1、第六章 吸附法凈化氣態(tài)污染物吸附及吸附劑吸附機理吸附安裝及工藝引 言 1、吸附凈化的概念：1多孔性固體物質具有選擇性吸附廢氣中的一種或多種有害組分的特點。2吸附凈化是利用多孔性固體物質的這一特點，實現(xiàn)凈化廢氣的一種方法。2、吸附凈化法的特點1適用范圍 常用于濃度低，毒性大的有害氣體的凈化，但處置的氣體量不宜過大； 對有機溶劑蒸汽具有較高的凈化效率； 當處置的氣體量較小時，用吸附法靈敏方便。2優(yōu)點：凈化效率高，可回收有用組分，設備簡單，易實現(xiàn)自動化控制。3缺陷：吸附容量小，設備體積大；吸附劑容量往往有限，需頻繁再生，間歇吸附過程的再生操作費事且設備利用率低。4運用：廣泛運用于有機化工、石油化工等

2、部門。 環(huán)境治理方面：廢氣治理中，脫除水分、有機蒸汽、惡臭、HF 、SO2、NOX等。 2吸附的分類 1物理吸附：也稱為范德華吸附，它是吸附質和吸附劑以分子間作用力為主的吸附。1非選擇性吸附。吸附力為固體外表的原子或基團與外來分子間的引力，本質是范德華力。2分子篩效應。多孔固體的微孔孔徑是均一的，而且與分子尺寸相當。小于微孔孔徑的分子可以進入微孔而被吸附，比孔徑大的分子那么被排斥在外，這種景象稱為分子篩效應。 3經(jīng)過微孔的分散。利用氣體在多孔固體中分散速率的差別可以將混合物分別。 4微孔中的凝聚。多數(shù)情況下毛細管上的可凝氣領會在小于其正常蒸氣壓的壓力下在毛細管中凝聚。因此多孔固體周圍的可凝縮氣

3、領會在與其孔徑對應的壓力下在微孔中凝聚。 2化學吸附：是吸附質和吸附劑分子間的化學鍵作用所引起的吸附，也稱為“活性吸附。3吸附質、吸附劑：在固體外表積存的組分稱為吸附質(adsorbate)，多孔固體稱為吸附劑(adsorbent)，其主要特征為具有多孔構造和很大的比外表積。吸附技術：目前曾經(jīng)開發(fā)出以下三類吸附過程流程： 1變溫吸附。吸附通常在環(huán)境溫度進展，而解吸在直接或間接加熱吸附劑的條件下完成，利用溫度的變化實現(xiàn)吸附和解吸再生循環(huán)操作。 2變壓吸附。在較高組分分壓的條件下選擇性吸附氣體混合物中的某些組分，然后降低壓力或抽真空使吸附劑解吸，利用壓力的變化完成循環(huán)操作。 3變濃度吸附。氣體混合

4、物中的某些組分在環(huán)境條件下選擇性的吸附，然后用少量強吸附性氣體解吸再生。 吸附技術的運用 1氣體或液體的脫水及深度枯燥，如將乙烯氣體中的水分脫到痕量，再聚合。 2氣體或溶液的脫臭、脫色及溶劑蒸氣的回收，如在噴漆工業(yè)中，常有大量的有機溶劑逸出，采用活性炭處置排放的氣體，既減少環(huán)境的污染，又可回收有價值的溶劑。 3氣體中痕量物質的吸附分別，如純氮、純氧的制取。 4分別某些精餾難以分別的物系，如烷烴、烯烴、芳香烴餾分的分別。 5廢氣和廢水的處置，如從高爐廢氣中回收一氧化碳和二氧化碳，從煉廠廢水中脫除酚等有害物質。1物理吸附的特點吸附劑和吸附質之間經(jīng)過分子間力作用所發(fā)生的吸附為物理吸附。沒有選擇性。吸

