活性炭-甲醇系统Sakoda-Suzuki方程的修正

    吸附速度是吸附制冷循环最为重要的影响因素之一,比较典型的吸附速度方程有描述活性炭吸附氯气的Bangham方程,描述活性炭、硅胶吸附氨的鲛岛方程,针对活性炭吸附氮气的Bergton方程,以及Langmuir方程、饭岛方程、伊洛维奇方程等[1].上述这些方程在使用时都有一定的条件限制,而且难以肯定是否包含涉及传质的因子,A. Sakoda和M. Suzuki[2]提出的Sakoda-Suzuki吸附速度方程包含了涉及传质因素的参数,并且可与吸附平衡方程紧密结合,因而大多数吸附制冷研究中均采用了Sakoda-Suzuki方程,此方程最早用于描述硅胶-水的吸附过程,后来一些研究者将其推广至活性炭-甲醇系统[3].

    在Sakoda-Suzuki方程中,吸附速度常数是一个重要参数,对于确定的工质对,该参数一直被认为只是温度的函数,但在作者试验研究活性炭-甲醇系统吸附速度时,却发现该系数还随着系统压力的升高而减小.针对这一问题,重点探讨了吸附速度常数与系统压力之间的关系,根据试验结果提出了活性炭-甲醇工质对Sakoda-Suzuki方程的修正形式,并利用微孔吸附机理分析了系统压力对吸附速度常数产生影响的原因.研究表明,修正后的活性炭甲醇工质对Sakoda-Suzuki方程更接近实际的试验结果.

    1 Sakoda-Suzuki方程简介

    吸附速度在根本上讲属于吸附动力学的研究范畴,在最广泛的意义上,吸附动力学决定于如下几个过程[4]: (i)分子由体相到界面区的扩散(外扩散); (ii)分子在小孔内的扩散(内扩散); (iii)分子在表面相中的扩散(表面扩散); (iv)吸附和解吸的基元过程.这些过程中的一个常常比其他过程慢得多,此时,它就决定了动力学过程的总速率.

    A. Sakoda和M. Suzuki[2]认为吸附速度主要受表面扩散的影响, Sakoda-Suzuki吸附速度方程形如式(1)

    式中:X为吸附率;X∞为平衡吸附率;Ds0为表面扩散系数,m²/s;Ea为表面扩散活化能, J/mo;lRP为吸附剂颗粒平均直径,m.k被A. Sakoda和M.Suzuki称为表面扩散速度系数, s^-1.观察式(2)形式可以发现,它实质上是由化学动力学中的速度常数方程衍生而得的,速度常数方程也称为阿累尼乌斯方程(Arrhenius),其一般表达式为

    式中:A为指前因子,E对应于吸附、脱附和表面扩散过程分别为吸附活化能、脱附活化能和表面扩散能.本文将k称为吸附速度常数,这从宏观描述吸附过程的角度来讲更为合适,也符合化工领域描述吸附速度时的习惯[6].

    2 试 验

    吸附速度的测试一般来讲就是要测取等温等压条件下吸附量随时间的变化曲线,数据分析后便可得到吸附速度.

    采用改进的静态重量法进行吸附速度的试验研究.静态重量法是吸附等温线测定的标准试验方法,吸附等温线的测定即在一定的平衡温度下对于给定的吸附剂和吸附质,测定其与一系列相对压力相应的平衡吸附量.吸附等温线的测定方法主要包括经典静态法与动态法,经典静态法又分为容量法和重量法两大类,而现代的动态法主要依赖色谱技术[7].本文将静态重量法试验系统的称重部分改为可以动态记录质量变化的装置,在平衡吸附量的测定过程中记录吸附量由非平衡至平衡所经历的过程,从而实现吸附量变化曲线的测定.