吸附法净化气态污染物

图10-1 吸附过程曲线
二,吸附剂及再生 (一)吸附剂 1,工业用吸附剂应具备的条件: ①巨大的内表面,大的比表面积即大的吸附容量; ②良好的选择性; ③较高的机械强度,化学与热稳定性; ④来源广泛,造价低廉; ⑤良好的再生性能(从经济角度考虑). 2,工业常用吸附剂 ①活性炭:疏水性,常用于空气中有机溶剂,催化脱 除尾气中SO2,NOX等恶臭物质的净化; 优点:性能稳定,抗腐蚀.
(C 1)P P 1 = + V (P0 P ) V m C Vm C P0
--------- 10.9
(C 1)P P 1 = + X T (P0 P ) X e C X e C P0
得一直线.
P P (1) -P/P0或 -P/P0作图, V ( P0 P ) X T ( P0 P )
平衡吸附量:吸附剂对吸附质的极限吸附量,亦称静吸 静吸 平衡吸附量 附量分数或静活性分数 静活性分数,用XT或m吸附质/m吸附量表示,是 附量分数 静活性分数 设计和生产中一个十分重要的参数,用吸附等温线或吸 附等温方程来描述. 等温吸附线:吸附达平衡时,吸附质在气,固两相中的 等温吸附线 浓度间有一定的函数关系,一般用等温吸附线表示. 目前已观测到5种类型的等温吸附线(见图10-2). 化学吸附只有I型,物理吸附I~V型都有. 相应的等温吸附方程式如下: (一)弗伦德里希(Freundlick)方程式 对I型提出如下经验式: 型
(2)优点 优点:净化效率高,可回收有用组分,设备简单, 优点 易实现自动化控制. (3)缺点 缺点:吸附容量小,设备体积大;吸附剂容量往往 缺点 有限,需频繁再生,间歇吸附过程的再生操作麻烦且设 备利用率低. (4)应用 应用:广泛应用于有机化工,石油化工等部门. 应用 环境治理方面:废气治理中,脱除水分,有机蒸汽, 恶臭,HF ,SO2,NOX等. 成功的例子:用变压吸附法来处理合成氨放气,可回 收纯度很高(>98%)的氢气,实现废物资源化.
Vm CP V= (P0 P ) [1 + (C 1) P / P0 ]
或 式中:
X e CP XT = (P0 P ).[1 + (C 1) P P0 ]
--------- 10.8
P0—在同温度下该气体的液相饱和蒸汽压,Pa; C—与吸附热有关的常数; Xe—饱和吸附量分数,无量纲;
上式亦写为: 或 说明:
已吸附吸附质的质量 吸附剂的活性 = × 100% 所用吸附剂量
吸附剂的活性: 静活性:是指在一定温度下,与气相中被吸附物质的初 静活性 始浓度平衡时的最大吸附量,即在该条件下,吸附达到 饱和时的吸附量. 动活性:气体通过吸附层时,当流出吸附层的气体中刚 动活性 刚出现被吸附物质时即认为此吸附层已失效.这时单位 吸附剂所吸附的吸附质的量称为～. (5) 接触时间 (6) 吸附器性能 (二)吸附剂的再生 再生方法: (1)加热解吸再生;(2)降压或真空解吸再生; (3)溶剂萃取再生;(4)置换再生;(5)化学转化再生
(见图10-1 :吸附过程曲线)
补表10-1 物理吸附和化学吸附的区别 补表
(物) :一种物理作用,分子间力(范德华力) ; 吸附作用力 (化) :一种表面化学反应(化学键力) . (物) :极快,常常瞬间即达平衡; 吸附速率 (化) :较慢,达平衡需较长时间. (物) :与气体的液化热相近,较小(几百焦耳/mol 左右) ; 吸附热 (区别二者 (化) :与化学反应热相近,很大(>42kJ/mol) . 的重要标 (物) :没有多大的选择性(可逆) ; 选择性 (化) :具有较高的选择性(不可逆) . (物) 吸附与脱附速率一般不受温度的影响, : 但吸附量随 温度上升而上升; 温度的影响 (化) :可看成一个表面化学过程,需一定的活化能,吸附 与脱附速率随温度升高而明显加快. (物) :单分子层或双分子层,解析容易,低压多为单分子 吸附层厚度 层随吸附压力增加变为多分子层; (化) :总是单分子层或单原子层,且不易解吸.
