7气态污染物的治理吸附法

第二节吸附法•基本原理•吸附设备（固定床；移动床；流化床）•吸附法的工艺设计污染源的调查；吸附剂的选择；工艺方法的确定；防止二次污染•吸附法在气态污染物治理中的应用1.吸附过程：是用多孔固体（吸附剂）将流体（气提或液体）混合物中一种或多种组分积聚或凝缩在表面达到分离目的操作。可用于分离水分、有机蒸气（如甲苯蒸气、氯乙烯、含汞蒸气等）、恶臭、HF、SO2、NOx等，尤其能有效地捕集浓度很低的气态污染物。这是因为固体表面上的分子力处于不平衡状态，表面具有过剩的力，根据热力学第二定律，凡是能够降低界面能的过程都可以自发进行，因此固体表面这种过剩的力可以捕捉、滞留周围的物质，在其表面富集。2、吸附净化法的特点（1）适用范围①常用于浓度低，毒性大的有害气体的净化；②对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率；③当处理的气体量较小时，用吸附法灵活方便。（2）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。（3）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。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%）的氢气，实现废物资源化。一、吸附的分类及其原理（1）物理吸附作用力：分子间范德华力。范德华力：定向力、诱导力和逸散力的总称。物理吸附特征：①吸附质与吸附剂间不发生化学反应；②吸附过程极快，参加吸附的各相间常常瞬时即达平衡；③吸附为放热反应；④吸附剂与吸附质间的吸附力不强，当气体中吸附质降压或温度升高时，被吸附的气体能很容易的从固体表面逸出，而不改变气体原来形状；⑤是一种可逆过程（吸附与脱附）。（2）化学吸附作用力：化学键力（需一定的活化能故又称活化能吸附）。单层吸附。化学吸附特征：①有很强的选择性；②吸附速率较慢，达到吸附平衡需相当长时间；③升高温度可提高吸附速率。物理吸附和化学吸附可同时发生但常以某一类吸附为主。表1物理吸附和化学吸附的区别吸附作用力（物）：一种物理作用，分子间力（范德华力）；（化）：一种表面化学反应（化学键力）。吸附速率（物）：极快，常常瞬间即达平衡；（化）：较慢，达平衡需较长时间。吸附热（区别二者的重要标志）（物）：与气体的液化热相近,较小（几百焦耳/mol左右）；（化）：与化学反应热相近，很大（42kJ/mol）。选择性（物）：没有多大的选择性（可逆）；（化）：具有较高的选择性（不可逆）。温度的影响（物）：吸附与脱附速率一般不受温度的影响，但吸附量随温度上升而下降；（化）：可看成一个表面化学过程，需一定的活化能，吸附与脱附速率随温度升高而明显加快。吸附层厚度（物）：单分子层或双分子层，解析容易，低压多为单分子层随吸附压力增加变为多分子层；（化）：总是单分子层或单原子层，且不易解吸。气体吸附过程：气膜扩散微孔扩散在吸附剂表面吸附吸附机理吸附剂（一）吸附剂必须具备的条件①巨大的内表面，大的比表面积即大的吸附容量；②良好的选择性；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）。（二）常用吸附剂活性炭，活性氧化铝，硅胶，沸石分子筛，吸附树脂等。活性氧化铝硅胶沸石分子筛①活性炭：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；活性炭是由煤、石油焦、木材、果壳等各种含炭物质，在低于773K温度下炭化后再用水蒸气进行活化处理得到。它的颗粒形状有柱状、球状、粉末状等，优点：比表面积大、吸附及脱附快，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℃。