附峰。吸附峰或脱附峰的面积大小正比于样品表面吸附的氮气 量的多少，可通过定量气体标定峰面积所代表的氮气量，通过测定一系列氮气 分压P/P0下样品吸附的氮气量，绘制出氮气吸附等温线或脱附等温线，进而求 出比表面积。通常利用脱附峰来计算比表面积。
Sg4.3 6 V m/W (m 2/g)
可见，准确测定样品表面单层饱和吸附量Vm是比表面积测定的关键。
-
测定方法和原理
比表面积测试方法有两种分类标准。 一是根据测定样品吸附气体量的多少， 可分为：连续流动法、容量法和重量法。 重量法现在基本上很少使用。再是根据 计算比表面积的理论模型不同可分为： 直接对比法、Langmuir法和BET法等。 同时这两种分类标准又有一定的联系， 直接对比法只能采用连续流动法来测定 气体吸附量的多少，而BET法即可以采 用连续流动法，也可采用容量法来测定 气体吸附量。
（4）BET法 BET法计算是建立在Brunauer（布鲁诺），Emmett（埃麦特）和Teller（泰
勒）三人从经典统计理论推导出的多分子层吸附公式的基础上，提出的一种计 算方法。即著名的BET方程：
-
（1）连续流动法 是相对于静态法而言，整个测试过程是在常压下进行，吸附剂是在处于连续
流动的状态下被吸附。连续流动法是在气相色谱的原理基础上发展而来的，籍 由热导检测器来测定样品吸附量的多少。连续动态氮吸附是以氮气为吸附气。 以氦气或氢气为载气，两种气体按照一定的比例混合，使氮气达到指定的相对 压力，流经样品颗粒表面。当样品管置于液氮环境下时，粉体材料对混合气体 中的氮气产生物理吸附，而载气则不被吸附，造成混合气体成分比例变化，从 而导致热导系数变化，这时就能从热导池检测器中检测到信号电压，即出现吸 附峰。吸附饱和后让样品重新回到室温，被吸附的氮气就会脱附出来，形成与 吸附峰相反的脱附峰。吸附峰或脱附峰的面积大小正比于样品表面吸附的氮气 量的多少，可通过定量气体标定峰面积所代表的氮气量，通过测定一系列氮气 分压P/P0下样品吸附的氮气量，绘制出氮气吸附等温线或脱附等温线，进而求 出比表面积。通常利用脱附峰来计算比表面积。
Sg4.3 6 V m/W (m 2/g)
可见，准确测定样品表面单层饱和吸附量Vm是比表面积测定的关键。
-
测定方法和原理
比表面积测试方法有两种分类标准。 一是根据测定样品吸附气体量的多少， 可分为：连续流动法、容量法和重量法。 重量法现在基本上很少使用。再是根据 计算比表面积的理论模型不同可分为： 直接对比法、Langmuir法和BET法等。 同时这两种分类标准又有一定的联系， 直接对比法只能采用连续流动法来测定 气体吸附量的多少，而BET法即可以采 用连续流动法，也可采用容量法来测定 气体吸附量。
吸附动力学
吸附动力学吸附动力学（adsorption kinetic），是以研究吸附、脱附速度及各种影响因素为主要内容的分支学科。
吸附、脱附速度主要由吸附剂与吸附质的相互作用及温度、压力等因素决定。
吸附动力学的研究有助于探讨化学吸附和多相催化反应机理。
吸附动力学（adsorption kinetic），是以研究吸附、脱附速度及各种影响因素为主要内容的分支学科。
吸附、脱附速度主要由吸附剂与吸附质的相互作用及温度、压力等因素决定。
吸附动力学的研究有助于探讨化学吸附和多相催化反应机理。
1、吸附：当流体与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄，此现象称为吸附。
吸附也指物质（主要是固体物质）表面吸住周围介质（液体或气体）中的分子或离子现象。
2、脱附desorption是吸附的逆过程。
是使已被吸附的组分达到饱和的吸附剂中析出，吸附剂得以再生的操作过程。
即被吸附于界面的物质在一定条件下，离逸界面重新进入体相的过程，也称解吸。
吸附动力学主要是研究一些表面能比较大的物质（比如活性炭）的吸附速率的影响因素，比如温度，反应条件等等的作用。
至于方程式，因为有太多，没法一一列举，而且符号的意义不看书不可能理解，建议还是买本书看。
补充：吸附等温线是热力学的，平衡时间和速率是动力学的，热力学主要是研究吸附可行性的。
什么是物理吸附和化学吸附？气体分子在固体表面的吸附机理极为复杂，其中包含物理吸附和化学吸附。
由分子间作用力（范德华力）产生的吸附称为物理吸附。
物理吸附是一个普遍的现象，它存在于被带入并接触吸附气体（吸附物质）的固体（吸附剂）表面。
所涉及的分子间作用力都是相同类型的，例如能导致实际气体的缺陷和蒸汽的凝聚。
除了吸引色散力和近距离的排斥力外，由于吸附剂和吸附物质的特定几何形状和外层电子性质，通常还会发生特定分子间的相互作用（例如，极化、场-偶极、场梯度的四极矩）。
任何分子间都有作用力，所以物理吸附无选择性，活化能小，吸附易，脱附也容易。
吸附动力学及动态学.课件
剩余吸附能力
剩余吸附能力
2024/6/11
吸附过程及应用
20
(6)固定床吸附动力学
1.3 吸附动力学及动态学
4）透过曲线计算
✓在固定床吸附，如果浓度波形成后，波形保持固定不变， 并以恒定的速度向前移动。
✓依照物料衡算,在dτ时间内，送入床层中溶液内溶质变化值 εbuAC0dτ ，应等于在此段dz床层中吸附剂的吸附量和床层吸 附剂颗粒空隙εb内溶液浓度的变化量：
