工业气体常见吸附剂介绍

荇瓦戛屠＿罚虿蕊走菠的情况下不同压力的吸附量，绘制出的曲线称为吸附等温
线。吸附等温线能够直观的表达出吸附剂在某一温度下对特定气体的吸附性能。通过对 吸附等温线的形状和变化规律等进行分析，我们可以了解吸附质与吸附剂之间互相作用 的强弱、界面上吸附分子的状态与吸附层的结构，更重要的是可以得到吸附剂比表面积 与孑Ｌ径分布的信息【２１。用来Βιβλιοθήκη Baidu述吸附等温线的方程式被称为吸附等温式。根据ＢＤＤＴ法，
２１４
设备与检修篇
在工业气体规模日益扩大的今天，工业气体的节能减排与技术发展都离不开吸附剂 的使用。同传统手段相比，吸附剂高效、节能、环保、分离效率高。随着技术的进步， 吸附剂必将扮演更为重要的角色。
参考文献 ［１］赵振国．吸附剂作用应用原理．化学工业出版社，２００５ ［２】立本英机，安部御夫．活性炭应用技术．东南大学出版社，２００２ ［３】赵振国．吸附剂作用应用原理．化学工业出版社，２００５ ［４］朱敏轻．用氮吸附静态容量法表征催化剂及其他吸附剂的物理结构．齐鲁石油化 工，２００６，３４（１）：１４～１７ ［５１Ｒａｌｐｈ Ｔ．Ｙａｎｇ．吸附剂原理与应用．高等教育出版社，２０１０：５１ ［６】梁肃臣．常用吸附剂的基础性能及应用．低温与特气，１９９５：５５ ［７］Ｗｅｎｎｅｒｂｅｒｇ，Ａ．Ｎ，Ｏ’Ｇｒａｄｙ，Ｔ．Ｍ．Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ ４，０８２，６９４（１９７８） 【８］文ｔＪ伟，活性炭吸附ＶＯＣｓ与其孔结构构效关系研究，２０１１，中南大学 ［９１Ｒａｌｐｈ Ｔ．Ｙａｎｇ．吸附剂原理与应用．高等教育出版社，２０１０：７６
河北冶金学会２０ １ ３年度空分专业学术交流会
对芳烃和烷烃也有很好的分离吸附效果。工业上常使用的分子筛包括３Ａ分子筛、４Ａ分 子筛、５Ａ分子筛、１０Ｘ分子筛、１３Ｘ分子筛等。 ２．２活性炭 活性炭是应用最为广泛的吸附剂，是由不规则六边形碳层形成的网状结构。利用活 性炭吸附作用的包括与环境净化有关的一些领域、在电偶层电容器及吸附贮存甲烷之类 气体等领域。在气相上，活性炭主要用于排期处理、净化空气、溶剂回收、脱臭、气体 分离、脱硫脱硝、工艺气体精制、半导体气体精制、分子筛、放射性气体保持、调湿、 调香、气相色谱充填剂、气体分析捕捉剂、保鲜、去除臭氧、天然气储存等；在液相上， 活性炭主要用于上水的处理、高度净化水的处理、超纯水的处理、净水器、下水的处理、 工厂排水的处理、脱色精制、除去异臭异昧、净化血液、除去游离氯、回收黄金、电偶 层电容器的电极材料、用于酿造、解毒等。活性炭之所以广泛利用是因为其具有大量微 孔和中孑Ｌ，且表面积巨大。活性炭的现代生产过程一般包括：原材料制备，低温碳化， 活化。常用的标准活化方法是气体活化法和化学活化法。目前常用的一种制备方法是用 熔融ＫＯＨ进行活化。通过此种方法制备的活性炭材料已被证实非常适宜甲烷存储【７】。 活化法的成孔机理，首先是气相中的活化剂向炭化材料外表面扩散；而后，活化剂 向炭化材料内表面扩散；然后，炭化料内表面吸收活化剂并在其表面发生反应生成中间 产物（表面络合物）；接着，中间产物在活化氛围下分解而成为反应产物最后，反应产 物从炭化好的吸附剂上脱附并由炭化料内表面向外表面扩散瞵Ｊ。 活性炭的特点是比表面积大，在所有吸附剂中它的比表面积最大，其中气相吸附活 性炭的孔直径范围主要为１０－２５Ａ部分。