氣態(tài)污染物控制技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)

1、氣態(tài)污染物控制技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)第三節(jié) 氣體吸附 吸附吸附利用多孔性固體物質(zhì)具有選擇性吸附廢氣中的一種或利用多孔性固體物質(zhì)具有選擇性吸附廢氣中的一種或多種有害組分的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)凈化廢氣的一種方法。多種有害組分的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)凈化廢氣的一種方法。吸附質(zhì)被吸附物質(zhì)吸附質(zhì)被吸附物質(zhì)吸附劑附著吸附質(zhì)的物質(zhì)吸附劑附著吸附質(zhì)的物質(zhì) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：效率高、可回收有用組分、設(shè)備簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自效率高、可回收有用組分、設(shè)備簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制動(dòng)化控制 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：吸附容量小、設(shè)備體積大，吸附劑容量往往有限，吸附容量小、設(shè)備體積大，吸附劑容量往往有限，需頻繁再生。需頻繁再生。 適用范圍適用范圍 常用于濃度低，毒性大的有害氣體的

2、凈化，但處理常用于濃度低，毒性大的有害氣體的凈化，但處理的氣體量不宜過(guò)大；的氣體量不宜過(guò)大； 對(duì)有機(jī)溶劑蒸汽具有較高的凈化效率；對(duì)有機(jī)溶劑蒸汽具有較高的凈化效率； 當(dāng)處理的氣體量較小時(shí)，用吸附法靈活方便。當(dāng)處理的氣體量較小時(shí)，用吸附法靈活方便。 具體應(yīng)用具體應(yīng)用 廢氣治理中脫除水分、有機(jī)蒸汽、惡臭、廢氣治理中脫除水分、有機(jī)蒸汽、惡臭、HF 、SO2、NOX等。等。 成功的例子：用變壓吸附法來(lái)處理合成氨放氣，可成功的例子：用變壓吸附法來(lái)處理合成氨放氣，可回收純度很高（回收純度很高（98%）的氫氣，實(shí)現(xiàn)廢物資源化。）的氫氣，實(shí)現(xiàn)廢物資源化。吸附機(jī)理物理吸附和化學(xué)吸附物理吸附化學(xué)吸附1.吸附力范德華

3、力；2.不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；3.過(guò)程快，瞬間達(dá)到平衡；4.放熱反應(yīng)；5.吸附可逆；1.吸附力化學(xué)鍵力；2.發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；3.過(guò)程慢；4.升高溫度有助于提高速率；5.吸附不可逆；物理吸附和化學(xué)吸附同一污染物可能在較低溫度下發(fā)生物理吸附若溫度升高到吸附劑具備足夠高的活化能時(shí)，發(fā)生化學(xué)吸附吸附劑吸附劑需具備的特性內(nèi)表面積大具有選擇性吸附作用高機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性吸附容量大來(lái)源廣，造價(jià)低良好的再生性能2、工業(yè)常用吸附劑 活性炭：疏水性，常用于空氣中有機(jī)溶劑，催化脫活性炭：疏水性，常用于空氣中有機(jī)溶劑，催化脫 除除尾氣中尾氣中SO2、NOX等惡臭物質(zhì)的凈化；優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、等惡臭物質(zhì)的凈化；優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)

4、定、抗腐蝕?？垢g。 缺點(diǎn)：可燃性，使用溫度不超過(guò)缺點(diǎn)：可燃性，使用溫度不超過(guò)200。p 活性氧化鋁：用于氣體干燥，石油氣脫硫，含氟廢氣凈活性氧化鋁：用于氣體干燥，石油氣脫硫，含氟廢氣凈化（對(duì)水有強(qiáng)吸附能力）?；▽?duì)水有強(qiáng)吸附能力）。 硅膠：親水性，吸附水份量可達(dá)自身質(zhì)量的硅膠：親水性，吸附水份量可達(dá)自身質(zhì)量的50%，而難，而難于吸附非極性物質(zhì)。常用于處理含濕量較高的氣體干燥，于吸附非極性物質(zhì)。常用于處理含濕量較高的氣體干燥，烴類物質(zhì)回收等。烴類物質(zhì)回收等。 沸石分子篩：是一種人工合成沸石，為微孔型、具有立沸石分子篩：是一種人工合成沸石，為微孔型、具有立方晶體的硅酸鹽。方晶體的硅酸鹽。常用吸附

