环境管理_吸附法净化气态污染物概述1

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 吸附方程式 朗格缪尔 Langmuir 方程 I型等温线 吸附方程式 BET方程 I II III型等温线 多分子层吸附 吸附速率 吸附过程 吸附 吸附速率 外扩散速率内扩散速率总吸附速率方程 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 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 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 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质选择适当的脱附温度并严格控制 既能保证吸附质脱附得比较完全 达到较低的残余负荷 又能防止吸附剂失活或晶体结构破坏 升温脱附经常采用过热蒸汽 电感加热或微波加热等方法 2 降压脱附降低压强也就是降低吸附质分子在气相中的分压 从而有助于吸附质分子从固相转入气相 达到脱附的目的 工程上采用降低吸附操作压力 或对吸附床抽真空进行脱附 采用降压脱附要考虑系统的安全性和经济性 3 置换脱附采用在脱附条件下与吸附剂亲合能力比原吸附质更强的物质 将原吸附质置换下来的方法 称为置换脱附 置换脱附特别适用于对热敏感性强的吸附质 能使吸附质的残留负荷达到很低 在气体净化中常使用热的水蒸汽作脱附剂 4 吹扫脱附吹扫脱附是向再生设备中通进不被该吸附剂吸附的气体 降低吸附质在气相中的分压 使其脱附出来 5 化学转化脱附向吸附床层中加入可与吸附质进行化学反应的物质 使生成的产物不易被吸附 从而使吸附质脱附 这种方法多用于吸附量不太大的有机物 可以使之转化成CO2而脱附下来 实际应用中 往往是几种脱附方法的组合 例如用水蒸汽脱附 就同时具有加热 置换和吹扫的作用 吸附剂再生 吸附设备 吸附设备的分类固定床移动床流化床 固定床吸附器 立式 固定床吸附器 卧式 固定床吸附器 环式 固定床吸附器缺点 连续操作时必然不断地周期性切换 为此要配置较多的进出口阀门 操作十分麻烦 需设置备用设备 即要有一部分吸附床进行再生 因而增加了总吸附剂用量 吸附剂层导热性差 吸附热不易导出 操作时容易出现局部床层过热 再生时不易加热升温和冷却降温 热量利用率低 对于采用厚床层 压力损失也较大 选择固定床吸附器的要点 如果仅短期处理 通常只需一个吸附装置 当然这要求吸附周期之间有足够的时间间隔 以便进行吸附剂的再生 对于要求连续操作 则必须采用多台装置并联使用 以一定的顺序进行吸附 脱附 再生操作 工程中经常采用双吸附床或三吸附床系统 其中一个或两个吸附床分别进行脱附 再生 其余的进行吸附 移动床吸附器 流化床吸附器 流化床吸附器优点 由于流体与固体的强烈扰动 大大强化了气固传质和传热 由于采用小颗粒吸附剂 使单位体积中吸附剂表面积增大 固体的流态化 优化了气固的接触 提高了界面的传质速率 从而强化了设备的生产能力 由于流化床采用了比固定床大得多的气速 因而可以大大减少设备投资 由于气体和固体同处于流化状态 不仅可使床层温度分布均匀 而且可以实现大规模的连续生产 吸附工艺 固定床 吸附工艺 移动床 吸附工艺 移动床 吸附工艺 流化床 流化床 吸附工艺 吸附装置的选型 设备出口排气必须达到排放标准 设备选型要具有针对性采用先进技术 工艺 设备和材料经济合理 吸附装置的选型 固定床结构简单 投资小 其处理规模可大可小 应用方便 因此以其应用最为广泛 但是 固定床设备庞大 吸附剂用量大 床层导热性能差 因此 在处理大气量 吸附热大的场合 常常考虑使用移动床或流化床 在实际应用上 流化床要比移动床使用更为广泛 吸附装置的设计要点 吸附剂的选择 吸附剂用量的计算 吸附器本体的设计 吸附器压降的计算 吸附器附属系统的设计 吸附剂用量的计算 希洛夫公式 选择吸附剂 确定操作条件 包括温度 压力和流速 规定出合适的破点浓度 在一定气速下 测不同床层长度Z的保护作用时间 B 作出 B Z直线 求出K和 0 定出操作周期 B 化为min 将K 0 B代入希洛夫公式 求出Z 若Z过长可以分层 B KZ 0计算床层直径 求吸附剂用量W 吸附器本体的设计 选择本体形式 气流均匀分布