室内污染控制与洁净技术课件 5章(气态污染控制机理及方法)

由于活性炭纤维具有良好的结构特征以及优异的吸附性能，在废水治理、 饮用水净化方面，已经取得了理想的效果。在室内空气净化方面，也取得了 较好的效果，活性炭纤维不仅能广泛用于有机物的吸附清除，而且能够有效 驱除异味。日本有关专家的研究证明，活性炭纤维能高效吸附香烟烟雾中的 有害成分，有效地清除香烟烟雾中的有害物质。
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5.1 吸附净化
与粒状活性炭相比，活性炭纤维除具有大得多的比表面积外，同时还 具有大量的微孔结构的特征，致使吸附质在活性炭纤维内扩散阻力减小， 吸附速度加快。由于活性纤维具有更多的微孔直接与吸附质接触，而且吸 附质直接暴露于纤维表面进行吸附和解吸，因此也能更快达到吸附平衡， 能有效地利用微孔。在同样的比表面积时，活性炭纤维比粒状活性炭对吸 附的能力更高，而吸附低浓度的吸附质时也更有效。
上式为朗式方程,式中 A, B为常数。若将其覆盖率 V / Vm 表示， Vm为吸附剂被 其中 V 为气体分压力P 时被吸附气体在标准状况下的体积； 覆盖满一层时被吸附气体在标准状况下的体积。则上式可改写成 :
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5.1 吸附净化
V BP Vm 1 BP
或
P 1 P V BVm Vm
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5.1 吸附净化
K 1 P 1-θ = K 2 θ
或
K1 P K1 P K 2
式中， K1 , K 2 --- 吸附、解吸常数。 若令 B K1 / K 2,以A表示饱和吸附量，则单位质量吸附剂所吸附的 吸附质的量 X T 可表示为：
ABP X T A 1 BP
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5.1 吸附净化
表5.2 常用吸附剂的特性
物理性质 比表面积 (m2/g) 孔隙体积微观孔/宏观孔 (cm3/g） 松散密度 （g/L） 比热容 (J/kg.K)
吸附剂
活性炭（木炭） 1000～1500 0.6～0.8;0.5～0.8 300～500 840
木Biblioteka Baidu-窄孔
木炭 氧化硅胶-窄孔 氧化硅胶-大孔 活性氧化铝 分子筛
①被吸附物质向吸附剂周围流体界面膜扩散，称为外扩散过程。 ②被吸附物质向吸附剂粒子内扩散，称为内扩散过程。 ③吸附剂内表面吸附，称为吸附过程。
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5.1 吸附净化
在一般的物理吸附中,第③项过程进行得非常迅速,而第①或②项决 定着吸附全过程的速度。
现分析填充密度为 r ( g / cm ) ,吸附剂粒子的外表面为 av (cm2 / cm3 ), 填充层长度为 l 的吸附剂填充层上产生的吸附过程。可以认为,在气相与吸 附剂粒子的界面上存在着双层界膜,如图5.1所示的。
物理吸附和化学吸附并不是孤立的，往往相伴发生。
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5.1 吸附净化
5.1.2 吸附剂及其选择
一、对吸附剂的要求：
（1)有大的比表面积,吸附能力强;(2)吸附选择性要好;(3)具有一定的粒 度,较高的机械强度、化学稳定性和热稳定性;(4)大的吸附容量;(5)来源 广泛,价格低廉;(6)容易再生和再利用。
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5.1 吸附净化
有关资料报道，活性炭纤维的外表面积比粒状活性炭大 100 倍以 上．两者的体积密度相差 10倍，与粒状活性炭相比，活性炭纤维有更多 的微孔直接与吸附质接触，而且吸附质直接暴露于纤维表面进行吸附和 解析，因而也能更快达到吸附平衡而更有效地利用微孔。比表面积相同 时，活性炭纤维比粒状活性炭吸附质的吸附能力更高，而吸附低浓度的 以及痕量的吸附质时也更有效。
二、常用吸附剂及其功能：见表5.1
表5.1 各种吸附剂可去除的有害气体
吸附剂
活性炭 浸渍活性炭
可去除的有害气体
苯、甲苯、二甲苯、丙酮、乙醇、乙醚、甲醛、苯乙烯、氯乙烯、恶臭物质、硫化 氢、氯气、硫氧化物、氮氧化物、氯仿、一氧化碳 烯烃、胺、酸雾、碱雾、硫醇、二氧化硫、氟化氢、氯化氢、氨气、汞、甲醛
活性氧化铝
840