5、附質并不固定在吸附劑外表的特定位置上，而是多少能在界面范圍內自在挪動。物理吸附主要發(fā)生在低溫形狀下，放熱較小。可以是單分子層或多分子層吸附。解吸容易。影響物理吸附的主要要素是吸附劑的外表積和細孔分布。2化學吸附的特點吸附劑和吸附質之間發(fā)生由化學鍵力引起的吸附稱為化學吸附。有選擇性，即一種吸附劑只對某種或特定幾種物質有吸附作用。普通為單分子層吸附，分子不能在外表自在挪動。吸附結實，解吸困難。1.吸附類型：物理吸附和化學吸附物理吸附化學吸附1.吸附力范德華力；2.不發(fā)生化學反應；3.過程快，瞬間達到平衡；4.放熱反應；5.吸附可逆；1.吸附力化學鍵力；2.發(fā)生化學反應；3.過程慢；4.升高溫度有助

6、于提高速率；5.吸附不可逆；物理吸附和化學吸附同一污染物能夠在較低溫度下發(fā)生物理吸附假設溫度升高到吸附劑具備足夠高的活化能時，發(fā)生化學吸附影響吸附的要素1吸附劑性質的影響1比外表積單位分量吸附劑的外表積稱為比外表積。吸附劑的粒徑越小，或是微孔越興隆，其比外表積越大。吸附劑的比外表積越大，那么吸附才干越強。2孔構造吸附劑內孔的大小和分布對吸附性能影響很大。孔徑太大，比外表積小，吸附才干差。孔徑太小，那么不利于吸附質分散，并對直徑較大的分子起屏蔽作用。一、吸附機理外表化學性質吸附劑在制造過程中會構成一定量的不均勻外表氧化物，其成分和數(shù)量隨原料和活化工藝的不同而異。外表氧化物成為選擇性的吸附中心，使

7、吸附劑具有類似化學吸附的才干，普通說來，有助于極性分子的吸附，減弱對非極性分子的吸附。吸附質的性質對于一定的吸附劑，由于吸附質性質的差別，吸附效果也不一樣。通常活性炭對有機物的吸附量隨有機物分子量的增大而添加。吸附劑工業(yè)吸附劑必需滿足以下要求:a吸附才干強；b吸附選擇性好；c吸附平衡濃度低；d容易再生和再利用；e機械強度好；f化學性質穩(wěn)定；g來源廣；h價錢低。 普通工業(yè)吸附劑難于同時滿足這八個方面的要求，應根據(jù)不同的場所選用.10X分子篩氧化鋁樹脂活性炭活性炭纖維2分類吸附劑可分為兩大類：天然如硅藻土、白土、天然沸石等；人工主要有活性炭、活性氧化鋁、硅膠、合成沸石分子篩、有機樹脂吸附劑等。 1

8、活性炭 活性炭是最常用的非極性吸附劑。為疏水性和親有機物的吸附劑，具有很高的比外表積，活性炭的主體是炭，外表上的官能團較少，極性較弱，對烴類及衍生物的吸附才干強。 化學穩(wěn)定性好，抗酸耐堿，熱穩(wěn)性高，再生容易。用于回收氣體中的有機氣體，脫除廢水中的有機物，脫除水溶液中的色素。 活性炭也可加工成炭分子篩，孔徑范圍0.2-1nm，能起到分子篩的作用又有活性炭的根本性質，對同系物或有機異構體有良好的選擇性。 粒狀活性炭的主要目的項目數(shù)值項目數(shù)值比表面積950-1500 m2/g孔隙容積0.85cm3/g堆積密度0.44 g/cm3碘值(最小)900mg/g顆粒密度1.3 g/cm3磨損值(最小)70%

9、真密度2.1 g/cm3灰分(最大)7%有效粒經(jīng)0.8-0.9 mm包裝后含水率(最大)2%平均粒徑1.5-1.7 mm均勻系數(shù)1.92硅膠 硅膠的分子式通常用SiO2nH2O表示。由H2 SiO3溶液經(jīng)過縮合、除鹽、脫水等處置制得。比外表積達800 m2/g。工業(yè)用的硅膠有球型、無定形、加工成型和粉末狀四種。硅膠是親水性的極性吸附劑，對不飽和烴、甲醇、水分等有明顯的選擇性。主要用于氣體和液體的枯燥、溶液的脫水。 3活性氧化鋁 活性氧化鋁的化學式是Al2O3nH2O。活性氧化鋁外表上具有高官能團密度，這些官能團為極性分子的吸附提供了活性中心。因此活性氧化鋁是一種極性吸附劑，其比外表積約為200

