大气污染控制工程 第七章 气态污染物控制技术基础

大气污染控制工程第七章 气态污染物控制技术基础,2011-4,第七章 气态污染物控制技术基础,气体扩散 气体吸收 气体吸附 气体催化净化,吸附（Adsorption),发展历史：古埃及王国对棉、丝染色；木炭对饮料进行脱色；中国长沙马王堆古墓中的5吨木炭，保存了2000多年。第一个对木炭吸附气体的研究是C.W. Sheele（1773）欧美1920年、日本1930年开始成为一个独立的科学体系。第一次世界大战：活性炭用于防毒面具；1910年日本开始研究胶体界面；1940年开始人造沸石的方法。表面：Surface,界面：interface吸附质（Adsorbate), 吸附剂：adsorbent吸附是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。,Source: 吸着科学（第二版），2001,吸附过程,物理吸附和化学吸附,吸附,外扩散（气流主体 外表面）,20.1.3 吸附力的本质,吸附质和吸附剂之间的作用力：范德华力： 定向力:极性分子之间静电力.由极性分子的永久偶极距产生. 诱导力：极性与非极性之间引力.极性分子产生的电场作用会诱导非极性分子极化,产生诱导偶极距. 色散力：非极性分子之间引力.瞬时偶极距.,影响气体吸附的因素有哪些？,吸附剂的性质：比表面积极性（分子筛）和非极性（活性炭）吸附质的性质和浓度,关心一：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吸附质在固体上的吸附量（A)是绝对温度（T)、气体压力（p)或液体浓度（c)和固体-气体之间的吸附作用势（E)的函数。吸附等温线：静态吸附量或静活性:一定温度下，与气体中被吸附物质的初始浓度达到平衡时单位吸附剂上所能吸附的吸附质的量。,NH3在活性炭上的吸附等温线,吸附等温线,吸附等温线,I-A型（E1En）：单分子吸附.由于单分子吸附作用力很大，表面吸附位的反应活性高，属于电子转移型吸附相互作用。大多数不可逆，通常被认为化学吸附。金属与氧气或一氧化碳、氢气的表面反应体系中常见。一般遵循Langmuir型吸附等温线。I-B型活性炭和沸石呈现这种类型；超微孔和极微孔，外表面积En)无孔或有中间孔的金属氧化物粒子吸附氮气或水蒸气。发生亲液表面也如此。多分子层吸附Brunauer, Emmett and Teller (BET)等温线,吸附等温线,III型等温线（E1En)氮气、有机蒸汽和水蒸气在硅胶上的吸附。表面有中孔和大孔。相对压力大于0.4时，吸附质会发生凝聚现象，导致等温线急剧上升。脱附等温线在吸附等温线的上方。V型等温线发生在多孔介质，表面相互作用同III型。VI型等温线为阶梯等温线。非极性吸附质在物理、化学性质均匀的非多孔固体上。,XT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1/n:0.10.5表示容易吸附,2则不容易吸附,吸附方程式,弗罗德里希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分）,单分子层吸附，微孔充填特征曲线,吸附量用焓来表示：,N与吸附作用的强度有关，23,吸附方程式,朗格缪尔（Langmuir）方程（I型等温线）Langmuir 1916-1918年从动力学理论推出单分子层吸附等温式。1932年获诺贝尔化学奖（表面化学）特异吸附：不是吸附在整个表面，只吸附在表面的特定位置。(1)单分子层吸附 不饱和力场范围相当于分子直径(23)10-10m，只能单分子层吸附(2)固体表面均匀表面各处吸附能力相同，吸附热是常数，不随覆盖程度而变(3)被吸分子相互间无作用力吸附与解吸难易程度，与周围是否有被吸附分子无关(4)吸附平衡是动态平衡气体碰撞到空白表面，可被吸附，被吸分子也可重回气相而解吸(或脱附)。吸附速率与解吸速率相等，即达吸附平衡,设：k1及k2吸附与解吸速率常数；A气体；M固体表面；AM吸附状态 k1A(g)十M(表面) = AM k2设：固体表面被覆盖的分数，称覆盖率，即=已被吸附质覆盖的固体表面积/固体总的表面积，则（1-）固体表面上空白面积的分数以N固体表面有吸附能力总晶格位置数，简称吸附位置数。吸附速率与A的压力p及固体表面空位数(1-)N正比，所以,吸附方程式,吸附速率k1p(1)N解吸的速率与表面被覆盖吸附位置数，或N成正比解吸速率k2N达吸附平衡时， k1p(1)Nk2N可得兰式=bp/(1+bp) 式中，bk1k2，称吸附系数，与吸附剂、质本性及温度有关。 b愈大，吸附能力愈强，b有压力倒数的量纲,以XT代表覆盖率为时吸附量。低压力下，随压力上升而增加，压力足够高，气体占满表面时，趋于1，吸附量不随压力上升而增加，达吸附饱和状态，对应的吸附量称饱和吸附量，以X表示。因是单分子层吸附，故XT X兰式可写成 XT= X bp/(1+bp) 意义以1X对1/p作图，得一直线，斜率1(bX)，截距 1X，截距/斜率=b,课本上（P270),如何求吸附剂的比表面积？,若知X及被吸附分子截面积A，可计算吸附剂比表面AWAW= X NA式中，N为阿伏加德罗常数，X单位为molkg-1。