《二氧化碳捕集原理與技術(shù)》第二章二氧化碳的吸附、吸收及膜分離理論提綱二氧化碳吸收過(guò)程1氣液相平衡關(guān)系2傳質(zhì)理論3二氧化碳化學(xué)吸收原理4二氧化碳膜分離原理51

二氧化碳吸收過(guò)程海綿吸水是吸收還是吸附？A：吸收過(guò)程B：吸附過(guò)程C：既可是吸收過(guò)程，

又可是吸附過(guò)程D：既不是吸收過(guò)程，

又不是吸附過(guò)程1

二氧化碳吸收過(guò)程什么是吸收？吸收：利用氣體混合物中各組分在液體中的溶解度差異來(lái)分離氣體混合物的單元操作。用來(lái)吸收的液相主體稱(chēng)為吸收劑；被吸收的氣體/液體稱(chēng)為吸收質(zhì)。氣相主體液相主體吸收過(guò)程解吸過(guò)程氣液兩相間的傳質(zhì)過(guò)程1

二氧化碳吸收過(guò)程什么是吸附？吸附：當(dāng)氣體或液體與固體接觸時(shí)，在固體表面上出現(xiàn)濃度累積，這種現(xiàn)象稱(chēng)為吸附現(xiàn)象。吸附的固體物質(zhì)稱(chēng)為吸附劑，被吸附的氣體/液體稱(chēng)為吸附質(zhì)。1

二氧化碳吸收過(guò)程海綿吸水是吸收還是吸附？A：吸收過(guò)程B：吸附過(guò)程C：既可是吸收過(guò)程，

又可是吸附過(guò)程D：既不是吸收過(guò)程，

又不是吸附過(guò)程1

二氧化碳吸收過(guò)程吸收過(guò)程的分類(lèi)物理吸收與化學(xué)吸收（依據(jù)有無(wú)化學(xué)反應(yīng)）；單組分吸收與多組分吸收（依據(jù)吸收組分?jǐn)?shù)）；等溫吸收與非等溫吸收（依據(jù)溫度是否變化）；低濃度氣體吸收與高濃度氣體吸收（依據(jù)被吸附組分濃度15%）；等壓氣體吸收與變壓氣體吸收（依據(jù)吸收過(guò)程氣體分壓是否變化）。對(duì)于CO2煙氣而言，屬于單組分等壓吸收等溫低濃度氣體1

二氧化碳吸收過(guò)程CO2吸收與解吸CO2吸收：利用CO2和其它各種氣體組分在吸收劑中具有不同溶解度并易于解吸的特點(diǎn)，選用合適的吸收劑選擇性地將混合氣體中的CO2在一定的條件下進(jìn)行分離的過(guò)程，稱(chēng)為CO2吸收。CO2解吸：利用改變操作條件，降低吸收劑對(duì)CO2的溶解度，使吸收溶液中的CO2被釋放，達(dá)到解吸的目的。將解吸的CO2收集起來(lái)，并將解吸后的吸收劑循環(huán)利用。提綱二氧化碳吸收過(guò)程1氣液相平衡關(guān)系2傳質(zhì)理論3二氧化碳化學(xué)吸收原理4二氧化碳膜分離原理52氣液相平衡關(guān)系氣液相平衡關(guān)系

（T、P

恒定）分壓的影響：T一定，分壓

↑，x↑溫度的影響：分壓一定，T

↑，x↓

低溫高壓利于吸收、高溫低壓利于解吸2氣液相平衡關(guān)系相平衡方程—亨利定律（分壓形式）亨利定律：吸收過(guò)程用以描述氣液相平衡的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

意義：在一定

T

下的稀溶液，在氣體總壓力不高時(shí)（p<500kPa），

吸收質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)與其在氣相中的平衡分壓成正比。亨利系數(shù)

E①不同物系、相同溫度下

E

不同②不同溫度、相同物系下

E

不同E↑難溶；E↓易溶CO2：273K，E=0.0737313K，E=0.2361單位：kPa2氣液相平衡關(guān)系相平衡方程—亨利定律（物質(zhì)的量濃度形式）

H：溶解度系數(shù)，kmol/(m3·pa)難溶氣體

E

大

H小；易溶氣體

E

小

H大

2氣液相平衡關(guān)系相平衡方程—亨利定律（摩爾分?jǐn)?shù)形式）

m：相平衡常數(shù)，無(wú)量綱E↓m

↓氣體溶解性

↑

低溫高壓有利于吸附過(guò)程2氣液相平衡關(guān)系相平衡方程—亨利定律（比摩爾濃度形式）

對(duì)于稀溶液

x

表示每

kmol混合溶液中組分A的摩爾分?jǐn)?shù)y

表示每

kmol混合氣體中組分A中的摩爾分?jǐn)?shù)X

表示每

kmol溶劑中組分A中的摩爾分?jǐn)?shù)Y

表示每

kmol惰性氣體中組分A的摩爾分?jǐn)?shù)2氣液相平衡關(guān)系相平衡方程—亨利定律參數(shù)關(guān)系總結(jié)系數(shù)亨利系數(shù)E溶解度系數(shù)H相平衡常數(shù)m單位kPakmol/m2·Pa無(wú)變化趨勢(shì)E

↑x↓E

↓x↑H

↑c(diǎn)↑H

↓c↓m

↑x↓m

↓x↑T

↑H↓E↑T

↓H↑E↓易溶氣體H

大E小難揮發(fā)

氣體溶解度與壓力的關(guān)系2氣液相平衡關(guān)系對(duì)于難溶氣體，亨利定律有足夠的正確性；對(duì)于易溶氣體，亨利定律定律僅適用于較低的濃度范圍。考慮到真實(shí)氣體，在

