第4章(3)-气态污染物的净化-吸附法

选择性
温度的影响
吸附层厚度
两种吸附作用可能同 时存在，但以其中一 种为主； 同一污染物可能在较 低温度下发生物理吸 附； 若温度升高到吸附剂 具备足够高的活化能 时，可能发生化学吸 附

5.1.2 吸附法的特点
优点： • 净化效率高 • 可回收有用组分 • 设备简单，易实现自动 化控制。 缺点： • 吸附剂容量有限，需频 繁再生 • 设备体积大
（平衡分压p）； • 吸附质在固相吸附剂中的浓度称为平衡吸附量XT或静 吸附量（静活性）。平衡吸附量是固体吸附剂对气体吸 附量的极限。
• 一定温度下吸附达到平衡时，吸附质在气、固
两相中的浓度(平衡分压p与平衡吸附量XT)间有 一定的关系。 • 表示吸附量与吸附质平衡分压之间关系的曲线 即为等温吸附线。

设吸附质对吸附剂表面的覆盖率为q，则未被覆盖率为 （1-q）。 已被吸附质覆盖的面积 q
吸附剂总表面积

在一定条件下，吸附速率ra与吸附剂表面未覆盖部分的 分率（1-θA）和吸附质的分压PA成正比，以ka和kd分别 代表吸附（adsorption)与解吸(desorption)的速率常数。
吸附速率为： 解吸速率为：
对X T kP 取对数，得
1 n
lg X T lg k (1 n) lg P
以lgXT对lgP作图，得一直线； 斜率为1/n , 截距为lgk，即可求出n，k；

（2）朗格缪尔（Langmuir）方程式
四个基本假设： ①吸附是单分子层的； ②固体表面是均匀的，固体表面上各个晶体位置 的吸附能力是相同的，每个位置上只能吸附一 个分子； ③被吸附在固体表面上的分子相互之间没有作用 力； ④吸附平衡是动态平衡。
• 优点：性能稳定、抗腐蚀。
• 缺点：具有可燃性，使用温度不能超过200℃。
冰箱除味剂
口罩
防毒面罩
②活性氧化铝
•
•
活性氧化铝是由氧化铝的水合物加热脱水而形成的多孔 物质，其晶格构型分为a型、g型和中间型，其中起吸附 作用的主要是g型氧化铝。 活性氧化铝吸附极性分子，无毒，机械强度大，不易膨 胀，比表面积大，宜在200～250℃下再生，常用于石油 气的脱硫及含氟废气的净化。
第4章 气态污染物的净化
§1.气态污染物净化技术概述 §2.冷凝法 §3.燃烧法 §4.吸收法 §5.吸附法 §6.催化转化
§5.吸附法
§5.1 吸附法概述 5.1.1 吸附类型 5.1.2 吸附法的特点 §5.2 吸附剂
§5.3 吸附器
§5.4 吸附理论 5.4.1 吸附过程
5.4.2 吸附平衡
BPA 1 BPA
V-当分压为p时被吸附气体在 标准状况下的体积 Vm-吸附剂被覆盖满一层时气体 在标准状况下的体积；
则:q A
V BP Vm 1 BP
或
P 1 P V BV m Vm
以P/V对P作图，得一直线；
5.4.3 吸附速率 §5.5 固定床吸附器设计计算
§5.1 吸附法概述



吸附(Adsorption) :由于分子间引力 或化学键力，使物质聚集在固体表 面上的现象。 吸附净化：用多孔固体吸附剂将气 体混合物中的一种或多种污染组分 积聚在固体表面，从而使污染物从 气体中分离出来的过程。吸附法特 别适宜处理低浓度废气，净化效率 高。 吸附剂(Adsorbent)：具有吸附作用 的固体物质。 吸附质(Adsorbate) ：被吸附到吸 附剂表面的物质。
不同温度，NH3在活性炭上的吸附等温线
等温吸附线类型：
单分子层

等温吸附方程式（Ⅰ型）
1 n
（1）弗伦德里希（Freundlick）方程式
X T kP
XT —吸附质质量与吸附剂质量之比值，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，其值可由 实验确定。

