環(huán)境材料概論課件第二章吸附材料_第1頁(yè)
環(huán)境材料概論課件第二章吸附材料_第2頁(yè)
環(huán)境材料概論課件第二章吸附材料_第3頁(yè)
環(huán)境材料概論課件第二章吸附材料_第4頁(yè)
環(huán)境材料概論課件第二章吸附材料_第5頁(yè)
已閱讀5頁(yè),還剩27頁(yè)未讀, 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說(shuō)明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡(jiǎn)介

第二章吸附材料主講:馬杰教授目錄吸附碳質(zhì)吸附材料吸附材料的表征吸附材料的分類1234其他吸附材料501吸附01吸附吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型吸附

adsorption指發(fā)生在混合體系某一界面層中單組分或多組分物質(zhì)富集、積蓄的現(xiàn)象,屬于一種界面層中自發(fā)的傳質(zhì)過(guò)程?;旌象w系:固相-液相、固相-氣相、液相-氣相、液相-液相等。吸附質(zhì):吸附過(guò)程中吸附的目標(biāo)物質(zhì)—被吸附的物質(zhì)。吸附劑:用于吸附目標(biāo)物質(zhì)的試劑—附著吸附質(zhì)的物質(zhì)。吸附介質(zhì):吸附劑與吸附質(zhì)接觸的介質(zhì)。01吸附吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型1.吸附類型物理吸附化學(xué)吸附1.吸附作用力為分子間作用力,以范德瓦耳斯力為主;2.無(wú)吸熱反應(yīng),吸附熱<40kJ;3.吸熱層數(shù)為單層或多層;4.吸附速度較快;5.不具有選擇吸附性;6.吸附材料易于可逆再生。1.吸附作用力以化學(xué)鍵為主;2.發(fā)生吸熱反應(yīng),吸附熱>40kJ;3.吸熱層數(shù)為單層;4.吸附速度較慢;5.具有選擇吸附性;6.吸附材料難以可逆再生。區(qū)分依據(jù):吸附質(zhì)與吸附劑之間作用力的不同01吸附吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型物理吸附:在吸附過(guò)程中物質(zhì)不改變?cè)瓉?lái)的性質(zhì),因此吸附能小,被吸附的物質(zhì)很容易再脫離。如用活性炭吸附氣體,只要升高溫度,就可以使被吸附的氣體逐出活性炭表面。吸附劑吸附質(zhì)吸附劑吸附質(zhì)化學(xué)吸附:指吸附質(zhì)與吸附劑之間發(fā)生化學(xué)作用,生成化學(xué)鍵引起的吸附,在吸附過(guò)程中不僅有引力,還擁有化學(xué)鍵的力。因此吸附能較大,要逐出被吸附的物質(zhì)需要較高的溫度,而且被吸附的物質(zhì)即使被逐出,也已經(jīng)產(chǎn)生了化學(xué)變化,不再是原來(lái)的物質(zhì)了。01吸附吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型2.吸附機(jī)制孔隙發(fā)達(dá)、比表面積大→吸附材料表面自由能大→吸附效果好吸附材料具有可發(fā)揮吸附作用的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)吸附過(guò)程的主要作用力范德瓦耳斯力:是一種非共價(jià)鍵分子間作用力,含色散力、誘導(dǎo)力、取向力。靜電作用力:包含靜電引力和靜電斥力。靜電引力有利于吸附,靜電斥力不利于吸附。氫鍵:是一種大于范德瓦耳斯力,小于化學(xué)鍵的作用力。其他作用力:疏水作用、絡(luò)合作用、離子交換作用等。01吸附吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型3.吸附理論模型吸附平衡:在一定條件下,經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間,吸附質(zhì)在兩相中的濃度不再變化,稱為吸附平衡。吸附等溫線:吸附劑的表面是不均勻的,被吸附的分子和吸附劑表面分子之間,被吸附的各分子之間的作用力各不相等,吸附等溫線的形狀也各不相等。常見的五種吸附等溫線01吸附吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型Langmuir吸附等溫式缺陷在臨界溫度以下的物理吸附中,多分子層吸附更普遍,這種吸附難以用Langmuir吸附等溫式表征;吸附劑表面并不均勻,實(shí)際使用時(shí)需對(duì)表面不均一性進(jìn)行修正。在吸附材料表面發(fā)生的吸附為單層吸附;吸附材料表面均一;被吸附的相鄰吸附質(zhì)之間不發(fā)生相互作用。Langmuir吸附等溫式假設(shè)Langmuir吸附等溫式