P≠0

時(shí)，壓力對(duì)在溶液中低濃度氣體溶解度的影響可用下式來(lái)描述，

即

氣體溶解度與壓力的關(guān)系2氣液相平衡關(guān)系

根據(jù)氣體逸度的狀態(tài)方程：

對(duì)上述等式兩邊積分，整理后，可得：

氣體溶解度與壓力的關(guān)系2氣液相平衡關(guān)系在氣體溶解度相當(dāng)大，以及在溶液中有其他雜質(zhì)（各種溶解的氣體、水、鹽類(lèi)）時(shí)，必須考慮溶液組分變化對(duì)溶解度的影響。一般情況下，氣體溶解度與氣體在溶液中濃度（x2小但不等于0）和在當(dāng)

P2

低時(shí)在稀釋溶液中的第三組分濃度的關(guān)系，即：

氣體溶解度與溫度的關(guān)系（熱力學(xué)形式）2氣液相平衡關(guān)系

氣體溶解度與溫度的關(guān)系可用熱力學(xué)方程式來(lái)近似地描述，即

2氣液相平衡關(guān)系上式需要進(jìn)行修正，即

氣體溶解度與溫度的關(guān)系（熱力學(xué)形式）

氣體溶解度與溶質(zhì)分子勢(shì)能的關(guān)系2

氣液相平衡關(guān)系氣體的溶解度與溶液組分的連納德—瓊斯勢(shì)參數(shù)間存在一定的聯(lián)系。在無(wú)限稀釋溶液中的氣體溶解度可用下式計(jì)算，

即

連納德—瓊斯勢(shì)理論：兩個(gè)分子間的排斥作用與距離的12次方成反比，而吸引作用與距離的6次方成正比。連納德—瓊斯勢(shì)函數(shù)（總分散-排斥勢(shì)能公式）：2氣液相平衡關(guān)系氣體或蒸氣液體氣體或蒸氣液體氦10.22環(huán)己烷297.1乙烯224.7水809.1氖32.8二乙醚313.8氙231.0

氫59.7四氯化碳322.7乙炔231.8

氮71.4乙醇362.6一氧化二氮232.4

一氧化碳91.7己烷399.3丙烷237.1

氬93.3苯412.3丙烯298.9

氧106.7二硫化碳467.0硫化氫301.1

氧化氮116.7甲基醋酸469.8氨316.0

甲烷148.6甲醇481.8一氧化硫335.4

氪178.9乙基醋酸521.3硫氧化碳336.0

二氧化碳190.0丙酮560.2氯化氫344.7

乙烷215.7丙醇576.7氨558.3

部分氣體的連納德—瓊斯方程式參數(shù)提綱二氧化碳吸收過(guò)程1氣液相平衡關(guān)系2傳質(zhì)理論3二氧化碳化學(xué)吸收原理4二氧化碳膜分離原理53傳質(zhì)理論傳質(zhì)的概念傳質(zhì)：傳質(zhì)過(guò)程是物質(zhì)的傳遞過(guò)程。物質(zhì)由于濃度差可在一相內(nèi)傳遞，也可在相際間傳遞，即由一相向另一相傳遞過(guò)程。例如：氨溶于水中的過(guò)程，水分子向空氣中蒸發(fā)的過(guò)程等。3傳質(zhì)理論傳質(zhì)的概念傳質(zhì)通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)垂直于傳質(zhì)方向上單位面積的物質(zhì)的量。用絕對(duì)速率表示質(zhì)量通量：記

nA=ρA×μA用絕對(duì)速率表示摩爾通量：記

NA=cA×μA

ρA

為A組分在混合組分中的質(zhì)量密度

cA

為A組分在混合組分中的摩爾濃度

nA

單位為

kg/(m2·s)

NA單位為

kmol/(m2·s)

3傳質(zhì)理論吸收的傳質(zhì)過(guò)程氣相液相相界面溶解氣相擴(kuò)散

液相擴(kuò)散

氣相主體

液相主體

三步兩過(guò)程（1）

氣相主體→相界面

（氣相內(nèi)傳質(zhì)）（2）A在相界面溶解（3）相界面→液相主體

（液相內(nèi)傳質(zhì)）3傳質(zhì)理論傳質(zhì)的方式吸收過(guò)程相間傳質(zhì)過(guò)程單相傳質(zhì)過(guò)程分子擴(kuò)散過(guò)程（層流）對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程（湍流）3傳質(zhì)理論什么是分子擴(kuò)散？分子擴(kuò)散：靜止的流體內(nèi)部，若某一組分存在濃度差，則因分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處的現(xiàn)象。是一種分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。分子擴(kuò)散的兩種形式分子擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散單向擴(kuò)散3傳質(zhì)理論菲克(Fick)定律菲克定律：1858年菲克參照傅里葉定律，建立了描述物質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)遷移的方程，用以描述分子擴(kuò)散通量或擴(kuò)散速率。擴(kuò)散通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向上單位面積的物質(zhì)的量。

用

J

或

j

來(lái)表示。單位：kmol/(m2·s)或

kg/(m2·s)。

熱通量方程表述：T、P

一定時(shí)，一維定態(tài)的分子擴(kuò)散速率與濃度梯度成正比。菲克定律表達(dá)式3傳質(zhì)理論菲克定律的質(zhì)量形式表達(dá)式

DAB

為A組分在B中的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)jA、jB

為組分A、B的質(zhì)量擴(kuò)散通量（kmol/(m2·s)）為B組分在擴(kuò)散方向上的質(zhì)量濃度梯度

考慮到擴(kuò)散時(shí)相內(nèi)混合物的總體流動(dòng)

