大气污染控制工程7-2吸附法

1、第三节气体吸附第三节气体吸附 吸附法在气体净化中的应用：吸附法在气体净化中的应用：v室内空气净化室内空气净化v工业废气净化工业废气净化概述：概述：v1、吸附、吸附用多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合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物中的组分浓集于固体表面吸附质被吸附物质吸附质被吸附物质吸附剂附着吸附质的物质吸附剂附着吸附质的物质v优点：效率高、可回收、设备简单优点：效率高、可回收、设备简单v缺点：吸附容量小、设备体积大缺点：吸附容量小、设备体积大2、吸附的种类：、吸附的种类：v根据根据吸附剂表面吸附剂表面与与吸附质吸附质之间的作用力不同，之间的作用力不同， 吸附可分

2、为吸附可分为物理吸附物理吸附和和化学吸附化学吸附。（1）、物理吸附：）、物理吸附：分子之间的引力（范德华力）。分子之间的引力（范德华力）。特征：特征：v不发生化学反应；不发生化学反应；v没有选择性没有选择性v可以是多分子层吸附或单分子层吸附可以是多分子层吸附或单分子层吸附v过程极快，瞬时达到平衡；过程极快，瞬时达到平衡；v放热反应；放热反应；v可逆性：脱附可逆性：脱附（2 2）、化学吸附）、化学吸附： 是由吸附剂与吸附质间的化学键力而引起的，又是由吸附剂与吸附质间的化学键力而引起的，又叫做活化吸附。叫做活化吸附。主要特征是：主要特征是：v选择性；选择性；v吸附速率较慢；吸附速率较慢；v升高温度

3、吸附速率和脱附速率都显著增加升高温度吸附速率和脱附速率都显著增加v单分子层吸附单分子层吸附v不易解吸不易解吸物理吸附和化学吸附的比较物理吸附和化学吸附的比较物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附1.吸附力范德华力；吸附力范德华力；2.不发生化学反应；不发生化学反应；3.过程快，瞬间达到平衡过程快，瞬间达到平衡4.放热量低放热量低20KJ/mol左右左右5.吸附可逆吸附可逆(可再生性可再生性)；6.无选择性无选择性7.单分子层单分子层,也可为多分子也可为多分子层吸附层吸附1.吸附力化学键力；吸附力化学键力；2.发生化学反应；发生化学反应；3.过程慢；过程慢；4.放热量高放热量高80400KJ/mol

4、5.吸附不可逆；吸附不可逆；6.有选择性有选择性7.单分子层单分子层,不易解吸不易解吸一、吸附剂一、吸附剂1、工业用吸附剂应具备的特性：、工业用吸附剂应具备的特性：内表面积大内表面积大具有选择性吸附作用具有选择性吸附作用高机械强度、化学和热稳定性高机械强度、化学和热稳定性吸附容量大吸附容量大来源广泛，造价低廉来源广泛，造价低廉良好的再生性能良好的再生性能2、常用吸附剂：、常用吸附剂：v活性炭活性炭：v由各种含炭物质在较低温度下炭化，再经高温下活化而由各种含炭物质在较低温度下炭化，再经高温下活化而成。成。v粒碳粒碳(气体吸附气体吸附)和粉碳和粉碳(液体脱色液体脱色)v用于用于: 净化有机溶剂蒸气

5、、恶臭物质及脱除二氧化硫、净化有机溶剂蒸气、恶臭物质及脱除二氧化硫、NOXv优点：优点：性能稳定，抗腐蚀性性能稳定，抗腐蚀性v缺点：缺点：可燃可燃v新型：新型：活性炭纤维活性炭纤维2、常用吸附剂：、常用吸附剂：v活性氧化铝活性氧化铝v通过加热含水氧化铝制成。通过加热含水氧化铝制成。v主要用途：主要用途：气体干燥、石油气脱硫、含氟废气净化气体干燥、石油气脱硫、含氟废气净化2、常用吸附剂：、常用吸附剂：v硅胶硅胶v多孔性二氧化硅水合物多孔性二氧化硅水合物v主要用途：主要用途：气体干燥和烃类物质的回收等。气体干燥和烃类物质的回收等。2、常用吸附剂：、常用吸附剂：v沸石分子筛沸石分子筛v微孔型硅酸盐。

6、微孔型硅酸盐。v优点：优点：v（1）具有高选择性）具有高选择性v（2）具有较强吸附能力）具有较强吸附能力其他吸附剂：其他吸附剂：v漂白土和活性白土漂白土和活性白土v焦炭粒和白云石粉焦炭粒和白云石粉v蚯蚓粪蚯蚓粪v吸附树脂吸附树脂3、气体吸附的影响因素、气体吸附的影响因素v吸附剂性质吸附剂性质比表面积比表面积有效表面积有效表面积v吸附质性质与浓度吸附质性质与浓度吸附质的分子直径吸附质的分子直径吸附质的分子量、沸点、饱和性吸附质的分子量、沸点、饱和性v操作条件操作条件温度温度操作压力操作压力气流的速度气流的速度v吸附器的性能：吸附器的性能：v对吸附器设计的基本要求对吸附器设计的基本要求流通面积流通

