§7-2 吸附法净化气态污染物

1. §7-2 吸附法净化气态污染物 概述 1. 定义 吸附：利用多孔性固体使混合物中的一种或几种组分 浓集在固体表面从而分离的过程。 吸附质：能被吸附的物质. 吸附剂：能吸附吸附质的物质.

2. 2. 特点： （1）适于处理低浓度废气，并可回收有用组分，流程短， 净化效率高，设备简单。 （2）吸附容量较小、设备体积大。

3. 3.主要内容： • §7-2-1 吸附过程与吸附剂 • §7-2-2 吸附理论 • §7-2-3 吸附设备 • §7-2-4 固定床吸附器的计算

4. 物理吸附 化学吸附 作用力 静电力或范德华力 化学键力 吸附热 相当于被吸附气体的凝结热 较小，20 kJ/mol 较大，80～400 kJ/mol 可逆性 可逆的 不可逆（无法还原为原有物质） 吸附速率 快 慢 吸附层数 单分子层，多分子层 单分子层或单原子层 §7-2-1 吸附过程与吸附剂 一、吸附过程

5. 二. 吸附剂 1. 对工业吸附剂的要求 • 内表面积大; • 具有较好的选择性; • 吸附容量大; 吸附容量:在一定温度和一定的吸附质浓度下,单位质量 或单位体积吸附剂所能吸附的最大吸附质质量. • 足够的机械强度、化学和热稳定性; • 来源广泛,造价低廉等.

6. 2.常用工业吸附剂 （1）活性炭 按形状分：粒炭和粉炭 非极性吸附剂，具有疏水性和亲有机物性。 可吸附：苯类、恶臭物质、醛酮类等。 （2）活性氧化铝 根据晶格构造分：α型和γ型 极性吸附剂，对水的吸附容量很大。 用于：气体的干燥，脱硫及含氟废气净化等。

7. （3）硅胶 分子式: SiO2.nH2O 极性吸附剂，亲水性强，孔径均一。 常用作干燥剂，也可作催化剂载体。 (4) 沸石分子筛 ［M2(Ⅰ)·M2(Ⅱ)］O·Al2O3·nSiO2·mH2O 其中：M2(Ⅰ) ——一价金属； M2(Ⅱ) ——二价金属； n——硅铝比； m——结晶水摩尔数。 特点:孔径均一、吸附容量大、吸附选择性强。 可净化：SO2、NOX 等。

8. （5） 白土 分为：漂白土和酸性白土。 主要成分：硅铝酸盐。 用途：油类脱色、除臭。

9. 三. 影响气体吸附的因素 1. 操作条件 （1） 温度 物理吸附，T￬有利； 化学吸附，T￪有利。 （2） 压力 P ￪，则PA￪，有利； P ￪ ，能耗￪； 一般常压操作

10. 固定床 v＝0.2～0.6m/s 极性吸附质 非极性吸附质 （3）气体流速v v￪ ，则τ￬，ΔP ￪ 不利； v ￬ ，则τ￪， ΔP ￬，有利； v ￬ ￬， A ￪ ￪，设备费￪，不利； 2. 吸附剂性质的影响 （1）极性 极性吸附剂 非极性吸附剂

11. （2）表面积 a.比表面积 式中：δ ——吸附剂的比表面积，m2/g； f ——单位体积气体铺成单分子层时所占面积， m2/ml； 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。 式中：N0——阿佛加德罗常数，6.02× 1023； A——一个吸附质分子的横截面积， m2；

12. b. 有效表面积 定义：吸附质分子能进入的表面积（微孔） 微孔孔径 >分子临界直径（分子所能进入的最小孔径） 3. 吸附质性质和浓度的影响 （1）性质 临界直径（见表7－13）、沸点、分子量、饱和性等 （ 2）浓度 C0 ￪，吸附量￪； C0 ￪ ￪ ，较早达饱和，吸附剂用量大，再生频繁。

13. 4. 吸附器设计的影响 （1）对吸附器的要求 ① 有足够的气流流通面积和停留时间 ② 气流分布均匀 ③ 有效控制和调节吸附操作温度 ④ 易于更换吸附剂

14. （2） 对工艺的要求 ① 预先除去杂质，防止吸附器污染。 ② 对高浓度气体进行一级处理，将吸附作为二级 处理，以减轻吸附系统负荷。

15. §7-2-2 吸附理论 一、吸附平衡 1. 平衡关系的表示 某时刻： 吸附速度＝脱附速度 → 动态吸附平衡 此时，吸附质在气相中的浓度称为平衡浓度→ p* 吸附质在固相中的浓度称为平衡吸附量 →XT XT为吸附剂吸附量的极限值，亦称静活性。

