凹土及凹土吸附干燥剂的吸附性能.pdf
第19卷第4期 南京化工大学学报Vol. 19 No. 4 1997年10月JOURNAL OF NANJ I N G UN I V ERSITY OF CHEM ICAL TECHNOLOGYOct.1997 化工数据 凹土及凹土吸附干燥剂的吸附性能 金叶玲马正飞姚虎卿 (南京化工大学化学工程系,南京, 210009) 摘要用流动重量法测定了凹土(A T)及凹土吸附干燥剂(A TM)对水的吸附平衡和吸附动 力学性能。二样品的吸附等温线皆属类型,它们是水以不同吸附方式迭加的结果,经分解可用 L angmuir和BET方程拟合。吸附动力学曲线可用单孔模型Crank方程很好地拟合。 关键词凹凸棒石粘土吸附平衡吸附动力学 中图号TQ 424124 虽然关于分子筛的吸附平衡和吸附动力学的研究已比较成熟,但有关凹凸棒石粘土(简称 凹土)在这一方面的研究很少见报导。本文以盱眙产优质凹土(A T)及由其制得的新型吸附 干燥剂(A TM)进行了系统的吸附水的吸附性能研究,为A T 和A TM 的进一步研究和 工业化应用提供了理论依据和基础数据。 1实验部分 实验采用流动重量法1动力学实验装置,吸附平衡曲线、 吸、 脱附动力学曲线皆由该装置 测得。 载气 : H 2,吸附体系 : H 22H2O饱和蒸汽。 吸附剂:A T、A TM 球形颗粒 534 mm。 2结果和讨论 211吸附平衡 21111吸附平衡曲线 由实验测得的A T 和A TM 的吸附等温线如图1所示。 由图看出,按Brunauer对吸附等温线的分类,A T、A TM 的吸附等温线皆属于类型 。平衡吸附量均随温度升高而降低,A TM 吸附等温线受温度影响较大,说明A TM 对温 度较敏感。由于添加了吸水性强的添加剂,所以A TM 的平衡吸附量比A T 提高了近1倍。 收稿日期: 1997201227 (a)AT (1 20, 2 30, 3 40)(b)ATM(1 20, 2 30, 3 40) 图1不同温度下A T、A TM 对水的吸附平衡等温线 Fig. 1The adsorption isotherin of water on AT、ATM at different temperature 21112吸附等温线的拟合 由A T、A TM 的成分和结构可知,A T 和A TM 吸附水具有3种性质,即物理附着 水、 结晶水和结合水,因此实验测得的吸附等温线是3种吸附水综合影响的结果,其中结晶水 和结合水应属拟化学吸附水2。据此,本研究用L angmuir和BET模型的迭加对实验数据拟 合,拟合模型: q= kbqmc?c0 1 +kbc?c0 + kbqmc?c0 1 -c?c01 +(kb- 1) c?c0 (1) 30A TM 吸附平衡数据拟合结果为: q= 2. 149c?c0 1 + 14. 8c?c0 + 0. 978c?c0 (1 - c?c0) (1 + 3. 35c?c0) (2) 脱附平衡实验值 吸附平衡实验值 脱附平衡与的差值 吸附平衡拟合曲线 吸附平衡拟合结果Langmui部分(拟 化学吸附等温线) 图230A TM 对水的吸附和脱 附等温线 Fig. 2The adsorption and desorption isotherm ofwater on ATMat 30 拟合参数如表1所示。将拟合结果(2)作于图2,可见与实验 数据吻合。将式(2)中L angmuir拟合部分作于图2得曲线 。 表130A TM 吸附平衡拟合参数 Table 1The fitting parameter of adsorption isotherm of w inter on ATMat 30 模型参数 ? (cm 3? g) 平衡吸附量 gH2O?gATM 拟合误差 % kb= 14. 8qm= 0. 1454. 67 kb= 36. 5qm= 0. 02680. 53 为了进一步考察水在吸附剂表面的吸附机理,本研究同 时测定了30A TM 的脱附等温线并示于图2中。脱附等 温线与吸附等温线并不重合,在整个相对蒸汽压力范围内, 都有滞后现象存在,但脱附等温线与拟合得到的L angmuir 部分的差值(如图2中的)和吸附等温线相吻合,而在x 0. 35区域则与吸附等温线形成一闭合的滞后回路。这一现 象与文献2研究水在氧化铝上的吸附行为一致,即脱附等 温线与吸附等温线的差值是由拟化学吸附和毛细冷凝所致, 85南京化工大学学报第19卷 闭合的滞后回路反映毛细冷凝的程度3。因此,这是典型的在完成单分子层吸附后,再形成多 分子层及毛细冷凝,当水蒸汽浓度接近饱和蒸汽压时,吸附量迅速增加的吸附过程。 (a)AT (b)ATM (1 20, 2 30, 3 40)(1 20, 2 30, 3 40) 图3不同温度下A T、A TM 的吸附动力学曲线 Fig. 3The adsorption kinetic curve of ATand ATMat different temperature 由拟合结果和以上分析表明,实验 测定的吸附平衡实际上是拟化学吸附、 物理吸附和毛细冷凝的共同结果,其吸 附等温线完全可以分解为拟化学吸附等 温线和物理吸附等温线,它们都可以用 简单的理想模型来拟合且吻合较好, L angmuir式适合拟化学吸附,BET式 适合物理吸附。 212吸附动力学 图3为水蒸汽体积百分浓度212% 时, 20、30、50下 水 在A T 和 A TM 上的吸附动力学曲线。 由凹土与分子筛结构相似性,单孔 模型应该适用于凹土,即动力学曲线应 符合Crank方程: M t M = 1 - b 2 n= 1 1 n2exp (- n2 2D t R 2) (3) 用方程(3)对图3中动力学曲线进行全段拟合,结果列于表2。可以看出,不同温度下A T 的吸附速率比A TM 快,这是因为添加剂的加入虽提高了A TM 的吸附量,却降低了其 传质速率,分析原因可能是添加剂溶解于粘结剂中,其分子渗进凹土微孔,阻塞部分孔道,降低 了扩散速度。 