3
P/10 Pa 0.267 0.400 0.533 1.333 2.660 4.000 5.332 XT 0.176 0.205 0.225 0.265 0.287 0.290 0.300
试绘制等温吸附线,若该等温吸附线符合朗氏等温吸附 方程式,试求A,B值.
解:依数据,绘图如下(见例10-1图):
②吸附质分压上升,吸附量增加. ③气流速度:对固定床为0.2~0.6m/s
(2)吸附剂的性质: 如孔隙率,孔径,粒度 (3)吸附质的性质与浓度: 如临界直径,分子量,沸点,饱和性. 例:同种活性炭做吸附剂,对于结构相似的有机物分子 量和不饱和性越高,沸点越高,吸附越容易. (4)吸附剂的活性 定义:以被吸附物质的重量对吸附剂的重量或体积分数 表示,是吸附剂吸附能力的标志. 比表面积 吸附效果
(2)重要用途 具体计算方法为:
可测定和计算固体吸附剂的比表面积
由斜率和截距求得Vm,则吸附剂的比表面积为:
Vm N 0 σ Sb = 22400 W
------பைடு நூலகம்-- 10.10
式中: Sb—吸附剂比表面积,m2/g ; σ— 一个吸附质分子的截面积, m2 ; W—吸附剂质量; N0—阿伏伽德罗常数, N = 6.023 × 10 23 . 0 适用范围:P/P0=0.05~0.35时上方程较准确. 例题:(见P251,例10.1) 已知:293K,用活性炭吸附苯蒸汽所得到的平衡数据如下
言
(1)多孔性固体物质具有选择性吸附废气中的一种或 多种有害组分的特点. (2)吸附净化是利用多孔性固体物质的这一特点,实 现净化废气的一种方法. 2,吸附净化法的特点 吸附净化法的特点 (1)适用范围 适用范围 ①常用于浓度低,毒性大的有害气体的净化,但处理 的气体量不宜过大; ②对有机溶剂蒸汽具有较高的净化效率; ③当处理的气体量较小时,用吸附法灵活方便.
V BP = Vm 1 + BP
说明:
或
P 1 P = + V BV m Vm
----- 10.7
(1)P/V对P作图,得一直线; (2)由斜率1/Vm 和截距1/(B Vm),可算出B,Vm. 指明:朗氏方程式是目前常用的基本等温吸附方程式, 但θ较大时,吻合性较差.
(三)BET方程式(是朗氏理论基础上的发展) 1938年勃劳纳尔(Brunauer),爱米特(Emmett)和泰 勒(Teller)三人提出适合Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型的多分子层吸附 适合Ⅰ 适合 理论并建立等温方程式,即:
θ=
固体总面积 = X max
若气相分压为P,则吸附速率为k1P(1-θ). 解吸速率为k2θ,当吸附达平衡时: k1P(1-θ)= k2θ ----------- 10.3
θ =
k
2
k1 p + k1 p
----------- 10.4
式中:k1, k2分别为吸附,解吸常数.
BP θ= ----------- 10.5 1 + BP 若A为饱和吸附量,则单位量吸附剂所吸附的吸附质量 XT为: ABP X T = A θ = 1 + BP (朗氏方程)----------- 10.6 其中:A,B为常数.
1 n
X T = kP
---------------- 10.1
图10-2 5种类型等温吸附线
XT —吸附质质量与吸附剂质量之比值,无量纲,单位吸 附剂在吸附平衡时的饱和吸附量(m3/kg)或(kg/kg) P—吸附质在气相中的分压, pa; K,n—经验常数,与吸附剂,吸附质种类及吸附温度有关 ,对于一定的吸附物质,仅与平衡时的分压和温 度有关,其值需由实验确定,而n≥1. 适应范围:在广泛的中压部分,与实际数据符合较好; 常用于低浓度气体的吸附. 取对数后:
⑤吸附树脂:最初为酚,醛类缩合高聚物,以后出现一 系列的交联共聚物,如聚苯乙烯等. 大孔吸附树脂除了价格较贵外,比起活性炭,物理化学 性能稳定,品种较多,能用于废水处理,维生素的分离 及H2O2的精制等.
书 P248,表10-1列出了几种常用吸附剂的特性.