②活性氧化铝：活性氧化铝可用于气体和液体的干燥（对水有强吸附能力），石油气的浓缩、脱硫，以及含氟废气的治理。含水氧化铝在严格控制的升温条件下，加热脱水便制成多孔结构的活性氧化铝，具有良好的机械强度。③硅胶：硅胶具有很强的亲水性，它吸附的水分量可达自身质量的50％，吸湿后吸附能力下降，因此常用于含湿量较高气体的干燥脱水、烃类气体回收，以及吸附干燥后的有害废气。硅胶是将硅酸钠溶液（水玻璃）用酸处理后得到硅酸凝胶，再经水洗、干燥脱水制得的坚硬多孔的粒状无晶形氧化硅。④沸石分子筛：是一种人工合成沸石，为微孔型、具有立方晶体的硅酸盐。通式为：[Mex/n(Al2O3)x(SiO2)y]·mH2O特点：孔径整齐均一，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。通常污染物分子较小的选用分子筛，分子较大应选用活性炭或硅胶；对无机污染物宜用活性氧化铝或硅胶，对有机蒸气或非极性分子则用活性炭。常用吸附剂特性吸附剂类型活性炭活性氧化铝硅胶沸石分子筛4A5A13x堆积密度/kg·m-3200～600750～1000800800800800热容/kJ(kg·K)-10.836～1.2540.836～1.0450.920.7940.794——操作温度上限/K423773673873873873平均孔径/Å15～2518～48224513再生温度/K373～413473～523393～423473～573473～573473～573比表面积/㎡·g-1600～1600210～360600——————影响气体吸附的因素（1）操作条件：①低温（有利）物理吸附；高温（有利）化学吸附。②吸附质分压上升，吸附量增加。③气流速度：对固定床为0.2-0.6m/s（2）吸附剂的性质：如孔隙率、孔径、粒度比表面积吸附效果（3）吸附质的性质与浓度：如临界直径、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。（4）吸附剂的活性定义：以被吸附物质的重量对吸附剂的重量或体积分数表示，是吸附剂吸附能力的标志。%100所用吸附剂量已吸附吸附质的质量吸附剂的活性吸附剂的活性：静活性：是指在一定温度下，与气相中被吸附物质的初始浓度平衡时的最大吸附量，即在该条件下，吸附达到饱和时的吸附量。动活性：气体通过吸附层时，当流出吸附层的气体中刚刚出现被吸附物质时即认为此吸附层已失效。这时单位吸附剂所吸附的吸附质的量称为～。（5）接触时间（6）吸附器性能二、常用的吸附设备•固定吸附器•结构简单，吸附剂磨损小。缺点是操作复杂，劳动力强度大，设备体积大。•移动床吸附器固体吸附剂在吸附床中不断移动。优点是处理气量大，设备内吸附剂用率高，不会出现“漏吸”的“死角”。缺点是吸附剂磨损严重。•流化床塔式设备，内设若干层筛板，吸附剂在筛板上呈沸腾状态；吸附速度快，处理能力大，适于连续性、大气流量的污染源治理吸附剂的再生方法（1）加热解吸再生；（2）降压或真空解吸再生；（3）溶剂萃取再生；（4）置换再生；（5）化学转化再生；（6）微生物再生。•蒸汽再生：当使用水蒸气置换再生时，一般采用低压水蒸气，水蒸汽温度高，对设备耐压要求高。根据经验一般考虑水蒸气的温度应低于140℃。当吸附了有机化合物的吸附剂采用热气流吹扫再生时，在安全上存在很大的隐患。在我国长期的工程实践表明，对于活性炭和活性炭纤维吸附剂和一般的有机化合物，再生热气流温度应低于120℃，否则着火的危险性非常大。分子筛的安全性要高于活性炭材料，再生热气流温度可以提高，日本的一些企业使用温度可以达到200℃。