第五章 吸 附 第一节 概述

一、基本概念 1、吸附

1）定义：在界面化学中，吸附的概念是指在固相-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密度在相界面上发生改变的现象。

2）说明：除非特殊说明，一般情况下，吸附指的是固体对气体或液体分子的吸附。 2、吸附分类：

1）物理吸附和化学吸附

2）区别：物理吸附热：一般为10kcal/mol以下。

化学吸附热：20~100kcal/mol

3）工程上：变温吸附（TSA）和变压吸附（PSA）。 3、吸附应用

4、吸附操作特点：

1）能耗低，与精馏操作相比，其能耗低得多，仅为精馏的20%~30%，因为吸附无须给予大量的热而在常温下就能进行。与吸收相比，能耗也低；

2）操作方便，吸附操作简单易行，不存在回流（液气比）无须另提供再生塔； 3）吸附剂再生成本低，吸附剂消耗少。 5、新数学函数---误差函数（概率积分） 1）表达式：

y?erf(x)

2）物理意义：erfE(t)?(2E??t)edt 0.5?02 3）性质：erf(?x)??erf(x) 4）数值确定方法：、

查表如y?erf(0.4)?0.4284，0.45?erf(x)?x?0.423 或根据公式近似计算

第二节 吸附平衡 一、基本概念

1、吸附与溶解化学反应的区别：

溶解 化学反应 吸附 2、物理吸附与化学吸附的区别

3、表面张力与浓度关系：

1

1）美国物理学家和化学家J.W.Gibbs（J.W.吉布斯）研究了表面张力和溶液浓度之间的关系，通过热力学推导出溶液浓度C、表面张力r和吸附量?之间的定量关系：

???C??r??? RT??C?T式中，?--单位表面积上浓度的过剩量，即界面上的浓度与液相物质的浓度之差，它代表吸附量； C--液相吸附质浓度； R--气体常数； T--吸附温度； a---溶液的活度； r--表面张力。

2）随着吸附质浓度增加而液体的表面张力减少的物质，因它的??r/?C??0，故其?为正值，即吸附质在界面上浓度是增长的，为正吸附；

3）相反，对于随着吸附质浓度减小而液体的表面张力减小的物质，因它的???/?C??0，故其?为负值，即吸附质在界面上浓度低于溶液内部的浓度，为负吸附。

4）作为吸附操作，我们感兴趣的当然是正吸附。除非特殊说明，所讨论的均为正吸附。 二、纯物质的吸附平衡 1、基本概念

1）吸附量：吸附量q通常以单位质量吸附剂所吸附的吸附质在标准状态下的体积表示（气体），也可用单位质量吸附剂所吸附的吸附质的量表示，即

q?V/m q?n/m

2）q?f(T,P,E)或??f(T,c,E) （1）q?f(P)T,E吸附等温线 （2）q?f(T)P,E吸附等压线 （3）吸附等量线（q?f(T)?,E） 3）吸附等温线类型 （1）六类

（2）归纳为四大类 2、吸附等温式

1）、亨利关系式

q?HP

q?Hc

2）、Freundlich经验式： q?kP

1/n

2

q?kC1/n

或 logq?logk?1logP n1 logq?logk?logc

n3）、Langmuir关系式： q?VmbP

1?bPq0bC

1?bC q?或

1111 ??qVmbPVm

1111 ??qq0bCq0例4-1通过实验室一组活性炭批量试验，完成从水溶液中去除农药的初步研究。在十个500毫升三角瓶中，各注入250毫升浓度为515mg/L的农药溶液。其中八个烧瓶各加入不同重量的粉末活性炭，另外两个为不加活性炭的空白样。每个烧瓶在密闭情况下，在25℃下震荡8小时。然后分离上清夜并分析其农药残留浓度，结果如下，试确定吸附等温线。 瓶号 农药浓度1 58.2 2 87.3 3 116.4 4 300 5 407 6 786 7 902 8 2940 ?g/L 碳剂量mg 1005 835 641 491 391 298 290 253 解：1）将吸附等温式线性化， Langmuir关系式

1111= + qq0bCeq0 Freundlich经验式 ㏒q=㏒k +（1/n）㏒ C 2）计算每个烧瓶中的q：q=?C0?Ce?V M5 0.407 2.46 -0.39 0.329 3.04 -0.483 6 0.786 1.272 -0.105 0.431 2.32 -0.366 7 0.902 1.109 -0.045 0.443 2.26 -0.354 8 2.94 0.34 0.396 0.506 1.976 -0.296 1号烧瓶 q=（515-0.058）×0.25/1005=0.128mg/mg,余瓶计算方法相同，结果列如下表：

瓶号 C 1 2 0.0873 11.5 -1.059 0.154 6.49 -0.812 3 0.1164 8.59 -0.934 0.201 4.98 -0.697 4 0.300 3.33 -0.523 0.262 3.82 -0.544 0.058 17.2 1/C -1.236 logC 0.128 7.81 q -0.893 1/q

3

logq 3)用表中数据，作图

1111= + qq0bCeq0 4）按图a：

1?2.1587 q0?0.463 q0

111?2.91 b??6.286 ?0.3436 q0b?0.34360.3436?0.463q0b2.91C

1?6.286C 故Langmuir关系式为 q?㏒q=㏒k +（1/n）㏒ C

按图b logk??0.3618 k?0.435 1/n?0.4501

故Freundlich经验式为 q?0.435C0.4501

987654321005y = 0.3436x + 2.15870-1.5-1-0.5-0.2y = 0.4501x - 0.3168-0.4-0.6-0.80101520-1

按郎格缪尔作图 按佛兰德利希作图

三、多组分吸附与平衡

1、多组分吸附的组分选择性系数（分离因数）

1）同一温度下，各组分的平衡曲线不同，即固定相和移动相中组分浓度各不相同。称固定相和移动相中组分浓度之比qi/Ci为分配比。

2）吸附理论中，常采用选择性系数?，表示组分间的吸附差异，即： ?ij?qiCjqjCi??yixjxiyj? 且，?ij?1/?ji,?y?1。

yjxj

yixi?ij1??ijixyj?xj??ijix

4