吸附法净化大气污染物

第四节吸附法净化气态污染物

气体吸附是一种在有害气体控制中日益获得重视的方法。更为严格的环境质量要求，特别增强了吸附作为一种控制方法的吸引力。

吸附现象的发现及其应用已有悠久的历史。吸附操作已广泛地应用于基本有机化工、石油化工等生产部门，成为必不可少的分离手段。吸附法在环境工程中得到广泛的应用，是由于吸附过程能有效地捕集浓度很低的有害物质，因此，当采用常规的吸收法去除液体或气体中的有害物质特别困难时，吸附可能就是比较满意的解决办法。一般说来，吸附在实用上和经济上优于有竞争性的湿法工艺（如洗涤法）之处有以下几个方面：

（1）干床层、非腐蚀系统；

（2）良好的控制和对过程变化的敏感；

（3）没有化学品的处理问题；

（4）可实现全自动运行；

（5）能把气流中的污染物去除到极低的含量，使其达到排放标准，又能回收这些污染物，实现废物资源化。

正因为如此，目前吸附操作广泛地应用于有机污染物的回收净化，低浓度二氧化硫和氮氧化物的净化处理以及其它气态污染物的净化上。当然，作为污水处理的一种手段，也是很重要的一个方面。

吸附操作也有它的不足之处，首先，由于吸附剂的吸附容量小，因而需耗用大量的吸附剂，使设备体积庞大。其次，由于吸附剂是固体，在工业装置上固相处理较困难，从而使设备结构复杂，给大型生产过程的连续化、自动化带来一定的困难。多年来对上述存在的问题作了大量的研究工作。在某些方面已有所突破。如分子筛的出现及其应用，移动床在工业上成功地连续运转，使设备与操作得到简化，使过程达到了连续吸附与脱附，为装置的大型化、生产的自动化创造了条件，推动了吸附技术的发展。

一、吸附与吸附剂

已经完全证实：在固体表面上的分子力处于不平衡或不饱和状态，由于这种不饱和的结果，固体会把与其接触的气体或液体溶质吸引到自己的表面上，从而使其残余力得到平衡。这种在固体表面进行物质浓缩的现象，称为吸附。在工业上，采用多孔物质处理流体混合物，使其中所含的一种或几种组分浓集在固体表面，而与其它组分分开的过程称为吸附操作。在吸附过程中，被吸附到固体表面的物质叫吸附质，吸附质所依附的物质称为吸附剂。

应认真地把吸附与吸收区别开来。吸收的特点是物质不仅保持在表面，而且通过表面分散到整个相。吸附则不同。物质仅在吸附剂表面上浓缩富集成一层吸附层（或称吸附膜），并不深入到吸附剂内部。由于吸附是一种固体表面现象，只有那些具有较大内表面的固体才具有较强的吸附能力。例如比重为5的氧化铁园粒，半径为5μm，其表面积只有12m2/g，并不具有实用价值的吸附能力。而一般工业用的吸附剂平均比表面积为600m2/g。

吸附过程是非均相过程，一相为流体混合物，一相为固体吸附剂。吸附过

程必然是一个放热过程，所放出的热，称为该物质在此固体表面上的吸附热。

1、物理吸附与化学吸附

根据吸附的作用力不同，可把吸附分为物理吸附与化学吸附。

（1）物理吸附

产生物理吸附的力是分子间引力，或称范德华力。固体吸附剂与气体分子之间普遍存在着分子间引力，当固体和气体的分子引力大于气体分子之间的引力时，即使气体的压力低于与操作温度相对应的饱和蒸气压，气体分子也会冷凝在固体表面上。这种吸附的速度极快。

物理吸附不发生化学反应，因此它的吸附热较低，一般只有20kJ/mol左右，只相当于相应气体的液化热。也正是由于物理吸附不发生化学反应，因此它吸附的选择性极低，或者说没有选择性，它的选择性只取决于气体的性质和吸附剂的特性。物理吸附只在低温下才较显著，吸附量随温度的升高而迅速减少，且与表面的大小成比例。由于这种吸附属纯分子间引力，所以有很大的可逆性，当改变吸附条件，如降低被吸附气体的分压或升高系统的温度，被吸附的气体很容易从固体表面上逸出，此种现象称为“脱附”或“脱吸”。工业上的吸附操作就是根据这一特性进行吸附剂的再生，同时回收被吸附的物质。

物理吸附是靠分子间引力产生的，当吸附物质的分压升高时，可以产生多分子层吸附。这是与化学吸附不同的。

（2）化学吸附

化学吸附亦称活性吸附。它是由于固体表面与吸附气体分子间的化学键力所造成的，是固体与吸附质之间化学作用的结果，有时它并不生成平常含义的可鉴别的化合物。化学吸附的作用力大大超过物理吸附的范德华力。

