大氣污染控制工程吸附法

1、第三節(jié)氣體吸附第三節(jié)氣體吸附 吸附法在氣體凈化中的應(yīng)用：吸附法在氣體凈化中的應(yīng)用： 1.室內(nèi)空氣凈化室內(nèi)空氣凈化 2.工業(yè)廢氣凈化工業(yè)廢氣凈化 概述：概述： v1、吸附、吸附 用多孔固體吸附劑將氣體（或液體）混合用多孔固體吸附劑將氣體（或液體）混合 物中的組分濃集于固體表面物中的組分濃集于固體表面 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) v優(yōu)點(diǎn)：效率高、可回收、設(shè)備簡單優(yōu)點(diǎn)：效率高、可回收、設(shè)備簡單 v缺點(diǎn)：吸附容量小、設(shè)備體積大缺點(diǎn)：吸附容量小、設(shè)備體積大 2、吸附的種類：、吸附的種類： v根據(jù)根據(jù)吸附劑表面吸附劑表面與與吸附質(zhì)吸附質(zhì)之間的作用力不同，

2、之間的作用力不同， 吸附可分為吸附可分為物理吸附物理吸附和和化學(xué)吸附化學(xué)吸附。 （1）、物理吸附：）、物理吸附：分子之間的引力（范德華力）。分子之間的引力（范德華力）。 特征：特征： v不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； v沒有選擇性沒有選擇性 v可以是多分子層吸附或單分子層吸附可以是多分子層吸附或單分子層吸附 v過程極快，瞬時達(dá)到平衡；過程極快，瞬時達(dá)到平衡； v放熱反應(yīng)；放熱反應(yīng)； v可逆性：脫附可逆性：脫附 （2 2）、化學(xué)吸附）、化學(xué)吸附： 是由吸附劑與吸附質(zhì)間的化學(xué)鍵力而引起的，又是由吸附劑與吸附質(zhì)間的化學(xué)鍵力而引起的，又 叫做活化吸附。叫做活化吸附。 主要特征是：主要特征是： v選擇

3、性；選擇性； v吸附速率較慢；吸附速率較慢； v升高溫度吸附速率和脫附速率都顯著增加升高溫度吸附速率和脫附速率都顯著增加 v單分子層吸附單分子層吸附 v不易解吸不易解吸 物理吸附和化學(xué)吸附的比較物理吸附和化學(xué)吸附的比較 物理吸附物理吸附化學(xué)吸附化學(xué)吸附 1.吸附力范德華力；吸附力范德華力； 2.不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 3.過程快，瞬間達(dá)到平衡過程快，瞬間達(dá)到平衡 4.放熱量低放熱量低20KJ/mol左右左右 5.吸附可逆吸附可逆(可再生性可再生性)； 6.無選擇性無選擇性 7.單分子層單分子層,也可為多分子也可為多分子 層吸附層吸附 1.吸附力化學(xué)鍵力；吸附力化學(xué)鍵力； 2.發(fā)生化學(xué)

4、反應(yīng)；發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 3.過程慢；過程慢； 4.放熱量高放熱量高80400KJ/mol 5.吸附不可逆；吸附不可逆； 6.有選擇性有選擇性 7.單分子層單分子層,不易解吸不易解吸 一、吸附劑一、吸附劑 1、工業(yè)用吸附劑應(yīng)具備的特性：、工業(yè)用吸附劑應(yīng)具備的特性： 內(nèi)表面積大內(nèi)表面積大 具有選擇性吸附作用具有選擇性吸附作用 高機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性高機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性 吸附容量大吸附容量大 來源廣泛，造價低廉來源廣泛，造價低廉 良好的再生性能良好的再生性能 2、常用吸附劑：、常用吸附劑： v活性炭活性炭： v由各種含炭物質(zhì)在較低溫度下炭化，再經(jīng)高溫下活化而由各種含炭物質(zhì)在較低溫度下炭化，再

5、經(jīng)高溫下活化而 成。成。 v粒碳粒碳(氣體吸附氣體吸附)和粉碳和粉碳(液體脫色液體脫色) v用于用于: 凈化有機(jī)溶劑蒸氣、惡臭物質(zhì)及脫除二氧化硫、凈化有機(jī)溶劑蒸氣、惡臭物質(zhì)及脫除二氧化硫、 NOX v優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，抗腐蝕性性能穩(wěn)定，抗腐蝕性 v缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：可燃可燃 v新型：新型：活性炭纖維活性炭纖維 2、常用吸附劑：、常用吸附劑： v活性氧化鋁活性氧化鋁 v通過加熱含水氧化鋁制成。通過加熱含水氧化鋁制成。 v主要用途：主要用途：氣體干燥、石油氣脫硫、含氟廢氣凈化氣體干燥、石油氣脫硫、含氟廢氣凈化 2、常用吸附劑：、常用吸附劑： v硅膠硅膠 v多孔性二氧化硅水合物多孔性二氧化硅水合物 v

