大气污染控制工程 第11章 吸附法净化气态污染物专业课教材

11.吸附法吸附法是利用多孔性物质与气体接触，靠多孔性物质表面存在的剩余能量，使有害气体分子附着其上，而从气体中分离的方法。吸附的推动力主要靠分子间力、静电力和化学键力。一.基本原理1.物理吸附与化学吸附根据吸附过程中吸附剂与吸附质作用力的不同，可以把吸附分为物理吸附和化学吸附两大类。当吸附剂与吸附质作用力为分子间力时，称为物理吸附；当吸附剂与吸附质作用力为化学键力时，称为化学吸附。物理吸附与化学吸附有很多不同点，前者吸附剂与吸附质之间不发生化学反应，物质性质不发生变化，吸附进行速度较快，很快能达到吸附平衡，吸附反应是放热反应，吸附热较小，相当于物质的液化热或汽化热，吸附没有选择性，吸附质往往是多层的，具有可逆性；后者吸附进行缓慢，达到平衡需要时间长，吸附时发生化学反应，并在吸附剂表面生成新物质，吸附为放热过程，放热量较大，相当于化学反应热，吸附有选择性，常常是不可逆的，一般为单层吸附。在实际吸附过程中，物理吸附和化学吸附常同时存在，低温时主要是物理吸附，高温时主要为化学吸附。2.吸附过程关于吸附平衡的理论有多种，主要有势能论、BET学说、静电学说、电吸附学说、朗格缪尔学说等。吸附的全过程分为外扩散、内扩散、吸附和脱附四个阶段。外扩散是指吸附质通过吸附剂外部的气膜，扩散到吸附剂表面的过程。内扩散是指吸附质分子从吸附剂表面进入吸附剂微孔的过程。吸附是扩散到吸附剂内表面的吸附质被吸附在其表面的过程。脱附是被吸附的吸附质分子重新回到气体中的过程。3.吸附平衡吸附与脱附同时进行，在吸附开始时，吸附速度大于脱附速度，以吸附为主，随着吸附的进行，脱附速度不断增加，当吸附速度与脱附速度相同时，达到吸附平衡。吸附达到动态平衡状态时，吸附剂不再有吸附能力，为使吸附剂恢复其吸附能力，必须使吸附质从吸附剂表面脱除下来，这个过程称为脱附，有时脱附后的吸附剂还必须经过活化才能恢复吸附能力，吸附和活化过程综合起来称为吸附剂的再生过程。因此吸附的全过程是由吸附和再生两个过程组成的。4.影响吸附的因素影响吸附的因素主要包括吸附剂性质、吸附质性质、吸附质的浓度、操作条件等。（1）吸附剂性质：吸附剂的表面积越大，提供的吸附表面越大，吸附能力越强。影响吸附剂表面积的结构因素包括吸附剂的空隙率、孔径、颗粒大小等。（2）吸附质的性质：吸附质的分子大小、沸点、饱和度等影响吸附量的大小，一般认为分子质量越大、沸点越高、不饱和性越强，则越容易被吸附。（3）操作条件影响吸附的操作条件主要有温度、压力、气流速度等。对于物理吸附，控制较低温度有利。对于化学吸附，提高温度对吸附有利，从理论上讲，增加压力对吸附有利，但提高压力会增加能耗，实际上一般不采用。气流速度大小受吸附时间的控制，为保证吸附完全，应保证一定的接触时间，因此气流速度不宜过大，实践表明，固定床吸附操作合理的气流速度控制在0.2~0.6m/s。（4）吸附质浓度：吸附质浓度越高，吸附的推动力越大，吸附速度快，但浓度过高，会很快使吸附剂饱和失效，因此吸附法常用于浓度较低污染物的净化。4.2.2.吸附流程与操作要求常用的吸附流程主要有间歇式、半连续式连续式三种形式。1.间歇式流程一般由单一吸附器组成，适用于废气量小，污染物浓度低，间歇排放废气的场合。当排气间歇时间大于再生所需要的时间时，可以在吸附完成后，在同一设备内完成脱附操作；当排气间歇时间小于再生所需要时间时，可将吸附器内的吸附剂更换，对失效吸附剂集中再生处理。2.半连续式流程是应用最普遍的一种吸附流程，可用于间歇产生废气的场合，也可以用于连续操作。流程由2~3台吸附器构成，当一台吸附器进行吸附操作时，另一台进行再生操作，当再生周期大于吸附周期时，可以再增加一台吸附器用于吸附操作。3.连续式流程