840 920 920 880 920
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5.1 吸附净化
(2)树脂吸附剂 树脂吸附剂也叫吸附树脂，是一种新型有机吸附剂。具有立体网状结 构，呈多孔海绵状，加热不熔化，可在150℃下使用，不溶于一般溶剂及酸、 碱，比表面积可达到800m2/g；按照基本结构分类，吸附树脂大体可分为非 极性、中极性、极性和强极性四种类型。 树脂吸附剂的结构容易人为控制，因而它具有适应性大，应用范围广、 吸附选择性特殊、稳定性高等优点，并且再生简单。 (3)活性炭纤维 最近研制出的一种活性碳纤维，纤维直径为10～20μm，具有和活性 碳一样的吸附特性。形状采用W字形、圆筒形、卷绕形等。
吸附质 正丁硫醇 二甲硫醚 二硫化碳 苯 苯乙烯 活性炭纤维 1104.8 686.6 723.4 326 328 粒状活性炭 613.0 436.6 520.1 213 219 吸附质 甲 苯 活性炭纤维 333 232 319 288
单位:mg/g
粒状活性炭 243 185 224 205
环乙烷 丙 甲 醇 醇
C C * C CB CB C *
1 1 K S av kG av k S a v
1 1 1 KG av kG av kS a v
式中, β——等温吸附平衡曲线的平均斜率。 上式只有在填充层长度l足够大时才能成立。在物理吸附情况下,用 液体界膜物质移动系数kL代替kS,就可以得到与上式完全相同的关系式。
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5.1 吸附净化
由于式中CB ,qB 往往是很难实际测定和判断的,所以还是把吸附的整 个过程归并到气相或固相部分,综合表示比较方便。如图5.2所示,如果C 和q分别取平衡点q*和 C * ,则可用下式表示：
dq K G av C C * K S a v q * q dt
5.1.1
吸附过程的理论基础
吸附法就是利用多孔性的固体物质,将1种或几种物质吸附在其表 面而去除的方法。根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为：
①物理吸附 ②化学吸附
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5.1 吸附净化
1）物理吸附 吸附剂和吸附质之间通过分子间产生的吸附，称为物理吸附。
物理吸附因不发生化学作用，所以在低温下就能进行。一种吸附剂可 吸附多种吸附质，没有选择性，只是一种吸附剂对各种吸附质的吸附量是 不同的。 物理吸附的特性： 1.具有可逆性(可逆过程)； 2.低温下吸附，高温下可解析； 3.吸附和解析后的物质的性质没有改变； 4.一种吸附剂可吸附多种物质，无选择性(只是吸附量不同而已)。
1)吸附平衡
吸附质与吸附剂长时间接触最终可达到吸附平衡。 静吸附量分数用XT或m吸附质/m吸附剂表示(为无量纲量)。它是设计和生产的 一个重要因素。当吸附达到平衡时，吸附质在气、固两相中的浓度间有一定 的等温吸附函数关系。等温吸附关系式有多种形式，常用的关系式： 朗格谬尔(Langmuir)方程式 设吸附质对吸附剂表明的覆盖率为θ,则未覆盖率部分为(1-θ),若气 相侧分压为p,则吸附速率为K1P(1-θ),解吸附速率为K2θ,当吸附达到平衡 时 ,则 :
用 P / V 对 P 做图应得一条直线。由直线的斜率 1 / Vm和截距1/ BVm 便可计算 B 与 Vm 的值。朗式方程能解释很多试验结果，是目前常用的等 温吸附方程式。
2)吸附速率(速度)
吸附过程常需要较长时间才能达到两相平衡，而在实际生产过程中， 其接触时间是很短的，因此吸附量取决于吸附速率，与吸附过程有关。 吸附要经过以下3个过程：
工艺：原料经粉碎及加黏合剂成型后，经加热脱水（120～130℃）、炭化 （170～600℃）、活化（700～900℃）而制得。 (二)特性 (1)具有稳定的化学性质;(2)可以耐强酸、强碱;(3)能经受水浸、高温、 高压作用;(4)不易破碎;(5)几何特性见表5.2所示。
(三)活性炭的选择：
活性炭小孔的表面积占比表面积的95%以上，所以吸附量主要受小孔支 配。由于活性炭的原料和制造方法不同，细孔的分布情况相差很大，应根 据吸附质的分子直径和活性炭的细孔分布情况选择合适的活性炭。
3
假设在界膜层内某一点上,气相主体的被吸附物质浓度为C ,吸附剂 粒子表面的被吸附物质浓度为CB,吸附剂表面的吸附量为qB,吸附剂粒子 内的吸附量为q,那么单位体积的吸附量随时间的变化具有下列关系式：
