大氣污染控制工程 第11章 吸附法凈化氣態(tài)污染物專業(yè)課教材

11.吸附法吸附法是利用多孔性物質(zhì)與氣體接觸，靠多孔性物質(zhì)表面存在的剩余能量，使有害氣體分子附著其上，而從氣體中分離的方法。吸附的推動力主要靠分子間力、靜電力和化學鍵力。一.基本原理1.物理吸附與化學吸附根據(jù)吸附過程中吸附劑與吸附質(zhì)作用力的不同，可以把吸附分為物理吸附和化學吸附兩大類。當吸附劑與吸附質(zhì)作用力為分子間力時，稱為物理吸附；當吸附劑與吸附質(zhì)作用力為化學鍵力時，稱為化學吸附。物理吸附與化學吸附有很多不同點，前者吸附劑與吸附質(zhì)之間不發(fā)生化學反應，物質(zhì)性質(zhì)不發(fā)生變化，吸附進行速度較快，很快能達到吸附平衡，吸附反應是放熱反應，吸附熱較小，相當于物質(zhì)的液化熱或汽化熱，吸附?jīng)]有選擇性，吸附質(zhì)往往是多層的，具有可逆性；后者吸附進行緩慢，達到平衡需要時間長，吸附時發(fā)生化學反應，并在吸附劑表面生成新物質(zhì)，吸附為放熱過程，放熱量較大，相當于化學反應熱，吸附有選擇性，常常是不可逆的，一般為單層吸附。在實際吸附過程中，物理吸附和化學吸附常同時存在，低溫時主要是物理吸附，高溫時主要為化學吸附。2.吸附過程關于吸附平衡的理論有多種，主要有勢能論、BET學說、靜電學說、電吸附學說、朗格繆爾學說等。吸附的全過程分為外擴散、內(nèi)擴散、吸附和脫附四個階段。外擴散是指吸附質(zhì)通過吸附劑外部的氣膜，擴散到吸附劑表面的過程。內(nèi)擴散是指吸附質(zhì)分子從吸附劑表面進入吸附劑微孔的過程。吸附是擴散到吸附劑內(nèi)表面的吸附質(zhì)被吸附在其表面的過程。脫附是被吸附的吸附質(zhì)分子重新回到氣體中的過程。3.吸附平衡吸附與脫附同時進行，在吸附開始時，吸附速度大于脫附速度，以吸附為主，隨著吸附的進行，脫附速度不斷增加，當吸附速度與脫附速度相同時，達到吸附平衡。吸附達到動態(tài)平衡狀態(tài)時，吸附劑不再有吸附能力，為使吸附劑恢復其吸附能力，必須使吸附質(zhì)從吸附劑表面脫除下來，這個過程稱為脫附，有時脫附后的吸附劑還必須經(jīng)過活化才能恢復吸附能力，吸附和活化過程綜合起來稱為吸附劑的再生過程。因此吸附的全過程是由吸附和再生兩個過程組成的。4.影響吸附的因素影響吸附的因素主要包括吸附劑性質(zhì)、吸附質(zhì)性質(zhì)、吸附質(zhì)的濃度、操作條件等。（1）吸附劑性質(zhì)：吸附劑的表面積越大，提供的吸附表面越大，吸附能力越強。影響吸附劑表面積的結(jié)構(gòu)因素包括吸附劑的空隙率、孔徑、顆粒大小等。（2）吸附質(zhì)的性質(zhì)：吸附質(zhì)的分子大小、沸點、飽和度等影響吸附量的大小，一般認為分子質(zhì)量越大、沸點越高、不飽和性越強，則越容易被吸附。（3）操作條件影響吸附的操作條件主要有溫度、壓力、氣流速度等。對于物理吸附，控制較低溫度有利。對于化學吸附，提高溫度對吸附有利，從理論上講，增加壓力對吸附有利，但提高壓力會增加能耗，實際上一般不采用。氣流速度大小受吸附時間的控制，為保證吸附完全，應保證一定的接觸時間，因此氣流速度不宜過大，實踐表明，固定床吸附操作合理的氣流速度控制在0.2~0.6m/s。（4）吸附質(zhì)濃度：吸附質(zhì)濃度越高，吸附的推動力越大，吸附速度快，但濃度過高，會很快使吸附劑飽和失效，因此吸附法常用于濃度較低污染物的凈化。4.2.2.吸附流程與操作要求常用的吸附流程主要有間歇式、半連續(xù)式連續(xù)式三種形式。1.間歇式流程一般由單一吸附器組成，適用于廢氣量小，污染物濃度低，間歇排放廢氣的場合。當排氣間歇時間大于再生所需要的時間時，可以在吸附完成后，在同一設備內(nèi)完成脫附操作；當排氣間歇時間小于再生所需要時間時，可將吸附器內(nèi)的吸附劑更換，對失效吸附劑集中再生處理。2.半連續(xù)式流程是應用最普遍的一種吸附流程，可用于間歇產(chǎn)生廢氣的場合，也可以用于連續(xù)操作。流程由2~3臺吸附器構(gòu)成，當一臺吸附器進行吸附操作時，另一臺進行再生操作，當再生周期大于吸附周期時，可以再增加一臺吸附器用于吸附操作。3.連續(xù)式流程