5、劑特性吸附劑類型吸附劑類型活性炭活性炭活性氧化活性氧化鋁鋁硅膠硅膠沸石分子篩沸石分子篩4A5A13x堆 積 密 度堆 積 密 度 /kg/kgm m-3-32006007501000800800800800熱容熱容/kJ(kgK)-1-10.8361.2540.8361.0450.920.7940.794操作溫度上操作溫度上限限/K423773673873873873平均孔徑平均孔徑/15251848224513再 生 溫 度再 生 溫 度 /K373413473523393423473573473573473573比表面積比表面積 / /g-16001600210360600氣體吸附的影響因

6、素操作條件操作條件溫度、氣相壓力、氣流速度。l 吸附劑性質(zhì)吸附劑性質(zhì)比表面積（孔隙率、孔徑、粒度等）m0322.4 10fVWNAf比比表表面面積積，比比表表面面積積，mm2 2/g/gf f 單單位位體體積積氣氣體體鋪鋪成成單單分分子子層層的的面面積積單單位位體體積積氣氣體體鋪鋪成成單單分分子子層層的的面面積積, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德羅羅常常數(shù)數(shù)阿阿佛佛加加德德羅羅常常數(shù)數(shù)A A 吸吸附附質(zhì)質(zhì)分分子子橫橫截截面面積積吸吸附附質(zhì)質(zhì)分分子子橫橫截截面面積積, ,mm2 2V Vmm吸吸附附劑劑表表面面被被單單層層分分子子鋪鋪滿滿時(shí)時(shí)的的氣氣體體體體積積，吸吸附附

7、劑劑表表面面被被單單層層分分子子鋪鋪滿滿時(shí)時(shí)的的氣氣體體體體積積，mLmLWW吸吸附附劑劑的的重重量量，吸吸附附劑劑的的重重量量，g gm0322.4 10fVWNAf比比表表面面積積，比比表表面面積積，mm2 2/g/gf f 單單位位體體積積氣氣體體鋪鋪成成單單分分子子層層的的面面積積單單位位體體積積氣氣體體鋪鋪成成單單分分子子層層的的面面積積, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德羅羅常常數(shù)數(shù)阿阿佛佛加加德德羅羅常常數(shù)數(shù)A A 吸吸附附質(zhì)質(zhì)分分子子橫橫截截面面積積吸吸附附質(zhì)質(zhì)分分子子橫橫截截面面積積, ,mm2 2V Vmm吸吸附附劑劑表表面面被被單單層層分分子子鋪鋪滿

8、滿時(shí)時(shí)的的氣氣體體體體積積，吸吸附附劑劑表表面面被被單單層層分分子子鋪鋪滿滿時(shí)時(shí)的的氣氣體體體體積積，mLmLWW吸吸附附劑劑的的重重量量，吸吸附附劑劑的的重重量量，g g比比表表面面積積，比比表表面面積積，mm2 2/g/gf f 單單位位體體積積氣氣體體鋪鋪成成單單分分子子層層的的面面積積單單位位體體積積氣氣體體鋪鋪成成單單分分子子層層的的面面積積, ,mm2 2/ /mLmLN N0 0阿阿佛佛加加德德羅羅常常數(shù)數(shù)阿阿佛佛加加德德羅羅常常數(shù)數(shù)A A 吸吸附附質(zhì)質(zhì)分分子子橫橫截截面面積積吸吸附附質(zhì)質(zhì)分分子子橫橫截截面面積積, ,mm2 2V Vmm吸吸附附劑劑表表面面被被單單層層分分子子鋪