3,影响气体吸附的因素 (1)操作条件: ①低温(有利) 高温(有利) 物理吸附; 化学吸附.
lg X T = lg k + (1 n ) lg P ----------- 10.2
①lgXT—gP关系,得直线;②1/n , 1/n >2时, 吸附难进行. lgk求出n,k; ③1/n介于0.1~0.5之间时,吸附容易进行;
(二)朗格缪尔(Langmuir)方程式 1916年导出,较好适用于 型的理论公式 适用于I型 适用于 假设:a.固体表面的吸附能力只能进行单分子层吸附— 与I型吸附线相吻合;b.固体表面各处的不饱和力相等, 表面均匀,即各处的吸附热相等. 设:吸附质对吸附表面的覆盖率为θ,则为覆盖率为 (1-θ), . 已覆盖的面积 X
B = 5 .176 × 10
3
0.205 1 A = 0.25 + = 0.304 3 400 5.176 × 10
二,吸附速率 吸附速率:单位重量的吸附剂(或单位体积的吸附层) 吸附速率 在单位时间内所吸附的物质量.吸附速率的变化范围很 大,可从百分之几秒到几十小时. 吸附过程可分为以下几步(见图10-3). (1)外扩散(气膜扩散):吸附质从气流主体穿过颗粒 周围气膜扩散至外表面. (2)内扩散(微孔扩散):吸附质由外表面经微孔扩散 至吸附剂微孔表面. (3)吸附:到达吸附剂微孔表面的吸附质被吸附. 脱附过程是上过程的逆过程. 对于化学吸附第三步还伴有化学反应.
缺点:可燃性,因此使用温度不能超过200℃,在惰性 气流掩护下,操作温度可达500℃. ②活性氧化铝:用于气体干燥,石油气脱硫,含氟废气 净化(对水有强吸附能力). ③硅胶:亲水性,从水中吸附水份量可达硅胶自身质量 的50%,而难于吸附非极性物质.常用于处理含湿量 较高的气体干燥,烃类物质回收等. ④沸石分子筛:是一种人工合成沸石,为微孔型,具有 立方晶体的硅酸盐. 通式为:[Mex/n(Al2O3)x(SiO2)y]mH2O 特点:孔径整齐均一,因而具有筛分性能,一种离子 型吸附剂,对极性分子,不饱和有机物具有选择吸附 能力.
第二节 吸附理论
设计吸附装置或强化吸附过程的关键: 对于一台运转的吸附设备预达到最大的吸附分离效果取 决于两方面因素: (1)由吸附剂与吸附质本身的物化性质所决定的吸附平 衡(进行的可能性); (2)由物质传递所决定的吸附动力学(吸附速率)(进 行的快慢). 一,吸附平衡 吸附平衡:吸附质与吸附剂长期接触后,气相中吸附质 吸附平衡 的浓度与吸附剂(相)中吸附质的浓度终将达到动态平 衡.
X 当压力P很小时BP<<1,则: T = A B P
令 B= k1/k2,则
当压力P很大时BP>>1,则 X T = A P 与气体压力无关,吸附达到饱和;
1 n
,即此时吸附量
当压力P为中等时,这与Freundlick吸附等温式相同.
X T = A PΦ
若θ= V/Vm
其中:
V—气体分压为P时被吸附气体在标准状态下的体积; Vm—吸附剂被盖满一层时被吸附气体在标准状态下的体 积. 则10.5式写成:
例10-1图:活性炭吸附苯蒸汽等温吸附线
显然,该等温吸附线符合朗氏等温吸附线,从而可用朗 氏方程式描述. 结合曲线横,纵坐标参数,将朗氏方程式变换成下列形 式: A = X + ( X / P) (1 B)
T T
任取曲线上两点q (400,0.205) 和s (4000,0.290) 带入上 式,于是有: A = 0.205 + (0.205 400 ) (1 B ) A = 0.290 + (0.290 4000 ) (1 B ) 解之得:
第一节 吸附过程与吸附剂
吸附过程:是用多孔固体(吸附剂)将流体(气提或液 吸附过程 体)混合物中一种或多种组分积聚或凝缩在 表面达到分离目的操作. 一,物理吸附和化学吸附 根据吸附剂表面与被吸附物质之间作用力不同. 物理吸附和化学吸附的区别(见补表10-1). 注意一点: 物理吸附和化学吸附可同时发生但常以某一类吸附为主 . 同一污染物的吸附量随温度的变化曲线
第十章
吸附法净化气态污染物
吸附过程与吸附剂 吸附理论 吸附操作方式与设计 吸附法净化气态污染物的应用
本章重点与难点: 本章重点与难点:
吸附理论: 重点:吸附平衡和吸附速率; 难点:吸附穿透曲线 吸附法净化气态污染物的应用 重点讲述: a. 吸附法净化烟气中的SO2 b. 吸附法净化有机蒸汽.
引
1,吸附净化的概念 吸附净化的概念: 吸附净化的概念