气体在活性炭表面吸附作用
发布人:管理员 发布时间：2011-12-02 浏览次数：3567
气体在活性炭表面吸附作用
詹存源
(华南师范大学 化学与环境学院 广州 510631)
摘要: 本文简单介绍了活性炭产生表面吸附的原因和理论，以及影响吸附作用的一些因素，最后举了一个活性炭吸附气体的实际例子。
关键词: 固体表面 吸附 活性炭 影响因素
一、固体表面产生吸附作用的原因
固体表面上的原子或分子存在着不均衡的力场，这使得固体表面具有了表面张力和表面能。但固体分子或原子不能自由移动，因此，固体表面不像液体那样易于缩小和变形。然而，任何表面都有自发降低表面能的倾向，由于固体表面难于收缩，所以只能靠降低界面张力的办法来降低表面能，这就是固体表面能产生吸附作用的根本原因。[1]
二、活性炭的表面吸附作用
目前固体吸附剂采样得到了广泛应用。美国职业安全与卫生研究所(NIOSH) 颁布的用固体吸附剂采样,其中活性碳作为固体吸附剂占31. 0 %,我国1990 年出版的《车间空气监测检验方法》第3 版中占36. 1 %;2003 年出版的《车间空气监测检验方法》第4 版中占50. 0 %,为固体吸附剂应用最多的一种。
活性炭之所以能产生吸附，主要原因是固体表面上的原子力场不饱和，有表面能，因而可以吸附某些分子以降低表面能。活性炭的吸附作用属于物理吸附，吸附力是分子间力（van der Waals力），它相当于气体分子在固体表面上的凝聚，吸附无选择性，吸附热接近于液化热（0～20kJ·mol－1），吸附速度快，易平衡，而且不需要活化能，吸附层是单或多分子层，吸附具有可逆性。[2]
三、气体在固体上的吸附理论
固体对气体的吸附理论研究认为: 化学吸附总限于单分子层吸附, 放出的吸附热近似为化学反应热, 通常大于45 kJ/mol, 并且吸附带有选择性, 这是因为强烈化学键的作用。而范德华力作用的物理吸附一般是多分子层的, 吸附热一般小于25 kJ/mol, 吸附的效果只有在吸附物沸点附近才十分显著。在一定温度下, 压力超过0.01 p/p0时才能有明显的吸附效果, 形成单分子层饱和吸附(即图1-b中B点) 的压力范围大约在0.1 p/p0左右。多孔介质吸附认为, 由于吸附时空隙内充满液体, 等温线符合图1-d, 图1-e 的曲线, 具有最终的饱和点。最有代表性的吸附理论是 Langmuri 与 BET 理论,L理论可成功解释 1-a 类等温线, 而 BET 理论是可以定性与半定量解释吸附过程的最成功的理论, 几乎可完全定性的解释Fredlich 归纳出的五类吸附曲线。[3] 从试验测得的许多吸附等温线看，大多数固体对气体的吸附并不是单分子层的，尤其物理吸附基本上都是多分子层的吸附。1938年Brunauer、Emmett和Teller三人在Langmuir单分子层吸附理论的基础上，提出多分子层吸附理论，简称BET吸附理论。
多分子层吸附理论基本观点认为朗格缪尔的两个假设：
① 气体分子碰在已被固体表面吸附的气体分子上是弹性碰撞，只有碰在空白的固体表面上时才被吸附，即吸附是单分子层的。
② 被吸附的气体分子从固体表面跃回气相的或然率不受周围气体分子的影响，即不考虑气体分子间的相互作用力。
是成立的。他们的改进之处是认为表面已吸附了一层分子之后，由于气体本身的范德华力再吸附分子形式第二层、第三层、……多层吸附层，且不一定要等到第一层吸附满了后再进行多层吸附。在各层之间存在着吸附和脱附的动态平衡。
图1 Brunauer 的5种类型气体吸附等温线
四、固-气界面吸附的影响因素
1、温度
气体吸附是放热过程，因此无论物理吸附还是化学吸附，温度升高时吸附量减少。当然在实际工作种要根据体系的性质和需要来确定具体的吸附温度，并不是越低越好。在物理吸附中，要发生明显的吸附作用，一般说，温度要控制在气体的沸点附近。
2、压力
