吸附技术介绍

吸附技术介绍一、吸附基本知识1.1吸附利用某些固体能够从流体混合物中选择性地凝聚一定组分在其表面上的能力，使混合物中的组分彼此分离的单元操作过程。

1.2吸附原理1、吸附是一种界面现象，其作用发生在两个相的界面上。

2、根据吸附剂对吸附质之间吸附能力的不同，可分为物理吸附和化学吸附。

1.2.1物理吸附概念：当气体或液体分子与固体表面分子间的作用力为分子间力时产生的吸附。

特点：1、是一种可逆过程；2、吸附质在吸附剂表面形成单层或多层分子吸附时，其吸附热比较低；3、吸附无选择性，任何固体可以吸附任何气体，当然吸附量会有所不同；4、吸附稳定性不高，吸附和解吸速率都很快；5、吸附不需要活化能，吸附速率并不因温度的升高而变快。

1.2.2化学吸附概念：由吸附质与吸附剂表面原子间的化学键合作用造成的，即在吸附质与吸附剂之间发生了电子转移、原子重排或化学键的破坏与生成等现象。

特点：1、化学吸附往往是不可逆的；2、化学吸附的吸附热接近于化学反应的反应热，比物理吸附大的多；3、吸附很稳定，一旦吸附，不易解吸；4、吸附是单分子层的；5、吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快。

1.3常见的吸附剂常见的吸附剂有：活性炭、硅胶、活性氧化铝、合成沸石和天然沸石分子筛。

目前用在VOCs治理中的吸附剂主要是活性炭。

1.3.1吸附剂的性能要求1、有较大的比表面积2、对吸附质有较高的吸附能力和高选择性3、较高的强度和耐磨性4、颗粒大小均匀5、具有良好的化学稳定性、热稳定性以及价廉易得6、容易再生二、吸附法技术优缺点2.1吸附法优点1、可回收有机溶剂2、可净化大风量、低浓度、低温度废气3、废气不需要加热，低温或常温操作4、可回收痕量物质2.2吸附法缺点1、需要预处理废气中的粉尘、烟等杂质2、高温废气需要冷却3、吸附剂使用寿命不长4、投资费用较大三、吸附法适用范围吸附法用于治理喷漆、包装、印刷、机械、化工及生产过程产生苯类、酯、醇、酮、醛、酚汽油等场合。

用于大风量、低浓度的废气工况或间歇作业中准备回收利用的有机溶剂工厂、车间，废气浓度一般小于等于1000mg/m³。

四、吸附热力学———等温吸附曲线和等压吸附曲线吸附热力学主要研究的是平衡吸附量q0 与吸附体系参数温度t 、压力p 三者之间的关系。

在给定的吸附体系中, 固体对气体的吸附量可用下式来表示q0 = f ( p , t)当固定温度和压力时, 平衡吸附量就是压力和温度的单值函数, 从而得到等温吸附曲线和等压吸附曲线。

从等温吸附曲线(图a) 看出, 当压力甚小时, 平衡吸附量q0 与压力p 成正比(OA 段) ; 当压力甚大时, 平衡吸附量q0 与压力p 几乎无关(BC 段) , 此时吸附量已基本达到饱和; 在中等压力时, 平衡吸附量q0 与压力p 成某一曲线关系(AB) 。

在吸附压力恒定时, 吸附量随吸附温度的变化而变化, 可得到等压吸附线(图b) 。

从中可以看出, 吸附剂的吸附量随温度升高而减少, 因为吸附作用是个放热过程, 温度提高不利于吸附。

吸附法的选择吸附法分为固定床吸附法、流动床吸附法和浓缩转轮，在VOCs治理中最常用的就是固定床吸附法和浓缩转轮，在这里重点介绍固定床吸附法。

5.1固定床吸附法固定床吸附法的特点是吸附与脱附在同一个床层上实现，为了保证吸附过程的连续性，需要两台或两台以上的吸附器同时工作，一种一些吸附器进行吸附时，另一些进行脱附再生。