9、鋪滿滿時(shí)時(shí)的的氣氣體體體體積積，吸吸附附劑劑表表面面被被單單層層分分子子鋪鋪滿滿時(shí)時(shí)的的氣氣體體體體積積，mLmLWW吸吸附附劑劑的的重重量量，吸吸附附劑劑的的重重量量，g g氣體吸附的影響因素 典型吸附質(zhì)分子的橫截面積氣體吸附的影響因素 吸附質(zhì)性質(zhì)、濃度吸附質(zhì)性質(zhì)、濃度臨界直徑吸附質(zhì)不易滲入的最小直徑臨界直徑吸附質(zhì)不易滲入的最小直徑吸附質(zhì)的分子量、沸點(diǎn)、飽和性吸附質(zhì)的分子量、沸點(diǎn)、飽和性例：同種活性炭做吸附劑，對(duì)于結(jié)構(gòu)相似的有機(jī)物分子例：同種活性炭做吸附劑，對(duì)于結(jié)構(gòu)相似的有機(jī)物分子量和不飽和性越高，沸點(diǎn)越高，吸附越容易。量和不飽和性越高，沸點(diǎn)越高，吸附越容易。 吸附劑活性吸附劑活性單位吸附劑

10、吸附的吸附質(zhì)的量。以被吸附物質(zhì)的重量對(duì)單位吸附劑吸附的吸附質(zhì)的量。以被吸附物質(zhì)的重量對(duì)吸附劑的重量或體積分?jǐn)?shù)表示。吸附劑的重量或體積分?jǐn)?shù)表示。%100 所用吸附劑量已吸附吸附質(zhì)的質(zhì)量吸附劑的活性n 靜活性靜活性：是指在一定溫度下，與氣相中被吸附物質(zhì)的是指在一定溫度下，與氣相中被吸附物質(zhì)的初始濃度平衡時(shí)的最大吸附量，即在該條件下，吸附初始濃度平衡時(shí)的最大吸附量，即在該條件下，吸附達(dá)到飽和時(shí)的吸附量。達(dá)到飽和時(shí)的吸附量。n 動(dòng)活性動(dòng)活性：氣體通過(guò)吸附層時(shí)，當(dāng)流出吸附層的氣體中氣體通過(guò)吸附層時(shí)，當(dāng)流出吸附層的氣體中剛剛出現(xiàn)被吸附物質(zhì)時(shí)即認(rèn)為此吸附層已失效。這時(shí)剛剛出現(xiàn)被吸附物質(zhì)時(shí)即認(rèn)為此吸附層已失效

11、。這時(shí)單位吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量稱為動(dòng)活性。單位吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量稱為動(dòng)活性。p其它其它 接觸時(shí)間、吸附器性能等接觸時(shí)間、吸附器性能等氣體吸附的影響因素吸附劑再生 溶劑萃取l活性炭吸附活性炭吸附SO2，可用水脫附，可用水脫附 置換再生l脫附劑需要再脫附脫附劑需要再脫附 降壓或真空解吸l 吸附作用吸附作用 ，再生溫度，再生溫度 加熱再生吸附平衡 當(dāng)吸附速度脫附速度時(shí)，吸附平衡，此時(shí)吸附量達(dá)當(dāng)吸附速度脫附速度時(shí)，吸附平衡，此時(shí)吸附量達(dá)到極限值到極限值靜吸附量分?jǐn)?shù)靜吸附量分?jǐn)?shù)XT （m吸附質(zhì)吸附質(zhì)/m吸附量吸附量） 極限吸附量受氣體壓力和溫度的影響極限吸附量受氣體壓力和溫度的影響 吸附等溫線