化学吸附中由于有化学作用发生，因此它所放出的吸附热比物理吸附所放出的热大得多，可达到化学反应热的数量级，一般为80～400kJ/mol。由于化学性质所决定，化学吸附具有很高的选择性，例如氢可以被钨或镍化学吸附，而不能被铝和铜化学吸附。化学吸附不象物理吸附，这种吸附往往是不可逆的，而且脱附以后，脱附的物质往往与原来的物质不一样，发生了化学变化。

从化学吸附中能量变化的大小考虑，被吸附分子的结构发生了变化，活性显著升高，使其所需的反应活化能比自由分子为低，从而加快了反应速度。由此可用化学吸附来解释固体表面的催化作用。可见，化学吸附在催化作用上特别重要，这一点将在催化一章中讲述。

由于化学吸附中伴有化学反应发生，因此，化学吸附宜在较高温度下操作，且吸附速度随着温度的升高而增加。

与物理吸附不同，化学吸附是单分子或单原子层吸附。

应当指出，同一物质在较低温度下可能发生的是物理吸附，而在较高温度下所发生的往往是化学吸附。即物理吸附常发生在化学吸附之前，到吸附剂逐渐具备足够高的活性，才发生化学吸附。亦可能两种吸附方式同时发生。

2、吸附剂

虽然吸附现象早已为人们发现和熟知，但是作为工业上应用则是近几十年

的事情。从理论上讲，固体物质的表面对于流体都具有一定的物理吸附作用。但要达到工业上的使用要求，还需要有一个选择与评价的问题，这是吸附操作中首先要解决的问题。

（1）工业吸附剂的要求

①要有巨大的内表面积和大的孔隙率也就是说，吸附剂必须是具有高度疏松结构和巨大暴露表面的多孔物质。只有这样，才能给吸附提供很大的表面。吸附剂的有效表面包括颗粒的外表面和内表面，而内表面总是比外表面大得多，例如硅胶的内表面高达600ｍ2/ｇ，活性炭的内表面可高达1000ｍ2/ｇ。这些内部孔道通常都很小，有的宽度只有几个分子的直径，但数量极大。这是由吸附剂的孔隙率决定的。因此，要求吸附剂要有很大的孔隙率。除此之外，还要求吸附剂具有合适的孔隙和分布合理的孔径，以便吸附质分子能到达所有的内表面而被吸附。

②对不同的气体要有选择性的吸附作用工业上应用吸附剂的目的，就是为了对某些气体组分有选择地吸附，从而达到分离气体混合物的目的。因此要求所选的吸附剂对所要吸附的气体具有很高的选择性。例如活性炭吸附二氧化硫（或氨）的能力，远大于吸附空气的能力。故活性炭能从空气与二氧化硫（或氨）的混合气体中优先吸附二氧化硫（或氨），达到净化废气的目的。

③吸附容量要大吸附剂的吸附容量是指一定温度下，对于一定的吸附质浓度，单位质量（或体积）的吸附剂所能吸附的最大吸附质质量。吸附容量大小的影响因素很多，它包括吸附剂的表面大小，孔隙率大小和孔径分布的合理性，还与分子的极性以及吸附剂分子上官能团的性质有关。

④要有足够的机械强度和热稳定性及化学稳定性吸附剂是在温度、湿度和压力条件变化的情况下工作的，这就要求吸附剂有足够的机械强度和热稳定性，对于用来吸附腐蚀性气体时，还要求吸附剂有较高的化学稳定性。当采用流化床吸附装置时，对吸附剂的机械强度要求更高，主要原因是在流化状态下运行，吸附剂的磨损大。

⑤颗粒度要适中而且均匀用于固定床时，若颗粒太大且不均匀，易造成气流短路和气流分布不均，引起气流返混，气体在床层中停留时间短，降低吸附分离效果。如果颗粒太小，床层阻力过大，严重时会将吸附剂带出器外。

⑥其它要求吸附剂有抗再生能力，以延长其使用寿命。另外，要求吸附剂易再生和活化，且制造简便，价廉易得。

（2）常用工业吸附剂

目前工业上常用的吸附剂主要有活性炭、活性氧化铝、硅胶和分子筛。这里也附带介绍几种其它吸附剂和吸附剂浸渍。

①活性炭活性炭是许多具有吸附性能的碳基物质的总称，木炭可以被认为是一种吸附能力很低的活性炭。活性炭的原料是几乎所有的含碳物质。如煤、木材、骨头、果核、坚硬的果壳（如椰壳、核桃壳等），以及废纸浆、废树脂等，将这些含碳物质在低于878K下进行炭化，再用水蒸汽或热空气进行活化处理。还有用氯化锌、氯化镁、氯化钙、磷酸来代替热蒸汽作活化剂的。活性