菲克(Fick)定律3傳質(zhì)理論菲克定律的摩爾形式表達(dá)式

DAB

為A組分在B中的摩爾擴(kuò)散系數(shù)JA、JB

為組分A、B的摩爾擴(kuò)散通量（kmol/(m2·s)）為B組分在擴(kuò)散方向上的摩爾濃度梯度

考慮到擴(kuò)散時(shí)相內(nèi)混合物的總體流動(dòng)

菲克(Fick)定律3傳質(zhì)理論氣體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散容器A組分A容器B組分BcA1>cA2cB1<cB2

A、B兩組分組成的二元混合物中組分A的擴(kuò)散必伴有組分B的等量反向擴(kuò)散

DAB=DBA=D

傳質(zhì)速率

N（傳質(zhì)通量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于傳質(zhì)方向單位面積物質(zhì)的量3傳質(zhì)理論氣體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散：物質(zhì)的傳遞方式僅為分子擴(kuò)散，組分A的傳質(zhì)速率等于其擴(kuò)散速率，即

對(duì)上式積分

可得

zcA1cA2NA液相傳質(zhì)速率3傳質(zhì)理論氣體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散如果A、B組成的混合物為理想氣體，則有zpA1pA2NA

氣相傳質(zhì)速率3傳質(zhì)理論氣體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散等分子反向擴(kuò)散的特點(diǎn)（1）系統(tǒng)中各處的總濃度

c（總壓力

p）相等；（2）JA＝－JB（兩組分反方向的擴(kuò)散速率相等）；（3）濃度（壓力）梯度為常數(shù)；（4）DAB＝DBA＝D

；（5）傳質(zhì)速率方程式為

3傳質(zhì)理論氣體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散單向擴(kuò)散：一種組分?jǐn)U散，另外一種組分“停滯”。在氣體吸收中，A為被吸收組分，B為惰性組分，液相不存在組分B，不可能向界面提供組分B。

因此，吸收過(guò)程所發(fā)生的是組分A通過(guò)“靜止”組分B的單方向擴(kuò)散，而不是等分子反向擴(kuò)散。

由因

組分B停滯

則有

兩邊積分得

3傳質(zhì)理論氣體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散因

擴(kuò)散時(shí)總壓

p

一定

代入得

因

則有

3傳質(zhì)理論氣體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散代入得

變換得

令（對(duì)數(shù)平均分壓）則有

3傳質(zhì)理論氣體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散

因有兩式結(jié)合

定義為“漂流因子”漂流因子意義：反應(yīng)主體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響，其值越大總體流動(dòng)作用越強(qiáng)。當(dāng)A濃度很低時(shí)

則即

3傳質(zhì)理論液體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散—擴(kuò)散方程因在液相中，組分A的擴(kuò)散系數(shù)隨濃度的變化而變化；且總濃度在整個(gè)液相中并非處處一致。故式中

D

用平均擴(kuò)散系數(shù)處理（常數(shù)化）

c

用平均總濃度處理（常數(shù)化）

則有

3傳質(zhì)理論液體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散—等分子反向擴(kuò)散

液體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散—單向擴(kuò)散（組分A通過(guò)、B停滯）

因組分A為稀溶液則有

3傳質(zhì)理論例題在溫度為20℃、總壓為101.3kPa的條件下，CO2與空氣混合氣緩慢地沿著Na2CO3溶液液面流過(guò)，空氣不溶于Na2CO3溶液。CO2透過(guò)1mm厚的靜止空氣層擴(kuò)散到Na2CO3溶液中，混合氣體中CO2的摩爾分率為0.2，CO2到達(dá)Na2CO3溶液液面上立即被吸收，故相界面上CO2的濃度可忽略不計(jì)。已知溫度20℃時(shí)，CO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為0.18cm2/s。試求CO2的傳質(zhì)速率為多少？3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—雙膜理論相界面層流膜虛擬膜氣相主體z有效層流膜（氣膜）z`（1）靠近相界面存在一有效層流膜：層流膜+虛擬膜；（2）對(duì)流傳質(zhì)阻力和濃度梯度全部集中于有效層流膜內(nèi)，有效層流膜外為湍流主體，傳質(zhì)阻力和濃度梯度為0；（3）有效層流膜內(nèi)僅發(fā)生了分子擴(kuò)散；（4）將復(fù)雜的分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散簡(jiǎn)化為分子擴(kuò)散。3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—雙膜理論氣相主體液相主體相界面氣膜液膜雙膜理論、溶質(zhì)滲透模型和表面更新模型1923年W.K.Lewis和W.G.Whitman提出雙膜理論（1）氣液兩相存在一個(gè)穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)存在穩(wěn)定的氣膜和液膜。膜內(nèi)為層流，溶質(zhì)A以分子擴(kuò)散方式通過(guò)氣膜和液膜。（2）相界面處兩相達(dá)平衡，無(wú)擴(kuò)散阻力。（3）有效膜以外主體中，充分湍動(dòng)，溶質(zhì)均一。pccipiNAzGzL3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—雙膜理論氣相主體液相主體相界面氣膜液膜a.等分子反向擴(kuò)散（氣膜）pccipiNA

zGzL令3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—雙膜理論氣相主體液相主體相界面氣膜液膜a.等分子反向擴(kuò)散（液膜）pccipiNAzG

zL令3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—雙膜理論氣相主體液相主體相界面氣膜液膜b.單向擴(kuò)散（A通過(guò)、B停滯）pccipiNA

zGzL

3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—雙膜理論氣相主體液相主體相界面氣膜液膜b.單向擴(kuò)散（A通過(guò)、B停滯）pccipiNAzGzL