10、500 m2/g，對水分有很強的吸附才干，可脫水至1*10-6。用不同的原料，在不同的工藝條件下，可制得不同構造、不同性能的活性氧化鋁。 活性氧化鋁主要用于氣體的枯燥和液體的脫水，如汽油、煤油、芳烴等化工產(chǎn)品的脫水；空氣、氦、氫氣、氯氣、氯化氫和二氧化硫等氣體的枯燥。 4分子篩 沸石分子篩也稱為沸石，是硅鋁酸金屬鹽的晶體，它是一種強極性的吸附劑，對極性分子，特別是對水有很大的親和才干，普通比外表積可達750 m2/g，具有很強的選擇性。常用于石油餾分的分別、各種氣體和液體的枯燥等場所，如從混合二甲苯中分別出對二甲苯，從空氣中分別氧。 5吸附樹脂 吸附樹脂是具有網(wǎng)狀構造的高分子聚合物，常用的有聚

11、苯乙烯樹脂和聚丙烯酸樹脂。單體的變化和單體上官能團的變化可以賦予樹脂各種特殊的性能。吸附樹脂有強極性、弱極性、非極性、中極性4大類。吸附劑的性能： 吸附劑具有良好的吸附特性，主要是由于它有多孔構造和較大的比外表積，下面引見與孔構造和比外表積有關的根底性能。 1密度 1a填充密度B又稱體積密度 是指單位填充體積的吸附劑質量。通常將烘干的吸附劑裝入量筒中，搖實至體積不變，此時吸附劑的質量與該吸附劑所占的體積比稱為填充密度。 2a表觀密度P又稱顆粒密度 定義為單位體積吸附劑顆粒本身的質量。 3a真實密度t 是指扣除顆粒內細孔體積后單位體積吸附劑的質量。 2吸附劑的比外表積 吸附劑的比外表積是指單位質

12、量的吸附劑所具有的吸附外表積，g。吸附劑孔隙的孔徑大小直接影響吸附劑的比外表積，孔徑的大小可分三類：大孔、過渡孔、微孔。吸附劑的比外表積以微孔提供的外表積為主，常采用氣相吸附法測定。 3吸附容量 吸附容量是指吸附劑吸滿吸附質時的吸附量單位質量的吸附劑所吸附吸附質的質量，它反映了吸附劑吸附才干的大小。吸附量可以經(jīng)過察看吸附前后吸附質體積或質量的變化測得。也可用電子顯微鏡等察看吸附劑固體外表的變化測得。 常用吸附劑特性吸附劑類型活性炭活性氧化鋁硅膠沸石分子篩4A5A13x堆積密度 /kgm-32006007501000800800800800熱容/kJ(kgK)-10.8361.2540.8361

13、.0450.920.7940.794操作溫度上限/K423773673873873873平均孔徑/15251848224513再生溫度 /K373413473523393423473573473573473573比外表積 /g-16001600210360600第二節(jié) 吸附機理一 吸附平衡 吸附平衡：在一定溫度和壓力下，當氣體與固體吸附劑經(jīng)長時間充分接觸后，吸附質在氣體相和固體相中的濃度到達平衡形狀，稱為吸附平衡。平衡吸附量：當溫度、壓強一定時，吸附劑與流體長時間接觸，吸附量不再添加，吸附相吸附劑和已吸附的吸附質與流體到達平衡，此時的吸附量為平衡吸附量。 平衡濃度：到達吸附平衡時吸附質在氣相中

14、的濃度稱為平衡濃度。平衡吸附量那么是指吸附質在吸附劑中的濃度。吸附過程的方向和極限：吸附平衡關系決議了吸附過程的方向和極限，是吸附過程的根本根據(jù)。假設流體中吸附質濃度高于平衡濃度，那么吸附質將被吸附，假設流體中吸附質濃度低于平衡濃度，那么吸附質將被解吸，最終達吸附平衡，過程停頓.吸附量常用單位質量吸附劑吸附氣體的摩爾數(shù)表示，如m克吸附劑，在一定條件下到達吸附平衡時吸附xmol氣體，那么吸附量：二 氣相的吸附等溫線 大量實驗獲得的平衡數(shù)聽闡明：吸附量與吸附質在氣相中的壓力及吸附溫度之間存在一定的關系： P為吸附平衡時吸附質組分在氣相中的分壓，Pat 吸附溫度，攝氏度。實踐任務中，對于一定的吸附系