連續(xù)化流程是由連續(xù)性運行的流化床或移動床吸附器構(gòu)成，其特點是吸附和脫附再生同時進行，利于自動化操作。4.吸附操作應注意的事項根據(jù)影響吸附操作的影響因素，在進行吸附操作時，主要注意以下問題：①選擇的吸附劑符合吸附要求，保證凈化效果；②操作時控制的氣流速度要合適，即保證吸附時間，還要盡可能提高速度，減小裝置尺寸，降低投資；③溫度是吸附和脫附的關鍵，應掌握好溫度的變化，及時調(diào)整保證最佳溫度范圍；④時時監(jiān)測排氣中污染物的濃度，及時脫附和再生，保證操作的順利進行。4.2.3.吸附設備目前常用的吸附凈化設備有三種：固定床吸附器、移動床吸附器和流化床吸附器。固定床吸附器如圖4-4和4-5所示，把吸附劑固定在一個床層上，床層厚度0.5~2m，被凈化氣體通過床層時被吸附。固定床吸附器按氣流運動方式分為立式和臥式兩種，立式氣流上下運動，臥式氣流水平運動；按形狀分為方型和圓形兩種。固定床吸附器的特點是結(jié)構(gòu)簡單、投資較低，操作方便，適合于小型、分散、間歇性的污染源處理。自動操作受到限制。1.固定床吸附器固定床吸附器，把吸附劑固定在一個床層上，床層厚度0.5~2m，被凈化氣體通過床層時被吸附。1.固定床吸附器固定床吸附器按氣流運動方式分為立式和臥式兩種，立式氣流上下運動，臥式氣流水平運動；按形狀分為方型和圓形兩種。固定床吸附器的特點是結(jié)構(gòu)簡單、投資較低，操作方便，適合于小型、分散、間歇性的污染源處理。自動操作受到限制。2.移動床吸附器由吸附劑冷卻器、吸附劑加料裝置、吸附劑卸料裝置、吸附劑分配裝置和脫附器組成。2.移動床吸附器工作時吸附劑從設備頂部進入冷卻器，降溫后由分配板進入吸附段，借助重力作用不斷下降，與從下部引入的氣體接觸，完成逆流接觸吸附，凈化后的氣體從頂部排出。當吸附劑下降到氣提段時，由底部引入的脫附氣與其接觸，將脫附的氣體置換出來，最后進入脫附器對吸附劑進行再生。圖4-6移動床吸附器示意圖1-冷卻器；2-吸附器；3-分配板；4-提升管；5-再生器；6-吸附劑控制機械；7-固粒料面控制器;8-封閉裝置；9-出料閥門3.流化床吸附器它是由帶有溢流裝置的多層吸附器和移動式脫附器組成。廢氣從吸附器的下部引入，氣體通過篩板向上移動，將吸附劑吹起，在吸附段完成吸附操作，吸附后的氣體進入擴大段，降低氣流速度，減少吸附劑的攜帶。完成吸附從底部另一側(cè)排出的吸附劑直接用蒸氣進行脫附和干燥，然后從頂部送回吸附段繼續(xù)使用。4.2.4.吸附劑1.常見吸附劑吸附劑種類很多，常用吸附劑有活性白土、硅藻土、活性炭、硅膠、活性氧化鋁、沸石分子篩、樹脂等。下面介紹常用吸附劑的性能。（1）活性炭：活性炭是應用最早、最廣泛的優(yōu)良吸附劑。它是由含碳物質(zhì)如煤炭、木材、果殼、果核等炭化后，再用水蒸氣或化學試劑進行活化制成。其具有非極性、疏水性和親有機物特性，孔徑范圍在10~50μm，選擇性較強，可用于回收有機溶劑、除臭或去除其他氣態(tài)污染物?；钚蕴康男阅軈?shù)見表所示。表4-1活性炭的技術(shù)指標堆積密度/kg/m3200~600平均孔徑/nm0.7~1.7灰分/%0.5~80比熱容/kJ/kg.℃0.84水分/%0.5~2.05著火點/℃300孔容/cm3/g0.01~0.1比表面積m2/g600~1700（2）活性氧化鋁：活性氧化鋁是用含水的氧化鋁經(jīng)加熱脫水后形成的多孔物質(zhì)。它吸附極性分子，無毒，機械強度大，不易膨脹。