第9章 吸附法净化气态污染物

k y k x / m
外扩散控制
影响气体吸附的因素
操作条件：温度、压力 吸附质的性质：孔隙率、孔径、粒度、比表面积、吸附质的分
子量、沸点、饱和性
吸附剂的活性：静活性、动活性
fV m W
δ －比表面积，m2/g； f－单位体积气体铺成单分子层时所占的面 积，m2/mL； N0－阿佛加德罗常数； A－吸附质分子的横截面积，m2； Vm－吸附剂表面单层分子铺满时的气体体 积，mL； W－吸附剂的重量，g。
气体分子覆 盖情况
可逆性 应用
测定表面浓度，吸附解吸速率， 测量固体表面积、孔隙大小， 估计活性中心面积，固体表面动 分离或净化气体和液体 力学研究
气体吸附过程
9.2吸附剂
吸附剂的条件
吸附能力强，吸附容量大； 巨大的内表面积和孔隙率； 对不同的气体具有选择性的吸附作用； 较高的机械强度、化学和热稳定性； 良好的再生性能； 颗粒均匀； 来源广泛，造价低廉 。
dqA k xa p ( X As X A ) d
dqA－dt时间内吸附质扩散到吸附剂表面的质量， kg/ m3；
ky－外扩散吸附系数，kg/(m3.s)；
ap－单位吸附剂的吸附表面积， m2/m3；
YA、YAs－吸附质在气相中和吸附剂外表面上的浓度质量分数。 kx－内扩散吸附系数，kg/(m3.s)； XA、XAs－吸附质在气相中和吸附剂外表面上的浓度质量分数。
吸附工艺
固定床吸附流程
吸附流程
流化床吸附流程
移动床吸附流程
半连续式固定床吸附流程
移动床吸附工艺流程图
连续式流化床吸附工艺流程图
9.4固定床吸附过程的分析及计算
固定床吸附的分析
吸附负荷曲线 穿透曲线 传质区高度
0


b
e
Xe
Xe
Xe
Xe
Xe
X0
X0
X0
X0
X0
A f (T , P)
吸附的基本概念
吸附容量
吸附能力的标志
静活性
一定温度压力条件下，单位质量吸附剂上所吸附的吸附质的量（%， kg吸附质/kg吸附剂） 取决于温度、吸附 质的浓度或分压 一定温度压力条件下，达到平衡时单位质量吸附剂上所吸附的吸附 质的量，即平衡吸附量 与温度、吸附质的浓度 或分压、操作条件有关 一定温度压力条件下，将气体混合物通过吸附床层，吸附质被吸附， 当吸附一时间后，当从吸附剂床层流出吸附质时，床层失效，此时单 位质量吸附剂上所吸附的吸附质的量
常用工业吸附剂
活性氧化铝 硅胶 活性炭 沸石分子筛
活性炭
水处理活性炭
工业专用 活性炭
活性碳纤维
净水椰壳活性炭
山楂壳活性炭
汽油脱硫活性炭
针剂用活性炭 活性炭过滤棉 椰壳载银炭
酒类专用炭
活性炭过滤器
硅胶干燥剂
蓝色硅胶
小包变色干燥剂 食品干燥剂 啤酒硅胶
活矿干燥剂
氧化钙干燥剂
活性氧化铝干燥剂
石灰干燥剂
几种活性炭再生方法的原理和特点