15、統(tǒng)，唱固定一變量作為參數(shù)，調查另外兩個變量的關系，那么可以得到吸附等溫式、等壓式。吸附平衡關系通常用等溫下單位質量吸附劑的吸附容量q與流體相中吸附質的分壓 (或濃度C)間的關系 表示，稱為吸附等溫線。由于吸附劑和吸附質分子間作用力的不同，構成了不同外形的吸附等溫線。以q對相對壓力 作圖( 為該溫度下吸附質的飽和蒸汽壓)，所得曲線為等溫線。吸附平衡和吸附等溫線方程當吸附速度脫附速度時，吸附平衡，此時吸附量到達極限值.平衡吸附量是吸附劑對吸附質的極限吸附量，亦稱靜吸附量分數(shù)或靜活性分數(shù)。極限吸附量受氣體壓力和溫度的影響吸附等溫線 NH3在活性炭上的吸附等溫線吸附等溫線閱歷方程：吸附作用是固體外表力

16、作用的結果，但這種外表力的性質至今未被充分了解。為了闡明吸附作用，許多學者提出了多種假設或實際，但只能解釋有限的吸附景象，可靠的吸附等溫線只能依托實驗測定。至今，尚未得到一個通用的半閱歷方程。常用的閱歷方程包括Langmuir方程、BET方程(Brunauer、Emmett、Teller) 、 Freundlich方程等XT單位吸附劑的吸附量P吸附質在氣相中的平衡分壓K,1/n閱歷常數(shù), 實驗確定吸附方程式弗羅德里希Freundlich方程I型等溫線中壓部分lgXT對lgP作圖為直線吸附方程式朗格繆爾Langmuir方程I型等溫線KA組分A的平衡吸附常數(shù)吸附速度(adsorption rate

17、)：吸附速度adsorption rate)是指單位質量的吸附劑在單位時間內所吸附的吸附質的數(shù)量。吸附速度取決于吸附劑和吸附質的性質，吸附速度由實驗來確定。吸附速度決議了吸附質和吸附劑的接觸時間(contact time)。吸附速度越快，接觸時間越短，所需的吸附設備的容積也就越小。三 吸附動力學過程當物系及操作條件一定時，吸附質在吸附劑的多孔外表上被吸附的過程包括以下步驟： 1吸附質從流體主體經(jīng)過分子分散與對流分散的方式傳送到固體吸附劑的外外表，此過程稱為外分散。 2吸附質從吸附劑的外外表進入吸附劑的微孔構造的內外表，稱為內分散。 3吸附質在固體內外表上被吸附劑所吸附，稱為外表吸附過程。 4曾

18、經(jīng)被吸附的分子從固體內外表脫附。5脫附分子從微孔分散到固體外表內分散。6脫附分子從固體外表分散到空氣中外分散。吸附速率吸附過程 吸附 外分散氣流主體 外外表 內分散外外表 內外表3外分散控制的吸附：當外分散速率小于內分散速率時，總吸附速率由外分散速率決議，此吸附為外分散控制的吸附。 4內分散控制的吸附：當內分散速率小于外分散速率時，此吸附為內分散控制的吸附，總吸附速率由內分散速率決議。 在物理吸附過程中，吸附劑內外表上進展的吸附與脫附速率普通較快，而“內分散與“外分散過程那么慢得多。 因此，物理吸附速率的控制步驟多為內、外分散過程。對于化學吸附過程來說，其吸附速率的控制步驟能夠是化學動力學控制

19、，也能夠是外分散控制或內分散控制。通常，較常見的情況是內分散控制，而外分散控制的情況那么較少見。吸附過程不同階段的吸附速率大小：對于一定體系，在一定的操作條件下，兩相接觸、吸附質被吸附劑吸附的過程如下：開場時，吸附質在流體相中濃度較高，在吸附劑上的含量較低，遠離平衡形狀，傳質推進力大，故吸附速率高。過程中期，隨著過程的進展，流體相中吸附質濃度降低，吸附劑上吸附質含量增高，傳質推進力降低吸附速率逐漸下降，末期平衡時，經(jīng)過很長時間，吸附質在兩相間接近平衡，吸附速率趨近于零。氣體吸附的影響要素操作條件低溫有利于物理吸附；高溫利于化學吸附增大氣相壓力利于吸附 吸附劑性質比外表積孔隙率、孔徑、粒度等氣體