16. 对于一定的吸附剂， XT＝f（T，p） 固定温度T，则 XT＝f（p） → 等温吸附方程 2. 吸附等温线 描述一定温度下，被吸附剂吸附的物质的最大量（平衡吸 附量）与气相中吸附质平衡分压之间关系的曲线。 P279-280:图7-15、7-16。

17. NH3在活性炭上的吸附等温线

18. 上图中：相对压力为：p/pv；p——气相中吸附质分压；上图中：相对压力为：p/pv；p——气相中吸附质分压； pv ——一定温度下，吸附质的饱和蒸气压。

19. 式中：XT —— 被吸附组分的质量与吸附剂质量的比值， g质/g剂； 3. 吸附等温线方程 （1） Freundlich 方程 k，n —— 经验常数，通常n＞1，由实验测定。 将上式两边取对数，则 ——适用于Ⅰ型等温线中压部分

20. （2） Langmuir方程——单分子层吸附 式中：A ——饱和吸附量； V ——气体分压为p时被吸附气体在标准状态下的 体积； V m——吸附剂被覆盖满一层时被吸附气体在标准状态 下的体积； A、B ——常数。 ——适用于Ⅰ型等温线。

21. (3)BET方程——多分子层吸附 式中： V ——吸附达平衡的气体吸附量,ml ； Vm——固体表面盖满单分子层所吸附的气体体积，ml； P ——被吸附组分在气相中的平衡分压， Pa ； P0——在吸附温度下该气体的饱和蒸汽压， Pa ； C ——与吸附热有关的常数。 ——适用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型等温线（p/p0=0.05~0.35）

22. 外扩散（气流主体 外表面） • 内扩散（外表面 内表面） 控制步骤 二、吸附速率 1. 吸附过程及控制步骤 1）吸附过程 • 吸附 2）控制步骤 外扩散 （慢） 内扩散 （慢） 吸附(物理） （快）

23. 2. 物理吸附速率公式 （1） 外扩散速率 式中：dMA—— dt时间内吸附质从气相扩散至固体表面的 质量，kg/m3剂; ky——外扩散吸附分系数， kg/（m2.s）； ap——单位体积吸附剂的吸附表面积， m2 /m3 ; YA、 YAi——分别为A在气相主体及吸附剂外表面的浓 度，质量分数 ;

24. （2） 内扩散速率 式中：kx——内扩散吸附分系数， kg/（m2.s）； XA、XAi——分别为A在固相中及吸附剂外表面的 浓度，质量分数 。

25. （3） 总吸附速率方程式 式中：KY、 KX——分别为气相及吸附相吸附总系数，kg/（m2.s）； YA、YA*——分别为吸附平衡时A在气相及与A在吸 附相浓度成平衡的气相浓度，质量分数 ； XA、XA* ——分别为A在吸附相浓度及与A在气相浓度YA 成平衡的吸附相浓度，质量分数 。

26. 分吸附系数与总吸附系数的关系 m——吸附平衡曲线的斜率。

27. 3、活性炭吸附速率计算公式 巴厄姆:活性炭吸附SO2、甲苯、 氨蒸气等

28. 三、 吸附剂解吸（脱附）方法 1. 升温 等压下，吸附容量随温度升高而降低。 常用脱附剂：水蒸气、热空气 2. 降压（吹扫脱附） 等温下，吸附容量随压力降低而减小。 吸附剂吸附饱和时：XT, PA*； 降低压力，则 PA ￬， 平衡时XT’ ￬,

29. 3. 置换解吸 采用与吸附剂结合能力更强的物质进行解吸。 4. 溶剂萃取 使吸附质在溶剂中的溶解性能大于吸附剂对吸附质的吸 附能力。 5. 化学转化脱附 化学反应

30. g g g b.卧式 g g 吸附剂 a.立式 c.环式（径向式） §7-2-3 吸附设备 一、固定床——吸附剂固定不动 处理气量大， h=0.5-1.0m。 处理小气量， h=0.5-2.0m。 结构简单，吸附截面积大， 处理能力大，阻力小 。

31. 特点：1.结构简单、制造容易、价格低廉； 2.适于小气量、间歇性污染源治理； 3.应用广泛。

32. 固定床吸附工艺

33. 二、移动床——吸附剂移动

34. 特点：1.吸附剂在吸附床中不断移动； 2.处理气量大，吸附剂可循环使用，适用于稳定、连 续、量大的气体净化； 3.吸附和脱附连续完成； 4.动力和热量消耗较大，吸附剂磨损较为严重。

36. 三、流化床——吸附剂运动（流化态） 当空气自下而上地穿过固体颗粒随意填充状态的料层，而气流速度达到或超过颗粒的临界流化速度时，料层中颗粒呈上下翻腾，并有部分颗粒被气流夹带出料层的状态。 床层的这种状态和液体相似称为流化床。