湿式氧化再生法
超声波再生法 超临界二氧化碳萃取再生法
9.6吸附法的应用

吸附法净化硫氧化物 吸附法净化氮氧化物

吸附法净化碳氢化合物
吸附法目前的应用前景


（1）硝酸生产尾气、烟道气、石灰窑气等各种工业废气中 的NOx
硝酸生产过程中要排放大量的硝酸尾气，其中含有NOx。NOx不仅对 人类、生物有剧毒，而且导致光化学烟雾的生成，其危害极大。我国现 有硝酸生产工厂50多家，硝酸尾气中NOx的浓度一般为5005000 ppm，每年排入大气的NOx（以NO2计）约为6万吨。如果能回收这 些NOx，不仅控制了对环境的污染，同时可以增产硝酸，降低生产成本。 硝酸尾气的吸附法回收治理研究表明，净化气中NOx浓度可控制在低于 0.02%，对应尾气中NOx浓度从0.04%到0.8%，回收气中NOx浓度 变化范围可从0.8%至5%，可以返回系统生产硝酸。 对石灰窑气等废气中氮氧化物的脱除技术，对烟道气中氮氧化物的脱除， 根据烟道气组成采用吸附法与其他化学技术处理法可有效控制氮氧化物 的排放量。
弗罗德里希（Freundlich
）方程式
X T BPA
1 n
lg X T lg B (1 / n) lg PA
XT－被吸附质质量与吸附剂质量之比； PA－被吸附组分在气相中的平衡分压，Pa；
B、n－经验常数。
BET（Brunauer、Emmett、Teller
）方程式
物理吸附， 多层吸附
动活性
朗格缪尔（Langmuir）方程式
物理吸附， 兼有化学吸附
A－饱和吸附量；
AKPA X T A A 1 KPA
V KPA A Vm 1 KPA
K－吸附、解吸常数之比； θ－吸附剂表面覆盖率； P－气体压力；
V－气体压力为PA时气体在标准状态下的体积；
Vm－吸附剂被覆盖满一层时气体在标准状态下 的体积。
吸附过程
▼吸附质从气流主体穿过颗粒周围气流扩散至外表面；
▼吸附质由外表面经微孔扩散至吸附剂微孔表面；
▼吸附质在内表面被吸附；
▼吸附质从内表面脱附；
▼吸附质由吸附剂微孔表面经微孔扩散至外表面；
▼吸附质从外表面扩散至气流主体穿过颗粒周围气流。
吸附过程 两种浓度曲线
吸附速率
外扩散速率 内扩散速率
dqA k y a p (YA YAs ) d

（3） 二氧化硫的控制
硫氧化物主要是二氧化硫, 目前控制的主要方法有：高烟囱 稀释法、采用低硫燃料、排放废气脱硫等，近年在采用干法 （吸附剂吸附法）、湿法脱硫技术领域开展了较多研究，工 业化应用已很成熟。 吸附法脱除废气中的SO2又分为物理 吸附法和化学吸附法，物理吸附时被选择性吸收的SO2可通 过升温或降压解吸出来，化学吸附时吸附剂同时起催化作用， 被吸附的SO2被废气中的氧氧化成SO3，后者在与水生成 硫酸。
物理吸附与化学吸附比较表
项目
吸附剂
物理吸附
一切固体
化学吸附
某些固体
吸附物
温度范围 吸附热 速率及活化 能
低于临界点的一切气体
低温 低，与凝聚热相当 非常快，活化能低 多层吸附 高度可逆
某些化学上能与之起反应的气体
通常是高温 高，与反应热相当 非活性吸附活化能低，活性吸附 活化能高 单层吸附或不满一层 通常不可逆
分子筛
日用吸附产品
鞋脱臭剂
地毯专用除味保养剂
纺织品专用除味保养剂
吸附剂
9.2吸附平衡与吸附速率

吸附平衡的概念：吸附速率=脱附速率
吸附剂对 吸附质的 吸附极限 量


平衡吸附量：静态吸附量、静活性
吸附平衡关系：平衡吸附量与吸附质在流体中浓度 及温度之间的关系。 吸附等温式：


朗格缪尔吸附等温式 弗伦得利希吸附等温式 BET方程
吸附法的优点和缺点
优点：
选择性高、分离效果好、净化效率高、设备简单、 操作方便、易于实现自动控制等，特别是对于处 理低浓度废气非常有效；通过吸附剂的解吸可回 收污染物，实现废物资源化。
缺点：
运行和维护成本相对于吸收法较高，压力损失较 高。
9.1气体吸附的分类
物理吸附：范德华力，单层吸附或多层吸附 化学吸附：化学键力，单层吸附
z
z
Ye
z
z
z
Y0

固定床吸附的分析
吸附负荷曲线

横坐标：床层离进口端的长度 纵坐标：床层中的吸附负荷量 横坐标：床层离进口端的长度 纵坐标：床层中的吸附负荷量 穿透时间 b 所对应的浓度 C（流出物吸附质）到干点时间 B e 所对应的浓度CE 区间内传质前沿或穿透曲线在轴上的 长度
第9章 吸附法净化气态污染物

气体吸附及吸附剂


吸附平衡及吸附速率
吸附装置及吸附工艺


固定床吸附过程的分析及计算
吸附剂的再生
吸附法的应用
9.1气体吸附及吸附剂
气体吸附
用多孔固体将气体混合物中的一种或几 种组分浓集于固体表面，而与其它组分分离 的过程。
吸附剂：多孔固体 吸附质：被吸附到固体表面的物质




