第7章 气态污染物控制技术 ——吸附法,生化工程系,了解吸附剂的性质、种类以及理解影响气体吸附的重要因素 掌握3种常见的吸附方程：弗罗德里希、朗格缪尔及BET方程 了解吸附工艺与设备计算 重点：吸附平衡和吸附速率； 难点：吸附穿透曲线 重点讲述：a.吸附法净化烟气中的SO2b.吸附法净化有机蒸汽学习内容,气体吸附是多孔固体吸附剂将气体（或液体）混合物中一种或数种组分被浓集于固体表面，而与其它组分分离的过程 被吸附到固体表面的物质称为吸附质，附着吸附质的物质称为吸附剂1、吸附净化的概念 多孔性固体物质具有选择性吸附废气中的一种或多种有害组分的特点吸附净化是利用多孔性固体物质的这一特点，实现净化废气的一种方法 2、吸附净化法的适用范围 常用于浓度低，毒性大的有害气体的净化，但处理的气体量不宜过大； 对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率； 当处理的气体量较小时，用吸附法灵活方便一、概述,3、优缺点 优点：净化效率高，可回收有用组分，设备简单，易实现自动化控制 缺点：吸附容量小，设备体积大；吸附剂容量往往有限，需频繁再生，间歇吸附过程的再生操作麻烦且设备利用率低 4、应用 广泛应用于有机化工、石油化工等部门。
环境治理方面：废气治理中，脱除水分、有机蒸汽、恶臭、HF 、SO2、NOX等 成功的例子：用变压吸附法来处理合成氨放气，可回收纯度很高（>98%）的氨气，实现废物资源化5、分类 根据吸附剂表面与被吸附物质之间作用力的不同：,吸附类型,,物理吸附： 由分子间范德华力引起，单层吸附或多层吸附； 吸附质与吸附剂间不发生化学反应； 吸附过程极快，参与吸附的各相间瞬间即达平衡； 吸附为放热反应； 吸附剂与吸附质间的吸附力不强，当气体中吸附质分压降低或温度升高时，被吸附的气体易于从固体表面逸出，而不改变气体原来的性质化学吸附： 由化学键力而引起的，单层吸附； 吸附需要一定的活化能； 吸附力较强； 吸附有很强的选择性； 吸附速率较漫，达到吸附平衡需要相当长的时间； 升高温度可提高吸附速率物理吸附和化学吸附的区别,同一污染物可能在较低温度下发生物理吸附若温度升高到吸附剂具备足够高的活化能时，发生化学吸附讲授内容： 吸附剂的性质； 常用的工业吸附剂； 吸附法的适用范围； 影响气体吸附的因素； 吸附剂的再生,二、吸附剂及再生,1、工业用吸附剂应具备的条件 ①巨大的内表面，大的比表面积即大的吸附容量，外表面仅占总表面的极小部分，可看作是一种极其疏松的固体泡沫体。
像活性炭、硅胶、分子筛等 ②良好的选择性；例如，木炭吸附SO2或NH3的能力较吸附空气为大； ③较高的机械强度、化学与热稳定性； ④来源广泛，造价低廉； ⑤良好的再生性能（从经济角度考虑）一）吸附剂的性质,⑥吸附容量大； 吸附容量是指在一定温度和一定的吸附质浓度下，单位质量或单位体积吸附剂所能吸附的最大吸附质质量吸附容量除与吸附剂表面积有关外，还与吸附剂的孔隙大小、孔径分布、分子极性及吸附剂分子上官能团性质有关2、常用的工业吸附剂 活性炭 硅胶 吸附树脂 沸石分子筛 其它,活性炭 由各种含炭物质(如煤、椰壳、木材、渣油等)炭化后，再用蒸汽或药品进行活化处理而得疏水性，常用于空气中有机溶剂，催化脱除尾气中SO2、NOX等恶臭物质的净化； 优点：性能稳定、抗腐蚀 缺点：可燃性，因此使用温度不能超过200℃，在惰性气流掩护下，操作温度可达500℃ 碳分子筛是新近发展的一种孔径均一的分子筛型新品种，具有良好的选择吸附能力活性氧化铝 用于气体干燥，石油气脱硫，含氟废气净化（对水有强吸附能力）硅胶 硅胶是粒状无晶形氧化硅，可由硫酸、盐酸或酸性盐溶液与硅酸钠溶液作用而制得，用水洗涤后，在115～130℃下干燥脱水至含湿量为5％～7％时制成硅胶。