2Hale Waihona Puke 1.3 吸附动力学及动态学
(1) 吸附速度
1.3 吸附动力学及动态学
➢在单位时间内被单位体积(或质量)吸附剂所吸附的物质 量称为吸附速度。
✓吸附速率曲线
➢可用与测定吸附等温线相同 的方法，在不同吸附时间测得 吸附量，以吸附量为纵坐标， 时间为横坐标绘图，即可得到 吸附速率曲线。
➢右图为正己烷在5A分子筛上 的吸附速率曲线
(2) 吸附的传质过程
吸附剂都是内部拥有许多孔的多孔物质。以气相吸附质 在吸附剂上的吸附过程为例，吸附质从气体主流到吸附 剂颗粒内部的传递过程分为两个阶段：
✓ 第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的气膜 到颗粒的表面，称为外部传递过程或外扩散。
✓ 第二阶段是从吸附剂颗粒表面传向颗粒孔隙内部， 称为孔内部传递过程或内扩散.
吸附量,kg/kg
0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00
0
10
20
30
40
50
60
70
吸附时 间 ,min
无机 ; 南工 3#
正己烷在不同生产厂的5A分子筛上的吸附速率曲线（30℃）
2024/6/11
吸附动力学及动态学ppt课件
吸附过程及应用
2
1.3 吸附动力学及动态学
(1) 吸附速度
1.3 吸附动力学及动态学
在单位时间内被单位体积(或质量)吸附剂所吸附的物质 量称为吸附速度。 吸附速率曲线
可用与测定吸附等温线相同
吸附量,kg/kg
0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0 10 20 30 40 50 60 70
d c GD Ft d n
式中D为扩散系数，负号表示扩散是向浓度低的方向进行。 扩散系数随扩散物质的性质而异，通常以实验方法测定， 从有关手册中也可查得。
2018/11/4
吸附过程及应用
7
(4) 吸附动力学方程
1.3 吸附动力学及动态学
按吸附动力学原理，吸附速度可用下式表示：
dq k (c y) dt
1.3 吸附动力学及动态学
吸附动力学及 动态学
1.3 吸附动力学及动态学
1.3 吸附动力学及动态学
吸附动力学主要研究吸附质在吸附剂颗粒内的扩 散性能，通过测定吸附速率，计算微孔扩散系数，
进而推算吸附活化能。
吸附动态学（或称动态吸附）主要研究吸附剂床 层内的传质层性能及其影响因素。
2018/11/4
2018/11/4
吸附过程及应用
12
(6)固定床吸附动态学
1）低浓度单组分的连续性方程
从物料衡算，得出固定床连续性方程为：
1.3 吸附动力学及动态学
式中， DAa＝DAm+ Ea——组分A在流动相流动方向的轴向扩散系数； DAm——流动相中组分A的有效扩散系数； Ea——弥散系数。
弥散效应是由于：(a)床层内固定颗粒之间流体混和，(b)沟流，使流动 相通过床层的横截面时流速不均匀，(c)Taylor扩散，由于局部径向速度 梯度和轴向浓度梯度共同引起的效果，因而产生弥散和返混的现象。 在没有返混，呈活塞流的理想情况下，固定床连续性方程改为：
吸附等温线与动力学
Langmuir型分子吸附模型
• Langmuir吸附模型是应用最为广泛的分子吸 附模型。 • Langmuir分子吸附模型是根据分子间力随距 离的增加而迅速下降的事实,提出气体分子 只有碰撞固体表面与固体分子接触时才有 可能被吸附,即气体分子与表面相接触是吸 附的先决条件。 •
附剂加入100 mL,浓度为60 mg/L的 亚甲基蓝溶液中，不同时间时平衡浓度如 下表所示
等温吸附与吸附动力学
2014.5.20
什么是吸附等温曲线
吸附等温曲线是指在一定温度下溶质分子在 两相界面上进行的吸附过程达到平衡时它 们在两相中浓度之间的关系曲线。在一定 温度下, 分离物质在液相和固相中的浓度关 系可用吸附方程式来表示。作为吸附现象 方面的特性有吸附量、吸附强度、吸附状 态等, 而宏观地总括这些特性的是吸附等温 线
• The amount of dye adsorbed at the equilibrium time reflects the maximum adsorption capacity of the adsorbent under those operating conditions. In this study, the adsorption capacity at equilibrium (qe) was found to increase from 41.11 to 384.57 mg g-1 with an increase in the initial dye concentrations from 50 to 500 mg L-1. When the initial concentration increased, the mass transfer driving force would become larger, hence resulting in higher adsorption of MB.
