态污染物控制技术基础

1、大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT1第七章第七章 气态污染物控制技术基础气态污染物控制技术基础(2)n气体吸附气体吸附n吸附剂吸附剂n吸附机理吸附机理n吸附工艺与设备计算吸附工艺与设备计算大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT2第三节第三节 气体吸附气体吸附n吸附吸附n用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中的组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分浓集于固体表面n吸附质被吸附物质吸附质被吸附物质n吸附剂附着吸附质的物质吸附剂附着吸附质的物质n优点：效率高、可回收、设备简

2、单优点：效率高、可回收、设备简单n缺点：吸附容量小、设备体积大缺点：吸附容量小、设备体积大大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT3吸附机理吸附机理大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT4物理吸附：物理吸附：由于分子间范德华力引起的，可以由于分子间范德华力引起的，可以是单层吸附是单层吸附(低压下多为单分子层吸附低压下多为单分子层吸附)，也可以多，也可以多层吸附。层吸附。物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附化学吸附化学吸附：是由吸附剂与吸附质间的化学键力：是由吸附剂与吸附质间的化学键力而引起的，是单层吸

3、附，需要一定的活化能。而引起的，是单层吸附，需要一定的活化能。大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT5物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附物理吸附化学吸附1.1.吸附力范德华力；吸附力范德华力；2.2.不发生化学反应；不发生化学反应；3.3.过程快，瞬间达到平衡；过程快，瞬间达到平衡；4.4.低放热反应，一般为低放热反应，一般为2.092.0910103 3-2.09-2.0910104 4 J/mol J/mol ；低温利于物理吸附；低温利于物理吸附; ;5.5.吸附可逆；吸附可逆；6.6.对吸附的气体没有选择性对吸附的气体没有选择性, ,或选

4、择性弱。或选择性弱。1.1.吸附力化学键力；吸附力化学键力；2.2.发生化学反应；发生化学反应；3.3.过程慢；过程慢；4.4.一般为吸热反应一般为吸热反应, ,吸热量吸热量约为约为8.378.3710104 4-4.19-4.1910105 5 J/mol J/mol ；升高温度有助于提；升高温度有助于提高速率；高速率；5.5.吸附不可逆；吸附不可逆；6.6.对吸附的气体有很强的选对吸附的气体有很强的选择性。择性。大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT6物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附同一污染物可能在较

5、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，发生化学吸附吸附大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT7吸附剂吸附剂n吸附剂需具备的特性吸附剂需具备的特性(条件条件)n内表面积大内表面积大(吸附容量问题吸附容量问题)n具有选择性吸附作用具有选择性吸附作用(吸附能力随被吸附组分沸点的升高吸附能力随被吸附组分沸点的升高面加大面加大)n高机械强度、化学和热稳定性高机械强度、化学和热稳定性(运输、变化、寿命运输、变化、寿命)n吸附容量大吸附容量大（表面积、孔隙大小、孔径、极性、官能团）（表面积、

6、孔隙大小、孔径、极性、官能团）n来源广泛，造价低廉来源广泛，造价低廉n良好的再生性能良好的再生性能大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT8常用吸附剂特性常用吸附剂特性吸附剂类型吸附剂类型活性炭活性炭活性氧化活性氧化铝铝硅胶硅胶沸石分子筛沸石分子筛4A5A13x堆 积 密 度堆 积 密 度 /kg/kgm m-3-32006007501000800800800800热容热容/kJ(kgK)-1-10.8361.2540.8361.0450.920.7940.794操作温度上操作温度上限限/K423773673873873873平均孔径平均孔径/15

7、251848224513再 生 温 度再 生 温 度 /K373413473523393423473573473573473573比表面积比表面积 / /g-16001600210360600工业上常用的吸附剂：活性炭，活性氧化铝、硅胶、白士、沸石工业上常用的吸附剂：活性炭，活性氧化铝、硅胶、白士、沸石分子筛分子筛大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT9白土，白土， 粘土、硅铝酸盐粘土、硅铝酸盐 酸化处理酸化处理 海泡石海泡石2 活性氧化铝活性氧化铝 由含水的氧化铝，经加热脱水活化而成由含水的氧化铝，经加热脱水活化而成硅胶硅胶 酸化处理硅酸凝胶酸