6、主要用途：主要用途：氣體干燥和烴類物質(zhì)的回收等。氣體干燥和烴類物質(zhì)的回收等。 2、常用吸附劑：、常用吸附劑： v沸石分子篩沸石分子篩 v微孔型硅酸鹽。微孔型硅酸鹽。 v優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： v（1）具有高選擇性）具有高選擇性 v（2）具有較強(qiáng)吸附能力）具有較強(qiáng)吸附能力 其他吸附劑：其他吸附劑： 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蚯蚓糞蚯蚓糞 v吸附樹脂吸附樹脂 3、氣體吸附的影響因素、氣體吸附的影響因素 v吸附劑性質(zhì)吸附劑性質(zhì) 比表面積比表面積 有效表面積有效表面積 v吸附質(zhì)性質(zhì)與濃度吸附質(zhì)性質(zhì)與濃度 吸附質(zhì)的分子直徑吸附質(zhì)的分子直徑 吸附質(zhì)的分子量、沸點(diǎn)、飽和

7、性吸附質(zhì)的分子量、沸點(diǎn)、飽和性 v操作條件操作條件 溫度溫度 操作壓力操作壓力 氣流的速度氣流的速度 v吸附器的性能：吸附器的性能： v對吸附器設(shè)計的基本要求對吸附器設(shè)計的基本要求 流通面積流通面積 停留時間停留時間 氣流分布均勻氣流分布均勻 控制操作溫度控制操作溫度 易于更換吸附劑易于更換吸附劑 吸附劑的活性：吸附劑的活性： 單位吸附劑所能吸附的吸附質(zhì)的量。單位：單位吸附劑所能吸附的吸附質(zhì)的量。單位：kg/kg， m3/m3 靜活性靜活性 動活性動活性 一般一般 動活性動活性 靜活性（理想狀態(tài)）靜活性（理想狀態(tài)） 4、吸附劑的脫附與劣化現(xiàn)象：、吸附劑的脫附與劣化現(xiàn)象： （1）、滯后現(xiàn)象：）、

8、滯后現(xiàn)象： 部分吸附質(zhì)未能全部被解吸，而存在著殘留吸部分吸附質(zhì)未能全部被解吸，而存在著殘留吸 附量。附量。 后果：降低吸附劑循環(huán)使用的壽命。后果：降低吸附劑循環(huán)使用的壽命。 （2）、吸附劑脫附再生的方法：）、吸附劑脫附再生的方法： 升溫再生升溫再生 降壓再生降壓再生 置換再生置換再生 溶劑萃取溶劑萃取 （3）、吸附劑的劣化現(xiàn)象：）、吸附劑的劣化現(xiàn)象： 吸附劑的吸附容量逐漸下降的現(xiàn)象。吸附劑的吸附容量逐漸下降的現(xiàn)象。 后果后果：縮短吸附劑的使用壽命；：縮短吸附劑的使用壽命； 原因原因：滯后現(xiàn)象：滯后現(xiàn)象 表示方法表示方法：劣化率或劣化度。：劣化率或劣化度。 5、吸附法的適用范圍：、吸附法的適用范

9、圍： v常用于低濃度、毒性大、氣量小的有害氣體；常用于低濃度、毒性大、氣量小的有害氣體； v有機(jī)溶劑蒸氣有機(jī)溶劑蒸氣 二、吸附機(jī)理二、吸附機(jī)理 v1、吸附平衡：、吸附平衡： v吸附質(zhì)在氣態(tài)混合物中的濃度和吸附劑中的濃度不變，即吸附質(zhì)在氣態(tài)混合物中的濃度和吸附劑中的濃度不變，即 達(dá)到了吸附平衡。達(dá)到了吸附平衡。 v平衡濃度：平衡濃度： v平衡時，吸附質(zhì)在氣相中的濃度（或分壓）平衡時，吸附質(zhì)在氣相中的濃度（或分壓） v吸附容量：吸附容量： v單位質(zhì)量的吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量單位質(zhì)量的吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量 v平衡吸附量平衡吸附量： v單位質(zhì)量吸附劑對吸附質(zhì)的極限吸附量單位質(zhì)量吸附劑對吸附質(zhì)的極