亲水性，从气体中吸附的水分量可达硅胶自身质量的50%，而难于吸附非极性物质因此，常用它处理含湿量高的气体、烃类物质回收等硅胶吸附水分后，吸附其他有害气体或蒸汽的能力就大为下降因此，硅胶的亲水性妨碍了它的应用吸附树脂 最初为酚、醛类缩合高聚物，以后出现了一系列的交联共聚物，如聚苯乙烯、聚丙烯酯和聚丙烯酰胺类的高聚物 大孔吸附树脂种类较多：带功能团的，不带功能团的，非极性的，强极性的等 缺点：价格较贵 优点：物理化学性能较稳定，品种较多，能用于废水处理，维生素的分离及H2O2的精制等沸石分子筛 一种人工合成沸石，为微孔型、具有立方晶体的硅酸盐具有高的吸附选择性： 分子筛的孔径大小整齐均匀一，能选择性地吸附直径小于某个尺寸的分子而硅胶、活性炭等，其孔径大小都极不一致（见图），因而没有明显的选择性沸石分子筛 通式为：[Mex/n(Al2O3)x(SiO2)y]·mH2O 特点：具有孔径均一的微孔，因而具有筛分性能，一种离子型吸附剂，对极性分子，不饱和有机物具有选择吸附能力 一般分子筛与其他吸附剂比较，其优点在于： 具有高的吸附选择性 分子筛具有较强的吸附能力具有高的吸附选择性： 分子筛的孔径大小整齐均一，能选择性地吸附直径小于某个尺寸的分子。
而硅胶、活性炭等，其孔径大小都极不一致（见图），因而没有明显的选择性分子筛具有较强的吸附能力： 分子筛的空腔多，孔道小，比表面积大，由于空腔周围叠加力场的作用，使得它的吸附能力很强，即使在气体组分含量很低时，也仍然具有较强的吸附能力分子筛具有较强的吸附能力： 在较高温度下分子筛也仍然保持着较高的吸附能力，这可从右图中看出其他 白土、碳纤维、玻璃纤维和氧化铝纤维等常用吸附剂特性,分子筛特性,具有孔径均一的微孔，因而具有筛分性能 优点：具有高的吸附选择性;分子筛具有较强的吸附能力1)对于低浓度气体，吸附法的净化效率要比吸收法高，吸附法常用于浓度低，毒性大的有害气体，但吸附法处理的气体量不宜过大 2)用吸附法净化有机溶剂蒸气，具有较高的效率 3)当处理的气量较小时，用吸附法灵活方便，例如防毒面具就是一个小型的吸附器 举例： 氧化铝吸附净化含氟烟气；活性炭吸附烟气中的SO2用以制酸；分子筛、活性炭吸附烟气中的NOX等3、吸附法的适用范围,3、吸附法的适用范围,操作条件吸附剂的性质吸附质的性质与浓度吸附剂的活性,4、影响气体吸附的因素,操作条件 低温（有利） 物理吸附； 高温（有利） 化学吸附。
吸附质分压上升，有利于吸附 气流速度：固定床为0.2~0.6m/s,吸附剂的性质 如孔隙率、孔径、粒度影响比表面积影响吸附效果吸附剂的性质 吸附剂的比表面积可以采用下式计算：δ—吸附剂的比表面积，m2/g;f—单位体积气体铺成单分子层时所占面积，m2/mL;N0—阿佛加德罗常数，6.023×1023；A—吸附质分子德横截面积，m2；Vm—吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mL；W—吸附剂的重量，g吸附质的性质与浓度 位阻效应和临界直径 根据吸附剂微孔尺寸分布数据，主要起吸附作用的是直径与被吸附分子大小相等的微孔通常由于位阻效应，一个分子不易渗入比某一最小直径还要小的微孔最小直径，即临界直径，代表了吸附质的特性且与吸附质的分子的直径有关 分子量、沸点、饱和性 例：同种活性炭做吸附剂，对于结构相似的有机物分子量和不饱和性越高，沸点越高，吸附越容易常见分子的临界直径,典型吸附质分子的横截面积, 接触时间 吸附器性能,吸附剂的活性 定义：常以吸附剂上已吸附吸附质的量与所用吸附剂量之比的百分数来表示吸附剂的活性是吸附剂吸附能力的标志 物理意义——单位吸附剂所能吸附吸附质的量。
