【文章內(nèi)容簡介】 而不能滿足吸附凈化的要求，此時(shí)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(fù)吸附劑的吸附能力，這個(gè)過程稱為吸附劑的再生。因此，在實(shí)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(dá)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(xué)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(xué)吸附，或者兩種吸附同時(shí)發(fā)生，兩者之間沒有嚴(yán)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(xué)吸附的區(qū)別性質(zhì) 物理吸附 化學(xué)吸附吸附力 范德華力 化學(xué)鍵力吸附層數(shù) 單層活多層 單層吸附熱 ?。ń谝夯療幔?大（近于反應(yīng)熱）選擇性 無或很差 較強(qiáng)可逆性 可逆 不可逆吸附平衡 易達(dá)到 不易達(dá)到吸附劑與吸附質(zhì)間的吸附力不強(qiáng)，當(dāng)氣體中吸附質(zhì)分壓降低或溫度升高時(shí)，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(jìn)行吸附劑的再生及吸附質(zhì)的回收利用的。 9 吸附機(jī)理吸附和脫附互為可逆過程。當(dāng)用新鮮的吸附劑吸附氣體中的吸附質(zhì)時(shí)，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(jìn)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(shí)間的推移，脫附速度不斷增大。但從宏觀上看，同一時(shí)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(shì)認(rèn)為吸附。當(dāng)同一時(shí)間內(nèi)吸附質(zhì)的吸附量與脫附量相等時(shí)，吸附和脫附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)稱為達(dá)到吸附平衡。平衡時(shí)，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(shí)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(dāng)吸附質(zhì)與吸附劑長時(shí)間接觸后，終將達(dá)到吸附平衡。吸附平衡量是吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的極限吸附量，亦稱靜吸附量分?jǐn)?shù)或靜活性分?jǐn)?shù)，用Xt表示，無量綱。它是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中十分重要的參數(shù)。吸附平衡時(shí)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制，也常用各種經(jīng)驗(yàn)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(duì)吸附質(zhì)吸附數(shù)量的極限，其數(shù)值對(duì)吸附造作，設(shè)計(jì)和過程控制有著重要的意義。達(dá)到吸附平衡時(shí)，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(shí)驗(yàn)測(cè)得的，也可以用經(jīng)驗(yàn)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(shí)吸附質(zhì)在氣相中的分壓力； T——吸附溫度 根據(jù)需要。對(duì)一定的吸附體系可測(cè)得如下關(guān)系： ① 當(dāng)保持 T 不變，可測(cè)得 A 與 P 的變化關(guān)系② 當(dāng)保持 P 不變，可測(cè)得 A 與 T 的變化關(guān)系 10③ 當(dāng)保持 A 不變，可測(cè)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(yīng)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(shí)，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(duì)大量的不同氣體與蒸氣的吸附測(cè)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(yàn)方程式，即為吸附等溫方程式，其中有的完全依據(jù)實(shí)驗(yàn)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(yīng)用意義，但不具有理論指導(dǎo)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(yīng)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(dòng)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(dǎo)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?jǐn)?shù)； a ——吸附系數(shù)，是吸附作用的平衡常數(shù)； p ——?dú)庀喾謮?。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(shí)（ ）的吸附量；1?? —— 在氣相分壓 p 下的吸附量。在壓力很低時(shí)，或者吸附很若時(shí)，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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符合，能夠解釋很多實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)氣體分壓； k ，n ——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。在一定溫度下，對(duì)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(gè)經(jīng)驗(yàn)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(jī)物或礦物油的脫色，通過實(shí)驗(yàn)來確定 k 與 n。有資料認(rèn)為它在高壓范圍內(nèi)不能很好地吻合實(shí)驗(yàn)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(duì)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(dá)到動(dòng)態(tài)平衡以外，還認(rèn)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(dá)平衡后，吸附總數(shù)（V）為： ????????????001pCpmP ——平衡時(shí)氣體分壓；V—— 壓力為 p 時(shí)的吸附總量；——吸附劑表面為單分子層鋪滿時(shí)的吸附量；m——實(shí)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(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)比壓 p/ 在 － 范圍內(nèi)時(shí)， BET 公式是比較準(zhǔn)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?jǐn)?shù)表示，它是吸附劑所具有吸附能力的標(biāo)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(dá)到平衡時(shí)吸附劑的平衡吸附量即為其靜活性。