第十一章吸附法净化气态污染物

第十一章吸附法净化气态污染物气体吸附吸附由于固体表面上的分子力处于不平衡或不饱和状态，这种不饱和的结果使固体能够把与其接触的气体或液体溶质吸引到自己的表面上，从而使其残余力得到平衡。这种在固体表面进行物质浓缩的现象，称为吸附。工业上的吸附操作就是利用固体表面的这种特性，用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面吸附质－被吸附物质吸附剂－附着吸附质的物质优点：效率高、可回收、设备简单缺点：吸附容量小、设备体积大吸附机理物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附1.吸附力－范德华力；2.不发生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡；4.放热反应；5.吸附可逆；1.吸附力－化学键力；2.发生化学反应；3.过程慢；4.升高温度有助于提高速率；5.吸附不可逆；物理吸附和化学吸附•吸附热：化学吸附的吸附热与化学反应热相近，而物理吸附的吸附热与气体的液化热相近。吸附热是区别物理吸附和化学吸附的重要标志之一。•选择性：化学吸附具有较高的选择性。例如，钨和镍可以化学吸附氢，而氢则不能被铝或铜所化学吸附。物理吸附则没有多大选择性，其吸附量的多少取决于气体的物理性能及吸附剂的特性。•吸附层厚度。化学吸附总是单分子层或单原子层的，且不易解吸。物理吸附可以是单分子层，也可以是多分子层的。解吸也容易；低压时，一般为单分子层的，随着吸附压强增大，吸附层往往变成多分子层。物理吸附和化学吸附•温度的影响：化学吸附可以看成是一个表面过程，这类吸附往往需要一定的活化能，它的吸附与脱附速度都较小。温度升高时，化学吸附速率和脱附速率都显著增加。而物理吸附不是一个活化过程，不需要活化能（即使需要也很少）。此类吸附的吸附速率和脱附速率都很快，一般不受温度的影响。它的吸附量随温度升高而下降。•同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附•若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附吸附平衡当吸附速度＝脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到极限值极限吸附量受气体压力和温度的影响吸附等温线NH3在活性炭上的吸附等温线吸附等温线m－单位吸附剂的吸附量P－吸附质在气相中的平衡分压K,n－经验常数,实验确定吸附方程式弗罗德里希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分）lgm对lgP作图为直线lglglgnmkPmknP吸附方程式朗格缪尔（Langmuir）方程（I型等温线）Tmm11ABPXBPPPVBVVV－被吸附气体在标态下的体积P－吸附质在气相中的平衡分压Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积B－吸附与解析速率常数之比Tmm11ABPXBPPPVBVVV－被吸附气体在标态下的体积P－吸附质在气相中的平衡分压Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积B－吸附与解析速率常数之比吸附方程式BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）m000mm0()[1(1)/]1(1)()VCPVPPCPPPCPVPPVCVCPV－被吸附气体在标态下的体积P－吸附质在气相中的平衡分压P0－吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积C－与吸附热有关的常数m000mm0()[1(1)/]1(1)()VCPVPPCPPPCPVPPVCVCPV－被吸附气体在标态下的体积P－吸附质在气相中的平衡分压P0－吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积C－与吸附热有关的常数吸附速率吸附过程吸附外扩散（气流主体外表面）内扩散（外表面内表面）吸附速率外扩散速率内扩散速率总吸附速率方程*APAAd()dyMKYYt*APAAd