第十一章 吸附法净化气态污染物

气体吸附的影响因素

典型吸附质分子的横截面积
气体吸附的影响因素

吸附质性质、浓度

临界直径－吸附质不易渗入的最大直径
吸附质的分子量、沸点、饱和性

吸附剂活性

单位吸附剂吸附的吸附质的量 静活性－吸附达到饱和时的吸附量 动活性－未达到平衡时的吸附量
常见分来自百度文库的临界直径
分子 氦 氢 乙炔 氧 一氧化碳 二氧化碳 氮 水 氨 氩 甲烷 乙烯 环氧乙烷 乙烷 甲醇 乙醇 环丙烷 丙烷 正丁烷-正二十二烷 临界直径/Å 2.0 2.4 2.4 2.8 2.8 2.8 3.0 3.15 3.8 3.84 4.0 4.25 4.2 4.2 4.4 4.4 4.75 4.89 4.9 分子 丙烯 1-丁烯 2-反丁烯 1,3-丁二烯 二氟-氯甲烷(CFC-22) 噻吩 异丁烷-异二十二烷 二氟二氯甲烷(CFC-12) 环己烷 甲苯 对二甲苯 苯 四氯化碳 氯仿 新戊烷 间二甲苯 邻二甲苯 三乙胺 临界直径/Å 5.0 5.1 5.1 5.2 5.3 5.3 5.58 5.93 6.1 6.7 6.7 6.8 6.9 6.9 6.9 7.1 7.4 8.4
常用吸附剂特性
• 活性氧化铝：是将含水氧化铝（如铝土矿）在严 格控制的加热速率下于773K加热制成的多孔结构 的活性物质。 • 活性氧化铝是一种极性吸附剂，无毒，对水的吸 附容量很大，常用于高湿度气体的吸湿和干燥。 它还用于多种气态污染物如SO2、H2S、含氟废气、 NOX以及气态碳氢化合物等废气的净化。 • 活性氧化铝机械强度好，可在移动床中使用，并 可作催化剂的载体。而且它对多数气体和蒸气是 稳定的，浸入水或液体中不会溶胀或破碎。循环 使用后其性能变化很小，因此使用寿命长。




要易于更换吸附剂。
吸附剂再生

吸附剂再生

升温再生
降压脱附
置换脱附 吹扫脱附 化学转化脱附
（1）升温再生
升高温度，有助于吸附质从固体吸附剂上 逸出而脱附，这也就是吸附剂的吸附容量在等 压下随温度升高而降低的原因。
要根据吸附质和吸附剂的性质选择适当的 脱附温度并严格控制，既能保证吸附质脱附得 比较完全，达到较低的残余负荷，又能防止吸 附剂失活或晶体结构破坏。 升温脱附经常采用过热蒸汽、电感加热或 微波加热等方法。
吸附剂的来源。

活性实验 寿命实验 全面评估
吸附法的适用范围
• 吸附法主要适用于以下几个方面：
• 对于低浓度气体，吸附法的净化效率要比吸 收法高，吸附法常用于浓度低，毒性大的有 害气体，但吸附法处理的气体量不宜过大。 • 用吸附法净化有机溶剂蒸汽，具有较高的效 率。 • 当处理的气量较小时，用吸附法灵活方便。
V－被吸附气体在标态下的体积 P－吸附质在气相中的平衡分压 P0－吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压 Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积 C－与吸附热有关的常数
吸附速率