吸附法在气态污染物治理中的应用•低浓度二氧化硫的治理•有机废气的吸附净化•脱除氮的氧化物•除臭一、吸附法净化烟气中的SO2常用的吸附剂是活性炭、分子筛、硅胶等，下面介绍活性炭吸附法。（一）活性炭吸附脱硫的特点：最早出现于19世纪下半叶，20世纪70年代后期，日本、德国、美国得到工业应用。其代表法有：月立法、住友法、鲁奇法、BF法及Reinluft法等。发展趋势：由电厂到石油化工、硫酸及肥料工业等领域。能否应用该方法的关键：①解决副产物稀硫酸的应用市场；②提高活性炭的吸附性能；活性炭脱硫的主要特点：①过程比较简单，再生过程中副反应很少；②吸附容量有限，常需在低气速（0.3-1.0m/s）下进行，因而吸附器体积较大；③活性炭易被废气中O2氧化而导致损耗；④长期使用后，活性会产生磨损，并因微孔堵塞丧失活性。（二）活性炭脱硫工艺流程常见的工艺流程有固定床、移动床•含SO2尾气先在文丘里洗涤器内被来自循环槽的稀硫酸冷却并除尘。洗涤后的气体进入固定床活性炭吸附器，经活性炭吸附净化后的气体排空。•在气流连续流动的情况下，从吸附器顶部间歇喷水，洗去在吸附剂上生成的硫酸，此时得到10%-15%的稀酸。•此稀酸在文丘里洗涤器冷却尾气时，被蒸浓到25%-30%，再经浸没式燃烧器等的进一步提浓，最终浓度可达70%，可用来生产化肥。•该流程脱硫效率达90%。如吸附剂采用浸了碘的含碘活性炭，脱硫效率超过90%。从空气中回收有机溶剂蒸汽的工业吸附装置图1、过滤器、2、砾石阻火器；3、附有安全膜片的补偿安全器；4、风机；5、换热器6、加热器；7、凝液罐；8、吸附器；9、冷凝器；10、液体压力计；11、弹簧压力计；12、水银温度计常用的吸附剂是活性炭。（一）固定床吸附净化流程二、吸附法净化有机蒸汽活性炭吸附净化含有机化合物废气的流程：①预处理部分，预先除去进气中的固体颗粒物及液滴，并降低进气温度(如有必要)；②吸附部分，通常采用2～3个固定床吸附器并联或串联;③吸附剂再生部分，最常用的是水蒸气脱附法使活性炭再生；④溶剂回收部分，不溶于水的溶剂可与水分层，易于回收。水溶性溶剂需采用精馏法回收；对处理量小的水溶性溶剂也可与水一起掺入煤炭中送锅炉烧掉。通常情况下的吸附条件是：•常温吸附；•吸附层床层空速为0.2-0.5m/s；•脱附蒸气采用低压蒸气，温度约110℃左右；•脱附周期(含脱附及干燥、冷却)应小于吸附周期，若脱附周期等于或大于吸附周期，则应采用三个吸附器并联操作。三、吸附法净化含氮氧化物尾气常用吸附剂有：分子筛（有前景）、硅胶、活性炭（吸附量少）、含氨泥煤等。天然：丝光氟石。再生：水蒸气（极性好）。四、除臭(活性炭—除氨、胺、醛外的大多臭气)吸附后回收技术•冷凝回收：大部分的有机溶剂不溶于水或者在水中的溶解度很低，经过冷凝后可以通过分层分离回收。但对于醇类等易溶或与水混溶的有机物冷凝后需要进一步的分离处理。对于高沸点的有机物（如沸点超过100℃），采用常温水进行冷却即可。但对于低沸点的有机物，则需要采用低温水进行冷凝，比较经济的方法是采用常温-低温水两级冷却。冷却水需经过凉水塔降温或制冷后循环使用。再生尾气经过冷凝后所产生的不凝气中有机物的浓度很高，不能直接排放，必须返回到吸附器的进口，和工艺废气混合后进行再吸附处理。•液体吸收：在液体吸收工艺中常用的吸收剂也是有机溶剂，如柴油等。吸收剂的挥发度必须低于废气中有机物的挥发度。•对吸收塔的设计在HJ/T387-2007《工业废气吸收净化装置》中已经有明确的规定。•经过吸收以后的尾气中还含有一定量浓度很高的有机物，必须返回到吸附器的进口，和工艺废气混合后进行再吸附处理。•催化燃烧或高温焚烧：当废气中的有机物中只含有碳氢、化、氧元素时，经过催化燃烧形成二氧化碳和水。对于一些含S、N、Cl等的杂原子有机化合物，经过催化燃烧后会产生SO2、HCl、NOx等二次污染物，因此对燃烧尾气需要进一步进行处理达标后方可排放。