活性炭的孑Ｌ结构可以描述为：有很多从大孔分 叉产生的小孑Ｌ。这其中，大孔被称为传输孔贯穿整个颗粒，小孔可能是末端称为吸附孔。 活性炭的孔径分布是其吸附能力的重要参数。按照尺寸分布，活性炭的孔可以分为大孔、 中孔与微孑Ｌ。大孔的直径超过５０ｎｍ，中孔的直径在２－５０ｎｍ之间，直径小于２ｎｍ的即 为微孔［９１。 活性炭在处理过程中会在表面形成不同的化学官能团，对活性炭的性能也会产生较 大的影响。随着制备技术的发展，活性炭纤维、纳米碳管、炭分子筛也开始被越来越广 泛的利用于工业气体的生产与储存。 在工业气体领域，活性炭被广泛的利用于各种气体的精制，如氢气、氦气、二氧化 碳、乙烯、乙炔等。 ２．３活性氧化铝 活性氧化铝是一种多孔性、高分散度的固体材料，有很大的表面积，其微孔表面具 备催化作用所要求的特性，如吸附性能、表面活性、优良的热稳定性等。通常我们所指 的活性氧化铝是指Ｙ—Ａ１２０３。活性氧化铝一般由铝的水合物加热脱水制成，其原料的性质 对不同种类的活性氧化铝有较大的影响。活性氧化铝在制备时通过控制氢氧化铝晶粒尺 寸和堆积配位数可以控制氧化铝的孔容、孔径和表面积。孔径约在２０Ａ到５０Ａ。 机械强度高，物化稳定性高，耐高温，抗腐蚀，但不宜在强酸、强碱条件下使用。 工业气体生产中广泛用于气体脱水。 ３结语
河北冶金学会２０ １ ３年度空分专业学术交流会
工业气体常见吸附剂介绍
钟铖
唐山唐钢气体有限公司，河北省唐山市滨河路９号０６３０００
摘要：在工业气体的生产过程中，吸附剂被广泛并大量使用。本文对吸附剂的基本吸
附原理与吸附剂吸附性能的表征做出简单介绍，并对工业生产中常见的沸石分子筛、活 性炭、活性氧化铝进行简要描述。
２．几种工业气体生产中常见的吸附剂
２．１沸石分子筛 沸石是一种是一种离子型极性吸附剂，孑Ｌ隙结构规整，孔道表面高度极化。其成分 为含有水架状结构的铝硅酸盐类，其晶体结构中有众多的空腔，并有孔道将这些孔道联 通。在未处理前，孔道中常含有结合水，加热可使水分脱出并且不破坏孔道结构。经过 加热脱水后，便形成了大量的空腔。１９３２年，ＭｃＢａｉｎ提出了“分子筛”（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅ） 的概念。表示可以在分子水平上筛分物质的多孔材料。沸石用作分子筛，因其有许多均 匀的、数量级为分子直径大小的孔道，因而能把比孔道直径小的物质分子吸附在空腔内， 而把孔径直径大的物质分子排斥在外，从而使分子大小不同的混合物分开。 分子筛有多种分类方式，一种方法是按照分子筛的构成骨架与划分的单元分为立方 晶系、六角或三角晶系、正交和单斜晶系及其他；另一种是按照其晶体结构来划分，可 分为方沸石族、菱沸石族、钙十字沸石族、片沸石族、丝光沸石族及八面沸石族；还有 一种方法是按照硅氧四面体链接情况分类分为单四元环、双四元环、单六元环及双二元 环等［６１。 沸石晶穴内部有强大的库仑场和极性，对极性强、极化率大的分子选择性吸附性强。 分子筛的孔隙多分布于３～ｌｏＡ，容易吸附此范围内的分子。 此外，分子筛可以在低分压、高温度的条件下对某些分子进行吸附，分子筛也是唯 一一种能在高温下工作的吸附剂。在工业上，分子筛常用于水分、二氧化碳、硫的去除，
２Ｊ５
关键问：吸附剂；工业气体；活性炭；沸石分子筛；活性氧化铝