若知X及AW，也可求分子截面积A压力很低或吸附较弱(b很小)时，bp1，上式简化为XbXp吸附量与压力正比，与等温线低压时是直线事实相符,比表面积：,吸附剂比表面积：,如何求吸附剂的比表面积？,若知X及被吸附分子截面积A，可计算吸附剂比表面AWAW= X NA式中，N为阿伏加德罗常数，X单位为mo1kg-1。若知X及AW，也可求分子截面积A压力很低或吸附较弱(b很小)时，bp1，上式简化为XbXp吸附量与压力正比，与等温线低压时是直线事实相符,比表面积：,吸附方程式,BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）1938年Brunauer、Emmett and Teller 将单分子吸附理论扩展到多分子层吸附。适用于化学性质均匀的表面，表面吸附作用力比吸附质分子间作用力强。但比Langmuir理论中的活性吸附位的相互作用要弱得多。第一层：遵循Langmuir,空吸附位上的吸附速率=第1层的脱附速度,令,凝聚热,吸附方程式,关心点二：吸附速率,吸附过程,吸附,吸附,吸附速率,外扩散速率内扩散速率总吸附速率方程,影响吸附的因素,吸附剂的性质比表面积（孔隙率、孔径、颗粒物粒度）微孔是起主要作用。极性（极性吸附剂分子筛和非极性吸附剂活性炭的功能是不同的）表面改性（浸渍法）吸附质的性质和浓度临界直径、相对分子量、沸点和饱和性；结构越相似、分子量越大，沸点越高，吸附越好。浓度越大，吸附量越大。但吸附剂用量过大。吸附操作条件：气流速度温度压力接触时间吸附器性能影响恰当的吸附装置，吸附剂便于更换预先除尘、除湿有效的温度控制装置气流分布均匀具有足够的流通面积和停留时间,一、吸附剂,工业上吸附剂需具备的特性具有高度的疏松结构，暴露的内表面积大（微孔大小是关键）吸附容量大具有选择性吸附作用高机械强度、化学和热稳定性来源广泛，造价低廉良好的再生性能,常用吸附剂特性,活性炭粒炭和粉炭材料：煤基、木头、果壳、椰壳、花生、竹子等。活化条件：比表面积：600-1000m2/g活性炭纤维：微孔0.51.4nm。吸附能力是110 倍，甚至40 倍。活性炭是炭吗？硅胶：硅酸盐与硫酸或盐酸、酸性溶液反应生成硅酸凝胶，再经过洗涤、干燥、烘培而成。SiO2.nH2O吸水为放热反应。能否做到吸水然后释放放水？活性氧化铝铝矾土加热脱水形成的多孔结构物质。极性吸附剂，无毒，浸入水或液体不会溶胀或破碎，机械强度好。比表面积 150350m2/g。吸水性很强，脱湿和干燥，对无机物质吸附作用好，如含氟废气。,常用吸附剂特性,分子筛特性人工合成沸石，具有许多直径均匀的微孔和排列整齐的空穴。是具有多孔骨架结构的硅酸盐结晶体。Mx/n(Al2O3)x(SiO2)y.mH2O通常白色，也有灰墨色M:阳离子 Ca, Na,K;x/n:价数为n的可交换金属阳离子的数目；具有很高的选择性离子型吸附剂，对极性分子具有很强的亲和力，在较高温度下仍具有很强的吸附能力。热稳定性和化学稳定性高。,常用吸附剂特性,其他吸附剂漂白土（天然粘土，硅酸盐）蚯蚓粪（400800m2/g,除臭）树脂：极性、非极性、中极性、强极性等四类。腐植酸类：泥煤、褐煤、风化煤等干燥制的。膨润土：蒙脱石为主的含水粘土矿。主要是（Al2,Mg3)Si4O10.nH2O.具有膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性。（1898年在美国怀俄明州发现，For Beton),如何选择？,初选分子量较大的有机物或非极性分子：优选活性炭；极性分子：优选分子筛、硅胶和活性氧化铝吸附质分子较大的，应选用活性炭和硅胶等孔径较大的吸附剂；吸附质分子比较小的，可考虑孔径小而单一的分子筛。活性试验：寿命试验经济估算,气体吸附的影响因素,吸附剂再生,溶剂萃取活性炭吸附SO2，可用水脱附,置换再生脱附剂需要再脱附,降压或真空解吸,吸附剂再生,吸附工艺,固体床,移动床,吸附工艺,固定床吸附计算,固定床吸附计算,固定床吸附计算,固定床吸附器立式：小气量浓度高卧式：阻力小，但容易气流分配不均匀，适合气量大，浓度低的；环式：吸附器比较紧凑，阻力小、吸附截面积大。,固定床吸附计算,保护作用时间,L实际曲线与理论曲线的比较1理论线2实际曲线,固定床吸附计算,同样条件下定义动力特性,固定床吸附计算,吸附床长度假定条件等温吸附低浓度污染物的吸附吸附等温线为第三种类型吸附区长度为常数吸附床的长度大于吸附区长度,固定床吸附计算,吸附床长度 吸附床的饱和度,L0吸附区长度WA穿透至耗竭的惰性气体通过量WE耗竭时的通过量1-f吸附区内的饱和度,A:吸附床的截面积，V=AL,总重量=,平衡时吸附污染物的量：,吸附床饱和区吸附污染物的量：,吸附床未饱和区吸附污染物的量：,饱和度：,吸附剂的堆积密度,吸附器的压力损失,1）图解计算,移动床计算,操作线吸附速率方程,例：用连续移动床逆流等温吸附过程净化含H2S的空气。吸附剂为分子筛。空气中H2S的浓度为3（重量），气相流速为6500kg/h，假定操作在293K和1atm下进行，H2S的净化率要求为95，试确定： (1) 分子筛的需要量（按最小需要量的1.5倍计）； (2) 需要再生时，分子筛中H2S的含量； (3) 需要的传质单元数。解：(1) 吸附器进口气相组成： H2S的流量0.036500195kg/h 空气的流量65001956305kg/h 吸附器出口气相组成： H2S0