[科普中国]-吸附处理气态污染物

释义

吸附是利用多孔性固体物质表面上未平衡或未饱和的分子力，把气体混合物中的一种或几种有害组分吸留在固体表面，将其从气流中分离而除去的净化操作过程。具有吸附能力的固体物质称为吸附剂，被吸附到固体表面的物质称为吸附质。

吸附净化属于干法工艺，它与湿法，例如吸收净化法相比，具有工艺流程简单、无腐蚀性、净化效率高、一般无二次污染等优点。吸附不仅用于废气的净化，也广泛地用于污水的处理。在大气污染控制中，吸附过程能够有效地分离出废气中浓度很低的气态污染物。例如低浓度SO2及NOx尾气的净化，吸附净化后的尾气能够达到排放标准，分离出来的污染物还可以作为资源回收利用。因此，吸附净化法在废气治理中有着十分重要的地位。1

吸附的分类吸附过程根据吸附作用力的性质分为物理吸附和化学吸附两类。

（1）物理吸附

引起物理吸附的作用力是吸附剂和吸附质之间的分子引力，分子引力又称为范德华力，因此物理吸附亦称为范德华吸附。这一类吸附的特征是吸附质与吸附剂不发生化学反应，无选择性，吸附剂本身性质在吸附过程中不变化，吸附过程是可逆的。物理吸附是一种放热过程，释放出的热量称为吸附热。物理吸附的吸附热相当于被吸附气体的升华热，或凝结热，一般为20kJ/mol左右。当系统温度升高或被吸附气体的压力下降时，被吸附气体将从固体表面逸出，这个过程是吸附的逆过程，称为解吸。物理吸附可以是单分子层吸附，也可以是多分子层吸附。多分子层吸附是指吸附剂表面吸附了第一层分子之后，由于表面的气体分子引力还可以吸附第二层吸附质分子，以此类推可继续发生多分子层吸附。低压时，一般为单分子层吸附，当吸附质的气压增大时，吸附层就会变成多分子层。

（2）化学吸附

又称为活性吸附，这类吸附是由于吸附剂表面与吸附质分子问的化学健力引起的，吸附的结果是吸附剂表面生成一种结合物。因此，化学吸附具有较强的选择性，只能吸附参与化学反应的气体组分，例如钨和镍可以化学吸附H2，而H2却不能被铝和铜化学吸附。化学吸附的吸附热比物理吸附热大，一般都高于42kJ/mol，相当于化学反应热。化学吸附是不可逆的，而且总是单分子层吸附。

应当指出，物理吸附和化学吸附之间没有严格的界限，往往相伴发生。同一种物质在低温下，可能是进行物理吸附，而在较高温度下，就可能产生化学吸附。在气态污染物的吸附净化过程中，常常是两种吸附综合作用的结果，只是在某种特定条件下，以某一种吸附过程为主而已。

吸附剂及其性质（1）吸附剂的选择原则

工业吸附剂应具备一些要求：

① 吸附能力强，吸附容量大。吸附容量是指在一定的温度、吸附质浓度下，单位质量（或单位体积）吸附剂所能吸附的最大量。吸附量大，可降低处理单位流体所需的吸附剂用量。

② 具有大的比表面积和孔隙率。气体吸附剂的比表面积一般在(500～3000)m/g之间，吸附剂的有效表面积包括颗粒的外表面积和内表面积。而内表面积总比外表面积大得多，只有具有高度疏松结构和巨大暴露表面积的孔性物质，才能提供如此巨大的比表面积。

③ 具有良好的选择性。尤其针对混合气体，选择性是选择吸附剂的首选条件之一。

④ 机械强度、化学稳定性、热稳定性等性能良好，使用寿命长。吸附剂是在温度、湿度、压力等操作条件变化的情况下工作的，这就要求吸附剂有良好的机械强度和稳定性。尤其是采用流化床吸附装置，吸附剂的磨损大，对机械强度的要求更高，否则将破坏吸附的正常操作。

⑤ 颗粒均匀。如果颗粒太小不均匀，易造成短路和流速分布不均，引起气流返混，降低吸附分离效率；若颗粒太小，床层阻力过大，严重时会将吸附剂带出器外。

⑥ 再生容易。吸附剂在吸附后需再生重用，不间断地进行吸附与再生操作，再生活性稳定。

⑦ 价格低廉易得。2

（2）吸附剂

① 活性炭

制取活性炭的原料有木材、泥煤、果核、椰壳、骨、血等。制取活性炭最常用的方法是将原料在缺少空气的高温条件下干馏，制得粗炭，然后再进行活化处理将堵塞孔隙的干馏物质除去，一般采用烧除法。

