【文章內(nèi)容簡介】 而不能滿足吸附凈化的要求，此時需要采用一定的措施使吸附劑上已吸附的吸附質(zhì)脫附，已恢復吸附劑的吸附能力，這個過程稱為吸附劑的再生。因此，在實際工作中，正是利用吸附劑的吸附－再生－吸附的循環(huán)過程，達到除去廢氣中污染物質(zhì)并回收廢氣中有用組分的目的。由于多孔性固體吸附劑表面存在著剩余吸引力，固表面具有吸附力。根據(jù)吸附劑表面與被吸附物質(zhì)之間作用力的不同，吸附可分為物理吸附和化學吸附，但同一污染物可在較低溫度下發(fā)生物理吸附，而在較高溫度下發(fā)生化學吸附，或者兩種吸附同時發(fā)生，兩者之間沒有嚴格的界限。兩者的主要區(qū)別見表 41 ]5[表 41 物理吸附與化學吸附的區(qū)別性質(zhì) 物理吸附 化學吸附吸附力 范德華力 化學鍵力吸附層數(shù) 單層活多層 單層吸附熱 小（近于液化熱） 大（近于反應熱）選擇性 無或很差 較強可逆性 可逆 不可逆吸附平衡 易達到 不易達到吸附劑與吸附質(zhì)間的吸附力不強，當氣體中吸附質(zhì)分壓降低或溫度升高時，容易發(fā)生脫附。工業(yè)上的吸附操作正是利用這種可逆進行吸附劑的再生及吸附質(zhì)的回收利用的。 9 吸附機理吸附和脫附互為可逆過程。當用新鮮的吸附劑吸附氣體中的吸附質(zhì)時，由于吸附劑表面沒有吸附質(zhì)，因此也就沒有吸附質(zhì)的脫附。但隨著吸附的進行，吸附劑表面上的吸附質(zhì)量逐漸增多，也就出現(xiàn)了吸附質(zhì)的脫附，且隨時間的推移，脫附速度不斷增大。但從宏觀上看，同一時間內(nèi)吸附質(zhì)的吸附量仍大于脫附量，所以過程的總趨勢認為吸附。當同一時間內(nèi)吸附質(zhì)的吸附量與脫附量相等時，吸附和脫附達到動態(tài)平衡，此時稱為達到吸附平衡。平衡時，吸附質(zhì)再在流體中的濃度和在吸附劑表面上的濃度不再變化，從宏觀上看，吸附過程停止。平衡時的吸附質(zhì)在流體中的濃度稱為平衡濃度，在吸附劑中的濃度稱為平衡吸附量。當吸附質(zhì)與吸附劑長時間接觸后，終將達到吸附平衡。吸附平衡量是吸附劑對吸附質(zhì)的極限吸附量，亦稱靜吸附量分數(shù)或靜活性分數(shù)，用Xt表示，無量綱。它是設(shè)計和生產(chǎn)中十分重要的參數(shù)。吸附平衡時，吸附質(zhì)在氣、固兩相中的濃度關(guān)系，一般用吸附等溫線表示。吸附等溫線通常根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制，也常用各種經(jīng)驗方程式來表示。 吸附等溫線與吸附等溫方程式 平衡吸附量表示的是吸附劑對吸附質(zhì)吸附數(shù)量的極限，其數(shù)值對吸附造作，設(shè)計和過程控制有著重要的意義。達到吸附平衡時，平衡吸附量與吸附質(zhì)在流體中的濃度與吸附溫度間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，此關(guān)系即為吸附平衡關(guān)系，其一般都是根據(jù)實驗測得的，也可以用經(jīng)驗方程式表示。 吸附等溫線 在氣體吸附中，其平衡關(guān)系可表示為： A＝ ???,pf式中 A——平衡吸附量； p——吸附平衡時吸附質(zhì)在氣相中的分壓力； T——吸附溫度 根據(jù)需要。對一定的吸附體系可測得如下關(guān)系： ① 當保持 T 不變，可測得 A 與 P 的變化關(guān)系② 當保持 P 不變，可測得 A 與 T 的變化關(guān)系 10③ 當保持 A 不變，可測得 P 與 T 的變化關(guān)系依據(jù)上述變化關(guān)系，可分別繪出相應的關(guān)系曲線，分別為吸附等溫線，吸附等壓線和吸附等量線。由于吸附過程中，吸附溫度一般變化不大，因此吸附等溫線最為常用。 