8、化处理硅酸凝胶 老化、水洗、干燥脱水老化、水洗、干燥脱水活性炭活性炭 具有吸附性能的碳基物质。具有吸附性能的碳基物质。773K温度下炭化，温度下炭化，再活化再活化沸石分子筛沸石分子筛 是人工合成的泡沸石，具有许多直径均是人工合成的泡沸石，具有许多直径均匀的微孔和排列整齐的孔穴。匀的微孔和排列整齐的孔穴。 通式：通式：Mex/n(AlO2)x(SiO2)ymH2O x/n 为价数为为价数为n的金属阳离子数目的金属阳离子数目常用吸附剂特性常用吸附剂特性大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT10常用吸附剂特性常用吸附剂特性n分子筛特性分子筛特性大气污染

9、控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT11气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素n操作条件操作条件n低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附n增大气相压力，利于吸附增大气相压力，利于吸附n气流速度降低，利于吸附气流速度降低，利于吸附l 吸附剂性质吸附剂性质比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）m0322.4 10fVWNAf比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积, ,mm2 2/ /mLm

10、LN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积, ,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g gm0322.4 10fVWNAf比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的

11、面面积积, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积, ,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g g比比表表面面积积，比比表表面面积积，mm2 2/g/gf f 单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层的的面面积积单单位位体体积积气气体体铺铺成成单单分分子子层层

12、的的面面积积, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数阿阿佛佛加加德德罗罗常常数数A A 吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积吸吸附附质质分分子子横横截截面面积积, ,mm2 2V Vmm吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，吸吸附附剂剂表表面面被被单单层层分分子子铺铺满满时时的的气气体体体体积积，mLmLWW吸吸附附剂剂的的重重量量，吸吸附附剂剂的的重重量量，g g大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT12气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素n典型吸附质分子的横截面积典型吸附质分子

13、的横截面积大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT13气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素n吸附质性质、浓度吸附质性质、浓度n临界直径吸附质不易渗入的最小（吸附剂孔）直临界直径吸附质不易渗入的最小（吸附剂孔）直径，径，吸附剂的有效表面积只存在于吸附质分子能进入的微孔中吸附剂的有效表面积只存在于吸附质分子能进入的微孔中n吸附质的分子量、沸点、饱和性吸附质的分子量、沸点、饱和性n吸附剂活性吸附剂活性n单位吸附剂吸附的吸附质的量，单位吸附剂吸附的吸附质的量，M质质/M剂剂n静活性吸附达到饱和时的吸附量静活性吸附达到饱和时的吸附量n动活性未达到平衡时的吸附

14、量动活性未达到平衡时的吸附量易被吸附易被吸附大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT14常见分子的临界直径常见分子的临界直径分子分子临界直径临界直径/ /分子分子临界直径临界直径/ /氦氦氢氢乙炔乙炔氧氧一氧化碳一氧化碳二氧化碳二氧化碳氮氮水水氨氨氩氩甲烷甲烷乙烯乙烯环氧乙烷环氧乙烷乙烷乙烷甲醇甲醇乙醇乙醇环丙烷环丙烷丙烷丙烷正丁烷正丁烷-正二十二烷正二十二烷2.02.42.42.82.82.83.03.153.83.844.04.254.24.24.44.44.754.894.9 丙烯丙烯1-丁烯丁烯2-反丁烯反丁烯1,3-丁二烯丁二烯二氟二氟-

15、 -氯甲烷氯甲烷( (CFC-22)-22)噻吩噻吩异丁烷异丁烷- -异二十二烷异二十二烷二氟二氯甲烷二氟二氯甲烷(CFC-12)-12)环己烷环己烷甲苯甲苯对二甲苯对二甲苯苯苯四氯化碳四氯化碳氯仿氯仿新戊烷新戊烷间二甲苯间二甲苯邻二甲苯邻二甲苯三乙胺三乙胺5.05.15.15.25.35.35.585.936.16.76.76.86.96.96.97.17.48.4大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT15气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素吸附器设计的影响吸附器设计的影响足够的过气断面足够的过气断面气流分布均匀气流分布均匀预先除去入口气体中能

