2 吸附原理和评价方法
1. 弗里德里希(Freundlich)吸附等温式 Freundlich吸附等温式是一个经验公式，表达形式为：
Qe——饱和吸附容量 Ce——平衡浓度 K, n——常数 对等式两边取对数可将等式线性化为：
2 吸附原理和评价方法
1. 弗里德里希(Freundlich)吸附等温式 参数K主要与吸附剂对吸附质的吸附容量有关，而1/n是吸
有序介孔碳的合成
1 吸附概述及常用吸附剂
分子筛
1932年，“分子筛”的概念被提出。 分子筛是指具有均匀的微孔，其孔径与一 般分子大小相当的一类物质。 可以作高效干燥剂、选择性吸附剂、催化 剂、离子交换剂等。常用分子筛为结晶态 的硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面体或 铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺 寸大小（通常为0.3~2 nm）的孔道和空腔 体系，因吸附分子大小和形状不同而具有 筛分大小不同的流体分子的能力。
1 吸附概述及常用吸附剂
介孔碳
介孔碳材料表现出特殊的性质，有高 的比表面积，高孔隙率；孔径尺寸在 一定范围内可调；介孔形状多样，孔 壁组成、结构和性质可调；通过优化 合成条件可以得到高热稳定性和水热 稳定性；合成简单、易操作、无生理 毒性。它的诱人之处还在于其在燃料 电池，吸附，催化反应，电化学等领 域的潜在应用价值。近年来，介孔材 料科学已经成为国际上跨化学、物理 、材料、生物等学科交叉的热点研究 领域之一，更成为材料科学发展的一 个重要里程碑。
1 吸附概述及常用吸附剂
活性氧化铝 又名活性矾土，在催化剂中使用氧 化铝（AL2O3）的通常专称为活性氧 化铝，它是一种多孔性、高分散度 的固体材料，有很大的表面积，其 微孔表面具备催化作用所要求的特 性，如吸附性能、除氟性能，干燥 性能，表面活性、优良的热稳定性 等，所以广泛地被用作家庭干燥剂 以及化学反应的催化剂和催化剂载 体。
1 吸附概述及常用吸附剂
两者之间的本质区别是气体分子与固体表面之间的作用力性质 不同。物理吸附是由范德华力引起的，它的性质类似于蒸汽的 凝聚和气体的液化；化学吸附涉及化学成键，吸附质分子和吸 附剂之间有电子的交换、转移和共有。
性质
物理吸附
化学吸附
吸附力 吸附热 吸附速率
吸附层 吸附温度 吸附稳定性
2 吸附原理和评价方法
衡量吸附剂的主要指标有：
对不同气体杂质的吸附容量、磨耗率、松装堆积密度、比表面积、抗压 碎强度等。
吸附设备评价指标：
(1) 吸附质的回收率（当吸附质是有价值的物料时）或吸附质 的净化率（当吸附质是有害物质时）；
(2) 设备的操作强度：单位设备体积所能处理的混合气体或溶液 的流量；
选择性
范德华力
化学键力
较小，与液化热相似
较大，与反应热相似
较快，不受温度影响，一般不需要 较慢，随温度升高速率加快，需要
活化能
活化能
单分子层或多分子层
单分子层
沸点以下或低于临界温度
无限制
不稳定，常可完全脱附
比较稳定，脱附时常伴有化学反应
无选择性
有选择性
1 吸附概述及常用吸附剂
活性炭
种类很多，一般为粉末状或颗粒状。 粉末状的活性炭吸附能力强，制备容易， 价格较低，再生困难，一般不能重复使用。 颗粒状的活性炭价格较贵，但可再生后 重复使用，操作管理方便。因此在空气净化 和水处理中较多采用颗粒状活性炭。 活性炭的比表面积(单位重量的吸附剂所 具有的表面积称为比表面积)可达 800~2000m2/g，有很强的吸附能力。
能源与环境中的吸附材料及应用
郑成航 zhengch2003@
2015年4月
目录
一、吸附概述及常用吸附剂
二、吸附原理和评价方法
三、常用吸附材料——活性炭
2
四、碳材料吸附污染物控制技术
五、工程应用案例
1 吸附概述及常用吸附剂
基本概念
▲吸附——在两相界面中，其中一相物质能自动地富集到另一 相上的现象。
（1）加热再生法 在高温条件下，提高了吸附质分子的能量，使其
易于从活性炭的活性点脱离；而吸附的有机物则在 高温下氧化和分解，成为气态逸出或断裂成低分子。
活性炭的再生一般用多段式再生炉。炉内供应微 量氧气，使进行氧化反应而又不致使炭燃烧损失。 （2）化学再生法
通过化学反应，使吸附质转化为易溶于水的物质 而解吸下来。如：吸附了苯酚的活性碳，可用氢氧 化钠溶液浸泡，使形成酚钠盐而解吸。
截至2013年，全国燃煤脱硝机组共1135台， 总装机容量4.3亿千瓦(占煤电装机54.7%)
数据来源：环保部、中电联
1 吸附概述及常用吸附剂
硅胶
一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅 酸聚合物颗粒，主要分布在中国、美国、丹 麦、法国等 。由无定形的SiO2组成。硅藻土 通常呈浅黄色或浅灰色，多孔而轻，工业上 常用来作为保温材料、过滤材料、填料、研 磨材料、水玻璃原料、脱色剂及催化剂载体 等。 性能：多孔性、较低的浓度、较大的比表面 积、相对的不可压缩性及化学稳定性，被广 泛用于冶金、化工建材、石油、食品、环境 保护等工业。
