【正文】 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 第五章 空氣中氣態(tài)污染機(jī)理及方法 吸附凈化 光催化 (光觸媒 )凈化 非平衡等粒子體凈化 負(fù)離子凈化 臭氧凈化 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 吸附作為工業(yè)上的一種分離過(guò)程，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在化工、石油、食品、輕工業(yè)及高純氣體的制備等工業(yè)部門(mén)。由于吸附具有很高的選擇性和高分離效果，能脫除痕量（ 106級(jí)）物質(zhì)，所以在空氣污染控制中吸附凈化法日益受到重視，特別是用于去除其它方法難以分離的低濃度有害物質(zhì)和處理排放標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格的廢氣效果更好。 吸附過(guò)程的理論基礎(chǔ) 吸附法就是利用多孔性的固體物質(zhì) ,將 1種或幾種物質(zhì)吸附在其表面而去除的方法。根據(jù)固體表面吸附力的不同，吸附可分為： ① 物理吸附 ② 化學(xué)吸附 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 1）物理吸附 吸附劑和吸附質(zhì)之間通過(guò)分子間產(chǎn)生的吸附，稱(chēng)為物理吸附。 物理吸附因不發(fā)生化學(xué)作用，所以在低溫下就能進(jìn)行。一種吸附劑可吸附多種吸附質(zhì)，沒(méi)有選擇性，只是一種吸附劑對(duì)各種吸附質(zhì)的吸附量是不同的。 物理吸附的特性： (可逆過(guò)程 )； ，無(wú)選擇性 (只是吸附量不同而已 )。 ； ，高溫下可解析； 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 2） 化學(xué)吸附 化學(xué)吸附是吸附劑和吸附質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)作用，是由化學(xué)鍵力引起的。 化學(xué)吸附的特性： ； ； (只能吸附一種或幾種物質(zhì) )； ； ，即使高溫解析了，解析的氣體會(huì)改變?cè)匦浴? 物理吸附和化學(xué)吸附并不是孤立的，往往相伴發(fā)生。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 吸附劑及其選擇 一、對(duì)吸附劑的要求： （ 1)有大的比表面積 ,吸附能力強(qiáng) 。(2)吸附選擇性要好 。(3)具有一定的粒度 ,較高的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性 。(4)大的吸附容量 。(5)來(lái)源廣泛 ,價(jià)格低廉 。(6)容易再生和再利用。 二、常用吸附劑及其功能 ：見(jiàn)表 表 各種吸附劑可去除的有害氣體 吸附劑 可去除的有害氣體 活性炭 苯、甲苯、二甲苯、丙酮、乙醇、乙醚、甲醛、苯乙烯、氯乙烯、惡臭物質(zhì)、硫化 氫、氯氣、硫氧化物、氮氧化物、氯仿、一氧化碳 浸漬活性炭 烯烴、胺、酸霧、堿霧、硫醇、二氧化硫、氟化氫、氯化氫、氨氣、汞、甲醛 活性氧化鋁 硫化氫、二氧化硫、氟化氫、烴類(lèi) 浸漬活性氧化鋁 甲醛、氯化氫、酸霧、汞 硅膠 氮氧化物、二氧化硫、乙炔 分子篩 氮氧化物、二氧化硫、硫化氫、氯仿、烴類(lèi) 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 (1)活性炭 (一 )活性炭制作 活性炭是目前應(yīng)用較多的一種吸附劑，用于氣體凈化的活性炭是以煤粉等為原料，以煤焦油做調(diào)和劑，成型后經(jīng)干燥、炭化、活化等工序制成。 工藝：原料經(jīng)粉碎及加黏合劑成型后，經(jīng)加熱脫水（ 120～ 130℃ ）、炭化（ 170～ 600℃ ）、活化（ 700～ 900℃ ）而制得。 (二 )特性 (1)具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì) 。(2)可以耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿 。(3)能經(jīng)受水浸、高溫、高壓作用 。(4)不易破碎 。(5)幾何特性見(jiàn)表 。 (三 )活性炭的選擇： 活性炭小孔的表面積占比表面積的 95%以上，所以吸附量主要受小孔支配。由于活性炭的原料和制造方法不同，細(xì)孔的分布情況相差很大，應(yīng)根據(jù)吸附質(zhì)的分子直徑和活性炭的細(xì)孔分布情況選擇合適的活性炭。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 表 常用吸附劑的特性 比表面積 (m2/g) 孔隙體積微觀孔 /宏觀孔 (cm3/g） 松散密度 （ g/L） 比熱容 (J/) 活性炭（木炭） 1000～ 1500 ～ ?！? 300～ 500 840 木炭 窄孔 600～ 1000 ～ 。～ 400～ 500 840 木炭 100 ～ ?！? 600 840 氧化硅膠 窄孔 600～ 850 ～ 。 700～ 800 920 氧化硅膠 大孔 250～ 350 ～ ?！? 400～ 800 920 活性氧化鋁 100～ 400 。 700～ 800 880 分子篩 500～ 1000 ～ ?！? 