吸附等溫線描述的是在吸附溫度不變的情況下，平衡時，吸附劑的吸附量隨氣相中組分壓力的不同而變化的情況。根據(jù)對大量的不同氣體與蒸氣的吸附測定，吸附等溫線形式可歸納為六種基本類型。 吸附等溫方程式根據(jù)大量的吸附等溫線整理出描述吸附平衡狀態(tài)的經(jīng)驗方程式，即為吸附等溫方程式，其中有的完全依據(jù)實驗數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的規(guī)律整理而得，一定條件范圍內(nèi)具有應用意義，但不具有理論指導意義，如弗羅因德利希（Freundlich）吸附等溫方程式；有些是以一定的理論假設(shè)為前提得出的方程式，如朗格謬爾（Langmuir）吸附等溫方程式和 BET 方程，后者應用較多。（1）朗格謬爾方程式朗格謬爾吸附理論假定：①吸附僅是單分子層的；②氣體分子在吸附劑表面上吸附與脫附呈動態(tài)平衡；③吸附劑表面性質(zhì)是均一的，被吸附的分子之間相互不受影響；④氣體的吸附速率與該氣體在氣相的分壓成正比。根據(jù)上述假設(shè)，可推導出朗格謬爾等溫式： ap??1?式中 θ ——吸附劑表面被吸附分子覆蓋的百分數(shù)； a ——吸附系數(shù)，是吸附作用的平衡常數(shù)； p ——氣相分壓。朗格謬爾等溫式的另一表現(xiàn)形式為： = Vapm?1式中 ——單分子層覆蓋滿時（ ）的吸附量；1?? —— 在氣相分壓 p 下的吸附量。在壓力很低時，或者吸附很若時，ap≤1,上式變成：V=V map 11由朗格謬爾等溫式得到的結(jié)果與許多實驗現(xiàn)象相符合，能夠解釋很多實驗結(jié)果，因此，它目前仍是常用的、基本的等溫式。在很多體系中，朗格謬爾等溫式不能在較大的 θ 范圍內(nèi)與實驗結(jié)果相吻合。（2）弗羅因德利希方程式 nkPmxq1?式中 q ——固體吸附氣體的量，㎏/㎏吸附劑； P ——平衡時氣體分壓； k ，n ——經(jīng)驗常數(shù)。在一定溫度下，對一定體系而言是常數(shù)，k 和 n 隨溫度變化而變化； m ——吸附質(zhì)質(zhì)量，㎏； ——被吸附氣體的質(zhì)量。x弗羅因德利希等溫方程式只是一個經(jīng)驗式，它所適用的 θ 范圍比朗格謬爾式要大些，可用于未知組成物質(zhì)的吸附，如有機物或礦物油的脫色，通過實驗來確定 k 與 n。有資料認為它在高壓范圍內(nèi)不能很好地吻合實驗值。（3） BET 方程由于朗格謬爾的單分子層吸附理論及其等溫方程對中壓合高壓物理吸附不能很好地吻合，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了 BET 理論。它除了接受朗格謬爾理論地幾條假定，即固體表面是均勻的，被吸附分子不受其它分子的影響，吸附與脫附在吸附劑表面達到動態(tài)平衡以外，還認為在吸附劑表面吸附了一層分子以后，由于范德華力地作用還可以吸附多層分子，而第一層與以后的各層有所不同。吸附達平衡后，吸附總數(shù)（V）為： ????????????001pCpmP ——平衡時氣體分壓；V—— 壓力為 p 時的吸附總量；——吸附劑表面為單分子層鋪滿時的吸附量；m——實際溫度下氣體的飽和蒸氣壓；0pC——與氣體有關(guān)的常數(shù)。 12 很多實驗證明，當比壓 p/ 在 － 范圍內(nèi)時， BET 公式是比較準確的，在低0p壓下可以與朗格謬爾等溫式一致。 吸附量 吸附量是指在一定條件下單位質(zhì)量地吸附劑上所吸附的吸附質(zhì)的量，通常以㎏吸附質(zhì)/㎏吸附劑或質(zhì)量百分數(shù)表示，它是吸附劑所具有吸附能力的標志。在工業(yè)上將吸附量稱為吸附劑的活性。 吸附劑的活性有兩種表示方法：（1）吸附劑的靜活性 在一定條件下，達到平衡時吸附劑的平衡吸附量即為其靜活性。