3 常用吸附材料——活性炭
(1) 活性炭污染物处理装置占地面积小，易于自动控制， 运转管理简单。 (2) 活性炭对某些重金属化合物也有较强围吸附能力，如 汞、铅、铁、镍、锌等，活性炭可用于电镀废水、冶炼废 水的处理。 (3) 饱和炭可经再生后重复使用，不产生二次污染。 (4) 可回收有用物质
3 常用吸附材料——活性炭
3 常用吸附材料——活性炭
吸附设备
3 常用吸附材料——活性炭
活性炭使用一段时间后，吸附了大量吸附质，逐 步趋向饱和并丧失工作能力，此时应进行更换或再生。
再生是在吸附剂本身的结构基本不发生变化的情 况下，用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去，恢 复它的吸附能力。
微波法再生装置
3 常用吸附材料——活性炭
V(C0-Ce)/m=x/m=qe 由吸附容量qe=x/m和平衡浓度Ce的关系所绘出的曲线——吸附 等温线(活性炭柱泄漏曲线或叫穿透曲线)
2 吸附原理和Βιβλιοθήκη 价方法经典的吸附理论：Henry方程 Freundlich方程 单分子层吸附理论•Langmuir方程 多分子层吸附理论•BET方程 毛细孔凝聚理论•Kelvin方程 微孔填充理论•DR方程
3 常用吸附材料——活性炭
一般活性炭吸附设备：采用连续式固定床吸附柱。吸附剂的 总厚度为3~5m，分成几个柱串联工作，烟气从上向下过滤。
吸附柱上部吸附剂层达到饱和而失去继续吸附的能力，随着 运行时间的推移，上部饱和区高度增加而下部新鲜吸附层的高 度则不断减少，直至全部吸附剂达到饱和，进出口污染物浓度 相等，吸附柱全部丧失工作能力。 当运行中污染物浓度达到一规定值时，即认为吸附层已达到 “穿透”。
（1）活性炭本身的特性： 1) 活性炭材质 2）孔穴率 3）孔径分布 4）表面官能团特性
应有三项要求：吸附容量大、吸附速度快、机械强度好。 （2）吸附质特性：
1) 分子量大小 2）亲水性 （3）污染物因素： 1）本底有机物含量 2）温度 3）其它竞争性吸附质 （4）吸附操作条件： 吸附装置的型式、接触时间(流速)等对吸附效果有影响。
(3) 能量消耗：包括输送物料和吸附剂的能耗、脱附时升温的热 能消耗等。
选用平衡吸附量大、吸附选择性高的吸附剂可以显著改善过程的经济性。 此外，吸附剂的用量以及操作的温度和压力，对上述指标有重要影响， 必须谨慎决定。
3 常用吸附材料——活性炭
影响活性炭吸附的因素较多。主要与活性炭的性质、污染物的性质、 活性炭处理的过程原理以及选择的运转参数与操作条件等有关。
吸附操作方式
●间歇式：将待处理物和吸附剂放在反应器内进行充分混 合，然后静置。此方法主要用在小量污染物的处理和实 验研究。
●连续式：采用固定床、移动床和流化床。 固定床：是把吸附剂固定在吸附柱（或池）中； 移动床：是定期地将接近饱和的一部分吸附剂从吸附柱 中排出，并同时将等量的新鲜吸附剂加入柱中； 流化床：是指吸附剂在吸附柱内处于膨胀状态，悬浮于 由下而上的烟气中。
qe
qe
qe
2 吸附原理和评价方法
▲吸附等温线的实验方法： 在恒温下，于几个烧杯中放入V (L)溶质浓度为C0 (mg/L)的水样，
在烧杯中同时投加不同量m (mg)的活性炭，分别进行搅拌，搅拌 时间等于接触时间。实验中，不断测定各烧杯水样中的溶质浓度Ci， 直到溶质浓度不变的平衡浓度Ce (mg/L)为止。 ▲吸附容量——由试验结果可以算出单位重量活性炭可吸附的溶 质量。
2 吸附原理和评价方法
▲吸附剂的重要特征——吸附剂吸附量
定义：吸附剂所能吸附的吸附质的量。
吸附剂吸附量与溶液/气体浓度和温度有关，一般须通过吸附等温线
试验来确定。
▲吸附等温线——在恒温及吸附平衡状态下，单位吸附剂的吸附容量qe
和平衡溶液/气体浓度Ce之间的关系曲线。
常见的几种吸附等温线
Ce
Ce
Ce
2 吸附原理和评价方法
2. 朗格谬(Langmuir)吸附等温式 单分子层吸附理论 朗格谬从动力学观点出发，通过一些假设推导出单分子 层吸附理论公式。
qmax、b是常数，b 与表面吸附能量有关。
将上式改为倒数：1/qe=(1/qmaxb)(1/Ce)+1/qmaxb由试 验得qe和Ce，则可求出qmax和b
时，吸附过程达到平衡状态。吸附平衡时溶 液浓度不再降低。
1 吸附概述及常用吸附剂
物理吸附和化学吸附
● 吸附类型（作用力）可分为：物理吸附、化学吸附 物理吸附——作用力为分子间作用力即范德华力，其
吸热比较低、吸附速度快而且没有选择性。 化学吸附——作用力为化学键力，其吸热比较高、吸
附速度根据化学键的类型不同而有较大的差别，并且有 一定的选择性。 举例：水处理吸附——可有效地去除水中的臭味，使水中大 部分比较大的有机物分子、芳香族化合物、卤代烃等能牢固 地吸附在吸附剂表面上或孔隙中，并使腐殖质、合成有机物 和低分子量有机物有明显的去除效果。