dq kG av C C B k S av qB q dt
式中, kG ——气体界膜标准物质的分移动系数； kS ——粒子内的物质分移动系数。
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5.2 光催化(光触媒)净化方法
概述：
光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有氧化还原能力而净 化污染物的。即: 催化剂+紫外光线照射 氧化、还原 吸附净化污染物
自1972年Honde等人发现TiO2被光照辐射后可以持续发生水的氧化还 原反应，并产生H2以来，人们对这一催化反应过程进行了大量研究。结果 表明，这一技术不但在废水净化处理方面具有巨大潜能，在空气净化 （特别是在挥发性有机物VOC）方面也具有广阔应用前景。
浸渍活性氧化铝 硅胶 分子筛
硫化氢、二氧化硫、氟化氢、烃类
甲醛、氯化氢、酸雾、汞 氮氧化物、二氧化硫、乙炔 氮氧化物、二氧化硫、硫化氢、氯仿、烃类
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5.1 吸附净化
(1)活性炭 (一)活性炭制作
活性炭是目前应用较多的一种吸附剂，用于气体净化的活性炭是以煤 粉等为原料，以煤焦油做调和剂，成型后经干燥、炭化、活化等工序制成。
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5.1 吸附净化
5.1.4 吸附技术在空气净化中的应用
近年来通过对SBS的调查分析发现,现代化大楼最常见的分子污染是 VOC污染,它是建筑内各种异味的主要根源,分子扩散速度的量级大大高于 微粒。因此,控制分子污染是对通风空调技术的严峻挑战。 表5.4比较了活性炭纤维和粒状活性炭的吸附容量。 表5.4 有机物的平衡吸附容量
600～1000
100 600～850 250～350 100～400 500～1000
0.3～0.6;0.3～0.4
0.05～0.10;0.2～0.3 0.35～0.45;0.1 0.3～0.45;0.05～0.10 0.4;0.1 0.25～0.30;0.3～0.4
400～500
600 700～800 400～800 700～800 600～900
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第五章 空气中气态污染机理及方法
5.1
吸附净化
光催化(光触媒)净化 非平衡等粒子体净化 负离子净化 臭氧净化
5.2
5.3
5.4
5.5
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5.1 吸附净化
吸附作为工业上的一种分离过程，已经广泛地应用在化工、石油、 食品、轻工业及高纯气体的制备等工业部门。由于吸附具有很高的选择 性和高分离效果，能脱除痕量（10-6级）物质，所以在空气污染控制中 吸附净化法日益受到重视，特别是用于去除其它方法难以分离的低浓度 有害物质和处理排放标准要求严格的废气效果更好。
由于活性炭纤维具有优异的结构特征以及良好的吸附性能，在室内 空气净化方面也取得了较好的效果，活性炭纤维不仅能广泛用于有机物 的吸附与清除，而且能够有效地去除异味。
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5.1 吸附净化
5.1.３ 吸附理论与吸附性能参数的测定
吸附平衡与吸附过程所进行的时间(即吸附速率)是吸附分离效果的关 键因素。
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5.1 吸附净化
2）化学吸附 化学吸附是吸附剂和吸附质之间发生的化学作用，是由化 学键力引起的。
化学吸附的特性： 1.吸附是由化学键力引起的； 2.一般在较高环境下进行； 3.吸附具有选择性(只能吸附一种或几种物质)； 4.吸附过程一般为不可逆过程； 5.不易解析，即使高温解析了，解析的气体会改变原特性。
式中, KG ——按浓度合并的物质总移动系数； KS ——按吸附量之差合并的物质总移动系数。
图5.1 双层界膜模型
图5.2 双层界膜模型与等温吸附线的关系
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5.1 吸附净化
假设吸附平衡为已知条件,则根据式(5.6)和式(5.7)求出物质移动系 * * 数之间的关系,令 q C , q C , 即 则得出下式：