當(dāng)氣相組成用摩爾分率表示時(shí)

設(shè)

則

同理

（比摩爾濃度）有3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—雙膜理論氣相主體液相主體相界面氣膜液膜b.單向擴(kuò)散（A通過(guò)、B停滯）pccipiNAzGzL

3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—雙膜理論氣相主體液相主體相界面氣膜液膜b.單向擴(kuò)散（A通過(guò)、B停滯）pccipiNAzGzL

當(dāng)液相組成用摩爾濃度表示時(shí)有

設(shè)

則

同理

（比摩爾濃度）3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—總傳質(zhì)速率方程

令則

（總傳質(zhì)阻力=氣膜阻力+液膜阻力）

3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—總傳質(zhì)速率方程b.用氣相組成表示傳質(zhì)推動(dòng)力（用氣相分壓表示）

令則

（總傳質(zhì)阻力=氣膜阻力+液膜阻力）

3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—總傳質(zhì)速率方程c.用氣相組成表示傳質(zhì)推動(dòng)力（用摩爾分率表示）

令則

（總傳質(zhì)阻力=氣膜阻力+液膜阻力）

3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—總傳質(zhì)速率方程

令則

（總傳質(zhì)阻力=氣膜阻力+液膜阻力）

3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—總傳質(zhì)速率方程b.用液相組成表示傳質(zhì)推動(dòng)力（用摩爾分率表示）

則

（總傳質(zhì)阻力=氣膜阻力+液膜阻力）

令3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—總傳質(zhì)速率方程c.用液相組成表示傳質(zhì)推動(dòng)力（用摩爾濃度表示）

則

（總傳質(zhì)阻力=氣膜阻力+液膜阻力）

？

3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—總傳質(zhì)速率方程c.用液相組成表示傳質(zhì)推動(dòng)力（用摩爾濃度表示）

則

（總傳質(zhì)阻力=氣膜阻力+液膜阻力）

令3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—吸收系數(shù)之間的關(guān)系

3傳質(zhì)理論相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型—小結(jié)

氣相液相相際相際膜或分傳質(zhì)系數(shù)

k

膜內(nèi)推動(dòng)力（單相）膜阻力總傳質(zhì)系數(shù)

k

總推動(dòng)推動(dòng)力（單相）膜阻力3傳質(zhì)理論例題

3傳質(zhì)理論例題4.解：

根據(jù)亨利定律

相平衡常數(shù)溶解度系數(shù)kmol/m2·Pa

3傳質(zhì)理論例題3傳質(zhì)理論例題

提綱二氧化碳吸收過(guò)程1氣液相平衡關(guān)系2傳質(zhì)理論3二氧化碳化學(xué)吸收原理4二氧化碳膜分離原理5

化學(xué)吸收原理4

二氧化碳化學(xué)吸收原理在化學(xué)吸收時(shí)，氣體的溶解度與氣體的物理溶解度、化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)、反應(yīng)時(shí)化學(xué)當(dāng)量比等因素有關(guān)?；瘜W(xué)吸收劑溶液在很多情況下是強(qiáng)或弱的電解質(zhì)，因此稀溶液理論方程式對(duì)此不適用。氣體在化學(xué)吸收劑中溶解度的特點(diǎn)：在壓力升高時(shí)溶解度不是均勻的增大，壓力愈高，則溶解度提高得愈慢（按照化學(xué)吸收劑的消耗程度）。4二氧化碳化學(xué)吸收原理在下列條件下的平衡是化學(xué)吸收時(shí)最簡(jiǎn)單的一種氣液平衡：

化學(xué)吸收原理4二氧化碳化學(xué)吸收原理在假設(shè)條件下，化學(xué)反應(yīng)方程式可以寫(xiě)為

或

化學(xué)吸收原理4二氧化碳化學(xué)吸收原理

化學(xué)吸收原理

4二氧化碳化學(xué)吸收原理

化學(xué)吸收原理

4二氧化碳化學(xué)吸收原理

化學(xué)吸收原理

4二氧化碳化學(xué)吸收原理

化學(xué)吸收原理可變換為

4二氧化碳化學(xué)吸收原理液面上氣體分壓與溫度倒數(shù)的關(guān)系

化學(xué)吸收原理（平衡壓力與溫度的關(guān)系）①在20℃時(shí)，CO2在2.5當(dāng)量濃度的一乙醇胺MEA溶液中（化學(xué)吸收）；②在60℃時(shí)，CO2在25%K2CO3+10%二乙醇胺DEA溶液中（化學(xué)吸收）；③在25℃時(shí)，乙炔在二甲基甲酰胺中（物理吸收）；④在25℃時(shí)，CO2在碳酸丙烯酯中（物理吸收）；4二氧化碳化學(xué)吸收原理氣體溶解度與壓力的關(guān)系①在20℃時(shí)，CO2在2.5當(dāng)量濃度的一乙醇胺MEA溶液中（化學(xué)吸收）；②在60℃時(shí)，CO2在25%K2CO3+10%二乙醇胺DEA溶液中（化學(xué)吸收）；③在25℃時(shí)，乙炔在二甲基甲酰胺中（物理吸收）；④在25℃時(shí)，CO2在碳酸丙烯酯中（物理吸收）；⑤在20℃時(shí)，CO2在水中（物理化學(xué)吸收）