吸附动力学及动态学
实验步骤与实验方法
01
实验步骤
02
1. 选择合适的吸附剂和吸附质，进行预处理；
2. 配置不同浓度的吸附质溶液；
03
实验步骤与实验方法
01
实验步骤
02
1. 选择合适的吸附剂和吸附质，进行预处理；
2. 配置不同浓度的吸附质溶液；
03
实验步骤与实验方法
3. 在恒温条件下进行吸附实验，记录吸附量随时 间的变化；
扩散系数
描述分子在溶液中扩散快慢的常数， 影响吸附速率。
03
02
吸附速率常数
描述吸附速率快慢的常数，与扩散 系数、反应速率常数等有关。
反应速率常数
描述化学反应快慢的常数，影响化 学反应控制模型的吸附速率。
04
吸附动力学模型的参数
01
平衡吸附量
在一定温度和压力下，吸附剂达到 吸附平衡时的吸附量。
扩散系数
吸附动态学在各领域的应用
环境科学
吸附动态学在环境科学领域中广泛应用于处理和治理环境污染问题。例如，通过研究土壤、水体和空气中的污染物在 吸附剂表面的动态行为，可以有效地去除和降低污染物的浓度。
能源科学
在能源科学领域，吸附动态学可用于研究和开发高效、低成本的储氢材料和二氧化碳捕获技术。通过了解吸附剂对氢 气和二氧化碳的动态吸附特性，可以优化材料的结构和制备方法，提高储氢和二氧化碳捕获的性能。
物理吸附
物理吸附是指分子间的范德华力 作用，吸附力较弱，吸附速率较 快。
化学吸附
02
03
动态吸附
化学吸附是指吸附剂与被吸附物 之间通过化学键结合，吸附力较 强，吸附速率较慢。
动态吸附是指吸附剂在动态条件 下的吸附行为，如流化床、固定 床等反应器中的吸附过程。
1.3吸附动力学及动态学
吸附传递过程由三部分组成，即外扩散、内扩散和表面吸 附。吸附过程的总速率取决于最慢阶段的速率。
2020/2/1
吸附过程及应用
6
(3)扩散系数
扩散过程在吸附中占有重要地位。由于分子热运动，在 没有外力作用下扩散过程能自发地产生。
按照费克定律，时间t内扩散穿过表面F的物质数量G与浓 度(c)梯度成正比(n扩散距离)。浓度梯度决定了过程的推 动力。
吸附量,kg/kg
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00 0
10
20
30
40
50
; 南工 3#
正己烷在不同生产厂的5A分子筛上的吸附速率曲线（30℃）
2020/2/1
吸附过程及应用
3
1.3 吸附动力学及动态学
(2) 吸附的传质过程
吸附剂都是内部拥有许多孔的多孔物质。以气相吸附质 在吸附剂上的吸附过程为例，吸附质从气体主流到吸附 剂颗粒内部的传递过程分为两个阶段： 第一阶段是从气体主流通过吸附剂颗粒周围的气膜 到颗粒的表面，称为外部传递过程或外扩散。
一部分气体分子还可能在颗粒 内的孔中向深入扩散，称为孔 扩散。
在孔扩散的途中气体分子又可 能与孔壁表面碰撞而被吸附。
吸附主体 外扩散外表面 内扩散内表面 吸附内表面吸附
2020/2/1
吸附过程及应用
5
(2)吸附的传质过程
内扩散是既有平行又有顺序的吸附过程，它的过程模式可表 达为：
2020/2/1
吸附过程及应用
1
1.3 吸附动力学及动态学
吸附动力学主要研究吸附质在吸附剂颗粒内的扩 散性能，通过测定吸附速率，计算微孔扩散系数， 进而推算吸附活化能。
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化学吸附 吸附质分子与固体表面原子（或分子）发生电子的转移、
交换或共有，形成吸附化学键的吸附。由于固体表面存在不均匀力场， 表面上的原子往往还有剩余的成键能力，当气体分子碰撞到固体表面 上时便与表面原子间发生电子的交换、转移或共有，形成吸附化学键 的吸附作用。
吸附过程的动力学研究主要是用来描述吸附剂吸附溶质的速率快慢， 通过动力学模型对数据进行拟合，从而探讨其吸附机理。
-
准二级动力学反应 是基于假定吸附速率受化学吸附机理的控制这种
吸附涉及到吸附质与吸附剂之间电子对公用或转 移。吸附质从溶液中到达吸附剂表面化学吸附机 理控制的,吸附剂表面有两种结合位点。
符合二级模型则说明吸附动力学主要是受化学作 用所控制,而不是受物质传输步骤所控制
-
-
颗粒内扩散模型
颗粒内扩散模型最早由Weber 等提出，其概念 ② 准一级动力学模型 ③ 准二级动力学模型
-