①升温再生：恒压条件下，吸附剂的吸附容量随温度 升高而减小。 ②降压再生 ：恒温条件下，吸附剂的吸附容量随系统 压强降低而减小。
③置换再生：用与吸附剂亲和能力比与原吸附质亲和
能力更强的物质把被吸附的污染物置换出来。
常用的脱附工艺——热蒸气吹脱
(a)吸附
(b)脱附
5.3 吸附器
（1）按吸附剂的状态将吸附器分为：
• 活性炭孔径大小：
小孔
小于0.002 mm 2nm 占比表面积95%
中孔
0.002~0.1 mm 2-100nm 占比表面积<5%
大孔
0.1~1.0 mm 100-1000nm 占比表面积很小
起主要吸附作用
起吸附和通道作用
提供通道
• 活性炭应用：常常被用来吸附回收空气中的有 机溶剂（如苯、甲苯、丙酮、乙醚、甲醛等）， 还可以用来分离某些烃类气体，以及用来脱臭 等。
5.4.2 吸附平衡
吸附平衡
• 吸附过程是一种可逆过程，在吸附质被吸附的 同时，部分已被吸附的物质由于分子的热运动 而脱离固体表面回到气相中。 • 当气、固两相接触时间足够长以后，吸附速率 与脱附速率相等，吸附和脱附就达到了动态平 衡，称为吸附平衡。
等温吸附线 • 吸附达到平衡时，吸附质在气相中的浓度称为平衡浓度
（2）常用的吸附剂
活性炭 活性炭
硅藻土
吸附剂
活性氧化 铝
人工沸石
硅胶
①活性炭
• •
活性炭是一种具有非极性表面、疏水性和亲有机物的吸 附剂。 活性炭是由含碳原料（果壳、动物骨骼、木材、煤等） 先碳化得到稳定结构，然后活化得到的多孔结构。
碳化后
活化后
活性炭形状
球状 柱状 不规则形状
颗粒状
粉末状
纤维状
③硅胶
•
•
硅胶是用硅酸钠与酸反应生成硅酸凝胶（SiO2· nH2O）， 然后在115～130℃下烘干、破碎、筛分而制成各种粒度 的产品。 硅胶具有很好的亲水性，吸附量很大，可达自身重量的 50﹪。在工业上主要用于气体的干燥，也可用作催化剂 的载体。
P285
④沸石分子筛(Molecular Sieve)
②吸附容量大；
③良好的选择性（气体的极性、分子大小、沸点）
④机械强度高，化学稳定性强，热稳定性好；
⑤原料来源广泛，价格低廉；
⑥易于再生。

比表面积：单位质量吸附剂所具有的表面积
at a s （单位 m 2 /g） m


孔隙率：吸附剂内部微孔的容积与吸附剂个体体积之 比。 Vh Vs 饱和吸附量：一定温度下吸附达到饱和时，单位质量 吸附剂所吸附的吸附质的质量，又称为静活性。 吸附量与吸附剂比表面积、孔隙率、孔径大小、极性 等有关
P283 表7-7 常用吸附剂特性
吸附剂类型 堆 积 密 度 /kg·m-3 热 容 /kJ(kg· K)-1 操作温度上 限/K 平均孔径/Å 活性炭 200～600 0.836～ 1.254 423 15～25 活性氧化 铝 750～ 1000 0.836～ 1.045 773 18～48 沸石分子筛 硅胶 4A 800 0.92 673 22 800 0.794 873 4 5A 800 0.794 873 5 13x 800 —— 873 13
5.1.1 吸附类型
根据吸附剂和吸附质之间作用力的不同， 吸附分为物理吸附和化学吸附 物理吸附：吸附剂和吸附质之间的作用力 是范德华力（或静电引力） 。 化学吸附：吸附剂和吸附质之间的作用力 是化学键力。