化學(xué)吸收原理（平衡壓力與溫度的關(guān)系）化學(xué)吸收特點(diǎn)4二氧化碳化學(xué)吸收原理與物理吸收相比，化學(xué)吸收可以達(dá)到更精細(xì)的凈化。精細(xì)凈化時(shí)采用化學(xué)吸收更為有效?；瘜W(xué)吸收劑的吸收容量一般與壓力的關(guān)系不大。在氣體雜質(zhì)濃度不大時(shí)采用化學(xué)吸收劑就更為有利。提綱二氧化碳吸收過(guò)程1氣液相平衡關(guān)系2傳質(zhì)理論3二氧化碳化學(xué)吸收原理4二氧化碳膜分離原理55二氧化碳的膜分離原理膜分離如何定義？膜分離：利用氣體分子的滲透速率差使不同氣體在膜兩側(cè)實(shí)現(xiàn)富集分離的。通過(guò)利用特殊制造的膜與原料氣接觸，在膜兩側(cè)壓力差驅(qū)動(dòng)下，由于不同氣體分子透過(guò)膜的速率不同，滲透速率快的氣體在滲透?jìng)?cè)富集，而滲透速率慢的氣體在原料氣一側(cè)富集，從而達(dá)到分離的目的。氣體透過(guò)Seperex膜的相對(duì)滲透速率膜的分類(lèi)5二氧化碳的膜分離原理一般來(lái)說(shuō)，可將氣體通過(guò)膜的流動(dòng)分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是氣體通過(guò)多孔膜的流動(dòng)；另一類(lèi)是氣體通過(guò)非多孔膜的流動(dòng)。多孔膜非多孔膜5二氧化碳的膜分離原理（a）Knudsen擴(kuò)散；（b）黏性流；（c）表面擴(kuò)散；（d）毛細(xì)管凝聚；（e）分子篩篩分多孔膜的滲透機(jī)理有分離效果的多孔膜必須是微孔膜，孔徑一般5~30nm，由于多孔介質(zhì)孔徑及內(nèi)孔表面性質(zhì)差異，使得氣體分子與多孔介質(zhì)之間的相互作用程度不同，從而表現(xiàn)出不同的傳遞特征。5二氧化碳的膜分離原理（a）Knudsen擴(kuò)散多孔膜的滲透機(jī)理當(dāng)孔徑足夠小，或氣體壓力很低時(shí)，

即r/λ<1，孔內(nèi)分子流動(dòng)受分子與孔壁之間的碰撞作用支配，氣體通過(guò)膜孔流量與其分子量成正比，稱(chēng)為努森擴(kuò)散。

令則氣體透過(guò)單位面積的流量

q，

只有當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量相差大的氣體有明顯的透過(guò)速率差，這時(shí)分子流才有分離效果5二氧化碳的膜分離原理（b）粘性流（泊肅葉流）多孔膜的滲透機(jī)理當(dāng)r/λ>1，孔內(nèi)分子間碰撞作用支配，為黏性流動(dòng)，即泊肅葉流動(dòng)。

令則氣體透過(guò)單位面積的流量

q，

5二氧化碳的膜分離原理（c）表面擴(kuò)散多孔膜的滲透機(jī)理表面擴(kuò)散流是指膜孔壁上的吸附分子通過(guò)吸附狀態(tài)的濃度梯度在表面上的擴(kuò)散歷程。被吸附組分比不被吸附的組分?jǐn)U散的快，引起滲透率差異，從而達(dá)到分離的目的。沸點(diǎn)低的氣體易于被孔壁吸附，表面擴(kuò)散明顯；操作溫度越低，孔徑越小，表面擴(kuò)散越明顯。5二氧化碳的膜分離原理（d）毛細(xì)管凝聚多孔膜的滲透機(jī)理凝聚性氣體將在孔內(nèi)產(chǎn)生毛細(xì)管凝聚，阻礙了非冷凝物分子滲透，當(dāng)孔道內(nèi)的凝聚性氣體組分流出孔后蒸發(fā)，就產(chǎn)生了分離的作用。5二氧化碳的膜分離原理（e）分子篩篩分機(jī)理多孔膜的滲透機(jī)理若膜孔徑介于不同分子直徑之間，那么小的分子可以透過(guò)膜孔，而直徑大的分子被擋住，即產(chǎn)生了篩分的效果，從而實(shí)現(xiàn)了氣體分離。薄膜化問(wèn)題限制了其應(yīng)用。5二氧化碳的膜分離原理多孔膜的滲透機(jī)理多孔膜的微孔徑必須小于混合氣體中的平均自由程，一般要求孔徑在(50~300)×10-10m。混合氣體壓力應(yīng)足夠高，溫度應(yīng)盡可能低。高壓和低溫都可能提高分子的平均自由程，同時(shí)還可以避免表面流動(dòng)和吸附現(xiàn)象的發(fā)生。操作條件氣體透過(guò)膜的流動(dòng)情況低壓、高溫（200~500℃）氣體的流動(dòng)服從分子擴(kuò)散，不發(fā)生吸附現(xiàn)象低壓、中溫（30~100℃）吸附起作用，分子擴(kuò)散加上吸附流動(dòng)常壓、中溫（30~100℃）增大了吸附作用，而分子擴(kuò)散仍存在常壓、低溫（0~20℃）吸附效應(yīng)為主，可能存在滑動(dòng)流動(dòng)高壓、低溫（-30~0℃）吸附效應(yīng)控制，可產(chǎn)生層流

非多孔膜分離原理5二氧化碳的膜分離原理非多孔膜傳遞機(jī)理溶解—擴(kuò)散傳遞機(jī)理雙吸附—雙遷移機(jī)理機(jī)理

溶解-擴(kuò)散機(jī)理5二氧化碳的膜分離原理溶解-擴(kuò)散機(jī)理將膜看成靜止的非多孔、極薄的擴(kuò)散屏，氣體穿透膜的過(guò)程如下：（1）氣體分子與膜接觸；（2）氣體在膜表面溶解，是吸著過(guò)程；（3）氣體溶解后，膜兩側(cè)表面產(chǎn)生濃度梯度，使氣體在膜內(nèi)向前擴(kuò)散，透過(guò)膜達(dá)到膜的另一側(cè)，是擴(kuò)散過(guò)程；（4）膜中氣體的濃度梯度沿膜厚方向成為常數(shù)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