對一定的吸附體系，靜活性只取決于吸附溫度和吸附質(zhì)的濃度或分壓。（2）吸附劑的動活性在一定的操作條件下，將氣體混合物通過吸附床層，吸附質(zhì)被吸附，當吸附一段時間后，從吸附劑層流出的的氣體中開始發(fā)現(xiàn)吸附質(zhì)（或其濃度達到一規(guī)定的允許值）時，認為床層失效，此時吸附劑吸附的吸附質(zhì)的量稱為吸附劑的動活性。動活性除與吸附劑和吸附質(zhì)的特性有關(guān)外，還與溫度、濃度及操作條件有關(guān)。吸附劑的動活性值是吸附系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)。 吸附速率吸附過程常需要較長時間才能達到平衡，而在實際生產(chǎn)過程中，兩項接觸時間是有限的。因此，吸附量取決與吸附速率，而吸附速率與吸附過程有關(guān)，吸附過程可分為以下幾步：(1) 外擴散，吸附質(zhì)從氣流主體穿過顆粒物周圍氣膜擴散至吸附劑的外表面（2）內(nèi)擴散，吸附質(zhì)由外表面經(jīng)微孔擴散至吸附劑微孔表面（3）吸附，到達吸附劑微孔表面的吸附質(zhì)被吸附（4）脫附的吸附質(zhì)再經(jīng)內(nèi)外擴散至氣相主體物理吸附過程一般為內(nèi)外擴散控制，化學吸附既有表面動力學控制，又有內(nèi)外擴散控制。由于吸附過程復雜，影響因素多，從理論上推導速率很難，因此一般是憑經(jīng) 13驗或根據(jù)模式實驗來確定。 吸附器選擇的設(shè)計計算吸附器的設(shè)計計算應包括確定吸附器的形式，吸附劑的種類，吸附劑的需要量，吸附床高度，吸附周期等，這些參數(shù)的選擇應從吸附平衡，吸附傳質(zhì)速率及壓降來考慮。 吸附器的確定對吸附器的基本要求：（1）具有足夠的過氣斷面和停留時間； （2）良好的氣流分布； （3）預先除去入口氣體中污染吸附劑的雜質(zhì)； （4）能夠有效地控制和調(diào)節(jié)吸附操作溫度 （5）易于更換吸附劑。 吸附工藝根據(jù)吸附劑在吸附器上的工作狀態(tài)，可將吸附器分為固定床、移動床和流化床過程，相應的三種吸附器的主要特點比較見表 42 ]6[表 42三種吸附器主要特點比較類型 主要特點比較固定床吸附器1．結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低廉2. 適用于小型、分散、間歇性的污染源治理3．吸附和脫附交替進行、間歇操作4．應用廣泛移動床吸附器1．處理氣體量大，吸附劑可循環(huán)使用，適用于穩(wěn)定、連續(xù)、量大的氣體凈化2. 吸附和脫附連續(xù)完成3．動力和熱力消耗較大，吸附劑磨損較為嚴重 14流化床吸附器1．結(jié)構(gòu)復雜，造價昂貴2．氣體和固體接觸相當充分3. 生產(chǎn)能力大，適合治理連續(xù)性、大氣量的污染源4．吸附劑和容器的磨損嚴重結(jié)合工藝特點和經(jīng)濟技術(shù)可行性分析，本設(shè)計吸附器采用臥式圓錐形固定床吸附器，殼體為圓形，封頭為橢圓形，其優(yōu)點是流體阻力小，可以減少氣體流經(jīng)吸附床層的動力消耗，易產(chǎn)生氣流分配不均運現(xiàn)象，故吸附質(zhì)以整砌形式放在抽屜式的凈化單元中，抽屜間設(shè)有防治氣體短路的擋板，在氣體入口的吸附劑之間裝有氣體整流裝置，力求氣體均勻。抽屜式的裝卸吸附劑方式非常方便，利于操作，其具體結(jié)構(gòu)見 附圖2，基本運行參數(shù)如下：處理風量：20220 hm/3吸附器外觀尺寸：LBH＝700033003000mm 材料：鋼板 δ＝4壓降： 1000 Pa ?數(shù)量：兩臺并聯(lián)，脫附吸附交替運行 吸附劑的選擇 如何選擇、使用和評價吸附劑，是吸附操作中必須解決的首要問題。