12、吸附等溫線 吸附等溫線XT單位吸附劑的吸附量單位吸附劑的吸附量P吸附質(zhì)在氣相中的平衡分壓吸附質(zhì)在氣相中的平衡分壓K,n經(jīng)驗(yàn)常數(shù)經(jīng)驗(yàn)常數(shù), 實(shí)驗(yàn)確定實(shí)驗(yàn)確定吸附方程式 弗羅德里希（弗羅德里希（Freundlich）方程（）方程（I型等溫線中壓部分）型等溫線中壓部分）lgXT對(duì)對(duì)lgP作圖為直線作圖為直線nTkPX1PnkXTlg)1 (lglg1916年導(dǎo)出，較好適用于適用于I型型的理論公式設(shè)：吸附質(zhì)對(duì)吸附表面的覆蓋率為，則未覆蓋率為（1-） 。若氣相分壓為P，則吸附速率為k1P(1-)。解吸速率為k2，當(dāng)吸附達(dá)平衡時(shí)： maxXX固體總面積已覆蓋的面積 k1P(1-)= k2 pkkpk121

13、朗格繆爾（Langmuir）方程式式中：式中：k1, k2分別為吸附，解吸常數(shù)。分別為吸附，解吸常數(shù)。令令 B= k1/k2，則，則 若若A為飽和吸附量，則單位量吸附劑所吸附的吸附質(zhì)量為飽和吸附量，則單位量吸附劑所吸附的吸附質(zhì)量XT為：為： （朗氏方程）（朗氏方程）其中：其中：A，B為常數(shù)。為常數(shù)。當(dāng)壓力當(dāng)壓力P很小時(shí)很小時(shí)BP1，則則 XT=A，即此時(shí)吸附量與氣體壓力無(wú)，即此時(shí)吸附量與氣體壓力無(wú)關(guān)，吸附達(dá)到飽和。關(guān)，吸附達(dá)到飽和。BPBP1BPABPAXT1PBAXT若= V/Vm 其中：V氣體分壓為P時(shí)被吸附氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積； 說(shuō)明：（1）P/V對(duì)P作圖，得一直線；（2）由斜率1/V

14、m 和截距1/(B Vm)，可算出B，Vm。指明：朗氏方程式是目前常用的基本等溫吸附方程式，但較大時(shí)，吻合性較差。BPBPVVm1mmVPBVVP1n 已知：293K,用活性炭吸附苯蒸汽所得到的平衡數(shù)據(jù)如下n 例題例題 P/103Pa 0.267 0.400 0.533 1.333 2.660 4.000 5.332 XT 0.176 0.205 0.225 0.265 0.287 0.290 0.300 n 試?yán)L制等溫吸附線，若該等溫吸附線符合朗氏等溫吸附方程式，試求A、B值。解：依數(shù)據(jù)，繪圖如下 圖：活性炭吸附苯蒸汽等溫吸附線顯然，該等溫吸附線符合朗氏等溫吸附線，從而可用朗氏方程式描述。結(jié)

15、合曲線橫、縱坐標(biāo)參數(shù)，將朗氏方程式變換成下列形式：任取曲線上兩點(diǎn)q (400，0.205) 和s (4000，0.290) 代入上式，于是有： 解之得： )1 ()/(BPXXATT BABA14000290. 0290. 01400205. 0205. 0310176.5B304. 010176. 51400205. 025. 03A吸附方程式 BET方程（I、II、III型等溫線，多分子層吸附）m000mm0()1(1)/1(1)()V CPVPPCP PPCPV PPV CV CPV被被吸吸附附氣氣體體在在標(biāo)標(biāo)態(tài)態(tài)下下的的體體積積P吸吸附附質(zhì)質(zhì)在在氣氣相相中中的的平平衡衡分分壓壓P0吸吸