20、吸附的影響要素吸附質性質、濃度臨界直徑吸附質不易滲入的最大直徑吸附質的分子量、沸點、飽和性吸附劑活性單位吸附劑吸附的吸附質的量靜活性吸附到達飽和時的吸附量動活性未到達平衡時的吸附量常見分子的臨界直徑分子 臨界直徑/分子臨界直徑/氦氫乙炔氧一氧化碳二氧化碳氮水氨氬甲烷乙烯環(huán)氧乙烷乙烷甲醇乙醇環(huán)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)噻吩異丁烷-異二十二烷二氟二氯甲烷(CFC-12)環(huán)己烷甲苯對二甲苯苯四氯化碳氯仿新戊烷間二甲

21、苯鄰二甲苯三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4氣體吸附的影響要素吸附劑再生 溶劑萃取活性炭吸附SO2，可用水脫附 置換再生脫附劑需求再脫附 降壓或真空解吸 吸附作用 ，再生溫度 加熱再生吸附劑的脫附和劣化1 滯后景象吸附劑的吸附容量有限，在140(質量分數(shù))之間，當吸附到達或接近飽和時，都要脫附再生。從實際上講，吸附劑經(jīng)過脫附，吸附質應該全部脫附出來，也就是說，吸附曲線和脫附曲線在實際上應該吻合。然而實踐至少在等溫線上的一部分會產(chǎn)生不同的平衡，如下圖。這種景象稱為滯后景象。 2 吸附劑的脫附再生方法(1)升溫脫附

22、 升高溫度，可增大吸附質分子的動能，使吸附質由固體吸附劑上逸出而脫附吸附劑的吸附容量在等壓下隨溫度升高而降低。升溫脫附經(jīng)常采用過熱蒸汽、電感加熱或微波加熱。(2)降壓脫附 降低壓強也就是降低吸附質分子在氣相中的分壓，從而使吸附質分子從固相轉入氣相，到達脫附的目的吸附劑的吸附容量在等溫下隨壓力降低而降低。工程上采用降壓或真空脫附，采用降壓脫附要思索系統(tǒng)的平安性和經(jīng)濟性。降壓脫附的回收率普通較低，實踐工程上很少采用(3)置換脫附 采用在脫附條件下與吸附劑親和才干比原吸附質更強的物質，將原吸附質置換下來的方法，稱為置換脫附。置換脫附特別適用于對熱敏感性強的吸附質，能使吸附質的殘留負荷到達很低如氣體凈

23、化中運用熱水蒸氣作脫附劑(4)吹掃脫附 吹掃脫附的原理與降壓脫附類似，也是降低吸附質在氣相中的分壓，使吸附質脫附。采用的吹掃氣體必需是不被該吸附劑吸附的氣體如用惰性氣體吹掃吸附床層中的水蒸氣等。(5)化學轉化脫附 向吸附床層中參與可與吸附質進展化學反響的物質，使生成的產(chǎn)物不易被吸附，從而使吸附質脫附。這種方法多用于吸附量不太大的有機物，可以使之轉化成CO2而脫附下來。3 吸附劑的劣化景象由于吸附劑的反復吸附再生的循環(huán)運用，使吸附劑的吸附容量逐漸下降的景象，稱為吸附劑的劣化景象。吸附劑的劣化景象主要是由滯后景象和吸附劑再生呵斥的。1吸附劑毛細管孔洞和微孔外形復雜或固體被吸附質潤濕的情況復雜，有時發(fā)生化學反響，使再生后的吸附劑中總會有一些吸附質殘留在里面并隨著循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸積累，這些殘留積累將會覆蓋在吸附劑的外表，從而呵斥吸附容量不斷下降。2吸附劑再生時，如加熱再生，會使吸附劑成為半熔融形狀，使部分細孔堵塞或消逝，引起吸附外表積的減少。如硅、鋁類吸附劑在320左右就會產(chǎn)生半熔融景象。3化學反響也會破壞吸附劑細孔的結晶，如氣體或溶液中的稀酸或稀堿就會使合