01吸附吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型Freundlich吸附等溫式Freundlich吸附等溫式是描述平衡最早的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式之一,他假設(shè)發(fā)生的吸附過(guò)程是多分子層吸附,并且活性吸附位點(diǎn)在吸附材料表面的分布并不均勻。其表達(dá)式為:其直線形式為:n值越大,等溫線與線性偏離大,變成非線性等溫線當(dāng)n>10,變成矩形,是不可逆吸附參數(shù)K和n依賴于平衡溫度,關(guān)系很復(fù)雜01吸附吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型吸附動(dòng)力學(xué)理論吸附過(guò)程一般分為三個(gè)階段:外擴(kuò)散階段內(nèi)擴(kuò)散階段吸附轉(zhuǎn)移階段由于階段3反應(yīng)較快,因此吸附過(guò)程的速度取決于階段1與階段2的速度。①外擴(kuò)散表面擴(kuò)散外表面吸附孔擴(kuò)散孔擴(kuò)散直到中心內(nèi)表面吸附表面擴(kuò)散②⑤④③內(nèi)擴(kuò)散表面擴(kuò)散外擴(kuò)散過(guò)程02吸附材料的分類02吸附材料的分類吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型

對(duì)吸附材料進(jìn)行科學(xué)的分類歸納有助于我們更好地進(jìn)行學(xué)習(xí)對(duì)比,并在實(shí)際應(yīng)用中選擇合適種類的吸附材料。

來(lái)源相同的材料具有相似的物化性質(zhì)和吸附特性,因此對(duì)吸附材料按照材料來(lái)源的分類是研究及實(shí)際操作中最常見和實(shí)用的分類方式,本節(jié)將按照吸附材料的材料來(lái)源對(duì)吸附材料進(jìn)行分類和介紹。02吸附材料的分類吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型以碳為基質(zhì),經(jīng)過(guò)加工而具有吸附性能的一類材料。其組成部分主要為無(wú)機(jī)物碳元素,活化加工后具有豐富有機(jī)官能團(tuán)。源于自然界的天然高分子及其改性后形成的衍生物。具有一定的比表面積與親水性;表面含有豐富的羥基、氨基等活性官能團(tuán);可人工制備而成。以無(wú)機(jī)物為活性組分,目前應(yīng)用較多。生物及其衍生物非活性的吸附作用。碳質(zhì)吸附材料無(wú)機(jī)吸附材料有機(jī)吸附材料生物吸附材料材料分類02吸附材料的分類吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型如何有效地選擇合適的吸附材料?依照相似相容原理和孔徑匹配原則進(jìn)行選擇!吸附材料與吸附質(zhì)的化學(xué)組成或結(jié)構(gòu)相似或者接近時(shí)兩者有很強(qiáng)的親和力,從而達(dá)到較好的吸附效果??讖狡ヅ湓瓌t吸附材料內(nèi)部孔徑適當(dāng)大于吸附質(zhì)尺寸時(shí),吸附材料才會(huì)具有出色的吸附效能。相似相溶原理03材料吸附的表征03材料吸附的表征吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型吸附材料的孔徑大小和孔隙率決定了吸附質(zhì)能否進(jìn)入吸附材料,對(duì)吸附材料的吸附效率與選擇性具有一定的影響。

一般來(lái)說(shuō),對(duì)于相同的吸附材料而言,孔隙率越大,對(duì)應(yīng)的比表面積也會(huì)越大。吸附材料的孔徑大小和孔隙率一般也可以通過(guò)BET法獲得。

BET法比表面積是表征吸附材料的吸附性能的重要指標(biāo),也是影響吸附材料吸附量的決定性因素之一。BET法通過(guò)測(cè)量樣品在不同氮?dú)夥謮合碌亩鄬游搅?利用BET方程進(jìn)行線性擬合,得到直線的斜率和截距,從而求得Vm值并計(jì)算出被測(cè)樣品比表面積。