基本概念
物理吸附 物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分
子间作用力所引起。吸附剂表面的分子由于作用力没有平衡而保留有 自由的力场来吸引吸附质，由于它是分子间的吸力所引起的吸附，所 以结合力较弱，吸附热较小，吸附和解吸速度也都较快。被吸附物质 也较容易解吸出来，所以物理吸附在一定程度上是可逆的。
-
式中，kp 为颗粒内扩散速率常数，mg·(g·min1/2) -1 ，kp值越大， 吸附质越易在吸附剂内部扩散，由Qt—t1/2 的线形图的斜率可得到Kp. 根据内部扩散方程，以Qt对t1/2作图可以得到一条直线。若存在颗粒 内扩散，Qt对t0. 5为线性关系，且若直线通过原点，则速率控制过程 仅由内扩散控制。否则，其它吸附机制将伴随着内扩散进行
-
准一级动力学反应 在准一级动力学反应中,吸附质从溶液中到达吸附 剂表面是受扩散步骤控制,吸附剂表面有只有一种结 合位点。
ln(qe-qt) = lnqe-K1t
尽管一级动力学模型已经广泛地用于各种吸附过程,但它却有局限性。一级 线性图是由ln ( Qc -Qt ) 对时间作图,因此必须先得到Qc值, 但在实际的吸附系 统中, 可能由于吸附太慢, 达到平衡所需时间太长,因而不可准确测得其平衡吸 附量Qc值,因此,它常常只适合于吸附初始阶段的动力学描述,而不能准确地描 述吸附的全过程
交换或共有，形成吸附化学键的吸附。由于固体表面存在不均匀力场， 表面上的原子往往还有剩余的成键能力，当气体分子碰撞到固体表面 上时便与表面原子间发生电子的交换、转移或共有，形成吸附化学键 的吸附作用。
吸附过程的动力学研究主要是用来描述吸附剂吸附溶质的速率快慢， 通过动力学模型对数据进行拟合，从而探讨其吸附机理。
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准二级动力学反应 是基于假定吸附速率受化学吸附机理的控制这种
吸附涉及到吸附质与吸附剂之间电子对公用或转 移。吸附质从溶液中到达吸附剂表面化学吸附机 理控制的,吸附剂表面有两种结合位点。
符合二级模型则说明吸附动力学主要是受化学作 用所控制,而不是受物质传输步骤所控制
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颗粒内扩散模型
颗粒内扩散模型最早由Weber 等提出，其概念 ② 准一级动力学模型 ③ 准二级动力学模型
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基本概念
物理吸附 物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分
子间作用力所引起。吸附剂表面的分子由于作用力没有平衡而保留有 自由的力场来吸引吸附质，由于它是分子间的吸力所引起的吸附，所 以结合力较弱，吸附热较小，吸附和解吸速度也都较快。被吸附物质 也较容易解吸出来，所以物理吸附在一定程度上是可逆的。
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式中，kp 为颗粒内扩散速率常数，mg·(g·min1/2) -1 ，kp值越大， 吸附质越易在吸附剂内部扩散，由Qt—t1/2 的线形图的斜率可得到Kp. 根据内部扩散方程，以Qt对t1/2作图可以得到一条直线。若存在颗粒 内扩散，Qt对t0. 5为线性关系，且若直线通过原点，则速率控制过程 仅由内扩散控制。否则，其它吸附机制将伴随着内扩散进行
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准一级动力学反应 在准一级动力学反应中,吸附质从溶液中到达吸附 剂表面是受扩散步骤控制,吸附剂表面有只有一种结 合位点。
ln(qe-qt) = lnqe-K1t
尽管一级动力学模型已经广泛地用于各种吸附过程,但它却有局限性。一级 线性图是由ln ( Qc -Qt ) 对时间作图,因此必须先得到Qc值, 但在实际的吸附系 统中, 可能由于吸附太慢, 达到平衡所需时间太长,因而不可准确测得其平衡吸 附量Qc值,因此,它常常只适合于吸附初始阶段的动力学描述,而不能准确地描 述吸附的全过程