溶解-擴(kuò)散機(jī)理5二氧化碳的膜分離原理溶解-擴(kuò)散機(jī)理

兩邊積分得溶解過(guò)程符合亨利定律根據(jù)菲克定律氣體擴(kuò)散流量

q，

令

滲透系數(shù)即

雙吸附—雙遷移機(jī)理5二氧化碳的膜分離原理雙吸附—雙遷移機(jī)理純氣在聚合物膜上滲透混合氣在聚合物膜上滲透橡膠態(tài)聚合物是一種無(wú)定型的非多孔聚合材料，速率與壓力無(wú)關(guān)。對(duì)玻璃態(tài)聚合物而言，相對(duì)復(fù)雜，氣體滲透速率與壓力有關(guān)?；旌蠚庠诓ＡB(tài)聚合物中滲透時(shí)，在總壓一定條件下，某一組分的滲透往往受其他組分存在的影響，有時(shí)變大，有時(shí)變小。提綱二氧化碳吸附過(guò)程1物理吸附原理2化學(xué)吸附原理3吸附動(dòng)力學(xué)4柱動(dòng)態(tài)吸附52.2二氧化碳的吸附理論吸附如何定義？吸附：在固體表面上的分子力處于不平衡或不飽和狀態(tài)時(shí)，固體顆粒會(huì)將與其接觸的氣體或液體溶質(zhì)吸引到其表面，從而使其殘余力得到平衡，這種在固體表面進(jìn)行物質(zhì)濃縮的現(xiàn)象，稱(chēng)為吸附。吸附劑：用于吸附的固體顆粒稱(chēng)為吸附劑。吸附過(guò)程：固體表面上氣體濃度隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大的過(guò)程。吸附質(zhì)：被吸附的氣體分子稱(chēng)為吸附質(zhì)。吸附現(xiàn)象：固體表面上氣體的濃度高于氣相主體濃度的現(xiàn)象。2.2二氧化碳的吸附理論氣體吸附氣體吸附：當(dāng)氣體與固體表面接觸時(shí)，固體表面上氣體濃度高于氣相主體濃度的現(xiàn)象。吸附平衡：吸附與脫附過(guò)程速率相等，固體表面的氣體濃度不隨時(shí)間而改變等溫吸附：在恒定溫度下進(jìn)行的吸附過(guò)程等壓吸附：在恒定壓力下進(jìn)行的吸附過(guò)程吸附熱：吸附過(guò)程所放出的熱

2.2二氧化碳的吸附理論孔結(jié)構(gòu)特性參數(shù)多孔材料：由相互貫穿或封閉的孔洞構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)國(guó)際純粹化學(xué)及應(yīng)用化學(xué)組織（IUPAC），按照孔徑大小可將孔分為微孔材料（小于2nm）、介孔/中孔材料（2~50nm）和大孔材料（大于50nm）比表面積：?jiǎn)挝毁|(zhì)量物質(zhì)的總表面積，m2/g孔體積：?jiǎn)挝毁|(zhì)量多孔固體所具有的細(xì)孔總?cè)莘e，cm3/g孔徑：是指多孔固體中孔道的形狀和大小。孔其實(shí)是極不規(guī)則的，通常把它視作圓形而以其半徑來(lái)表示孔的大小?？讖椒植迹褐覆牧现写嬖诘母骷?jí)孔徑按數(shù)量或體積計(jì)算的百分率物理吸附過(guò)程：物理吸附是通過(guò)吸附質(zhì)分子與固體吸附劑分子之間分子間作用力，即主要是范德華力（VanderWaalsforce）的作用下產(chǎn)生的吸附。化學(xué)吸附過(guò)程：

化學(xué)吸附是通過(guò)吸附分子與固體吸附劑表面間的化學(xué)作用，即電子交換與轉(zhuǎn)移、原子重排、化學(xué)鍵的形成或破壞而產(chǎn)生的吸附。2.2二氧化碳的吸附理論按照吸附特點(diǎn)分類(lèi)物理及化學(xué)吸附的特性比較特性物理吸附化學(xué)吸附吸附推動(dòng)力范德華力化學(xué)鍵力吸附熱接近凝聚熱，4~40kJ/mol接近化學(xué)反應(yīng)熱，40~800kJ/mol吸附速率不需要活化，受擴(kuò)散控制，速率快需經(jīng)活化，克服能壘，低溫速率慢，高溫速率快活化能約等于凝聚熱大于等于化學(xué)吸附熱溫度低于或接近吸附質(zhì)沸點(diǎn)取決于活化能，高于氣體沸點(diǎn)選擇性選擇性差有選擇性，與吸附劑與吸附質(zhì)性質(zhì)有關(guān)吸附層數(shù)多層單層可逆性可逆可逆或不可逆吸附態(tài)光譜吸附峰強(qiáng)度變化或波數(shù)位移出現(xiàn)新的特征吸收峰2.2二氧化碳的吸附理論提綱二氧化碳吸附過(guò)程1物理吸附原理2化學(xué)吸附原理3吸附動(dòng)力學(xué)4柱動(dòng)態(tài)吸附5

物理吸附原理2.2二氧化碳的吸附理論物理吸附主要與范德華力有關(guān)，范德華力也被稱(chēng)為分散-排斥力和靜電力，主要源于極化、偶極、四極和更高極等的相互作用。2.2二氧化碳的吸附理論