16、附附溫溫度度下下吸吸附附質(zhì)質(zhì)的的飽飽和和蒸蒸汽汽壓壓Vm吸吸附附劑劑被被覆覆蓋蓋滿滿一一層層時(shí)時(shí)吸吸附附氣氣體體在在標(biāo)標(biāo)態(tài)態(tài)下下的的體體積積C與與吸吸附附熱熱有有關(guān)關(guān)的的常常數(shù)數(shù)m000mm0()1(1)/1(1)()V CPVPPCP PPCPV PPV CV CPV被被吸吸附附氣氣體體在在標(biāo)標(biāo)態(tài)態(tài)下下的的體體積積P吸吸附附質(zhì)質(zhì)在在氣氣相相中中的的平平衡衡分分壓壓P0吸吸附附溫溫度度下下吸吸附附質(zhì)質(zhì)的的飽飽和和蒸蒸汽汽壓壓Vm吸吸附附劑劑被被覆覆蓋蓋滿滿一一層層時(shí)時(shí)吸吸附附氣氣體體在在標(biāo)標(biāo)態(tài)態(tài)下下的的體體積積C與與吸吸附附熱熱有有關(guān)關(guān)的的常常數(shù)數(shù)吸附速率吸附過(guò)程 吸附 外擴(kuò)散（氣流主體 外表

17、面） 內(nèi)擴(kuò)散（外表面 內(nèi)表面）吸附速率外擴(kuò)散速率內(nèi)擴(kuò)散速率總吸附速率方程*APAAd()dyMKYYt*APAAd()dxMKXXt*APAAPAAPPPPPPd()()d11111;yxyyxxxyMKYYKXXtmKkkKkkm吸附工藝固定床吸附工藝移動(dòng)床吸附工藝移動(dòng)床吸附工藝流化床流化床吸附工藝固定床吸附計(jì)算固定床吸附計(jì)算固定床吸附計(jì)算固定床吸附計(jì)算保護(hù)作用時(shí)間L實(shí)際曲線與理論曲線的比較1理論線 2實(shí)際曲線（假定吸附層完全飽和）b0Lv （假定吸附層完全飽和）b0Lv b00()LK Lhva a靜活度，靜活度，靜活度，靜活度，S S吸附層截面積吸附層截面積吸附層截面積吸附層截面積, ,

18、mm2 2L L吸附層厚度吸附層厚度吸附層厚度吸附層厚度, ,mm吸附劑堆積密度，吸附劑堆積密度，吸附劑堆積密度，吸附劑堆積密度，kg/mkg/m3 3v v氣體流速，氣體流速，氣體流速，氣體流速，m/sm/s污染物濃度，污染物濃度，污染物濃度，污染物濃度，kg/mkg/m3 3保護(hù)作用時(shí)間損失；保護(hù)作用時(shí)間損失；保護(hù)作用時(shí)間損失；保護(hù)作用時(shí)間損失；h h死區(qū)長(zhǎng)度死區(qū)長(zhǎng)度死區(qū)長(zhǎng)度死區(qū)長(zhǎng)度b00希洛夫方程b00()LK Lhva a靜活度，靜活度，靜活度，靜活度，S S吸附層截面積吸附層截面積吸附層截面積吸附層截面積, ,mm2 2L L吸附層厚度吸附層厚度吸附層厚度吸附層厚度, ,mm吸附劑堆

19、積密度，吸附劑堆積密度，吸附劑堆積密度，吸附劑堆積密度，kg/mkg/m3 3v v氣體流速，氣體流速，氣體流速，氣體流速，m/sm/s污染物濃度，污染物濃度，污染物濃度，污染物濃度，kg/mkg/m3 3保護(hù)作用時(shí)間損失；保護(hù)作用時(shí)間損失；保護(hù)作用時(shí)間損失；保護(hù)作用時(shí)間損失；h h死區(qū)長(zhǎng)度死區(qū)長(zhǎng)度死區(qū)長(zhǎng)度死區(qū)長(zhǎng)度b00希洛夫方程固定床吸附計(jì)算同樣條件下定義動(dòng)力特性1 12201102212.K vK vconstvvconstdd102BKvvBd固定床吸附計(jì)算吸附床長(zhǎng)度假定條件等溫吸附低濃度污染物的吸附吸附等溫線為第三種類型吸附區(qū)長(zhǎng)度為常數(shù)吸附床的長(zhǎng)度大于吸附區(qū)長(zhǎng)度固定床吸附計(jì)算吸附床長(zhǎng)度