10、限吸附量 v在平衡時，吸附容量與平衡濃度有一定的函數(shù)關(guān)系：在平衡時，吸附容量與平衡濃度有一定的函數(shù)關(guān)系： X= f（Y） 其中：其中： X：被吸附組分在固相中的濃度，：被吸附組分在固相中的濃度， Y：平衡時被吸附組分在氣相中的濃度：平衡時被吸附組分在氣相中的濃度 v吸附等溫線：吸附等溫線： 在一定的溫度下，達(dá)到吸附平衡時，吸附量隨平在一定的溫度下，達(dá)到吸附平衡時，吸附量隨平 衡分壓而變化的曲線，稱為衡分壓而變化的曲線，稱為吸附等溫線吸附等溫線。 v吸附等溫線：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出。吸附等溫線：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出。 v表示：吸附量隨壓力變化的情況。表示：吸附量隨壓力變化的情況。 NH3在活性炭上的吸附

11、等溫線在活性炭上的吸附等溫線 單一氣體單一氣體(或蒸氣或蒸氣)在固體上的吸附已觀測到六種形式在固體上的吸附已觀測到六種形式 的等溫線的等溫線: （1）、弗羅德里希（）、弗羅德里希（Freundlich）方程）方程 單位質(zhì)量吸附劑吸收的吸附質(zhì)的質(zhì)量單位質(zhì)量吸附劑吸收的吸附質(zhì)的質(zhì)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 適用范圍：適用范圍：I型等溫線中壓部分。型等溫線中壓部分。 n T kPX 1 T X v（2）朗格繆爾（）朗格繆爾（Langmuir）方程（）方程（I型等溫線）型等溫線） v假設(shè)：假設(shè)： 單分子層吸附，即吸附質(zhì)間無相互作用

12、力單分子層吸附，即吸附質(zhì)間無相互作用力; 吸附劑表面的吸附能力是均勻的吸附劑表面的吸附能力是均勻的; 1 1 T mm ABP X BP PP VBVV V吸附平衡時被吸附氣體在標(biāo)態(tài)下的體積吸附平衡時被吸附氣體在標(biāo)態(tài)下的體積 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 Vm吸附劑被覆蓋滿一層時被吸附氣體在標(biāo)態(tài)下的體積吸附劑被覆蓋滿一層時被吸附氣體在標(biāo)態(tài)下的體積 B吸附與解析速率常數(shù)之比吸附與解析速率常數(shù)之比 （3）、）、BET方程方程(多分子層吸附理論多分子層吸附理論): 假設(shè)假設(shè) （1）吸附劑表面的吸附能力均勻）吸附劑表面的吸附能力均勻 （2）可為單分子層或者多分子層吸附，層間分子力

13、為范德）可為單分子層或者多分子層吸附，層間分子力為范德 華力華力 （4）總吸附量為各層吸附量之和。）總吸附量為各層吸附量之和。 00 00 ()1(1)/ 1(1) () m mm V CP V PPCP P PCP V PPV CV CP V吸附平衡時被吸附氣體在標(biāo)態(tài)下的體積吸附平衡時被吸附氣體在標(biāo)態(tài)下的體積 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 P0吸附溫度下吸附質(zhì)的飽和蒸汽壓吸附溫度下吸附質(zhì)的飽和蒸汽壓 Vm吸附劑被覆蓋滿一層時吸附氣體在標(biāo)態(tài)下的體積吸附劑被覆蓋滿一層時吸附氣體在標(biāo)態(tài)下的體積 C與吸附熱有關(guān)的常數(shù)與吸附熱有關(guān)的常數(shù) 2、吸附速率：、吸附速率： v單位重量的吸

14、附劑在單位時間內(nèi)所吸附吸附質(zhì)的量單位重量的吸附劑在單位時間內(nèi)所吸附吸附質(zhì)的量. v吸附過程吸附過程: 外擴(kuò)散（氣流主體外擴(kuò)散（氣流主體 外表面）外表面） 內(nèi)擴(kuò)散（外表面內(nèi)擴(kuò)散（外表面 內(nèi)表面）內(nèi)表面） 吸附吸附 v外擴(kuò)散速率 v內(nèi)擴(kuò)散速率 v總吸附速率方程 * ()() 11111 ; A yPAAxPAA yPyPxPxPxPyP dM KYYKXX dt m KkkKkkm * () A yPAA dM KYY dt * () A xPAA dM KXX dt Ai Y Ai X k k 三、吸附工藝與設(shè)備計算：三、吸附工藝與設(shè)備計算： 1、設(shè)備分類：、設(shè)備分類： 根據(jù)吸附劑在吸附器內(nèi)的工