前言 随着工业气体制备技术的发展，吸附剂开始有着越来越高的地位。在大型空分设备 普遍采用第五代装备即分子筛净化增压膨胀低压空分装置的今天，作为净化设备的分子 筛在生产过程中有着重要地位；而随着各种气体精制的需求，ＰＳＡ也在越来越多的领域 开始被使用，而其重点就是吸附剂的选择。在实际生产中，为了取得最佳效果，往往采 用多种吸附剂配合使用的手段以取得最佳净化效果。以唐钢气体为例，在生产中涉及的 主要吸附剂包括沸石分子筛、活性炭、活性氧化铝等。下面对这几种吸附剂的特性及在 工业气体的生产中的作用做一个介绍。
ｓ。＝ｓ／∥＝（Ａ，・Ｎ＾／ｙ）・ｙ。‘（１／∥）
吸附剂的孑Ｌ径分布是用来表征吸附剂的孔道结构尺寸的一种表征。通过对孔径分布 进行测量，可以得到吸附剂孔径分布的主要区域，对于吸附剂吸附对象的选择具有很大 的意义。同时对孑Ｌ径分布进行计算可以得出样品的孔容。孔径分布的表征，有多种方法。 而其中常用的有三种：Ｋｅｌｖｉｎ方程及ＢＪＨ法、ＨＫ法与积分方程法。具体不在此进行表 述。但这三种方法存在同一个问题，即假设孔是不存在交叉的，而交叉孔的问题至今仍 然没有得到解决ｐＪ。 在实验设备快速发展的今天，实验室中对吸附等温线可以通过自动吸附仪进行测量， 并且自动计算出比表面积、绘制孔径分布曲线。
１．吸附剂的吸附机理及性能表征
１．１吸附机理 吸附是指当两相存在时，该相中所溶解的溶质或者相中的物质在相与相的界面附近 的浓度同相内不同的现象。吸附剂与吸附质问所存在的能量方面的相互作用是吸附的作 用力，这种相互作用由电子承担。而按照吸附力性质的不同，活性炭表面的吸附可以分 为物理吸附与化学吸附。 物理吸附的主要原因是分之间所存在的范德瓦尔斯力的作用，这种引力的产生是由 原子或者分子中电子的瞬间不对称偶极即激发偶极所造成。在物理吸附的过程中，吸附 剂表面和被吸附分子都不会改变。化学吸附是原理为吸附剂表面和吸附分子间存在某种 化学作用，即两者之间有了电子的交换、转移或者共有，并由此导致了化学键的破坏与 形成、导致原子重排。化学吸附一般会发生在像边缘不饱和碳原子等活性位上，于是存 在固定的吸附位且被吸附分子不能沿着表面移动。 通常情况下，物理吸附进行的很快且是一可逆过程。在一定的条件下，被吸附的气 体可以在不改变气体和固体表面性质的前提下完成定量脱附。物理吸附是一个放热的过 程，吸附热与气体的液化热接近。气体的物理吸附与液化过程非常相似，通常在较低的 温度如吸附质气体的沸点附近时可显著进行。而化学吸附过程通常是一个不可逆的吸附 过程，其解析非常困难。并且在解析过程发生的同时，会伴有化学变化的产物析出，其 吸附过程的吸附热与化学反应热相似，大多为放热过程。因整个吸附过程需要活化能， 故通常情况下，化学吸附需要在较高的温度条件下才能进行。【Ｊ１ １．２性能表征 吸附剂的主要吸附发生于其孔道结构中，故对吸附剂性能的表征主要表示对其微孔 结构的表征，主要参数为吸附剂的比表面积与孔径分布。 吸附剂在不同温度不同压力下具有不同的吸附量。一般情况下，我们将一种样品进
设备与检修篇
吸附等温线分为５类【３１，其中最常见的为Ｉ类，使用ｌａｎｇｍｕｉｒ方程进行描述：
９２％而ｆ
，－），，
比表面积是表征吸附剂吸附能力的一个重要参数，其实验室测量一般采用ＢＥＴ法， 即在液氮温度下，用吸附剂吸附氮气，在吸附剂表面形成单分子吸附层，测定氮气的吸 附积，计算比表面积，即测量液氮温度下氮气的吸附等温线，计算公式Ｉ刈如下：