活性炭是应用最为广泛的固定床吸附剂，由于其容易吸附水，所以不适用于温度高于40℃、气相相对湿度超过50%的气体的吸附处理。

此外也不适用于易发生反应、活性大的溶剂的吸收，该类有机物会与活性炭活在活性炭表面进行反应而堵塞炭孔，这种情况可采用碳纤维或沸石作为吸附剂。

5.2活性碳纤维活性炭纤维是以有机化合物纤维（如聚丙烯、酚醛树脂、聚乙烯醇等）为基本原料经特殊加工制成的，它是一种很细的纤维状物质，具有巨大的比表面积、外表面积和非常发达的微孔结构，纤维上有很多微孔可直接与有机物接触而不是像颗粒活性炭那样要先通过大孔、过渡孔，才能到达微孔，因此，活性碳纤维更易于吸附低浓度的VOC。

与颗粒活性炭相比，其吸附有机物的能力高出1.5～2.0倍，吸附速度也快3倍左右。

由于活性炭纤维的吸附能力强，所以吸附装置可以小型化，吸附剂的量也可以少些，降低处理费用。

表颗粒活性炭和活性碳纤维吸附回收工艺比较（同等处理规模）表活性碳纤维与颗粒活性炭对几种有机物平衡吸附量的比较苯乙烯乙醛有机物名称丁硫醇苯甲苯三氯乙烯活性炭纤维，%430049471355852颗粒活性炭，%11735305434135.2.1活性炭纤维吸附回收优点(1) 在化学、金属、电子及其有关工业中, 用活性炭回收含氯烃类化合物会生成盐酸, 造成设备腐蚀。

而用活性炭纤维回收, 生成的盐酸浓度低, 对系统的腐蚀危害小, 且回收质量也高。

(2) 可用于回收反应活性大的溶剂。

酮类化合物的反应活性大, 用活性炭回收存在火灾危险。

(3) 可用于回收低浓度污染物。

(4) 可用于回收难处理物质。

例如, 颗粒活性炭对低沸点物质的回收率很低, 如对酚的吸附, 吸附带厚度超过2 m, 而活性炭纤维只要5 cm 左右。

(5) 易于再生。

六、吸附法流程图颗粒活性炭吸附技术流程图七、吸附剂再生方法从吸附曲线可以看出, 在同一温度下, 吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加;在同一吸附质分压下, 吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减小。

这就是说, 加压、降温有利于吸附, 降压、升温有利于脱附或吸附质的再生。

于是按照吸附剂的再生方法, 可将吸附循环分成两类: 即变温吸附( TSA) 和变压吸附( PSA) 。

图表示了这两种方法的概念。

图中横坐标为吸附质的分压, 纵坐标为单位吸附剂的吸附量。

7.1变温吸附变温吸附就是在常温下进行吸附, 在较高温度下将被吸附的气体从吸附剂中脱附出来。

从图看出, 变温吸附在两条温度不同的等温曲线之间上下移动进行吸附和脱附。

由于常用吸附剂的比热容较大而热导率较小, 加温和冷却所需的热量和冷量均较大, 而且过程时间很长(往往需几小时) , 还要配备相应的加热和冷却设施, 能耗和投资相对较高; 此外温度大幅度周期性变化也会影响吸附剂寿命。

变压、变温吸附示意图7.2变压吸附变压吸附就是在较高的吸附质分压下进行吸附, 在较低分压下(甚至真空状态) 使其脱附的过程。

由于吸附循环周期短(几分钟) , 吸附热来不及散失即可供脱附用, 吸附床温度变化小, 可近似看作是等温过程。

7.3变温吸附（TSA）法优缺点优点：再生彻底、回收率高、产品损失小缺点：周期长、投资较大能耗高，吸附剂使用寿命不长7.4变压吸附（PSA）法优缺点优点：循环周期短、吸附剂利用率高、产品纯度高、吸附剂用量相对较少，不需要加热设备，主要用于气量大、原理气体组分复杂的气体分离与提纯。

缺点：回收率不高，需要加压和真空设备。

7.5氮气脱附7.5.1水蒸气脱附缺点传统工艺采用水蒸气脱附、静态分层回收有机溶剂的方法，虽然水蒸气脱附法有相变热高，脱附较完全、易冷凝等优点，还有以下缺点：产生二次排放物污水，特别是回收溶解度大的有机物时污水很难处理，用精馏塔处理运行费用高。