SEM技術(shù)通過(guò)電子束轟擊樣品表面,通過(guò)電子信號(hào)分析和觀察樣品形貌,從而獲得吸附材料表面的微觀圖像。

除SEM掃描電子顯微鏡技術(shù)外,透射電子顯微鏡可以顯示材料內(nèi)部的二維結(jié)構(gòu),原子力顯微鏡可獲得作用力分布信息。孔徑分布SEM圖一、物理表征活性炭樣品SEM圖03材料吸附的表征吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型二、化學(xué)表征X射線衍射技術(shù)是用來(lái)分析材料晶體類型的最常用手段,通過(guò)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖譜,可以確定吸附材料的晶體種類。

碳吸附材料的晶體缺陷一般采用拉曼光譜進(jìn)行表征和分析。X射線衍射技術(shù)和拉曼光譜FTIR利用干涉后的紅外光進(jìn)行傅里葉變換,通過(guò)比對(duì)最終處理得到的透過(guò)率、吸光度隨波長(zhǎng)變化的紅外吸收光譜,可以表征吸附材料的表面官能團(tuán)。除FTIR外,還可以使用核磁共振(NMR)和X射線光電子能譜(XPS)來(lái)表征吸附材料的表面官能團(tuán)。傅里葉紅外光譜(FTIR)分析化學(xué)表征03材料吸附的表征吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型吸附量與處理效率吸附材料的吸附量主要由材料本身的性質(zhì)和對(duì)吸附質(zhì)的親和性決定,同時(shí)受到溶質(zhì)濃度(氣體分壓)、吸附介質(zhì)的溫度、pH值、鹽度等指標(biāo)的影響。吸附量可在吸附平衡后實(shí)際測(cè)量獲得,也可以通過(guò)擬合的吸附等溫式計(jì)算得到。相比于吸附量,處理效率更能反映動(dòng)態(tài)的吸附過(guò)程。吸附材料再生過(guò)程的實(shí)質(zhì)是吸附材料的吸附質(zhì)在外加條件下的脫附過(guò)程,吸附材料的再生性能影響其成本。常見的再生方式:高溫加熱脫附再生;降壓真空解吸再生;通過(guò)無(wú)機(jī)酸、堿、鹽或有機(jī)溶劑與吸附材料反應(yīng)再生。吸附材料的市場(chǎng)價(jià)格與再生時(shí)的費(fèi)用都應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性的合理考量。吸附速率與平衡時(shí)間再生性能與經(jīng)濟(jì)性三、吸附材料的評(píng)價(jià)指標(biāo)吸附速率受吸附質(zhì)在吸附介質(zhì)和吸附材料表面?zhèn)髻|(zhì)速率、吸附材料的表面官能團(tuán)、孔隙大小、孔徑率、吸附介質(zhì)的溫度、pH值、溶質(zhì)濃度(氣體分壓)、鹽度等的影響。

吸附平衡時(shí)間很難通過(guò)實(shí)際測(cè)量確定,可以利用吸附動(dòng)力學(xué)方程擬合,通過(guò)計(jì)算確定。04碳制吸附材料04碳制吸附材料——活性炭吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型活性炭(AC:activatedcarbon)是由含碳材料制成的外觀呈黑色,內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、表面積大、吸附能力強(qiáng)的一類微晶質(zhì)碳素材料?;钚蕴康奈锘再|(zhì):表觀密度約0.08~0.45;含碳量85%以上;

常規(guī)活性炭比表面積為500~1700m2/g,特殊制備的超級(jí)活性炭比表面積可達(dá)到3000~4000m2/g;炭化和活化后平均孔半徑為1~2nm,孔體積為0.6~1.1mL/g,孔隙率35%~75%?;钚蕴扛攀?4碳制吸附材料——活性炭吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型粉末活性炭顆粒活性炭纖維活性炭04碳制吸附材料——碳納米管吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型碳的四種同素異形體碳納米管碳納米管概述

