活性炭吸附与传质机理分析及实验测定

吸附是利用多孔固体颗粒选择性地吸附流体中的一个或几个组分，从而使流体混合物得以分离的方法。通常称被吸附的物质为吸附质，用作吸附的多孔固体颗粒称为吸附剂。化工生产中常用的吸附剂有硅藻土、白土、天然沸石、活性炭、硅胶、活性氧化铝、合成沸石等。将煤、椰子壳、果核、木材等进行炭化，再经活化处理，可制成各种不同性能的活性炭。活性炭比表面积可达1500m2/g。活性炭具有非极性表面，为疏水性和亲有机物的吸附剂。固定床吸附器是工业常用的吸附分离设备。

吸附过程的特点是相际传质。吸附质首先从流体相主体经过对流扩散至固体颗粒的外表面，这一传质步骤称为组分的外扩散；然后，吸附质从固体颗粒外表面沿固体内部微孔扩散至固体的内表面，称为组分的内扩散；最后，组分被固体吸附剂吸附。因此，吸附传质是由外扩散、内扩散和吸附三个步骤组成的。对于多数吸附过程，吸附质的内扩散是传质的主要阻力所在。

工业吸附过程对吸附剂的要求有：①有大的内表面，比表面积越大，吸附容量越大；②活性高，内表面都能起到吸附的作用；③选择性高；④具有一定的机械强度和物理特性（如颗粒大小）；⑤具有良好的化学稳定性、热稳定性及成本低。

吸附相平衡通常用吸附等温线来表示，即平衡条件下，吸附剂固体相的吸附质浓度与流体相吸附质浓度的关系。吸附等温线最常用的表达式有线性方程和朗格缪尔方程。线性方程为

x＝Hc（15-1）

式中，c为流体中吸附质浓度，kg吸附质/m3流体；x为固体相中吸附质的浓度，kg吸附质/kg吸附剂；H为比例常数。朗格缪尔方程为(www.xing528.com)

式中，kL为朗格缪尔吸附平衡常数；xm为固体相中吸附质的浓度，kg吸附质/kg吸附剂。

当流体相中吸附质浓度较低时，常用线性方程；浓度不太低时，常用朗格缪尔方程。

固定床吸附器的透过曲线是指出口处流体浓度随时间变化的曲线。吸附初始时，固定床吸附器内吸附剂的浓度为x2，入口流体浓度为c1。经操作一段时间后，入口处吸附相浓度将逐渐增大并达到与c1成平衡的浓度x1。在后续一段床层（L0）中，吸附相浓度沿轴向降低至x2，流体相浓度降低至c2。床层中吸附相浓度沿流体流动方向的变化曲线称为负荷曲线。吸附传质主要发生在L0段，L0称为传质区长度。与吸附相的负荷曲线相对应，流体中的吸附质浓度沿轴向的变化称为流体相的浓度波。显然，负荷曲线的波形将随操作时间的延续而不断向前移动。最终，浓度波和负荷曲线均移动达到出口，此后出口流体的浓度将与时增高。出口处流体浓度随时间的变化曲线称为透过曲线。该曲线上流体的浓度开始明显升高时的点称为透过点，一般规定出口流体浓度为进口流体浓度的5％时为透过点（c B＝0.05c1）。操作达到透过点的时间为透过时间τB。若继续操作，出口流体浓度不断增加，直至接近进口浓度，该点称为饱和点，相应的操作时间为饱和时间τs。一般取出口流体浓度为进口流体浓度的95％时为饱和点（cs＝0.95c1）。

透过曲线是流体相浓度波在出口处的体现，所以，透过曲线与浓度波呈镜面对称关系。可以用实验测定透过曲线的方法来确定浓度波、传质区长度，以及确定平均体积传质系数。