16、污染吸附剂的杂质预先除去入口气体中能污染吸附剂的杂质良好的温控条件良好的温控条件易于更换吸附剂易于更换吸附剂大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT16气体吸附的影响因素气体吸附的影响因素n吸附剂再生吸附剂再生 溶剂萃取l活性炭吸附活性炭吸附SO2，可用水脱附，可用水脱附 置换再生l选择合适的气体（脱附剂），将吸附质转换与吹选择合适的气体（脱附剂），将吸附质转换与吹脱出来。脱附剂需要再脱附脱出来。脱附剂需要再脱附 降压或真空解吸l 吸附作用吸附作用 ，再生温度，再生温度 加热再生大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科

17、学与工程系LCT17吸附剂再生吸附剂再生(a)吸附吸附(b)解吸解吸大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT18吸附平衡吸附平衡n当吸附速度脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达到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值n极限吸附量受气体压力和温度的影响极限吸附量受气体压力和温度的影响n吸附等温线吸附等温线 NH3在活性炭上的吸附等温线在活性炭上的吸附等温线大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT19吸附等温线吸附等温线微孔填充微孔填充无孔或有中无孔或有中间孔间孔质、剂质、剂量作用量作用微

18、弱微弱分阶段多分阶段多层吸附层吸附滞后回线滞后回线作用弱作用弱大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT20m单位吸附剂的吸附量单位吸附剂的吸附量P吸附质在气相中的平衡分压吸附质在气相中的平衡分压K,n经验常数经验常数, 实验确定实验确定吸附方程式吸附方程式n弗罗德里希（弗罗德里希（Freundlich）方程（）方程（I型等温线中压部分）型等温线中压部分）lgm对对lgP作图为直线作图为直线lglglgnmkPmknP如果斜率在如果斜率在0.1-0.5之间之间,表示表示吸附容易进行吸附容易进行;若大于若大于2,则吸则吸附难以进行附难以进行大气污染控制

19、工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT21吸附方程式吸附方程式n朗格缪尔（朗格缪尔（Langmuir）方程（）方程（I型等温线）型等温线）Tmm11ABPXBPPPVBVVV被吸附气体在标态下的体积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与解析速率常数之比Tmm11ABPXBPPPVBVVV被吸附气体在标态下的体积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吸附质在气相中的平衡分压Vm吸附剂被覆盖满一层时

20、吸附气体在标态下的体积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与解析速率常数之比A饱和吸附量饱和吸附量mVVBPBP1 AXT以以P/V对作图，应得一直线。对作图，应得一直线。斜率斜率m,截距截距1/(BVm)大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT22吸附方程式吸附方程式nBET方程方程(Brunauer、Emmett、Teller)（I、II、III型等型等温线，多分子层吸附）温线，多分子层吸附）m000mm0()1(1)/1(1)()V CPVPPCP PPCPV PPV CV CPV被被吸吸附附气气体体在在标标

21、态态下下的的体体积积P吸吸附附质质在在气气相相中中的的平平衡衡分分压压P0吸吸附附温温度度下下吸吸附附质质的的饱饱和和蒸蒸汽汽压压Vm吸吸附附剂剂被被覆覆盖盖满满一一层层时时吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积C与与吸吸附附热热有有关关的的常常数数m000mm0()1(1)/1(1)()V CPVPPCP PPCPV PPV CV CPV被被吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积P吸吸附附质质在在气气相相中中的的平平衡衡分分压压P0吸吸附附温温度度下下吸吸附附质质的的饱饱和和蒸蒸汽汽压压Vm吸吸附附剂剂被被覆覆盖盖满满一一层层时时吸吸附附气气体体在在标标态态下下的的体体积积C与与

22、吸吸附附热热有有关关的的常常数数大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT23据此可以求出据此可以求出m，进而求出吸附剂的比表面积，进而求出吸附剂的比表面积大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT24nBET等温吸附等温吸附方程式方程式P1， BET方程可整理为方程可整理为 （与（与langmuir式一致）式一致） 0011)(PPCVCCVPPVPmm001PVPCVVPPmmPPcPPcVVm001mVVBPBP1大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT2