7、面积停留时间停留时间气流分布均匀气流分布均匀控制操作温度控制操作温度易于更换吸附剂易于更换吸附剂吸附剂的活性：吸附剂的活性： 单位吸附剂所能吸附的吸附质的量。单位：单位吸附剂所能吸附的吸附质的量。单位：kg/kg，m3/m3 静活性静活性 动活性动活性 一般一般 动活性动活性 静活性（理想状态）静活性（理想状态）4、吸附剂的脱附与劣化现象：、吸附剂的脱附与劣化现象：（1）、滞后现象：）、滞后现象： 部分吸附质未能全部被解吸，而存在着残留吸部分吸附质未能全部被解吸，而存在着残留吸附量。附量。后果：降低吸附剂循环使用的寿命。后果：降低吸附剂循环使用的寿命。（2）、吸附剂脱附再生的方法：）、吸附剂脱

8、附再生的方法： 升温再生升温再生 降压再生降压再生 置换再生置换再生 溶剂萃取溶剂萃取 （3）、吸附剂的劣化现象：）、吸附剂的劣化现象： 吸附剂的吸附容量逐渐下降的现象。吸附剂的吸附容量逐渐下降的现象。后果后果：缩短吸附剂的使用寿命；：缩短吸附剂的使用寿命；原因原因：滞后现象：滞后现象表示方法表示方法：劣化率或劣化度。：劣化率或劣化度。 5、吸附法的适用范围：、吸附法的适用范围： v常用于低浓度、毒性大、气量小的有害气体；常用于低浓度、毒性大、气量小的有害气体；v有机溶剂蒸气有机溶剂蒸气 二、吸附机理二、吸附机理v1、吸附平衡：、吸附平衡：v吸附质在气态混合物中的浓度和吸附剂中的浓度不变，即吸

9、附质在气态混合物中的浓度和吸附剂中的浓度不变，即达到了吸附平衡。达到了吸附平衡。v平衡浓度：平衡浓度：v平衡时，吸附质在气相中的浓度（或分压）平衡时，吸附质在气相中的浓度（或分压）v吸附容量：吸附容量：v单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的量单位质量的吸附剂所吸附的吸附质的量v平衡吸附量平衡吸附量：v单位质量吸附剂对吸附质的极限吸附量单位质量吸附剂对吸附质的极限吸附量v在平衡时，吸附容量与平衡浓度有一定的函数关系：在平衡时，吸附容量与平衡浓度有一定的函数关系： X= f（Y）其中：其中： X：被吸附组分在固相中的浓度，：被吸附组分在固相中的浓度， Y：平衡时被吸附组分在气相中的浓度：平衡时被吸附组

10、分在气相中的浓度v吸附等温线：吸附等温线： 在一定的温度下，达到吸附平衡时，吸附量随平在一定的温度下，达到吸附平衡时，吸附量随平衡分压而变化的曲线，称为衡分压而变化的曲线，称为吸附等温线吸附等温线。 v吸附等温线：根据实验数据绘出。吸附等温线：根据实验数据绘出。v表示：吸附量随压力变化的情况。表示：吸附量随压力变化的情况。 NH3在活性炭上的吸附等温线在活性炭上的吸附等温线单一气体单一气体(或蒸气或蒸气)在固体上的吸附已观测到六种形式在固体上的吸附已观测到六种形式的等温线的等温线: （1）、弗罗德里希（）、弗罗德里希（Freundlich）方程）方程 单位质量吸附剂吸收的吸附质的质量单位质量吸

11、附剂吸收的吸附质的质量 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 适用范围：适用范围：I型等温线中压部分。型等温线中压部分。nTkPX1TXv（2）朗格缪尔（）朗格缪尔（Langmuir）方程（）方程（I型等温线）型等温线）v假设：假设：单分子层吸附，即吸附质间无相互作用力单分子层吸附，即吸附质间无相互作用力;吸附剂表面的吸附能力是均匀的吸附剂表面的吸附能力是均匀的;11TmmABPXBPPPVBVVV吸附平衡时被吸附气体在标态下的体积吸附平衡时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