连续化流程是由连续性运行的流化床或移动床吸附器构成，其特点是吸附和脱附再生同时进行，利于自动化操作。4.吸附操作应注意的事项根据影响吸附操作的影响因素，在进行吸附操作时，主要注意以下问题：①选择的吸附剂符合吸附要求，保证净化效果；②操作时控制的气流速度要合适，即保证吸附时间，还要尽可能提高速度，减小装置尺寸，降低投资；③温度是吸附和脱附的关键，应掌握好温度的变化，及时调整保证最佳温度范围；④时时监测排气中污染物的浓度，及时脱附和再生，保证操作的顺利进行。4.2.3.吸附设备目前常用的吸附净化设备有三种：固定床吸附器、移动床吸附器和流化床吸附器。固定床吸附器如图4-4和4-5所示，把吸附剂固定在一个床层上，床层厚度0.5~2m，被净化气体通过床层时被吸附。固定床吸附器按气流运动方式分为立式和卧式两种，立式气流上下运动，卧式气流水平运动；按形状分为方型和圆形两种。固定床吸附器的特点是结构简单、投资较低，操作方便，适合于小型、分散、间歇性的污染源处理。自动操作受到限制。1.固定床吸附器固定床吸附器，把吸附剂固定在一个床层上，床层厚度0.5~2m，被净化气体通过床层时被吸附。1.固定床吸附器固定床吸附器按气流运动方式分为立式和卧式两种，立式气流上下运动，卧式气流水平运动；按形状分为方型和圆形两种。固定床吸附器的特点是结构简单、投资较低，操作方便，适合于小型、分散、间歇性的污染源处理。自动操作受到限制。2.移动床吸附器由吸附剂冷却器、吸附剂加料装置、吸附剂卸料装置、吸附剂分配装置和脱附器组成。2.移动床吸附器工作时吸附剂从设备顶部进入冷却器，降温后由分配板进入吸附段，借助重力作用不断下降，与从下部引入的气体接触，完成逆流接触吸附，净化后的气体从顶部排出。当吸附剂下降到气提段时，由底部引入的脱附气与其接触，将脱附的气体置换出来，最后进入脱附器对吸附剂进行再生。图4-6移动床吸附器示意图1-冷却器；2-吸附器；3-分配板；4-提升管；5-再生器；6-吸附剂控制机械；7-固粒料面控制器;8-封闭装置；9-出料阀门3.流化床吸附器它是由带有溢流装置的多层吸附器和移动式脱附器组成。废气从吸附器的下部引入，气体通过筛板向上移动，将吸附剂吹起，在吸附段完成吸附操作，吸附后的气体进入扩大段，降低气流速度，减少吸附剂的携带。完成吸附从底部另一侧排出的吸附剂直接用蒸气进行脱附和干燥，然后从顶部送回吸附段继续使用。4.2.4.吸附剂1.常见吸附剂吸附剂种类很多，常用吸附剂有活性白土、硅藻土、活性炭、硅胶、活性氧化铝、沸石分子筛、树脂等。下面介绍常用吸附剂的性能。（1）活性炭：活性炭是应用最早、最广泛的优良吸附剂。它是由含碳物质如煤炭、木材、果壳、果核等炭化后，再用水蒸气或化学试剂进行活化制成。其具有非极性、疏水性和亲有机物特性，孔径范围在10~50μm，选择性较强，可用于回收有机溶剂、除臭或去除其他气态污染物。活性炭的性能参数见表所示。表4-1活性炭的技术指标堆积密度/kg/m3200~600平均孔径/nm0.7~1.7灰分/%0.5~80比热容/kJ/kg.℃0.84水分/%0.5~2.05着火点/℃300孔容/cm3/g0.01~0.1比表面积m2/g600~1700（2）活性氧化铝：活性氧化铝是用含水的氧化铝经加热脱水后形成的多孔物质。