大气污染控制工程气态污染物控制技术基础.ppt
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1、大气污染控制工程第七章 气态污染物控制技术根底2021-4 2021-4第七章 气态污染物控制技术根底l气体扩散 l气体吸收 l气体吸附 l气体催化净化吸附Adsorption)l开展历史:开展历史:l古埃及王国对棉、丝染色;木炭对饮料进行脱色;古埃及王国对棉、丝染色;木炭对饮料进行脱色;l中国长沙马王堆古墓中的中国长沙马王堆古墓中的55吨木炭,保存了吨木炭,保存了20002000多多年。年。l第一个对木炭吸附气体的研究是第一个对木炭吸附气体的研究是C.W.SheeleC.W.Sheele17731773l欧美欧美19201920年、日本年、日本19301930年开始成为一个独立的科年开始成为
2、一个独立的科学体系。学体系。l第一次世界大战:活性炭用于防毒面具;第一次世界大战:活性炭用于防毒面具;19101910年日年日本开始研究胶体界面;本开始研究胶体界面;19401940年开始人造沸石的方年开始人造沸石的方法。法。l外表:外表:Surface,Surface,界面:界面:interfaceinterfacel吸附质吸附质Adsorbate),Adsorbate),吸附剂:吸附剂:adsorbentadsorbentl吸附是由于固体外表上的分子力处于不平衡或不饱吸附是由于固体外表上的分子力处于不平衡或不饱和状态,这种不饱和的结果使固体能把与其接触的和状态,这种不饱和的结果使固体能把与
3、其接触的气体或液体溶质吸引到自己的外表上,从而使其剩气体或液体溶质吸引到自己的外表上,从而使其剩余力得到平衡。余力得到平衡。Source:?吸着科学?第二版,2001吸附过程物理吸附和化学吸附物理吸附 物理吸附 化学吸附 化学吸附1.1.吸附力范德华力;吸附力范德华力;2.2.不发生化学反应;不发生化学反应;3.3.过程快,瞬间达到平衡;过程快,瞬间达到平衡;4.4.放热反应;吸附热 放热反应;吸附热 20kJ/mol 20kJ/mol5.5.吸附可逆;吸附可逆;1.1.吸附力化学键力;吸附力化学键力;80-140kJ/mol 80-140kJ/mol2.2.发生化学反应;发生化学反应;3.3
4、.过程慢;过程慢;4.4.升高温度有助于提高速率;升高温度有助于提高速率;5.5.吸附不可逆;吸附不可逆;吸附 外扩散气流主体 外外表 内扩散(外表面内表面)20.1.3 吸附力的本质l吸附质和吸附剂之间的作用力:l范德华力:定向力:极性分子之间静电力.由极性分子的永久偶极距产生.诱导力:极性与非极性之间引力.极性分子产生的电场作用会诱导非极性分子极化,产生诱导偶极距.色散力:非极性分子之间引力.瞬时偶极距.影响气体吸附的因素有哪些?l吸附剂的性质:l比外表积l极性分子筛和非极性活性炭l吸附质的性质和浓度关心一:吸附平衡l l 当吸附速度脱附速度时,吸附平衡,此时吸附量到达极限值 当吸附速度脱
5、附速度时,吸附平衡,此时吸附量到达极限值l l 吸附质在固体上的吸附量 吸附质在固体上的吸附量A)A)是绝对温度 是绝对温度T)T)、气体压力、气体压力p)p)或液 或液体浓度 体浓度c)c)和固体 和固体-气体之间的吸附作用势 气体之间的吸附作用势E)E)的函数。的函数。l l 吸附等温线:静态吸附量或静活性 吸附等温线:静态吸附量或静活性:一定温度下,与气体中被吸附物 一定温度下,与气体中被吸附物质的初始浓度到达平衡时单位吸附剂上所能吸附的吸附质的量。质的初始浓度到达平衡时单位吸附剂上所能吸附的吸附质的量。l l l l NH3在活性炭上的吸附等温线吸附等温线吸附等温线lI-AI-A型型E