活性炭可按需要制成不同形状和粒度，如粉末活性炭、颗粒状活性炭及柱状活性炭。活性炭是应用非常广泛的吸附剂，它常常被用来吸附净化尾气中的有机蒸气、恶臭物质和某些有毒有害气体。

② 硅胶

硅胶是粒状无晶形氧化硅，它是用硅酸钠(水玻璃)与硫酸、或盐酸或酸性酸溶液反应生成硅酸凝胶(SiO2·nH2O)，然后在115～130℃条件下烘干、破碎、筛分而取成各种粒度的产品。

硅胶的特点是具有很好的亲水性，硅胶最大吸水量可达本身质量的50%。因此，硅胶主要用来处理含湿量高的气体，进行干燥脱水。但硅胶吸附水分后就降低了对其他气体的吸附能力。硅胶大量用于气体的干燥和烃类气体回收。

③ 活性氧化铝

活性氧化铝是部分水化的、多孔的、无定形的氧化铝，它是以氢氧化铝作原料，经过焙烧、成型而制取的。活性氧化铝具有优先吸附水分的特性，因此主要用作气体的干燥剂。它对有些无机物具有较好的吸附作用，故常用于石油气的脱硫以及含氟废气的净化。

④ 沸石分子筛(简称分子筛)

分子筛是一种人工合成的沸石，具有许多直径均匀的微孔和排列整齐的孔穴．是具有多孔骨架结构的硅铝酸盐结晶体。

（3）吸附剂再生

在吸附床层操作接近于破点时，就认为吸附床层已失去活性不能再用，必须进行再生。吸附剂再生常用的方法如表9—6所示。

表9—6吸附剂再生方法

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影响吸附的因素（1）操作条件

低温有利于物理吸附，提高温度有利于化学吸附。增大气相主体的压力，从而增大了吸附质的分压，有利于吸附，但压力增大会增加能耗，且操作要求高，故一般不增加设备。气体流速大，压损大并使吸附质和吸附剂接触时间短，不利于吸附，气流速度应控制在一定范围内，对固定床吸附器而言，气流速度控制在0.2～0.6m/s范围内。

（2）吸附剂性质

吸附剂的孔隙率、孔径、颗粒度等影响其比表面面积的大小，因而影响吸附效果。

（3）吸附质的性质与浓度

其临界直径、分子量、沸点和饱和性等影响吸附量。若用同种活性炭吸附结构相似的有机物时，吸附质分子量越大，沸点越高，不饱和性越大，越易被吸附。

吸附装置用于有机溶剂回收、混合气体分离、废气净化的吸附装置有固定床吸附器、回转床吸附器、移动床吸附器、流化床吸附器等4类。

（1）固定床吸附器

固定床吸附器有多种型式，固定床吸附器结构简单、操作简便、操作弹性大、适用浓度范围广等优点。但对单台吸附器来说，吸附操作是间歇进行的，一般需两台以上的吸附器交替进行吸附和再生操作，才能使吸附过程连续进行。

（2）回转床吸附器

吸附床一般为圆筒形，吸附床绕其轴缓慢回转，隔板和外壳罩固定不动。隔板将回转床吸附器分成2个区。即吸附区、再生区。废气、再生用热空气从装置的一侧进入，然后由另一侧流出。这样回转吸附床在旋转一周中到达吸附区时，进行废气的净化，吸附床层被吸附质饱和而失去吸附活性；到达再生区时，进行床层的再生，使吸附质解吸，吸附剂恢复吸附能力，为吸附床再次投入吸附操作做好准备。这样吸附和再生过程是连续进行的。回转床吸附器适用于废气连续排放、气态污染物的浓度较大、污染物有回收价值而需回收的场合，但只能处理中等气量或小气量。

（3）流动床吸附器

吸附装置上部为吸附段，下部为再生段(包括预热段)，废气从该装置的中部进入，颗粒状吸附剂从装置的上部进入，废气与吸附剂二者呈逆流，每块塔板上的吸附剂呈流化状，并自上而下移动，最后进入再生段，经过热蒸汽间接加热基本达到要求的再生温度，再生用的蒸汽从再生段的下部进入，进行吸附剂的再生，从吸附剂上脱附的吸附质，从再生段中部引出吸附装置，再经冷凝回收吸附质。从再生段下部出来的吸附剂已恢复了吸附能力，用空气沿中心管再送入吸附段进行吸附操作，如此不断循环。流动床吸附器的吸附和再生都在吸附装置中进行，吸附操作是连续的，且气量大小均可适用，缺点是吸附器和吸附剂的磨损大。