静活性：在一定温度下，与气体中被吸附物(吸附质)的初始浓度达平衡时单位吸附剂上可能吸附的最大吸附量即在一定温度下，吸附达到饱和时，单位吸附剂所能吸附吸附质的量 动活性：流体通过吸附剂床层时，床层中吸附吸附剂逐渐趋于饱和，当流出气体中刚出现被吸附物质时即认为此吸附层已失效(穿透)，这时单位吸附剂所能吸附的吸附质量称为动活性吸附剂饱和后需要再生，再生时一般采用逆流吹脱的方式 再生方法： 加热解吸再生； 降压或真空解吸再生； 溶剂萃取再生； 置换再生； 化学转化再生二）吸附剂的再生,加热再生 通过升高吸附剂温度，使吸附物脱附，吸附剂得到再生 几乎各种吸附剂都可用此方法恢复吸附能力不同的吸附过程需要不同的温度，吸附作用越强，脱附时需加热的温度越高降压或真空解吸 吸附过程与气相的压力有关，压力高时，吸附进行得快；当压力降低时，脱附占优势因此，通过降低操作压力可使吸附剂得到再生 如：若吸附在较高压力下进行，把压力降低可使被吸附的物质脱离吸附剂进行解吸；若吸附在常压下进行，可采用抽真空方法进行解吸置换再生 选择合适的气体(脱附剂)，将吸附质置换与吹脱出来 此方法需加一道工序，即脱附剂的再脱附，以使吸附剂恢复吸附能力。
脱附剂与吸附质的被吸附性能越接近，则脱附剂用量越省若脱附剂被吸附程度比吸附质强时，属置换再生，否则，吹脱与置换作用都兼有该法适用于对温度敏感的物质溶剂萃取再生 选择合适的溶剂，使吸附质在该溶剂中的溶解性能远大于吸附剂对吸附质的吸附作用，将吸附物溶解下来的方法 如：活性炭吸附SO2，用水洗涤，再进行适当的干燥便可恢复吸附能力再生方法可单独使用，或几种方法同时使用如： 活性炭吸附有机蒸气：高温蒸气再生，或加热+抽真空再生； 沸石分子筛吸附水分：加热+吹氮气再生a)吸附,(b)解吸,三、吸附理论,设计吸附装置或强化吸附过程的关键： 由吸附剂与吸附质本身的物化性质所决定的吸附平衡(进行的可能性)； 由物质传递所决定的吸附动力学(吸附速率)(进行的快慢) 本节内容： 1、吸附平衡 2、吸附等温线：弗罗德里希（Freundlich）方程式 ；朗格缪尔（Langmuir）方程式；BET方程式 3、吸附速率,吸附机理,,1、吸附平衡,当混合气体与吸附剂充分接触后，一方面吸附质被吸附剂吸附，另一方面，一部分吸附质由于热运动脱离吸附剂的表面，又回到混合气体中去，前者称为吸附，后者称为解吸过程当吸附速度＝脱附速度时，达到了吸附平衡，此时吸附量达到极限值。
极限吸附量受气体压力和温度的影响NH3在活性炭上的吸附等温线,平衡吸附量：吸附剂对吸附质的极限吸附量，亦称静吸附量分数或静活性分数，用XT或m吸附质/m吸附量表示，是设计和生产中一个十分重要的参数，用吸附等温线或吸附等温方程来描述NH3在活性炭上的吸附等温线,2、吸附等温线,等温吸附线：吸附达平衡时，吸附质在气、固两相中的浓度间有一定的函数关系，一般用等温吸附线表示化学吸附只有I型，物理吸附I~V型都有 第1类吸附等温线：微孔填充的特征，极限吸附量为微孔容积的一种量度，它也出现在能级较高的表面吸附中 第2类可逆等温吸附：在许多无孔或有中间孔的粉末上吸附测得的，它代表在许多相基质上不受限值的多层吸附 第3类等温线：吸附质与吸附剂相互之间的作用微弱时第4类等温线：具有滞后回线，这可解释为由于毛细管现象的缘故，该部分等温曲线适用于孔尺寸分布的估算 第5类等温线：与第4类相似，只是吸附质与吸附剂之间的相互作用较弱 第6类等温线：由于均匀基质上惰性气体分子分阶段多层吸附而引起弗罗德里希（Freundlick）方程式,弗罗德里希对Ⅰ型等温吸附线提出如下经验方程式：q或XT—被吸附组分的质量与吸附剂质量之比值，无量纲，单位吸附剂在吸附平衡时的饱和吸附量(m3/kg)或(kg/kg) P—被吸附组分在气相中的平衡分压，Pa； k、n—经验常数，与吸附剂、吸附质种类及吸附温度有关，通常n>1，其值由实验确定。
适应范围：吸附等温线的中压部分，与实际数据符合较好；常用于低浓度气体的吸附 取对数后：,lgXT-lgP作图，可以得到一直线； 斜率1/n和截距lgk，求出n，k； 1/n介于0.1~0.5之间时，表示吸附容易进行； 1/n >2时，吸附吸附难进行。