物理吸附原理極性分子：正電中心和負(fù)電中心不重合，鍵的向量和不為0。非極性分子：正電中心和負(fù)電中心重合，鍵的向量和為0。2.2二氧化碳的吸附理論

物理吸附原理

2.2二氧化碳的吸附理論

物理吸附原理

四極矩：表面相鄰地原子團(tuán)發(fā)生電荷分布偏移，形成四極子，這時(shí)的電位等高線是馬鞍形，形成四極矩。

偶極矩為零，四極矩則成為表征核電荷分布偏離球?qū)ΨQ(chēng)程度的重要參數(shù)。

2.2二氧化碳的吸附理論

物理吸附原理固有偶極：極性分子中由于組成元素不同，其吸引電子的能力各有差異，這就使得分子中有電子偏移的現(xiàn)象，這樣就產(chǎn)生了極性，并且偶極持續(xù)存在的現(xiàn)象。誘導(dǎo)偶極：是指非極性分子在電場(chǎng)中或者有其他極性分子在較近距離的情況下，由于電子帶負(fù)電，核帶正電，發(fā)生偏移的現(xiàn)象。瞬時(shí)偶極：一切分子中，不管是極性分子還是非極性分子，原子核時(shí)刻在震動(dòng)，電子時(shí)刻在運(yùn)動(dòng)、躍遷，在它們運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，偶爾離開(kāi)平衡位置而產(chǎn)生極性，只不過(guò)這個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短，故稱(chēng)瞬時(shí)偶極。2.2二氧化碳的吸附理論

（式2.1）

物理吸附原理

（式2.2）2.2二氧化碳的吸附理論通常，忽略更高階色散能對(duì)總分散-排斥能的影響，總分散-排斥能公式就可精簡(jiǎn)成著名的倫納德-瓊斯勢(shì)函數(shù)（Lennard-Jonespotential）：（式2.3）

物理吸附原理其參數(shù)可用平均值代替，更具體地說(shuō)，常數(shù)

ε

可取兩個(gè)系統(tǒng)的幾何平均值，而

σ

則可取它們的算術(shù)平均值，計(jì)算如下：（式2.4）

2.2二氧化碳的吸附理論除分散-排斥能外，帶電荷的系統(tǒng)如金屬有機(jī)骨架化合物和沸石中還存在靜電力。在帶電荷的系統(tǒng)中，界面附近存在重要的電場(chǎng)，額外的能量貢獻(xiàn)就來(lái)自于電場(chǎng)極化（Φp）、電場(chǎng)偶極（Φμ）和電場(chǎng)梯度-四極矩（ΦQ）等相互作用，可按下面的公式計(jì)算得到：（式2.5）

物理吸附原理2.2二氧化碳的吸附理論（式2.6）總勢(shì)能為分散-排斥能和靜電作用能之和：

物理吸附原理分子間總勢(shì)能＝2.2二氧化碳的吸附理論

（式2.8）

物理吸附原理2.2二氧化碳的吸附理論

物理吸附原理2.2二氧化碳的吸附理論常見(jiàn)氣體的靜電性能和動(dòng)力學(xué)性能分子動(dòng)力學(xué)直徑（nm）偶極矩（德拜）四極矩（10-40庫(kù)侖?米2）極化度（10-24cm3）CO20.3300-13.71，-10.02.64，2.91，3.02N20.3640-4.910.78，1.74O20.3460-1.331.57，1.77H2O0.2801.856.671.45，1.48SO20.3601.63-14.63.72，3.89，4.28NO0.3170.16-6.001.7NO20.3400.316未知3.02NH30.2601.47，5.10-7.392.22，2.67，2.81HCl0.3461.11，3.5713.282.63，2.94CO0.3760.11，0.37-8.33，-6.921.95，2.19N2O0.3170.16，0.54-12.02，-10.03.03，3.32Ar0.340001.64，1.83H20.28902.09，2.20.81，0.90CH40.380002.62.2二氧化碳的吸附理論等溫吸附曲線：恒定溫度下，平衡吸附量取決于氣體的壓力，隨著壓力的增加吸附量增大，將恒溫下吸附量隨壓力而變化的曲線稱(chēng)為等溫吸附曲線。等溫吸附曲線2.2二氧化碳的吸附理論等溫吸附曲線可以反映固體表面及內(nèi)部的吸附特性，從而確定出固體吸附劑的比表面積、孔體積及孔徑分布。類(lèi)型孔徑/(nm)微孔中孔2~50大孔微孔：CO2-界面、孔壁-孔壁相互作用中孔：流體與流體之間的相互作用大孔：流體-孔壁的相互作用等溫吸附曲線2.2二氧化碳的吸附理論I型等溫線（Langmuir等溫線）一般由微孔吸附劑產(chǎn)生，僅限于單層吸附或者非常少分子層的吸附；在低壓區(qū)域處氣體吸附量的快速增長(zhǎng)，歸因于微孔填充；出現(xiàn)水平或近水平平臺(tái)表明微孔已經(jīng)充滿，沒(méi)有或幾乎沒(méi)有進(jìn)一步的吸附發(fā)生，最后達(dá)到飽和壓力時(shí)，可能出現(xiàn)吸附質(zhì)凝聚。I(a)型為孔徑尺寸小于1nm的微孔材料；I(b)型為微孔材料及孔徑尺寸小于2.5nm的介孔材料。等溫吸附曲線2.2二氧化碳的吸附理論II型等溫線由非孔或大孔吸附劑產(chǎn)生的，為多層吸附，B處的拐點(diǎn)表示單層吸附已完成而多層吸附即將開(kāi)始。III型等溫線的特征曲線向特征壓力軸凸出，這種等溫線在非孔或大孔固體上發(fā)生弱的氣-固相互作用時(shí)出現(xiàn)，一般不常見(jiàn)。等溫吸附曲線2.2二氧化碳的吸附理論IV型等溫線常發(fā)生在介孔吸附劑上，具有典型的滯后回線，這歸因于孔中的毛細(xì)冷凝現(xiàn)象。等溫線上初始階段的平臺(tái)特征與Ⅱ型等溫線類(lèi)似，它們均表示此階段為單層吸附；而第二個(gè)平臺(tái)則代表多層吸附的上限。等溫吸附曲線2.2二氧化碳的吸附理論V型等溫線同時(shí)表現(xiàn)出了冷凝和滯后現(xiàn)象；第一階段的吸附現(xiàn)象與III型等溫線類(lèi)似，在此階段，流體-界面的相互作用較弱；第二階段的吸附現(xiàn)象與IV型等溫線類(lèi)似，在此階段，遠(yuǎn)離孔表面的流體-流體相互作用起著顯著的作用。Ⅴ型等溫線來(lái)源于微孔和介孔固體上的弱氣-固相互作用，微孔材料的水蒸汽吸附常見(jiàn)此類(lèi)線型。等溫吸附曲線2.2二氧化碳的吸附理論VI型等溫線代表了一種逐步吸附過(guò)程，這些臺(tái)階來(lái)源于均勻非孔表面的依次多層吸附。吸附過(guò)程中存在“氣-液-固”和“公度-無(wú)公度”等連續(xù)的二維相變。等溫吸附曲線在一定溫度和壓力時(shí)，某些晶格發(fā)生畸變