碳納米管于1991年由日本NEC公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的電子顯微鏡專家飯島澄男(lijima)首先發(fā)現(xiàn)。他在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時(shí),意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是今天被廣泛關(guān)注的碳納米管。1993年,通過(guò)在電弧放電中加入過(guò)渡金屬催化劑,NEC和IBM的研究小組同時(shí)成功合成單層碳納米管。飯島澄(lijima)04碳制吸附材料——碳納米管吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型碳納米管的制備電弧放電法化學(xué)氣相沉積法激光蒸發(fā)法在真空容器中充滿一定壓力的惰性氣體或氫氣,以摻有催化劑(金屬鎳、鈷、鐵等)的石墨為電極,在電弧放電的過(guò)程中,兩石墨電極間總保持一定的間隙。陽(yáng)極石墨被蒸發(fā)消耗,同時(shí)在陰極石墨上沉積碳納米管,從而生產(chǎn)出碳納米管。化學(xué)氣相沉積法又名催化裂解法,其原理是通過(guò)豎類(如甲烷、乙烯、丙烯和苯等)或含碳氧化物(如CO)在催化劑的催化下裂解為碳原子,碳原子在催化劑作用下,附著在催化劑微粒表面上形成碳納米管。在一長(zhǎng)條石英管中間放置一根金屬催化劑/石墨混合的石墨靶,該管則置于一加熱爐內(nèi)。當(dāng)爐溫升至一定溫度時(shí),將惰性氣體充入管內(nèi),并將一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成氣態(tài)碳,這些氣態(tài)碳和催化劑粒子被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)時(shí),在催化劑的作用下生長(zhǎng)成碳納米管。04碳制吸附材料——石墨烯吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型石墨烯概述石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化連接形成的單原子層二維晶體,碳原子規(guī)整的排列于蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元之中,如下左圖所示。每個(gè)碳原子除了以σ鍵與其他三個(gè)碳原子相連之外,剩余的π電子與其他碳原子的π電子形成離域大π鍵,電子可在此區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng),從而使石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。同時(shí),這種緊密堆積的蜂窩狀結(jié)構(gòu)也是構(gòu)造其他碳材料的基本單元,如下右圖所示,單原子層的石墨烯可以包裹形成零維的富勒烯,單層或者多層的石墨烯可以卷曲形成單壁或者多壁的碳納米管。石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖石墨烯作為基礎(chǔ)構(gòu)件合成富勒烯、碳納米管和石墨04碳制吸附材料——石墨烯吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型

作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料,石墨烯被稱為“黑金”,是“新材料之王”,科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。近年來(lái),利用石墨烯及其衍生物作為吸附材料處理環(huán)境中污染物質(zhì)的研究日益增多,在實(shí)際研究中最常見的為氧化石墨烯和還原氧化石墨烯。氧化石墨烯(左)和還原氧化石墨烯(右)的分子結(jié)構(gòu)05其他吸附材料05其他吸附材料——沸石吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型沸石概述沸石是一種含有堿金屬或者堿土金屬并具有三維空間結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽,因其在灼燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象而命名為沸石。沸石可以分為天然沸石和人工沸石兩種,可作為一種廉價(jià)而實(shí)用的吸附材料。由于天然沸石晶體的硅(鋁)氧四面體有許多空洞和孔道,其中占據(jù)著陽(yáng)離子和水分子。當(dāng)經(jīng)過(guò)烘燒使它部分或全部脫水后,其結(jié)晶骨架并沒有被破壞,而是形成一個(gè)個(gè)內(nèi)表面很大的孔穴,可吸附并儲(chǔ)存大量分子,因此具有吸附量大和高選擇性的特點(diǎn)。天然沸石人工沸石05其他吸附材料——活性氧化鋁吸附類型吸附機(jī)制標(biāo)題內(nèi)容吸附理論模型活性氧化鋁概述氧化鋁具有許多同質(zhì)異晶體,由于結(jié)構(gòu)的不同,性質(zhì)也有很大的差異?;钚匝趸X一般是指γ型氧化鋁即γ-Al2O3,是一種帶有缺陷的尖晶石

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫(kù)網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評(píng)論

0/150

提交評(píng)論