表2A T、A TM 的吸附动力学拟合结果 Table 2The fitting result of adsorption kinetics of AT and ATM 温度M(gH2O?100g样品)D?R2(103m in- 1)拟合误差(a10- 2) ? ATATMATATMATATM 2012. 0836. 251. 180. 784. 97. 74 308. 3818. 552. 462. 324. 988. 53 505. 4010. 362. 311. 76 213扩散机理的判别 实验中已排除了外扩散的影响,上面讨论实际上也假设微孔扩散,但2样品的吸附体系究 竟受何种扩散控制,还需作一判别。 根据T imofeev4提出的粗孔模型: 1 t t= 1 -1 - 2 1? 3 (4) 及L ee和Ruthven 5在同样假设下运用同样机理得到的粗孔模型: Da R 2 a t= 3 2 1 - (1 - ) 2?3 -(5) 在粗孔扩散时, 1- (1- 2)1?3 t或 3 2 1- (1- ) 2?3 -t应为直线。对图3中的动力学 95第4期金叶玲等:凹土及凹土吸附干燥剂的吸附性能 曲线用(5)、(4)式处理,其结果见图4。 由图4可以看出,二者吸附剂的吸附动力学曲线皆不符合(4)或(5)式,即二样品的扩散机 理不是粗孔扩散。 (a)Timofen(b)Lee和Ruthven 图4粗孔扩散模型处理结果 1 ATM20, 2 ATM30, 3 ATM 50, 4 AT20H2O 2. 2% Fig. 4The im itating result 由前面讨论知,二种吸附剂对微孔扩散模型Crank方程吻合较好,可判断其扩散机理为 微孔扩散控制。 3结论 1水在A T、A TM 上的吸附等温线属于类型,水在两吸附剂上的吸附是拟化学吸附、 物理吸附和毛细冷凝的共同结果,实验测得的等温线是拟化学吸附等温线和物理吸附等温线 的迭加,它们可分别用简单的理想模型(L angmuir和BET)拟合。 2A T、A TM 的动力学曲线可用单孔模型Crank方程很好地拟合,结果显示A TM 的 吸附速度慢于A T。在消除外扩散影响的条件下,两吸附剂的吸附为微孔扩散控制。 符 号 说 明 C气体中水蒸汽的体积百分数Co气体中水蒸汽的饱和浓度,体积百分数 kb(kb)Langmuir系数(BET系数)qm(qm)平衡吸附量gH2O?g吸附剂 q瞬间吸附量gH2O?g吸附剂 相对吸附量(亦称吸附速率)= q qm = Mt M Mt吸附剂在某一时间的吸附量gH2O?100g吸附剂M吸附剂吸附达平衡时的吸附量gH2O?100g吸附剂 t吸附时间m int吸附达平衡所需时间m in D、Da扩散系数cm2?m inR、Ra吸附剂颗粒半径mm 06南京化工大学学报第19卷 参考文献 1姚虎卿,刘晓勤,马正飞 1 活性炭对CO的吸附性能的研究 1 南京化工学院学报, 1990, 12(3): 611 2Desai R, Hussain M , Ruthven D M. Adsorption of water vapour on activated alum ina 12equilibrium behaliour. Can J Chem Eng, 1992, 70(4): 699706 3Gregg S J, Sing K SW. Adsorption, surface Aera and Porosity, 2nd ed. London: Academ ic Press, 1982 4Timofeev D P1Molecular Sieve Zeolites2 1Adv.in Chem, 1971, (102): 247 5Lee L K.The kinetics of sorption in a biporous adsorbent particle. A IChEJ.1978, 24(3): 531 ADSORPTI ON STUD IESOF ATTAPULGITE AND ITSDESICCANT J in YelingM a Zhengf eiYao H uqing Department of Chem ical Engineering, N anjing U niversity of Chem ical Technology, N anjing, China, 210009 AbstractThe water adsorption equilibrium and adsorption kinetics of A ttapulgite(A T) and its desiccant(A TM)have been determ ined by the flow weight method. The effects of temperature and concentration on adsorption equilibrium and rate have been studied. The ad2 sorption isotherm s of the two samples belong to type, and can be described by the combi2 nation of L angmuir eq.and BET eq. .The adsorption kinetic curve can be fitted by Crank eq. .The obtained results can be used for the application of A TM . Key wordsattapulgiteadsorption equilibriumadsorption kinetics 16第4期金叶玲等:凹土及凹土吸附干燥剂的吸附性能