（2）黄磷尾气净化和从黄磷尾气中提纯一氧化碳
我国每年生产黄磷40万吨，生产过程中每生产一吨黄磷会产 生2500Nm3尾气，每年产生的尾气量达10亿Nm3，其主要 成份为一氧化碳（约85%90%），CO是一种易燃易爆有毒 的气体，尾气中含有的P、S、As、F等及其化合物的有毒组 分未经处理排放到大气中也将严重污染环境；同时CO又是一 种重要的碳一化工原料，尾气中含有的P、S、As等易使催化 剂中毒，所以有效处理黄磷尾气具有非常重要的意义。近年 来，国内外在净化黄磷尾气和开发黄磷尾气领域已开展了较 多工作，取得了可循环操作的吸附净化流程，并结合CO提纯 专有技术，已生产出采用吸附法从黄磷尾气净化并提纯CO的 工业装置。
P (c 1) P V ( P P) Vm cP 0 0
P0－在吸附温度下吸附质的饱和蒸气压，Pa；
吸附等温线
Ⅰ型：微孔填充特征 Ⅱ型：多相基质上不受限制的多层吸附 Ⅲ型：吸附剂与吸附质之间的作用微弱 Ⅳ型：具有滞后回线 Ⅴ型：具有滞后回线且吸附剂与吸附质之间的作用微弱 Ⅵ型：均匀基质上的惰性气体分子分阶段多层吸附
穿透曲线

传质区高度

影响穿透曲线的因素
吸附质浓度 吸附质分子量 吸附剂颗粒大小 吸附剂使用程度 吸附剂种类及吸附质的差异

穿透曲线形状：陡---吸附过程速率快 平缓---吸附过程速率慢 当曲线为一竖立直线时，则是理想的吸附波
固定床吸附器内的浓度分布
理想穿透曲线
吸附区高度的计算
物理吸附的特征： 化学吸附的特征： 1. 气固间不发生化学反应 1. 明显的选择性 2. 对气体无选择性，可吸附所有气体 2. 单分子层吸附 3. 单分子层吸附和多分子层吸附兼有 3. 放热过程，吸附热大
4. 吸附过程为放热过程（低温有利于物理吸附） 4. 被吸附分子结构发生变化，活性显著升高
5. 吸附速率随温度的升高而增加

穿透曲线法

气相中吸附质的浓度低 等温吸附，吸附等温线是线性的 传质区高度远小于吸附器高度

希洛夫近似法


吸附速率无穷大，吸附质进入后立即被吸附
到达破点时，吸附床层即达到饱和
固定床吸附器的设计计算
设计依据 吸附器的确定 吸附剂的选择 横截面积计算 吸附区高度计算 吸附剂用量计算 吸附周期确定 固定床压力损失计算
PSA制氮机 变压吸附制氮
环已烷吸附设备
活性炭纤维有机废气高效吸附装置
本发明巧妙地将一次吸附后的尾气收集 起来，处理后用作二次吸附的气源或干 燥风。使得活性炭纤维吸附装置的多次 吸附成为可能，也就是说达到苛刻的国 家排放标准成为可能。
活性炭纤维 有机废气吸 附装置专用 密封装置
二氯甲烷吸附回收装置

9.5吸附剂的再生
吸附剂的再生
▼加热再生 ▼降压或真空解吸再生 ▼置换再生 ▼溶剂萃取再生 ▼通气吹扫再生 ▼化学再生
几种活性炭再生方法的原理和特点

加热再生法

饱和活性炭的干燥阶段 吸附物质的焙烧阶段

炭化有机物的活性化阶段

加热再生新技术

微波辐照再生法 高频脉冲再生法 强制放电再生法
N0 A f 22.4 10 3
N 0 6.023 10 23
9.3吸附装置及吸附工艺
固定床吸附器 回转床吸附器 吸附装置 流化床吸附器 移动床吸附器
固定床吸附器
移动床吸附器
流化床吸附器
变压吸附设备
变压吸附设备是指采用分子筛为吸附剂，通过压力的变化，利用 空气中氧气、氮气在分子筛表面吸附量的差异达到氧、氮分离的 目的。由于变压吸附属于常温空气分离，因此具有能耗低、启动 速度快（30分钟即可达到要求）、自动化程度高、结构紧凑、占 地面积小、一次投资少等特点。变压吸附制氧纯度可达93%， 变压吸附制氮纯度可达98%至99.99%，适用于对使用纯度要 求不高的冶金、化工等行业。
总速率方程
dqA * * K ya p (YA YA ) K x a p ( X A X A ) d
分吸附系数与总吸附wenku.baidu.com数间的关系：
1 1 m K yap k ya p kxa p
1 1 1 K xa p kxap k ya pm
k y k x / m
内扩散控制
Ⅰ型：80K下N2在活性炭上的吸附；Ⅱ型： 78K下N2在硅胶上的吸附；
Ⅲ型： 351K下溴在硅胶上的吸附；Ⅳ型： 323K下苯在FeO上的吸附；
Ⅴ型： 373K下水蒸气在活性炭上的吸附；Ⅵ型：惰性气体分子分阶段多层吸附。
SO2在硅胶上的吸附等温线
NH3在活性炭上的吸附等温线
二氧化碳在活性炭上的吸附等温线