氣體吸附是一種固體表面現象，是利用多孔性固體吸附劑處理氣體混合物，使其中所含的一種或數種氣體組分吸附於固體表面上，以達到氣體分離的單元操作過程。吸附技術因為其選擇性高、分離效果好、淨化效率高、設備簡單、操作方便、能分離其它過程難以分離的混合物、可有效地分離濃度很低的有害物質、易實現自動控制，被廣泛套用於化工、環保等領域。
基本介紹
- 中文名：吸附處理氣態污染物
- 外文名：Adsorption treatment of gaseous pollutants
- 套用學科：環境工程
- 適用領域範圍：大氣污染控制
- 套用：氣態污染物
- 性質：技術
釋義,吸附的分類,吸附劑及其性質,影響吸附的因素,吸附裝置,
釋義
吸附是利用多孔性固體物質表面上未平衡或未飽和的分子力，把氣體混合物中的一種或幾種有害組分吸留在固體表面，將其從氣流中分離而除去的淨化操作過程。具有吸附能力的固體物質稱為吸附劑，被吸附到固體表面的物質稱為吸附質。
吸附淨化屬於乾法工藝，它與濕法，例如吸收淨化法相比，具有工藝流程簡單、無腐蝕性、淨化效率高、一般無二次污染等優點。吸附不僅用於廢氣的淨化，也廣泛地用於污水的處理。在大氣污染控制中，吸附過程能夠有效地分離出廢氣中濃度很低的氣態污染物。例如低濃度SO2及NOx尾氣的淨化，吸附淨化後的尾氣能夠達到排放標準，分離出來的污染物還可以作為資源回收利用。因此，吸附淨化法在廢氣治理中有著十分重要的地位。
吸附的分類
吸附過程根據吸附作用力的性質分為物理吸附和化學吸附兩類。
（1）物理吸附
引起物理吸附的作用力是吸附劑和吸附質之間的分子引力，分子引力又稱為范德華力，因此物理吸附亦稱為范德華吸附。這一類吸附的特徵是吸附質與吸附劑不發生化學反應，無選擇性，吸附劑本身性質在吸附過程中不變化，吸附過程是可逆的。物理吸附是一种放熱過程，釋放出的熱量稱為吸附熱。物理吸附的吸附熱相當於被吸附氣體的升華熱，或凝結熱，一般為20kJ/mol左右。當系統溫度升高或被吸附氣體的壓力下降時，被吸附氣體將從固體表面逸出，這個過程是吸附的逆過程，稱為解吸。物理吸附可以是單分子層吸附，也可以是多分子層吸附。多分子層吸附是指吸附劑表面吸附了第一層分子之後，由於表面的氣體分子引力還可以吸附第二層吸附質分子，以此類推可繼續發生多分子層吸附。低壓時，一般為單分子層吸附，當吸附質的氣壓增大時，吸附層就會變成多分子層。
（2）化學吸附
又稱為活性吸附，這類吸附是由於吸附劑表面與吸附質分子問的化學健力引起的，吸附的結果是吸附劑表面生成一種結合物。因此，化學吸附具有較強的選擇性，只能吸附參與化學反應的氣體組分，例如鎢和鎳可以化學吸附H2，而H2卻不能被鋁和銅化學吸附。化學吸附的吸附熱比物理吸附熱大，一般都高於42kJ/mol，相當於化學反應熱。化學吸附是不可逆的，而且總是單分子層吸附。
應當指出，物理吸附和化學吸附之間沒有嚴格的界限，往往相伴發生。同一種物質在低溫下，可能是進行物理吸附，而在較高溫度下，就可能產生化學吸附。在氣態污染物的吸附淨化過程中，常常是兩種吸附綜合作用的結果，只是在某種特定條件下，以某一種吸附過程為主而已。
吸附劑及其性質
（1）吸附劑的選擇原則
工業吸附劑應具備一些要求：
① 吸附能力強，吸附容量大。吸附容量是指在一定的溫度、吸附質濃度下，單位質量（或單位體積）吸附劑所能吸附的最大量。吸附量大，可降低處理單位流體所需的吸附劑用量。
② 具有大的比表面積和孔隙率。氣體吸附劑的比表面積一般在(500～3000)m/g之間，吸附劑的有效表面積包括顆粒的外表面積和內表面積。而內表面積總比外表面積大得多，只有具有高度疏鬆結構和巨大暴露表面積的孔性物質，才能提供如此巨大的比表面積。
③ 具有良好的選擇性。尤其針對混合氣體，選擇性是選擇吸附劑的首選條件之一。
④ 機械強度、化學穩定性、熱穩定性等性能良好，使用壽命長。吸附劑是在溫度、濕度、壓力等操作條件變化的情況下工作的，這就要求吸附劑有良好的機械強度和穩定性。尤其是採用流化床吸附裝置，吸附劑的磨損大，對機械強度的要求更高，否則將破壞吸附的正常操作。
⑤ 顆粒均勻。如果顆粒太小不均勻，易造成短路和流速分布不均，引起氣流返混，降低吸附分離效率；若顆粒太小，床層阻力過大，嚴重時會將吸附劑帶出器外。
⑥ 再生容易。吸附劑在吸附後需再生重用，不間斷地進行吸附與再生操作，再生活性穩定。
⑦ 價格低廉易得。
（2）吸附劑
① 活性炭
製取活性炭的原料有木材、泥煤、果核、椰殼、骨、血等。製取活性炭最常用的方法是將原料在缺少空氣的高溫條件下乾餾，製得粗炭，然後再進行活化處理將堵塞孔隙的乾餾物質除去，一般採用燒除法。