()dxMKXXt**APAAPAAPPPPPPd()()d11111;yxyyxxxyMKYYKXXtmKkkKkkm吸附剂吸附剂需具备的特性内表面积大具有选择性吸附作用高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大来源广泛，造价低廉良好的再生性能常用吸附剂特性吸附剂类型活性炭活性氧化铝硅胶沸石分子筛4A5A13x堆积密度/kg·m-3200～600750～1000800800800800热容/kJ(kg·K)-10.836～1.2540.836～1.0450.920.7940.794——操作温度上限/K423773673873873873平均孔径/Å15～2518～48224513再生温度/K373～413473～523393～423473～573473～573473～573比表面积/㎡·g-1600～1600210～360600——————常用吸附剂特性•活性炭：是许多具有吸附性能的碳基物质的总称。活性炭的原料是几乎所有的含碳物质。如煤、木材、骨头、果核、坚硬的果壳（如椰壳、核桃壳等），以及废纸浆、废树脂等，将这些含碳物质在低于878K下进行炭化，再用水蒸汽或热空气进行活化处理。比表面积一般可达700～1000m2／g，具有优良和广泛的吸附能力。•非极性吸附剂，具有疏水性和亲有机物的性质，它能吸附绝大部分有机气体，如苯类、醛酮类、醇类、烃类等以及恶臭物质，同时由于活性炭的孔径范围宽，即使对一些极性吸附质和一些特大分子的有机物质，仍然表现出了它的优良的吸附能力，如在SO2、NOx、Cl2、H2S、CO2等有害气体治理中，有着广泛的用途。常用吸附剂特性•活性炭纤维：是一种新型的高性能活性炭吸附材料，它是利用超细纤维如粘胶丝、酚醛纤维或晴纶纤维等制成毡状、绳状、布状等，经高温（1200K以上）炭化，用水蒸汽活化后制成的。•活性炭纤维的表面积大，有的可高达2500m2/g，密度小，微孔多而均匀，吸附容量大；同时，由于活性炭纤维的微孔孔道特别短，吸附和脱附速率高，吸附速率是颗粒活性炭的10~100倍；脱附残留量少，使用寿命长。•活性炭纤维对各种无机和有机气体、水溶液中的有机物、重金属离子等具有较大的吸附容量和较快的吸附速率，其吸附能力比一般的活性炭高1～10倍，特别是对于一些恶臭物质的吸附量比颗粒活性炭要高出40倍左右。常用吸附剂特性•硅胶：将水玻璃（硅酸钠）溶液用无机酸处理后所得凝胶，经老化、水洗去盐，于398～408K下干燥脱水，即得到坚硬多孔的固体颗粒硅胶。•硅胶是一种无定形链状和网状结构的硅酸聚合物，其分子式为SiO2.nH2O，孔径分布均匀，亲水性极强，吸收空气中的水分可达自身重量的50%，同时放出大量的热，使其容易破碎。•硅胶在应用上有很大一部分是用作吸湿剂（干燥剂），在用作干燥剂时常加入氯化钴或溴化铜，以指示吸湿程度。•硅胶是一种极性吸附剂，可以用来吸附SO2、NOX等气体，但难于吸附非极性的有机物。硅胶还可用作催化剂的载体。。常用吸附剂特性•活性氧化铝：是将含水氧化铝（如铝土矿）在严格控制的加热速率下于773K加热制成的多孔结构的活性物质。•活性氧化铝是一种极性吸附剂，无毒，对水的吸附容量很大，常用于高湿度气体的吸湿和干燥。它还用于多种气态污染物如SO2、H2S、含氟废气、NOX以及气态碳氢化合物等废气的净化。•活性氧化铝机械强度好，可在移动床中使用，并可作催化剂的载体。而且它对多数气体和蒸气是稳定的，浸入水或液体中不会溶胀或破碎。循环使用后其性能变化很小，因此使用寿命长。常用吸附剂特性•分子筛是一种人工合成沸石，为微孔型、具有立方晶体的硅酸盐。通式为：Mex/n[Al2O3]x(SiO2)y]·mH2O•分子筛内具有孔径均一的微孔，因而具有筛分性能。•分子筛成为一种十分优良的吸附剂常用于含SO2、NOX、CO、CO2、NH3、CCl4、水蒸汽和气态碳氢化合物废气的净化。•优点在于：•a.吸附选择性强；•b.吸附能力强、吸附容量大；•c.强极性吸附剂，对极性分子具有较强的亲和力；•d.热稳定性和化学稳定性好，在较高的温度下仍有较大的吸附能力。常用吸附剂特性•吸附树脂：最初的吸附树脂是酚-醛类缩合高聚物，以后出现了一系列的交联共聚物，如聚苯乙烯、聚丙烯酯和聚丙烯酰胺类的高聚物。这些大孔吸附树脂，有带功能团的，也有不带功能团的；有非极性的，也有强极性的很多种类。