15、作狀態(tài)：根據(jù)吸附劑在吸附器內(nèi)的工作狀態(tài)： 固定床固定床 流化床流化床 輸送床輸送床 1、設(shè)備分類：、設(shè)備分類： 固定床：固定床： 含污染物的氣含污染物的氣體體 臥式固定床：臥式固定床： 環(huán)式固定床：環(huán)式固定床： v特點(diǎn)：（特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低廉；）結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低廉； v （2）適用于小型、分散、間歇性的污染源治理；）適用于小型、分散、間歇性的污染源治理； v （3）吸附和解吸交替進(jìn)行、間歇操作。）吸附和解吸交替進(jìn)行、間歇操作。 1、設(shè)備分類：、設(shè)備分類： 輸送床（移動床）輸送床（移動床）： v（1）氣固以恒定速度通過；）氣固以恒定速度通過； v（2）氣量大，循環(huán)使

16、用吸附劑）氣量大，循環(huán)使用吸附劑 v（3）吸附和解吸連續(xù)完成；）吸附和解吸連續(xù)完成； v（4）動力和熱量消耗較大，吸附劑磨損較嚴(yán)重。）動力和熱量消耗較大，吸附劑磨損較嚴(yán)重。 v流化床流化床： v氣固接觸充分；生產(chǎn)能力大；氣固接觸充分；生產(chǎn)能力大； v 但磨損嚴(yán)重，排氣中有吸附劑粉末。但磨損嚴(yán)重，排氣中有吸附劑粉末。 2. 固定床吸附器計算方法固定床吸附器計算方法 v（1）計算目的： v穿透時間 v吸附器的高 v壓降 v穿透時間穿透時間：從吸附操作開始至排氣中污染物：從吸附操作開始至排氣中污染物 濃度超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的時間。濃度超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的時間。 v（2）計算原始數(shù)據(jù)： v混和氣體組成 v流量 v

17、分離要求 v吸附劑性質(zhì) v（3）基本概念 v吸附負(fù)荷曲線 v吸附區(qū)長度 v穿透時間（保護(hù)作用時間） v穿透曲線 v吸附負(fù)荷曲線吸附負(fù)荷曲線：吸附器中每一斷面（沿氣流：吸附器中每一斷面（沿氣流 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 濃度隨吸附床長度的變化曲線稱為吸附負(fù)荷濃度隨吸附床長度的變化曲線稱為吸附負(fù)荷 曲線。曲線。 v吸附區(qū)長度吸附區(qū)長度：吸附床的入口斷面被污染物飽：吸附床的入口斷面被污染物飽 和時，有污染物存在的吸附床的長度。和時，有污染物存在的吸附床的長度。 v穿透曲線穿透曲線：吸附器排氣中污染物的濃度隨處：吸附器排氣中污染物的濃度隨處 理氣量的

18、變化曲線。理氣量的變化曲線。 v計算目的：計算目的： v穿透時間 v吸附器的高 v壓降 v（4）保護(hù)作用時間的確定）保護(hù)作用時間的確定 v假定：假定：1、到達(dá)穿透點(diǎn)時已平衡、到達(dá)穿透點(diǎn)時已平衡 v 2、p很大，很大，a=Vm v 3、吸附速率無窮大、吸附速率無窮大 v保護(hù)作用時間保護(hù)作用時間 0 b L v （假定吸附層完全飽和） 0 b L v （假定吸附層完全飽和） 0 0 () b LK Lh v b 0 0 希洛夫方程 v（5）吸附區(qū)長度）吸附區(qū)長度 v假定：假定：1、等溫吸附、等溫吸附 v 2、僅限于低濃度污染物吸附、僅限于低濃度污染物吸附 v 3、吸附等溫線為第三中類型、吸附等溫線為第三中類型 v 4、吸附區(qū)在床內(nèi)移動時，長度不變、吸附區(qū)在床內(nèi)移動時，長度不變 單一氣體單一氣體(或蒸氣或蒸氣)在固體上的吸附已觀測到六種形式在固體上的吸附已觀測到六種形式 的等溫線的等溫線: v 吸附區(qū)長度吸附區(qū)長度 0 (1) A EA LW LWf W (6)吸附床的飽和度吸附床的飽和度 v吸附污染物的量吸附污染物的量飽和區(qū)吸附污