它吸附极性分子，无毒，机械强度大，不易膨胀。其性能参数见下表4-2所示。堆积密度/Kg/m3608~908平均孔径/nm1.8~4.8稳定温度/℃500比热容/kJ/kg.℃0.88~1.04孔容/cm3/g0.5~2.0适宜温度/℃200~250比表面积m2/g210~3602.吸附剂的选择对吸附剂的基本要求是：（1）大的比表面积和孔隙率，吸附性能好；（2）良好的选择性；（3）易于再生；（4）机械强度大，化学稳定性好，热稳定性高，不易粉碎失效或流失；（5）原料来源广泛，价格低廉。吸附剂选择时首先考虑吸附能力和选择性。对于极性分子，可以优先选用分子筛、硅胶和活性氧化铝；对于非极性分子或分子量较大的有机物，应选用活性炭；对于分子量较小的吸附质，可选用分子筛。当污染物浓度较大时，可采用价格便宜的吸附剂。当净化要求较高时，可以选用两种以上的吸附剂，分段吸附处理；吸附剂的选择还要考虑经济原因，优先选用投资小、效果好的吸附剂。针对不同物质选用的吸附剂见表4-3所示。表4-3工业常用吸附剂的应用范围吸附剂应用范围活性炭苯、甲苯、二甲苯、甲醛、乙醇、乙醚、煤油、汽油、光气、乙酸乙酯、苯乙烯、CS、CCl4、CHCl3、CH2Cl2、H2S、Cl2、CO、SO2、NOx活性氧化铝H2S、SO2、HF、烃类硅胶H2S、SO2、烃类分子筛H2S、Cl2、CO、SO2、NH3、Hg、NOx褐煤、泥煤SO2、SO3、NH3、NOx3.吸附剂的再生吸附剂的容量有限，当吸附剂达到饱和或接近饱和时，必须进行再生处理，常用的再生方法有升温再生、降压再生、吹扫再生、置换再生化学转化再生等。（1）升温再生：由于吸附剂的吸附量与温度高低成反比，温度升高会使吸附量降低，因此，可以采用热气流加热吸附达到或接近平衡的吸附床层，使吸附剂脱附，恢复原有吸附能力。脱附采用的加热方式有过热水蒸气法、烟道气法、电加热法和微波加热法等。（2）降压再生：当外部压力低于吸附操作压力，或采用抽真空时，吸附质会重新回到气相中，达到脱附目的。（3）吹扫再生：当不被吸附的吹扫气通过吸附床层时，由于降低了吸附质在气相中的分压，靠浓度推动力的作用，吸附质会解吸出来。吹扫时适当提高温度对脱附有利。（4）置换再生：采用更容易被吸附的吹扫气通过吸附床层，可以置换已经被吸附的物质，达到脱附目的。（5）化学转化再生：向吸附床层通入某种能与被吸附物质反应的物质，生成一种不被吸附的新物质，达到解吸目的。影响吸附剂脱附再生的因素包括温度、压力、吸附质性质、气体组成、吸附剂结构和特性等。如果温度和压力是主要影响因素时，可以采用升温、降压或吹扫方式脱附；如果吸附剂、吸附质的性质和气体组成是影响吸附的主要因素时，可以采用置换或化学法再生。吸附法净化气态污染物具有净化效率高、设备简单、操作方便、自动化程度高、可回收有用物质、无二次污染等特点。可以净化浓度较低的SO2、NOx、H2S、HF、酸雾、含铅及含汞废气、恶臭、沥青烟及碳氢化合物等。习题1.填空题（1）连续排放时，可以选择的吸附流程为

和

；（2）吸附装置有

、

、

和

几种类型；（3）脱附的方式有

、

、

、

几种，经常采用的方式是

；（4）常用吸附剂有