吸附剂的选择步骤初选：依据吸附质的性质气体浓度和净化要求吸附剂的来源。活性实验寿命实验全面评估吸附法的适用范围•吸附法主要适用于以下几个方面：•对于低浓度气体，吸附法的净化效率要比吸收法高，吸附法常用于浓度低，毒性大的有害气体，但吸附法处理的气体量不宜过大。•用吸附法净化有机溶剂蒸汽，具有较高的效率。•当处理的气量较小时，用吸附法灵活方便。气体吸附的影响因素操作条件低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附增大气相压力利于吸附操作气速：0.2-0.6m/s（停留时间大于1S）吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）m0322.410fVWNAf－－比表面积，比表面积，mm22/g/gff－－单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积,,mm22//mLmLNN00－－阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数AA－－吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积,,mm22VVmm－－吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mLmLWW－－吸附剂的重量，吸附剂的重量，ggm0322.410fVWNAf－－比表面积，比表面积，mm22/g/gff－－单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积,,mm22//mLmLNN00－－阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数AA－－吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积,,mm22VVmm－－吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mLmLWW－－吸附剂的重量，吸附剂的重量，gg－－比表面积，比表面积，mm22/g/gff－－单位体积气体铺成单分子层的面积单位体积气体铺成单分子层的面积,,mm22//mLmLNN00－－阿佛加德罗常数阿佛加德罗常数AA－－吸附质分子横截面积吸附质分子横截面积,,mm22VVmm－－吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mLmLWW－－吸附剂的重量，吸附剂的重量，gg气体吸附的影响因素典型吸附质分子的横截面积气体吸附的影响因素吸附质性质、浓度临界直径－吸附质不易渗入的最大直径吸附质的分子量、沸点、饱和性吸附剂活性单位吸附剂吸附的吸附质的量静活性－吸附达到饱和时的吸附量动活性－未达到平衡时的吸附量常见分子的临界直径分子临界直径/Å分子临界直径/Å氦氢乙炔氧一氧化碳二氧化碳氮水氨氩甲烷乙烯环氧乙烷乙烷甲醇乙醇环丙烷丙烷正丁烷-正二十二烷2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.44.754.894.9丙烯1-丁烯2-反丁烯1,3-丁二烯二氟-氯甲烷(CFC-22)噻吩异丁烷-异二十二烷二氟二氯甲烷(CFC-12)环己烷甲苯对二甲苯苯四氯化碳氯仿新戊烷间二甲苯邻二甲苯三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4气体吸附的影响因素吸附剂再生升温再生降压脱附置换脱附吹扫脱附化学转化脱附气体吸附的影响因素吸附器设计时考虑的因素要具有足够的气体流通面积和停留时间，它们都是吸附器尺寸的函数；要保证气流分布均匀，以致所有的过气断面都能得到充分利用；对于影响吸附过程的其它物质如粉尘、水蒸汽等要设预处理装置，以除去入口气体中能污染吸附剂的杂质；采用其它较为经济有效的工艺，预先除去入口气体中的部分组分，以减轻吸附系统的负荷；要能够有效地控制和调节吸附操作温度；要易于更换吸附剂。吸附剂再生升温再生降压脱附置换脱附吹扫脱附化学转化脱附吸附剂再生（1）升温再生升高温度，有助于吸附质从固体吸附剂上逸出而脱附，这也就是吸附剂的吸附容量在等压下随温度升高而降低的原因。要根据吸附质和吸附剂的性