600～ 900 920 物理性質(zhì) 吸附劑 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 (2)樹(shù)脂吸附劑 樹(shù)脂吸附劑也叫吸附樹(shù)脂，是一種新型有機(jī)吸附劑。具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，呈多孔海綿狀，加熱不熔化，可在 150℃ 下使用，不溶于一般溶劑及酸、堿，比表面積可達(dá)到 800m2/g；按照基本結(jié)構(gòu)分類(lèi)，吸附樹(shù)脂大體可分為非極性、中極性、極性和強(qiáng)極性四種類(lèi)型。 樹(shù)脂吸附劑的結(jié)構(gòu)容易人為控制，因而它具有適應(yīng)性大，應(yīng)用范圍廣、吸附選擇性特殊、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，并且再生簡(jiǎn)單。 (3)活性炭纖維 最近研制出的一種活性碳纖維，纖維直徑為 10～ 20μm ，具有和活性碳一樣的吸附特性。形狀采用 W字形、圓筒形、卷繞形等。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 有關(guān) 資料報(bào)道 ， 活性炭纖維的外表面積比粒狀活性炭大 100倍以上 ． 兩者的體積密度相差 10倍 ， 與粒狀活性炭相比 ， 活性炭纖維有更多的微孔直接與吸附質(zhì)接觸 ， 而且吸附質(zhì)直接暴露于纖維表面進(jìn)行吸附和解析 ， 因而也能更快達(dá)到吸附平衡而更有效地利用微孔 。 比表面積相同時(shí) ， 活性炭纖維比粒狀活性炭吸附質(zhì)的吸附能力更高 ， 而吸附低濃度的以及痕量的吸附質(zhì)時(shí)也更有效 。 由于活性炭纖維具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特征以及良好的吸附性能，在室內(nèi)空氣凈化方面也取得了較好的效果，活性炭纖維不僅能廣泛用于有機(jī)物的吸附與清除，而且能夠有效地去除異味。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 吸附理論與吸附性能參數(shù)的測(cè)定 吸附平衡與吸附過(guò)程所進(jìn)行的時(shí)間 (即吸附速率 )是吸附分離效果的關(guān)鍵因素。 1)吸附平衡 吸附質(zhì)與吸附劑長(zhǎng)時(shí)間接觸最終可達(dá)到吸附平衡。 靜吸附量分?jǐn)?shù)用 XT或 m吸附質(zhì) /m吸附劑 表示 (為無(wú)量綱量 )。它是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一個(gè)重要因素。當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí)，吸附質(zhì)在氣、固兩相中的濃度間有一定的等溫吸附函數(shù)關(guān)系。等溫吸附關(guān)系式有多種形式，常用的關(guān)系式 ： 朗格謬爾 (Langmuir)方程式 設(shè)吸附質(zhì)對(duì)吸附劑表明的覆蓋率為 θ, 則未覆蓋率部分為 (1θ), 若氣相側(cè)分壓為 p,則吸附速率為 K1P(1θ), 解吸附速率為 K2θ, 當(dāng)吸附達(dá)到平衡時(shí) ,則 : 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 112KPK P K? ? ?1TABPXABP??? ?? ?12K P 1 θ =K θ或 式中 ， 吸附、解吸常數(shù)。 12,KK 若令 ,以 A表示飽和吸附量，則單位質(zhì)量吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量 可表示為： TX12/B K K? 上式為朗式方程 ,式中 為常數(shù)。若將其覆蓋率 表示，其中 為氣體分壓力 P 時(shí)被吸附氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積； 為吸附劑被覆蓋滿一層時(shí)被吸附氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積。則上式可改寫(xiě)成 : / mVV? ?mVV,AB室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 1mmPPV B V V??1mV B PV B P? ?或 用 對(duì) 做圖應(yīng)得一條直線。由直線的斜率 和截距 便可計(jì)算 與 的值。朗式方程能解釋很多試驗(yàn)結(jié)果，是目前常用的等溫吸附方程式。 mV/PV 1/mVP 1/ mBVB2)吸附速率 (速度 ) 吸附過(guò)程常需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到兩相平衡，而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，其接觸時(shí)間是很短的，因此吸附量取決于吸附速率，與吸附過(guò)程有關(guān)。吸附要經(jīng)過(guò)以下 3個(gè)過(guò)程： ① 被吸附物質(zhì)向吸附劑周?chē)黧w界面膜擴(kuò)散，稱(chēng)為外擴(kuò)散過(guò)程。 ②被吸附物質(zhì)向吸附劑粒子內(nèi)擴(kuò)散，稱(chēng)為內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程。 ③吸附劑內(nèi)表面吸附，稱(chēng)為吸附過(guò)程。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 現(xiàn)分析填充密度為 ,吸附劑粒子的外表面為 ,填充層長(zhǎng)度為 的吸附劑填充層上產(chǎn)生的吸附過(guò)程。可以認(rèn)為 ,在氣相與吸附劑粒子的界面上存在著雙層界膜 ,如圖 。 3( / )r g cm? 23( / )va cm cml 假設(shè)在界膜層內(nèi)某一點(diǎn)上 ,氣相主體的被吸附物質(zhì)濃度為 C ,吸附劑粒子表面的被吸附物質(zhì)濃度為 CB,吸附劑表面的吸附量為 qB,吸附劑粒子內(nèi)的吸附量為 q,那么單位體積的吸附量隨時(shí)間的變化具有下列關(guān)系式： ? ? ? ?G v B S v Bdq k a C C k a q qdt ? ? ? ?式中 , kG —— 氣體界膜標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的分移動(dòng)系數(shù)； kS —— 粒子內(nèi)的物質(zhì)分移動(dòng)系數(shù) 。 在一般的物理吸附中 ,第③項(xiàng)過(guò)程進(jìn)行得非常迅速 ,而第 ① 或②項(xiàng)決定著吸附全過(guò)程的速度。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 由于式中 CB ,qB 往往是很難實(shí)際測(cè)定和判斷的 ,所以還是把吸附的整個(gè)過(guò)程歸并到氣相或固相部分 ,綜合表示比較方便。如圖 ,如果 C和 q分別取平衡點(diǎn) q*和 ,則可用下式表示： ? ? ? ?**G v S vdq K a C C K a q qdt ? ? ? ?*C式中 , KG —— 按濃度合并的物質(zhì)總移動(dòng)系數(shù)； KS —— 按吸附量之差合并的物質(zhì)總移動(dòng)系數(shù) 。 圖 雙層界膜模型 圖 雙層界膜模型與等溫吸附線的關(guān)系 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 假設(shè)吸附平衡為已知條件 ,則根據(jù)式 ()和式 ()求出物質(zhì)移動(dòng)系數(shù)之間的關(guān)系 ,令 , 則得出下式： **,q C q C????? ? ? ?**BBC C C C C C? ? ? ? ?即 1 1 1G v G v S vK a k a k a???11S v G v S vK a k a k a???式中 , β —— 等溫吸附平衡曲線的平均斜率 。 上式只有在填充層長(zhǎng)度 l足夠大時(shí)才能成立。在物理吸附情況下 ,用液體界膜物質(zhì)移動(dòng)系數(shù) kL代替 kS,就可以得到與上式完全相同的關(guān)系式。 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 吸附技術(shù)在空氣凈化中的應(yīng)用 近年來(lái)通過(guò)對(duì) SBS的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn) ,現(xiàn)代化大樓最常見(jiàn)的分子污染是VOC污染 ,它是建筑內(nèi)各種異味的主要根源 ,分子擴(kuò)散速度的量級(jí)大大高于微粒。因此 ,控制分子污染是對(duì)通風(fēng)空調(diào)技術(shù)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 表 。 吸附質(zhì) 活性炭纖維 粒狀活性炭 吸附質(zhì) 活性炭纖維 粒狀活性炭 正丁硫醇 甲 苯 333 243 二甲硫醚 環(huán)乙烷 232 185 二硫化碳 丙 醇 319 224 苯 326 213 甲 醇 288 205 苯乙烯 328 219 表 有機(jī)物的平衡吸附容量 單位 :mg/g 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 吸附凈化 與粒狀活性炭相比，活性炭纖維除具有大得多的比表面積外，同時(shí)還具有大量的微孔結(jié)構(gòu)的特征，致使吸附質(zhì)在活性炭纖維內(nèi)擴(kuò)散阻力減小，吸附速度加快。由于活性纖維具有更多的微孔直接與吸附質(zhì)接觸，而且吸附質(zhì)直接暴露于纖維表面進(jìn)行吸附和解吸，因此也能更快達(dá)到吸附平衡，能有效地利用微孔。在同樣的比表面積時(shí)，活性炭纖維比粒狀活性炭對(duì)吸附的能力更高，而吸附低濃度的吸附質(zhì)時(shí)也更有效。 由于活性炭纖維具有良好的結(jié)構(gòu)特征以及優(yōu)異的吸附性能，在廢水治理、飲用水凈化方面，已經(jīng)取得了理想的效果。在室內(nèi)空氣凈化方面，也取得了較好的效果，活性炭纖維不僅能廣泛用于有機(jī)物的吸附清除，而且能夠有效驅(qū)除異味。日本有關(guān)專(zhuān)家的研究證明，活性炭纖維能高效吸附香煙煙霧中的有害成分，有效地清除香煙煙霧中的有害物質(zhì)。 光催化 (光觸媒 )凈化方法 室內(nèi)污染控制與潔凈技術(shù) 光催化凈化是基于光催化劑在紫外線照射下具有氧化還原能力而凈化污染物的。即 : 概述： 催化劑 +紫外光線照射 氧化、還原 吸附凈化污染物 自 1972年 Honde等人發(fā)