對(duì)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(dòng)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(dāng)吸附一段時(shí)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(dá)到一規(guī)定的允許值）時(shí)，認(rèn)為床層失效，此時(shí)吸附劑吸附的吸附質(zhì)的量稱為吸附劑的動(dòng)活性。動(dòng)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(dòng)活性值是吸附系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。 吸附速率吸附過程常需要較長時(shí)間才能達(dá)到平衡，而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，兩項(xiàng)接觸時(shí)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(kuò)散，吸附質(zhì)從氣流主體穿過顆粒物周圍氣膜擴(kuò)散至吸附劑的外表面（2）內(nèi)擴(kuò)散，吸附質(zhì)由外表面經(jīng)微孔擴(kuò)散至吸附劑微孔表面（3）吸附，到達(dá)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(kuò)散至氣相主體物理吸附過程一般為內(nèi)外擴(kuò)散控制，化學(xué)吸附既有表面動(dòng)力學(xué)控制，又有內(nèi)外擴(kuò)散控制。由于吸附過程復(fù)雜，影響因素多，從理論上推導(dǎo)速率很難，因此一般是憑經(jīng) 13驗(yàn)或根據(jù)模式實(shí)驗(yàn)來確定。 吸附器選擇的設(shè)計(jì)計(jì)算吸附器的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)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(yīng)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(duì)吸附器的基本要求：（1）具有足夠的過氣斷面和停留時(shí)間； （2）良好的氣流分布； （3）預(yù)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(dòng)床和流化床過程，相應(yīng)的三種吸附器的主要特點(diǎn)比較見表 42 ]6[表 42三種吸附器主要特點(diǎn)比較類型 主要特點(diǎn)比較固定床吸附器1．結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價(jià)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(jìn)行、間歇操作4．應(yīng)用廣泛移動(dòng)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(dòng)力和熱力消耗較大，吸附劑磨損較為嚴(yán)重 14流化床吸附器1．結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴2．氣體和固體接觸相當(dāng)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(yán)重結(jié)合工藝特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性分析，本設(shè)計(jì)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(diǎn)是流體阻力小，可以減少氣體流經(jīng)吸附床層的動(dòng)力消耗，易產(chǎn)生氣流分配不均運(yùn)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(yùn)行參數(shù)如下：處理風(fēng)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(tái)并聯(lián)，脫附吸附交替運(yùn)行 吸附劑的選擇 如何選擇、使用和評(píng)價(jià)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(duì)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(yīng)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(jī)械強(qiáng)度和均勻的顆粒尺寸。 15（5） 有足夠的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性（6） 有良好的再生性能（7） 吸附劑的來源廣泛、造價(jià)低廉實(shí)際中，很難找到一種吸附劑能同時(shí)滿足上述要求，因而在選擇吸附劑時(shí)要權(quán)衡多方面的因素。同時(shí)，目前對(duì)吸附過程的實(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(yīng)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(jī)物的吸附劑，故活性炭常常被用來吸附回收空氣中的有機(jī)溶劑和惡臭物質(zhì)，在環(huán)境保護(hù)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(yīng)用發(fā)展很快,目前應(yīng)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(dá)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(yīng)用在低濃度、大風(fēng)量的各類有機(jī)廢氣凈化系統(tǒng)中。被處理廢氣在通過蜂窩活性炭方孔時(shí)能充分與活性碳接觸，吸附效率高，風(fēng)阻系數(shù)小，具有優(yōu)良的吸附、脫附性能和氣體動(dòng)力學(xué)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(jī)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(jià)和運(yùn)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(jì)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(jì)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(xiàng)目 性能指標(biāo)外形尺寸/㎜ 50 50 100孔數(shù)/㎝ 2 16孔壁厚/㎜ 壓碎強(qiáng)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(diǎn)/℃ 550苯吸附率/％ 其吸附性能主要取決于它的幾個(gè)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(shí)間變化的一個(gè)函數(shù) 。此比值達(dá)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(duì)蜂窩狀活性炭來說,壁厚是一個(gè)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?yàn)楸诤裨黾?蜂窩中流體通道的截面積減少,這樣真實(shí)的表面或體積流速也會(huì)增大。同時(shí),吸附質(zhì)與炭之間的接觸效率也會(huì)提高,這兩者之間存在一個(gè)平衡關(guān)系。在給定的條件下,這個(gè)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(kuò)散速度擴(kuò)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(yīng)該具有更好的吸