在脱附时有大量水蒸气冷凝在活性炭纤维吸附层中，虽然经干燥风吹扫，但活性炭纤维的水含量还是很高，影响其吸附性能，降低了利用率。

当有机废气中含有易水解物质或卤代烃等物质时，在高温水蒸气的作用下，设备极易腐蚀，回收产品中杂质多。

工况环境较差时，气流夹带的灰尘等杂质会在活性炭纤维中积累，在盐析、填充等作用下活性碳纤维失去活性。

对一些高沸点物质的场合，由于水蒸气不能有效解吸，上述工艺及装置运行一段时间后吸附率会下降很多，不能正常运行。

7.5.2氮气脱附优点所以近年来氮气脱附称为了研究热点，以热氮气作为解吸介质，富集后的解析气通过冷凝或吸收方式加以回收，实现污染物零排放。

与水蒸气脱附法相比，氮气脱附有以下优点：用热氮气脱附，不产生二次污染物，可实现环保达标排放。

吸附层保持干燥，提高了活性炭纤维的利用率，延长了活性碳纤维的使用寿命。

由于不用水蒸气脱附，设备无腐蚀成本，大大降低了设备制造成本。

回收产品中水含量低，溶剂品质高。

对于水溶性大或是易水解的溶剂回收效果好，可降低运营成本。

由于脱附气可加入至400℃左右，所以回收装置可以应用于含高沸点有机溶剂的回收，拓展回收装置的应用范围。

7.5.3氮气脱附装置流程虽然目前氮气脱附的研究有比较多，也有多家公司申请了该专利，但是目前投入实际运用的还很少。

比如，中节能天辰（北京）环保科技有限公司已经申请了该专利，但是其生产的活性炭吸附装置脱附时还是用的是氮气脱附。

吸附法使用时的注意点8.1预处理气中的粉尘、烟杂质的影响预处理气在进入吸附罐之前，应先经过一个预处理器去除其中的粉尘、烟、漆雾等杂质，假如不处理，其中的粉尘、烟、漆雾等杂质会进入吸附罐，从而吸附在活性炭的表面，堵塞活性炭的空隙，降低了活性炭的使用寿命，增加运行成本。

8.2高温废气需要冷却假如预处理气的温度过高，则不能直接进入吸附罐，需要经过冷却装置将预处理气的温度降低。

因为根据吸附曲线可知，在同一吸附质分压下, 吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减小，假如未经过冷却直接将气体通入吸附罐，则将影响吸附效率，尾气排放不达标。

一般要求废气进口温度低于40℃，如高于40℃，则需加气体冷却装置，冷却后才可进入吸附罐。

8.3废气中的水蒸气会有抑制作用大部分活性炭具有憎水性,但由于水蒸汽比VOC具有较高的相对压力和较小的分子量,水蒸汽更容易扩散，被活性炭优先吸附。

VOC-水蒸汽在活性炭上的二元吸附平衡可简化为以下两个步骤:(1)水蒸汽在活性炭上被优先吸附;(2)VOC在已经吸附了水蒸汽的活性炭上吸附、取代出部分水分。

优先吸附的水蒸汽从以下两个方面改变了吸附剂的性质, 从而对VOC 的吸附平衡产生不利影响: 第一、占据一定的孔隙体积, 使得活性炭有效吸附体积减小; 第二、改变了活性炭孔隙表面的特性, 降低了表面对VOC 的吸附亲和力。

水蒸汽对VOC 在活性炭上吸附平衡的抑制作用, 随着VOC 浓度的增加而减小,对低浓度VOC 的影响非常显著; 随着RH的增大而增大, 在RH＞50%时, 抑制作用显著增强。

一般要求进气相对湿度小于50%。

活性炭吸附装置参数9.1实例介绍1、公司名称：**有限公司2、装置名称：活性炭吸附回收净化装置3、装置结构：吸附罐、冷凝器、分离器、曝气器、主排风机等设备，配有进出口阀，炭层超温报警自动降温装置及电控柜等。

4、装置特点：本净化装置可根据生产工艺设定单床/双床或多床，连续性生产设立两个吸附罐，一只吸附，一只脱附，也可两罐同时使用。