物理吸附和化学吸附的区别
吸附作用力 吸附速率 吸附热 （物） ：一种物理作用，分子间力（范德华力） ； （化） ：一种表面化学反应（化学键力） 。 （物） ：极快，常常瞬间即达平衡； （化） ：较慢，达平衡需较长时间。 （物） ：与气体的凝结热相近,吸附热较小（约 40 KJ/mol） ； （化） ： 与化学反应热相近， 热效应较强 （约 80 ~420 kJ/mol ） 。 （物） ：没有多大的选择性（可逆） ； （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 上升而降低； （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，解吸容易，低压多为单分子层， 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。
ra k a PA (1 q A )
rd k dq A
达到吸附平衡时，吸附和解吸速率应相等，ra=rd ，即
ka PA (1-q A ) kdq A
得 :qA
ka p kd ka p
ka 令:B kd
BPA 朗格缪尔吸附等温方程式 则 :q A 1 BPA
V 将覆盖率q表示成 Vm
半连续式吸附流程
• 用两台固定床吸附器 并联，其中一台进行 吸附操作，另一台则 进行再生操作，适应 于再生周期小于吸附 周期的情形。
半连续式吸附流程
• 当再生周期大于吸附 周期时，则需要三台 固定床吸附器并联使 用，其中一台进行吸 附，一台进行再生， 而第三台则进行冷却 或其他操作，以备使 用。
§5.4 吸附理论
5.4.1 吸附过程
5.4.2 吸附平衡 5.4.3 吸附速率
5.4.1 吸附过程
外扩散：吸附剂外围空间的 气体吸附质分子穿过气 膜，扩散到吸附剂外表 面的过程 内扩散：吸附质分子进入吸 附剂微孔中并扩散到内 表面的过程。 吸附：到达吸附剂内表面的 吸附质分子被吸附的过 程。
吸附各步骤示意图
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脱除有机蒸汽、恶臭气体、HF 、SO2、NOX等。
§5.2 吸附剂
（1）对吸附剂的要求 （2）常用的吸附剂 （3）吸附剂的再生
（1）对吸附剂的要求
吸附剂是吸附净化的关键，对吸附剂的基本要求： ①大的比表面积和孔隙率；
•
•
•
沸石分子筛是具有多孔骨架结构的 硅酸盐结晶体。按SiO2和Al2O3的单 元比不同，将分子筛分为A型、X型 和Y型。 分子筛具有许多孔径均匀的微孔， 比孔径小的分子能进入孔穴而被吸 附，比孔径大的分子被拒之孔外， 因此具有很强的选择性。 分子筛可以从废气中选择性地除去 NOx、H2O、CO2、CO、CS2、SO2、 H2S、NH3、CCl4等气态污染物。
5.4.1 吸附过程
外 扩 散
内 扩 散
吸 附
向吸附剂外表面扩散
向吸附剂微孔的迁移
构成单分子层吸附体
对于一台运转的吸附设备，所能达到的最大吸附
分离效果取决于两方面因素： 由吸附剂与吸附质的性质所决定的吸附平衡 ——吸附进行的可能性（极限）； 由物质传递所决定的吸附速率
——吸附进行的快慢。
•
• •
活性炭纤维 是一种新型的高效吸附剂，它是用超细的活性炭微粒与 各种纤维素、人造丝、纸浆等混合制成各种不同类型的 纤维状活性炭。 微孔范围在0.5～1.4nm，比表面积大，有较大的吸附量 和较快的吸附速率。 主要用于吸附各种无机和有机气体、水溶性的有机物、 重金属离子等，特别对一些恶臭物质的吸附量比颗粒活 性炭要高出40倍。
固定床吸附器 移动床吸附器 流化床吸附器
（2）按工艺流程的连续性分为：
间歇式
固定床吸附器 吸附流程
移动床吸附器 流化床吸附器 连续式 半连续 式
固定床吸附器
方形立式吸附器
圆形卧式吸附器
移动床吸附器
吸附剂在吸附床中由上 向下不断移动，而气体 则由下向上流动，形成 逆流操作。

流化床吸附器
• 废气从进口管以一定的 速度进入锥体，气体通 过筛板向上流动，将吸 附剂吹起，在吸附段完 成吸附过程。 • 吸附后的气体进入扩大 段，由于气流速度降低， 固体吸附剂又回到吸附 段，而净化后的气体从 出口管排出。
间歇式吸附流程 • 一台固定床吸附器属于 间歇式吸附流程。 • 适用于废气排放量较小 、污染物浓度较低、间 歇式排放废气的净化。 • 吸附剂饱和后，从装置 中移走，不设吸附再生 装置，流程简单。
再 生 温 度 /K
比表面积 / ㎡·g-1
373～413
600～ 1600
473～523
210～360
393～ 423
600
473～573
——
473～573
——
473～573
——
（4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ吸附剂的再生
吸附剂的吸附容量有限，当吸附剂吸附了一定 量的污染物后，净化效果下降，甚至失效，需 要进行脱附再生，脱附后的污染物可以回收利 用或进一步处理。 常用的脱附方法有：加热、减压、置换等