吸附过程

外扩散（气流主体
外表面）


内扩散（外表面
吸附
内表面）
吸附速率

外扩散速率
dM A K y P (YA YA* ) dt
5.吸附可逆；
5.吸附不可逆；
物理吸附和化学吸附
•
吸附热：化学吸附的吸附热与化学反应热相近，而物理吸附的吸附 热与气体的液化热相近。吸附热是区别物理吸附和化学吸附的重要 标志之一。
选择性：化学吸附具有较高的选择性。例如，钨和镍可以化学吸附 氢，而氢则不能被铝或铜所化学吸附。物理吸附则没有多大选择性， 其吸附量的多少取决于气体的物理性能及吸附剂的特性。 吸附层厚度。化学吸附总是单分子层或单原子层的，且不易解吸。 物理吸附可以是单分子层，也可以是多分子层的。解吸也容易；低 压时，一般为单分子层的，随着吸附压强增大，吸附层往往变成多 分子层。
常用吸附剂特性
• 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]· 2O mH • 分子筛内具有孔径均一的微孔，因而具有筛分性能。 • 分子筛成为一种十分优良的吸附剂常用于含SO2、NOX 、CO、CO2、NH3、CCl4、水蒸汽和气态碳氢化合物 废气的净化。 • 优点在于： • a.吸附选择性强； • b.吸附能力强、吸附容量大； • c.强极性吸附剂，对极性分子具有较强的亲和力； • d.热稳定性和化学稳定性好，在较高的温度下仍有 较大的吸附能力。
（2）降压脱附 降低压强也就是降低吸附质分子在气相中的分压， 从而有助于吸附质分子从固相转入气相，达到脱附的目 的。工程上采用降低吸附操作压力，或对吸附床抽真空 进行脱附。 采用降压脱附要考虑系统的安全性和经济性。 （3）置换脱附 采用在脱附条件下与吸附剂亲合能力比原吸附质更 强的物质，将原吸附质置换下来的方法，称为置换脱附。 置换脱附特别适用于对热敏感性强的吸附质，能使吸附 质的残留负荷达到很低。 在气体净化中常使用热的水蒸汽作脱附剂。
200～600
0.836～ 1.254 423 15～25 373～413 600～ 1600
750～ 1000
0.836～ 1.045 773 18～48 473～523 210～360
800
0.92 673 22 393～ 423 600
800
0.794 873 4 473～573 ——
800
0.794 873 5 473～573 ——
800
—— 873 13 473～573 ——
常用吸附剂特性
• 活性炭：是许多具有吸附性能的碳基物质的总称。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。比表面 积一般可达700～1000m2 ／g，具有优良和广泛的吸附 能力。 • 非极性吸附剂，具有疏水性和亲有机物的性质，它能 吸附绝大部分有机气体，如苯类、醛酮类、醇类、烃 类等以及恶臭物质，同时由于活性炭的孔径范围宽， 即使对一些极性吸附质和一些特大分子的有机物质， 仍然表现出了它的优良的吸附能力，如在SO2、NOx、 Cl2 、H2S、CO2 等有害气体治理中，有着广泛的用途。
m kP n lg m lg k n lg P

lgm对lgP作图为直线
m－单位吸附剂的吸附量
P－吸附质在气相中的平衡分压 K,n－经验常数, 实验确定
吸附方程式

朗格缪尔（Langmuir）方程（I型等温线）
ABP XT 1 BP P 1 P V BVm Vm
•
•
物理吸附和化学吸附
•
温度的影响：化学吸附可以看成是一个表面过程，这类吸附 往往需要一定的活化能，它的吸附与脱附速度都较小。温度 升高时，化学吸附速率和脱附速率都显著增加。而物理吸附 不是一个活化过程，不需要活化能（即使需要也很少）。此 类吸附的吸附速率和脱附速率都很快，一般不受温度的影响。 它的吸附量随温度升高而下降。
常用吸附剂特性
• 活性炭纤维：是一种新型的高性能活性炭吸附材料， 它是利用超细纤维如粘胶丝、酚醛纤维或晴纶纤维等 制成毡状、绳状、布状等，经高温（1200K以上）炭化， 用水蒸汽活化后制成的。 • 活性炭纤维的表面积大，有的可高达2500 m2/g，密度 小，微孔多而均匀，吸附容量大；同时，由于活性炭 纤维的微孔孔道特别短，吸附和脱附速率高，吸附速 率是颗粒活性炭的10~100倍；脱附残留量少，使用寿 命长。 • 活性炭纤维对各种无机和有机气体、水溶液中的有机 物、重金属离子等具有较大的吸附容量和较快的吸附 速率，其吸附能力比一般的活性炭高1～10倍，特别是 对于一些恶臭物质的吸附量比颗粒活性炭要高出40倍 左右。
气体吸附的影响因素

操作条件

低温有利于物理吸附；高温利于化学吸附 增大气相压力利于吸附 操作气速：0.2-0.6m/s（停留时间大于1S）

吸附剂性质
比表面积（孔隙率、孔径、粒度等）

fVm W N0 A f 22.4 103

－比表面积，m2/g
f －单位体积气体铺成单分子层的面积,m2/mL N0－阿佛加德罗常数 A －吸附质分子横截面积,m2 Vm－吸附剂表面被单层分子铺满时的气体体积，mL W－吸附剂的重量，g
V－被吸附气体在标态下的体积 P－吸附质在气相中的平衡分压 Vm－吸附剂被覆盖满一层时吸附气体在标态下的体积 B－吸附与解析速率常数之比
吸附方程式