6、1EnE1En:单分子吸附:单分子吸附.l由于单分子吸附作用力很大,外表吸附位的反响活性由于单分子吸附作用力很大,外表吸附位的反响活性高,属于电子转移型吸附相互作用。高,属于电子转移型吸附相互作用。l大多数不可逆,通常被认为化学吸附。大多数不可逆,通常被认为化学吸附。l金属与氧气或一氧化碳、氢气的外表反响体系中常见。金属与氧气或一氧化碳、氢气的外表反响体系中常见。l一般遵循一般遵循LangmuirLangmuir型吸附等温线。型吸附等温线。lI-BI-B型型l活性炭和沸石呈现这种类型;活性炭和沸石呈现这种类型;l超微孔和极微孔,外外表积超微孔和极微孔,外外表积比内外表积比内外表积l接近饱和蒸汽
7、压,微粒之间的缝隙发生接近饱和蒸汽压,微粒之间的缝隙发生l 外外表吸附外外表吸附吸附等温线lII型等温线E1En)l无孔或有中间孔的金属氧化物粒子吸附氮气或水蒸气。l发生亲液外表也如此。l多分子层吸附lBrunauer,Emmett and Teller(BET)等温线吸附等温线lIII型等温线E1En)l憎液性外表发生多分子层吸附l固体和吸附质的吸附相互作用小于吸附质之间的相互作用时l水蒸气在石墨外表上的吸附吸附等温线lIV型等温线E1En)l氮气、有机蒸汽和水蒸气在硅胶上的吸附。l外表有中孔和大孔。l相对压力大于0.4时,吸附质会发生凝聚现象,导致等温线急剧上升。l脱附等温线在吸附等温线的
8、上方。lV型等温线l发生在多孔介质,外表相互作用同III型。lVI型等温线为阶梯等温线。l非极性吸附质在物理、化学性质均匀的非多孔固体上。XT 单位吸附剂的吸附量P 吸附质在气相中的平衡分压K,n 经验常数,实验确定1/n:0.10.5 表示容易吸附,2 那么不容易吸附 吸附方程式l弗罗德里希Freundlich方程I型等温线中压局部单分子层吸附,微孔充填特征曲线吸附量用焓来表示:N与吸附作用的强度有关,23吸附方程式l朗格缪尔朗格缪尔LangmuirLangmuir方程方程II型等温线型等温线lLangmuir 1916-1918Langmuir 1916-1918年从动力学理论推出单分子层
9、年从动力学理论推出单分子层吸附等温式。吸附等温式。19321932年获诺贝尔化学奖外表化学年获诺贝尔化学奖外表化学l特异吸附:不是吸附在整个外表,只吸附在外表的特异吸附:不是吸附在整个外表,只吸附在外表的特定位置。特定位置。l(1)(1)单分子层吸附单分子层吸附 不饱和力场范围相当于分子直径不饱和力场范围相当于分子直径(23)10-10m(23)10-10m,只能单分子层吸附,只能单分子层吸附l(2)(2)固体外表均匀外表各处吸附能力相同,吸附热固体外表均匀外表各处吸附能力相同,吸附热是常数,不随覆盖程度而变是常数,不随覆盖程度而变l(3)(3)被吸分子相互间无作用力吸附与解吸难易程度,被吸分
10、子相互间无作用力吸附与解吸难易程度,与周围是否有被吸附分子无关与周围是否有被吸附分子无关l(4)(4)吸附平衡是动态平衡气体碰撞到空白外表,可吸附平衡是动态平衡气体碰撞到空白外表,可被吸附,被吸分子也可重回气相而解吸被吸附,被吸分子也可重回气相而解吸(或脱附或脱附)。吸附速率与解吸速率相等,即达吸附平衡吸附速率与解吸速率相等,即达吸附平衡设:k1及k2吸附与解吸速率常数;A气体;M固体外表;AM吸附状态 k1A(g)十M(外表)=AM k2设:固体外表被覆盖的分数,称覆盖率,即=已被吸附质覆盖的固体外表积/固体总的外表积,那么1-固体外表上空白面积的分数以N固体外表有吸附能力总晶格位置数,简称
11、吸附位置数。吸附速率与A的压力p及固体外表空位数(1-)N正比,所以吸附方程式吸附速率k1p(1)N解吸的速率与外表被覆盖吸附位置数,或N成正比解吸速率k2N达吸附平衡时,k1p(1)N k2N可得兰式=bp/(1+bp)式中,bk1k2,称吸附系数,与吸附剂、质本性及温度有关。b愈大,吸附能力愈强,b有压力倒数的量纲以XT代表覆盖率为时吸附量。低压力下,随压力上升而增加,压力足够高,气体占满外表时,趋于1,吸附量不随压力上升而增加,达吸附饱和状态,对应的吸附量称饱和吸附量,以X表示。因是单分子层吸附,故XT X兰式可写成 XT=X bp/(1+bp)意义以1X对1/p作图,得一直线,斜率1(
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