一切固體物質(zhì)的表面，對于流體的表面都具有物理吸附的作用，但合乎工業(yè)要求的吸附劑則應具備以下一些要求：（1） 具有大的比表面積（2） 具有良好的選擇性吸附作用（3） 吸附容量大（4） 具有良好的的機械強度和均勻的顆粒尺寸。 15（5） 有足夠的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性（6） 有良好的再生性能（7） 吸附劑的來源廣泛、造價低廉實際中，很難找到一種吸附劑能同時滿足上述要求，因而在選擇吸附劑時要權(quán)衡多方面的因素。同時，目前對吸附過程的實質(zhì)還了解得不十分清楚，因而鑒別吸附劑吸附性能，還只能依靠實驗測定和從生產(chǎn)中考察，尚不能從理論上推出。常用的吸附劑主要有：活性炭、硅膠、分子篩沸石、活性氧化鋁與氧化鋁。其中活性炭是應用最早、用途較廣的一種優(yōu)良吸附劑。它是一種具有非極性表面，為疏水性和親有機物的吸附劑，故活性炭常常被用來吸附回收空氣中的有機溶劑和惡臭物質(zhì)，在環(huán)境保護方面用來處理工業(yè)廢水和治理某些氣態(tài)污染物。活性炭的研究、生產(chǎn)和應用發(fā)展很快,目前應用較多的主要是粉末狀、顆粒狀的活性炭和活性炭纖維。除此之外,新型的活性炭也在積極開發(fā)之中,蜂窩狀活性炭便是其中的一種。蜂窩狀活性炭為一種新型環(huán)保吸附材料，通過將優(yōu)質(zhì)活性炭和輔助材料制成蜂窩狀方孔的過濾柱，達到產(chǎn)品體積密度小、比表面積大的目的，目前已經(jīng)大量應用在低濃度、大風量的各類有機廢氣凈化系統(tǒng)中。被處理廢氣在通過蜂窩活性炭方孔時能充分與活性碳接觸，吸附效率高，風阻系數(shù)小，具有優(yōu)良的吸附、脫附性能和氣體動力學性能，可廣泛用于凈化處理含有甲苯、二甲苯、苯、等苯類、酚類、酯類、醇類、醛類等有機氣體、惡臭味氣體和含有微量重金屬的各類氣體。采用蜂窩狀活性炭的環(huán)保設(shè)備廢氣處理凈化效率高，吸附床體積小，設(shè)備能耗低，能夠降低造價和運行成本，凈化后的氣體完全滿足環(huán)保排放要求。綜合衡量各方面因素，如果企業(yè)經(jīng)濟允許的話，建議吸附劑選用蜂窩狀活性炭纖維能較好的滿足技術(shù)經(jīng)濟要求，其物理性能參數(shù)見表 43：表 43　蜂窩狀活性炭的物理性能 ]7[項目 性能指標外形尺寸/㎜ 50 50 100孔數(shù)/㎝ 2 16孔壁厚/㎜ 壓碎強度/Mpa 正面：側(cè)面： 16體積密度/g.㎝ 3 ～幾何外表面積/㎡ .g1 比表面積/㎡.g 1 700著火點/℃ 550苯吸附率/％ 其吸附性能主要取決于它的幾個主要材料參數(shù)和過程參數(shù) 。材料參數(shù)包括炭的]8[吸附孔隙率、蜂窩結(jié)構(gòu)的壁厚和炭的含量；過程參數(shù)包括流體流速、吸附質(zhì)的濃度、吸附能( 吸附能取決于碳結(jié)構(gòu)和吸附質(zhì)的特征如分子量) 。穿透曲線是表征材料吸附性能的主要性能之一,是吸附前后吸附質(zhì)濃度比值隨時間變化的一個函數(shù) 。此比值達到]9[,所吸附的吸附質(zhì)的總量就稱為穿透容量。穿透容量取決于流體流速、吸附質(zhì)濃度和蜂窩炭組分含量等因素 。對蜂窩狀活性炭來說,壁厚是一個非常重要的參數(shù),可]10[以通過改變壁厚來提高它的吸附效率。在孔隙率相同的情況下,壁厚增加,則單位體積蜂窩的炭含量也隨之增加,從而可以提高吸附容量。這是因為壁厚增加,蜂窩中流體通道的截面積減少,這樣真實的表面或體積流速也會增大。同時,吸附質(zhì)與炭之間的接觸效率也會提高,這兩者之間存在一個平衡關(guān)系。在給定的條件下,這個平衡關(guān)系將決定吸附增加還是減少。如果吸附質(zhì)以較高的擴散速度擴散到蜂窩壁的內(nèi)部,由此空出來的吸附位又可連續(xù)吸附,因此厚壁蜂窩應該具有更好的吸