23、5吸附速率吸附速率n吸附过程吸附过程 吸附到达吸附剂量微孔表到达吸附剂量微孔表面的吸附质被吸附面的吸附质被吸附 外扩散（气流主体 外表面） 内扩散（外表面 内表面）大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT26吸附速率吸附速率n外扩散速率外扩散速率n内扩散速率内扩散速率*APAAd()dyMKYYt*APAAd()dxMKXXtdMAdt时间内单位何种的吸附质从时间内单位何种的吸附质从气相扩散到固体表面的质量，气相扩散到固体表面的质量，kg/m3;Ky外扩散吸附分系数，外扩散吸附分系数，kg/(m2.s);ap单位体积吸附剂的吸附表面积，单位体积吸附

24、剂的吸附表面积，m2/m3;YA、YAi分别为分别为A在气相中及吸附剂在气相中及吸附剂外表面的浓度，质量分数。外表面的浓度，质量分数。XAi 、 XA分别为分别为A在固相外表在固相外表面及内表面的浓度，质量分数。面及内表面的浓度，质量分数。)(AiApyAYYakdtdM)(AiApxAXXakdtdMKy、Kx分别为气相及吸附相吸分别为气相及吸附相吸附总系数，附总系数，kg/(m2.s);YA*、XA*分别为吸附平衡时气相分别为吸附平衡时气相及吸附相中及吸附相中A的浓度，质量分数的浓度，质量分数大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT27n总吸附

25、速率方程总吸附速率方程*APAAPAAPPPPPPd()()d11111;yxyyxxxyMKYYKXXtmKkkKkkmKy=mKx当当kykx/m时，时，Ky=kx/m，外扩散阻力忽略，受内扩散控制；，外扩散阻力忽略，受内扩散控制；当当kykx/m时，时，Ky=ky，内扩散阻力忽略，受外扩散控制，内扩散阻力忽略，受外扩散控制大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT28吸附工艺吸附工艺n固定床固定床 含污染物的气含污染物的气体体 切换切换大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT29吸附工艺吸附工艺n移

26、动床移动床吸附剂与吸附质吸附剂与吸附质作相向作相向（逆流）（逆流）运动的吸附过程运动的吸附过程或错流或错流大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT30吸附工艺吸附工艺n移动床移动床大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT31吸附工艺吸附工艺n流化床流化床吸附质以较大吸附质以较大气流通过吸附气流通过吸附剂，并使吸附剂，并使吸附剂呈流态化状剂呈流态化状态的吸附过程态的吸附过程大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT32n流化床流化床吸附工艺吸附工艺大气污染控制工

27、程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT33固定床吸附计算固定床吸附计算大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT34固定床吸附计算固定床吸附计算大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT35固定床吸附计算固定床吸附计算大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT36保护作用时间保护作用时间 ：吸附过程中从开始吸附到破点：吸附过程中从开始吸附到破点的这段时间，又称的这段时间，又称穿透时间穿透时间。0SvxLSaxb在吸附持续时间在吸附

28、持续时间 内，所吸附的污染物的量，内，所吸附的污染物的量，kg： a静活度值，静活度值，%S吸附层的截面积吸附层的截面积L吸附层的厚度吸附层的厚度 吸附剂的堆密度吸附剂的堆密度V气体的流速气体的流速 气流中污染物的初浓度气流中污染物的初浓度b0大气污染控制工程大气污染控制工程湖南大学环境科学与工程系湖南大学环境科学与工程系LCT37固定床吸附计算固定床吸附计算n保护作用时间保护作用时间L实际曲线与理论曲线的比较实际曲线与理论曲线的比较1理论线理论线 2实际曲线实际曲线（假定吸附层完全饱和）b0Lv （假定吸附层完全饱和）b0Lv b00()LKLhva a静静活活度度，静静活活度度，S S吸吸附附层层截截面面积积吸吸附附层层截截面面积积, ,mm2 2L L吸吸附附层层厚厚度