其性能參數(shù)見下表4-2所示。堆積密度/Kg/m3608~908平均孔徑/nm1.8~4.8穩(wěn)定溫度/℃500比熱容/kJ/kg.℃0.88~1.04孔容/cm3/g0.5~2.0適宜溫度/℃200~250比表面積m2/g210~3602.吸附劑的選擇對吸附劑的基本要求是：（1）大的比表面積和孔隙率，吸附性能好；（2）良好的選擇性；（3）易于再生；（4）機械強度大，化學穩(wěn)定性好，熱穩(wěn)定性高，不易粉碎失效或流失；（5）原料來源廣泛，價格低廉。吸附劑選擇時首先考慮吸附能力和選擇性。對于極性分子，可以優(yōu)先選用分子篩、硅膠和活性氧化鋁；對于非極性分子或分子量較大的有機物，應選用活性炭；對于分子量較小的吸附質(zhì)，可選用分子篩。當污染物濃度較大時，可采用價格便宜的吸附劑。當凈化要求較高時，可以選用兩種以上的吸附劑，分段吸附處理；吸附劑的選擇還要考慮經(jīng)濟原因，優(yōu)先選用投資小、效果好的吸附劑。針對不同物質(zhì)選用的吸附劑見表4-3所示。表4-3工業(yè)常用吸附劑的應用范圍吸附劑應用范圍活性炭苯、甲苯、二甲苯、甲醛、乙醇、乙醚、煤油、汽油、光氣、乙酸乙酯、苯乙烯、CS、CCl4、CHCl3、CH2Cl2、H2S、Cl2、CO、SO2、NOx活性氧化鋁H2S、SO2、HF、烴類硅膠H2S、SO2、烴類分子篩H2S、Cl2、CO、SO2、NH3、Hg、NOx褐煤、泥煤SO2、SO3、NH3、NOx3.吸附劑的再生吸附劑的容量有限，當吸附劑達到飽和或接近飽和時，必須進行再生處理，常用的再生方法有升溫再生、降壓再生、吹掃再生、置換再生化學轉(zhuǎn)化再生等。（1）升溫再生：由于吸附劑的吸附量與溫度高低成反比，溫度升高會使吸附量降低，因此，可以采用熱氣流加熱吸附達到或接近平衡的吸附床層，使吸附劑脫附，恢復原有吸附能力。脫附采用的加熱方式有過熱水蒸氣法、煙道氣法、電加熱法和微波加熱法等。（2）降壓再生：當外部壓力低于吸附操作壓力，或采用抽真空時，吸附質(zhì)會重新回到氣相中，達到脫附目的。（3）吹掃再生：當不被吸附的吹掃氣通過吸附床層時，由于降低了吸附質(zhì)在氣相中的分壓，靠濃度推動力的作用，吸附質(zhì)會解吸出來。吹掃時適當提高溫度對脫附有利。（4）置換再生：采用更容易被吸附的吹掃氣通過吸附床層，可以置換已經(jīng)被吸附的物質(zhì)，達到脫附目的。（5）化學轉(zhuǎn)化再生：向吸附床層通入某種能與被吸附物質(zhì)反應的物質(zhì)，生成一種不被吸附的新物質(zhì)，達到解吸目的。影響吸附劑脫附再生的因素包括溫度、壓力、吸附質(zhì)性質(zhì)、氣體組成、吸附劑結(jié)構(gòu)和特性等。如果溫度和壓力是主要影響因素時，可以采用升溫、降壓或吹掃方式脫附；如果吸附劑、吸附質(zhì)的性質(zhì)和氣體組成是影響吸附的主要因素時，可以采用置換或化學法再生。吸附法凈化氣態(tài)污染物具有凈化效率高、設備簡單、操作方便、自動化程度高、可回收有用物質(zhì)、無二次污染等特點?？梢詢艋瘽舛容^低的SO2、NOx、H2S、HF、酸霧、含鉛及含汞廢氣、惡臭、瀝青煙及碳氫化合物等。習題1.填空題（1）連續(xù)排放時，可以選擇的吸附流程為

和

；（2）吸附裝置有

、

、

和

幾種類型；（3）脫附的方式有

、

、

、

幾種，經(jīng)常采用的方式是

；（4）常用吸附劑有