BET方程（I、II、III型等温线，多分子层吸附）
V VmCP ( P0 P )[1 (C 1) P / P0 ]
P 1 (C 1) P V ( P0 P ) VmC VmCP0
气体吸附的影响因素

吸附剂再生

升温再生
降压脱附
置换脱附 吹扫脱附 化学转化脱附
气体吸附的影响因素

吸附器设计时考虑的因素

要具有足够的气体流通面积和停留时间，它们都是吸附器 尺寸的函数；

要保证气流分布均匀，以致所有的过气断面都能得到充分 利用；
对于影响吸附过程的其它物质如粉尘、水蒸汽等要设预处 理装置，以除去入口气体中能污染吸附剂的杂质； 采用其它较为经济有效的工艺，预先除去入口气体中的部 分组分，以减轻吸附系统的负荷； 要能够有效地控制和调节吸附操作温度；
第十一章 吸附法净化气态污染物
气体吸附

吸附

由于固体表面上的分子力处于不平衡或不饱和状态，这种 不饱和的结果使固体能够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。工业上的吸附操 作就是利用固体表面的这种特性，用多孔固体吸附剂将气 体（或液体）混合物中的组分浓集于固体表面



吸附质－被吸附物质
吸附剂－附着吸附质的物质
优点：效率高、可回收、设备简单
缺点：吸附容量小、设备体积大
吸附机理
物理吸附和化学吸附
物理吸附
1.吸附力－范德华力；
化学吸附
1.吸附力－化学键力；
2.不发生化学反应；
3.过程快，瞬间达到平衡； 4.放热反应；
2.发生化学反应；
3.过程慢； 4.升高温度有助于提高速率；
常用吸附剂特性
• 吸附树脂：最初的吸附树脂是酚-醛类缩合 高聚物，以后出现了一系列的交联共聚物 ，如聚苯乙烯、聚丙烯酯和聚丙烯酰胺类 的高聚物。这些大孔吸附树脂，有带功能 团的，也有不带功能团的；有非极性的， 也有强极性的很多种类。
吸附剂的选择步骤

初选：

依据吸附质的性质
气体浓度和净化要求
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，发生化学吸附
• •
吸附平衡

当吸附速度＝脱附速度时，吸附平衡，此时吸附量达 到极限值 极限吸附量受气体压力和温度的影响


吸附等温线
NH3在活性炭上的吸附等温线
吸附等温线
吸附方程式

弗罗德里希（Freundlich）方程（I型等温线中压部分）

内扩散速率
dM A K x P ( X A* X A ) dt

总吸附速率方程
dM A K y P (YA YA* ) K x P ( X A* X A ) dt 1 1 m 1 1 1 ; K y P k y P k x P K x P k x P k y Pm
常用吸附剂特性
• 硅胶：将水玻璃（硅酸钠）溶液用无机酸处理后所得 凝胶，经老化、水洗去盐，于398～408K下干燥脱水， 即得到坚硬多孔的固体颗粒硅胶。 • 硅胶是一种无定形链状和网状结构的硅酸聚合物，其 分子式为SiO2.nH2O，孔径分布均匀，亲水性极强，吸 收空气中的水分可达自身重量的50%，同时放出大量的 热，使其容易破碎。 • 硅胶在应用上有很大一部分是用作吸湿剂（干燥剂）， 在用作干燥剂时常加入氯化钴或溴化铜，以指示吸湿 程度。 • 硅胶是一种极性吸附剂，可以用来吸附SO2、NOX等气 体，但难于吸附非极性的有机物。硅胶还可用作催化 剂的载体。 。
吸附剂

吸附剂需具备的特性

内表面积大
具有选择性吸附作用
高机械强度、化学和热稳定性 吸附容量大 来源广泛，造价低廉 良好的再生性能
常用吸附剂特性
吸附剂类型 活性炭 活性氧化 铝 沸石分子筛 硅胶 4A 5A 13x
堆 积 密 度 /kg·m-3
热 容 /kJ(kg· -1 K) 操作温度上 限/K 平均孔径/Å 再 生 温 度 /K 比表面积 / ㎡·g-1