令若{Ci}是一組有理數(shù)，該畸變相稱(chēng)為公度相若{Ci}中含有無(wú)理數(shù)，則稱(chēng)之為無(wú)公度相2.2二氧化碳的吸附理論

回滯環(huán)吸附等溫線的回滯環(huán)類(lèi)型回滯環(huán)：吸附劑被吸附到孔中去時(shí)，阻力比較小，吸附過(guò)程容易進(jìn)行，當(dāng)壓力下降時(shí)，脫附出來(lái)阻力較大，則脫附不完全，要到更低的壓力下才能脫附出來(lái)，從而產(chǎn)生回滯環(huán)。2.2二氧化碳的吸附理論吸附等溫方程朗格繆爾（Langmuir）方程：用于物理吸附和化學(xué)吸附弗羅因德利希（Freundlich）方程：用于物理吸附和化學(xué)吸附特姆金（Temkin）方程：適用于化學(xué)吸附亨利（Henry）方程：用于物理吸附B.E.T方程式：用于多層物理吸附吸附等溫方程是定量描述等溫吸附過(guò)程中吸附量和吸附壓力函數(shù)關(guān)系的方程式，代表了一種吸附等溫模型。吸附等溫方程眾多，主要分為單組份吸附等溫模型和多組分吸附等溫模型。Langmuir模型2.2二氧化碳的吸附理論朗格繆爾方程式是朗格繆爾在20世紀(jì)初導(dǎo)出的等溫吸附理論公式。

則Langmuir模型2.2二氧化碳的吸附理論吸附僅是單分子層的；氣體分子在吸附劑表面上吸附與脫附呈動(dòng)態(tài)平衡；吸附劑表面性質(zhì)是均一的，被吸附的分子之間相互不受影響；氣體的吸附速率與該氣體在氣相中的分壓成正比；吸附在固體表面的氣體分子之間無(wú)作用力。Langmuir模型理論假定：

Freundlich模型2.2二氧化碳的吸附理論

其中：q

為吸附質(zhì)與吸附劑的質(zhì)量比值；p

為平衡時(shí)的氣體分壓；k，n

為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；m

為吸附劑的質(zhì)量；x

為被吸附氣體的重量k

和

n

為常數(shù)，隨溫度變化而變化。

兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)

B.E.T.模型2.2二氧化碳的吸附理論①多層吸附中，除第一層是吸附質(zhì)分子與固體表面分子間作用，發(fā)生了松懈的化學(xué)反應(yīng)外，其余各層則是相同分子間的范德華力作用；②第一層吸附熱類(lèi)似于反應(yīng)熱，其余各層的吸附熱約等于它的液化熱；③吸附過(guò)程中，不等上一層飽和就可以進(jìn)行下一層吸附，各吸附層間存在著動(dòng)態(tài)平衡。單分子層吸附多分子層吸附B.E.T.模型Langmuir模型B.E.T.模型2.2二氧化碳的吸附理論

BET方程是由布魯諾（Brunauer）、埃麥特（Emmet）和泰勒（Teller）提出的描述多分子層吸附理論的方程，是建立在Langmuir吸附理論基礎(chǔ)上的。

變換可得B.E.T.模型2.2二氧化碳的吸附理論則有

整理后得

令

提綱二氧化碳吸附過(guò)程1物理吸附原理2化學(xué)吸附原理3吸附動(dòng)力學(xué)4柱動(dòng)態(tài)吸附5

化學(xué)吸附原理2.2二氧化碳的吸附理論在化學(xué)吸附過(guò)程中，有共價(jià)鍵形成，所釋放的熱會(huì)影響吸附過(guò)程。

吸附熱力學(xué)2.2二氧化碳的吸附理論物理/化學(xué)吸附過(guò)程的熱效應(yīng)，40kJ/mol；

吸附熱的測(cè)定2.2二氧化碳的吸附理論

Q為某一吸附量時(shí)的等溫吸附熱，近似地看作微分吸附熱；p為氣體壓力；T為吸