无论物理吸附还是化学吸附，压力增大，吸附量皆增大。物理吸附类似于气体的液化，故吸附随压力的改变而可逆地变化，图1 的5种类型的等温线反映了压力对吸附量的影响。
3、吸附剂和吸附质性质
① 极性吸附剂易于吸附极性吸附质。
② 非极性吸附剂易于吸附非极性吸附质。
③ 无论是极性还是非极性吸附剂，一般吸附质分子的结构越复杂、沸点越高，被吸附的能力越强。
④ 酸性吸附剂易吸附碱性吸附质，反之亦然。
⑤ 吸附剂的孔结构。
五、影响活性碳吸附气体的几个因素
1、活性碳性质
活性碳是一种多孔性固体,比表面积大,吸附力比硅胶、氧化铝都强,属于非极性吸附剂。沸点在
2、解吸
活性碳采样解吸剂多用二硫化碳,因为它在氢火焰检测器的响应信号小,多与被测信号分开,对极性稍大化合物可加入1 %～5 %的醇或酮以提高解吸效率。目前热解吸法主要用于低沸点有机化合物的气相色谱测定,对于热稳定性差的化合物或沸点较高的化合物不易采用。
3、吸附效率
3. 1 穿透容量 活性碳是非极性物质,各种非极性化合物对它的穿透容量并不相同,影响穿透容量的因素较多,因此必须通过实验测定该化合物的穿透容量。
3. 2 吸附速度 影响吸附效率的程度与吸附剂的种类有关。一般采用效率是随着流量减少而增加,但吸附剂有一段最佳流量,可以通过实验测得,用此流量采用对穿透容量的影响不明显。所以工作中不能随意更改采用速度。短时采用一般流量100 或200 ml/ min ,一般不能超过500 ml/ min ,长时间吸附时流量20～50 ml/ min。
3. 3 被测化合物的浓度 由于吸附剂对各种化合物都有一定的穿透容量,所以被测化合物的浓度越高穿透时间越短,且容易穿透,吸附中应根据现场浓度灵活规定吸附的体积,以防止出现误差。
3. 4 现场湿度 湿度增大穿透容量减小,湿度影响的大小与吸附剂和被测化合物的性质有关,湿度对非极性吸附剂的影响小于极性吸附剂。但在较湿的情况下,如雾气细小水珠,则穿透容量明显降低。
3. 5 现场温度 活性碳的穿透容量受温度的影响,温度每升高
六、活性炭吸附气体的实际应用——活性炭脱硫脱硝技术
活性炭脱硫脱硝技术是以德国、美国为中心，在20 世纪50 年代开始研究的。日本起始于60 年代，但在70 年代后才有快速发展。在此，就日本在这一技术开发上处于领先地位的电源开发株式会社的研究作一些介绍。处理工艺如图4 所示。图中，脱硫塔：活性炭吸附排气中的SOx；脱硝塔：活性炭使NH3 与NOx反应；分离塔：加热活性炭脱去SOx，再生活性炭。
图2 活性炭脱硫脱硝工艺流程
从最新验证性实验(燃煤排烟SOx：800 ppm，NOx：190 ppm)得出中试结果及经济性评价如下：
(1) 没有发生装置故障和活性炭过热问题，具有可靠性、安全性；
(2) 脱硫率能达到97%以上，而脱销率能达到80%以上；
(3) 工业用水量只有湿法脱硫的1/60，排水量可减少1/10；
(4) 在现有的锅炉排放气体和环境条件下，对干式同时脱硫脱硝技术和目前所使用的技术(SCR+湿式脱硫系统)进行比较，结果两者的建设费干式同时脱硫脱硝技术稍低；但是活性炭的成本高，干式同时脱硫脱硝技术的运行费用比较高。如果今后环境指标更加严格，性能优越的干式同时脱硫脱硝技术是能够与现代技术竞争的。另外，这一技术对于用水困难的地区更具意义。[5]
参考文献：
[1] 沈钟 赵振国 王果庭. 胶体与表面化学 第三版. 化学工业出版社
[2] 赵闯. 气体在固体上的吸附BET公式推导
[3] 顾惕人 朱步瑶. 表面化学[M ]. 北京: 科学出版社, 1994. 26～ 34.
[4] 李薇 影响活性碳管采集气样品的几个因素
[5] 刘伟军 马其良 SOx污染控制技术的现状与发展 1008-8857(2003)
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