活性炭可按需要製成不同形狀和粒度，如粉末活性炭、顆粒狀活性炭及柱狀活性炭。活性炭是套用非常廣泛的吸附劑，它常常被用來吸附淨化尾氣中的有機蒸氣、惡臭物質和某些有毒有害氣體。
② 矽膠
矽膠是粒狀無晶形氧化矽，它是用矽酸鈉(水玻璃)與硫酸、或鹽酸或酸性酸溶液反應生成矽酸凝膠(SiO2·nH2O)，然後在115～130℃條件下烘乾、破碎、篩分而取成各種粒度的產品。
矽膠的特點是具有很好的親水性，矽膠最大吸水量可達本身質量的50%。因此，矽膠主要用來處理含濕量高的氣體，進行乾燥脫水。但矽膠吸附水分後就降低了對其他氣體的吸附能力。矽膠大量用於氣體的乾燥和烴類氣體回收。
③ 活性氧化鋁
活性氧化鋁是部分水化的、多孔的、無定形的氧化鋁，它是以氫氧化鋁作原料，經過焙燒、成型而製取的。活性氧化鋁具有優先吸附水分的特性，因此主要用作氣體的乾燥劑。它對有些無機物具有較好的吸附作用，故常用於石油氣的脫硫以及含氟廢氣的淨化。
④ 沸石分子篩(簡稱分子篩)
分子篩是一種人工合成的沸石，具有許多直徑均勻的微孔和排列整齊的孔穴．是具有多孔骨架結構的矽鋁酸鹽結晶體。
（3）吸附劑再生
在吸附床層操作接近於破點時，就認為吸附床層已失去活性不能再用，必須進行再生。吸附劑再生常用的方法如表9—6所示。
表9—6吸附劑再生方法
吸附劑再生方法 | 特點 |
熱再生 | 使熱氣流(蒸氣、熱空氣或惰性氣體)與床層接觸直接加熱床層，吸附質可解析釋放，吸附劑恢復吸附性能。不同吸附劑允許加熱的溫度不同。 |
降壓再生 | 再生時壓力低於吸附操作時的壓力，或對床層抽真空，使吸附質解析出來，再生溫度可與吸附溫度相同。 |
通氣吹掃再生 | 向再生設備中通入基本上無吸附性的吹掃氣，降低吸附質在氣相中分壓，使其解吸出來。操作溫度越高，通氣溫度愈低，效果愈好。 |
置換脫附再生 | 採用可吸附的吹掃氣，置換床層中已被吸附的物質，吹掃氣的吸附性愈強，床層解析效果愈好，比較適用於對溫度敏感的物質。為使吸附劑再生，還需對再吸附物進行解吸。 |
化學再生 | 向床層通入某種物質使吸附質發生化學反應，生成不易被吸附質而解吸下來。 |
影響吸附的因素
（1）操作條件
低溫有利於物理吸附，提高溫度有利於化學吸附。增大氣相主體的壓力，從而增大了吸附質的分壓，有利於吸附，但壓力增大會增加能耗，且操作要求高，故一般不增加設備。氣體流速大，壓損大並使吸附質和吸附劑接觸時間短，不利於吸附，氣流速度應控制在一定範圍內，對固定床吸附器而言，氣流速度控制在0.2～0.6m/s範圍內。
（2）吸附劑性質
吸附劑的孔隙率、孔徑、顆粒度等影響其比表面面積的大小，因而影響吸附效果。
（3）吸附質的性質與濃度
其臨界直徑、分子量、沸點和飽和性等影響吸附量。若用同種活性炭吸附結構相似的有機物時，吸附質分子量越大，沸點越高，不飽和性越大，越易被吸附。
吸附裝置
用於有機溶劑回收、混合氣體分離、廢氣淨化的吸附裝置有固定床吸附器、迴轉床吸附器、移動床吸附器、流化床吸附器等4類。
（1）固定床吸附器
固定床吸附器有多種型式，固定床吸附器結構簡單、操作簡便、操作彈性大、適用濃度範圍廣等優點。但對單台吸附器來說，吸附操作是間歇進行的，一般需兩台以上的吸附器交替進行吸附和再生操作，才能使吸附過程連續進行。
（2）迴轉床吸附器
吸附床一般為圓筒形，吸附床繞其軸緩慢迴轉，隔板和外殼罩固定不動。隔板將迴轉床吸附器分成2個區。即吸附區、再生區。廢氣、再生用熱空氣從裝置的一側進入，然後由另一側流出。這樣迴轉吸附床在旋轉一周中到達吸附區時，進行廢氣的淨化，吸附床層被吸附質飽和而失去吸附活性；到達再生區時，進行床層的再生，使吸附質解吸，吸附劑恢復吸附能力，為吸附床再次投入吸附操作做好準備。這樣吸附和再生過程是連續進行的。迴轉床吸附器適用於廢氣連續排放、氣態污染物的濃度較大、污染物有回收價值而需回收的場合，但只能處理中等氣量或小氣量。
（3）流動床吸附器
吸附裝置上部為吸附段，下部為再生段(包括預熱段)，廢氣從該裝置的中部進入，顆粒狀吸附劑從裝置的上部進入，廢氣與吸附劑二者呈逆流，每塊塔板上的吸附劑呈流化狀，並自上而下移動，最後進入再生段，經過熱蒸汽間接加熱基本達到要求的再生溫度，再生用的蒸汽從再生段的下部進入，進行吸附劑的再生，從吸附劑上脫附的吸附質，從再生段中部引出吸附裝置，再經冷凝回收吸附質。從再生段下部出來的吸附劑已恢復了吸附能力，用空氣沿中心管再送入吸附段進行吸附操作，如此不斷循環。流動床吸附器的吸附和再生都在吸附裝置中進行，吸附操作是連續的，且氣量大小均可適用，缺點是吸附器和吸附劑的磨損大。