37. 特点： 1.气体速度大，气固相均处于流化状态，强化了 气固传质； 2.处理能力大，适合于治理连续性、大气量的污染源； 3.吸附器和吸附剂磨损严重，排出气体中带有吸附剂 粉末，需增设除尘设备。

39. 废气 I II III 净化气 §7-2-4 固定床吸附器的计算 一、固定床吸附器的吸附过程 吸附剂床层可分为三个区域： Ⅰ：饱和区(所有吸附剂已达到饱和） Ⅱ：吸附区/传质区（部分吸附剂还在吸附） Ⅲ：未用区（所有吸附剂上均没有吸附质）

40. 1.吸附负荷曲线 吸附负荷：气体进入吸附器吸附一定时间后，吸附 质在吸附剂上的浓度（吸附剂吸附量），x。 吸附负荷曲线：某瞬间,吸附床层内吸附质浓度 x 随床 层长度L变化的曲线。

41. 相等 x 0 L L’ L’’ 理想吸附负荷曲线 ① 理想状态 设床层无阻力，吸附在瞬间达到平衡。 则床层内所有断面上的吸附负荷均为一相同值。 吸附负荷曲线为直角形的折线。

42. 负荷曲线 x I I II III II 不 相 等 0 III L0 L 实际吸附负荷曲线 ②实际操作 床层中存在阻力，某一瞬间，床层内各截面上的吸附负荷会有差异。

43. 吸附波（吸附前沿） 吸附负荷曲线被形象地称为吸附波。 传质区（吸附区）高度 一个吸附波所占据的床层高度称为传质区高度L0。 吸附负荷曲线形状与阻力之间有联系 （1）曲线平缓，则吸附速率慢，过程阻力大； （2）曲线陡峭，则吸附速率快，过程阻力小； （3）曲线为垂线，则吸附速率无穷大，阻力为0，传质区为一面。

44. Y Y 0 Y 饱和点 E 穿透点 Y w B w E w B Y ——出口气体中污染物浓度， kg污染物/ kg惰性气体； w ——排出气体的量， kg惰性气体/m2； GS ——通过床层的惰性气体流量， kg/（s.m2 )。 2. 透过曲线 表示床层流出物中吸附质浓度随时间变化的曲线。 0 ——表示入口；下标B——表示床层被穿透；下标E——表示床层被饱和；

45. 1）床层穿透：流出床层气体中吸附质达到某一容许最大浓度1）床层穿透：流出床层气体中吸附质达到某一容许最大浓度 时，称床层穿透。 穿透时间：从气流通入床层开始至床层被穿透的时间，τB。 动活性：床层被穿透时，单位体积（质量）吸附剂所吸附 的吸附质的量。

46. 2）床层饱和：流出床层气体中吸附质浓度与入口浓度相等2）床层饱和：流出床层气体中吸附质浓度与入口浓度相等 时，称床层饱和。 饱和时间：从气流通入到床层饱和的时间，τE。 静活性：床层饱和时，单位体积（质量）吸附剂所吸附 的吸附质的量。

47. x 负荷曲线 I II III 0 L0 L 小结：1、随着吸附过程的进行，吸附波以一定的速度不断向 前移动（绿色曲线）。饱和区逐渐变长，未用区逐渐 缩短，传质区基本保持不变。 2、床层穿透时，吸附波到达床层出口端（蓝色曲线）， 未用区消失。 3、床层饱和时，吸附波完全移出吸附床（紫色曲线） ， 饱和区占据整个床层。

48. I II x 未饱和 饱和 0 L 4、对于理想吸附操作，床层穿透时间和饱和时间相等， 静活性和动活性相等。 5、吸附波越平缓，则传质区越长，吸附剂利用率越低； 吸附波越陡峭，则传质区越短，吸附剂利用率越高； 吸附波为一垂线，则传质区长度为0，吸附剂利用率最高。

49. 二、 保护作用时间的确定 　 定义：吸附操作开始至吸附床层被穿透所经历的时间。 1、希洛夫公式 假定 1）保护作用时间τ′内，床层全部达饱和； 2）气相中吸附质浓度很大，吸附等温线 　　　　　　符合Ⅰ型。

50. 物料衡算（理想状态）: 气体中吸附质的减少量＝吸附剂吸附的吸附质的量 令：a ——吸附剂的静活性（平衡吸附量），kg质/kg剂 ； L ——吸附床长度，m ； v ——气流流速，m/s ； ρb——吸附剂的堆积密度，kg/m3； Co——气体中吸附质浓度，kg/m3； S ——床层截面积；τ′——保护作用时间，s 。 则 C0·ν·S·τ′＝ a·ρb·L·S