12、时被吸附气体在标态下的体积吸附剂被覆盖满一层时被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（3）、）、BET方程方程(多分子层吸附理论多分子层吸附理论):假设假设（1）吸附剂表面的吸附能力均匀）吸附剂表面的吸附能力均匀（2）可为单分子层或者多分子层吸附，层间分子力为范德）可为单分子层或者多分子层吸附，层间分子力为范德华力华力（4）总吸附量为各层吸附量之和。）总吸附量为各层吸附量之和。0000()1(1)/1(1)()mmmV CPVPPCP PPCPV PPV CV CPV吸附平衡时被吸附气体在标态下的体积吸附平衡时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

13、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与吸附热有关的常数2、吸附速率：、吸附速率：v单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附吸附质的量单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附吸附质的量.v吸附过程吸附过程: 外扩散（气流主体外扩散（气流主体 外表面）外表面） 内扩散（外表面内扩散（外表面 内表面）内表面）吸附吸附v外扩散速率v内扩散速率v总吸附速率方程*()()11111;AyPAAxPAAyPyPxPxPxPyPdMKYYKXXdtmKkkKkkm*()

14、AyPAAdMKYYdt*()AxPAAdMKXXdtAiYAiXkk三、吸附工艺与设备计算：三、吸附工艺与设备计算：1、设备分类：、设备分类：根据吸附剂在吸附器内的工作状态：根据吸附剂在吸附器内的工作状态： 固定床固定床流化床流化床输送床输送床 1、设备分类：、设备分类：固定床：固定床： 含污染物的气含污染物的气体体 卧式固定床：卧式固定床：环式固定床：环式固定床：v特点：（特点：（1）结构简单、制造容易、价格低廉；）结构简单、制造容易、价格低廉；v （2）适用于小型、分散、间歇性的污染源治理；）适用于小型、分散、间歇性的污染源治理；v （3）吸附和解吸交替进行、间歇操作。）吸附和解吸交替进

15、行、间歇操作。1、设备分类：、设备分类：输送床（移动床）输送床（移动床）： v（1）气固以恒定速度通过；）气固以恒定速度通过；v（2）气量大，循环使用吸附剂）气量大，循环使用吸附剂v（3）吸附和解吸连续完成；）吸附和解吸连续完成；v（4）动力和热量消耗较大，吸附剂磨损较严重。）动力和热量消耗较大，吸附剂磨损较严重。v流化床流化床：v气固接触充分；生产能力大；气固接触充分；生产能力大；v 但磨损严重，排气中有吸附剂粉末。但磨损严重，排气中有吸附剂粉末。2. 固定床吸附器计算方法固定床吸附器计算方法v（1）计算目的：v穿透时间v吸附器的高v压降v穿透时间穿透时间：从吸附操作开始至排气中污染物：从吸

16、附操作开始至排气中污染物浓度超出规定标准的时间。浓度超出规定标准的时间。v（2）计算原始数据：v混和气体组成v流量v分离要求v吸附剂性质v（3）基本概念v吸附负荷曲线v吸附区长度v穿透时间（保护作用时间）v穿透曲线v吸附负荷曲线吸附负荷曲线：吸附器中每一断面（沿气流：吸附器中每一断面（沿气流方向）上吸附的污染物的量不同，污染物的方向）上吸附的污染物的量不同，污染物的浓度随吸附床长度的变化曲线称为吸附负荷浓度随吸附床长度的变化曲线称为吸附负荷曲线。曲线。v吸附区长度吸附区长度：吸附床的入口断面被污染物饱：吸附床的入口断面被污染物饱和时，有污染物存在的吸附床的长度。和时，有污染物存在的吸附床的长度

17、。v穿透曲线穿透曲线：吸附器排气中污染物的浓度随处：吸附器排气中污染物的浓度随处理气量的变化曲线。理气量的变化曲线。v计算目的：计算目的：v穿透时间v吸附器的高v压降v（4）保护作用时间的确定）保护作用时间的确定v假定：假定：1、到达穿透点时已平衡、到达穿透点时已平衡v 2、p很大，很大，a=Vmv 3、吸附速率无穷大、吸附速率无穷大v保护作用时间保护作用时间 0bLv （假定吸附层完全饱和） 0bLv （假定吸附层完全饱和） 00()bLKLhvb00 希洛夫方程v（5）吸附区长度）吸附区长度v假定：假定：1、等温吸附、等温吸附v 2、仅限于低浓度污染物吸附、仅限于低浓度污染物吸附v 3、吸附等温线为第三中类型、吸附等温线为第三中类型v 4、吸附区在床内移动时，长度不变、吸附区在床内移动时，长度不变单一气体单一气体(或蒸气或蒸气)在固体上的吸附已观测到六种形式在固体上的吸附已观测到六种形式的等温线的等温线:v 吸附区长度吸附区长度0(1)AEALWLWf W(6)吸附床的饱和度吸附床的饱和度v吸附污染物的量吸附污染物