吸附剂在废气处理中的应用
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作者:scrxyhb
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发布时间: 2019-07-04
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常用的吸附剂有以碳质为原料的各种活性炭吸附剂和金属、非金属氧化物类吸附剂(如硅胶、氧化铝、分子筛、天然黏土等)。衡量吸附剂的主要指标有：对不同气体杂质的吸附容量、磨耗率、松装堆积密度、比表面积、抗压碎强度等。吸附剂的良好吸附性能是由于它具有密集的细孔构造。
常用的吸附剂有以碳质为原料的各种活性炭吸附剂和金属、非金属氧化物类吸附剂(如硅胶、氧化铝、分子筛、天然黏土等)。衡量吸附剂的主要指标有：对不同气体杂质的吸附容量、磨耗率、松装堆积密度、比表面积、抗压碎强度等。吸附剂的良好吸附性能是由于它具有密集的细孔构造。
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吸附剂物理性能
孔容(VP)
吸附剂中微孔的容积称为孔容，通常以单位质量吸附剂中吸附剂微孔的容积来表示(cm3/g)。孔容是吸附剂的有效体积，它是用饱和吸附量推算出来的值，也就是吸附剂能容纳吸附质的体积，所以孔容以大为好。吸附剂的孔体积(Vk)不一定等于孔容(VP)，吸附剂中的微孔才有吸附作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的体积，一般要比VP大。
比表面积
即单位质量吸附剂所具有的表面积，常用单位是m2/g。吸附剂表面积每克有数百至千余平方米。吸附剂的表面积主要是微孔孔壁的表面，吸附剂外表面是很小的。
孔径与孔径分布
在吸附剂内，孔的形状极不规则，孔隙大小也各不相同。直径在0.1～10nm的孔称为细孔，直径在几十纳米以上的孔称为粗孔。细孔越多，则孔容越大，比表面也大，有利于吸附质的吸附。粗孔的作用是提供吸附质分子进入吸附剂的通路。粗孔和细孔的关系就像大街和小巷一样，外来分子通过粗孔才能迅速到达吸附剂的深处。所以粗孔也应占有适当的比例。活性炭和硅胶之类的吸附剂中粗孔和细孔是在制造过程中形成的。
沸石分子筛在合成时形成直径为数微米的晶体，其中只有均匀的细孔，成型时才形成晶体与晶体之间的粗孔。孔径分布是表示孔径大小与之对应的孔体积的关系，由此来表征吸附剂的孔特性。
吸附剂的脱附再生
置换脱附(水蒸气脱附)
置换脱附的工作原理是用比被吸附组分的吸附力更强的物质将被吸组分置换下来。其后果是吸附剂上又吸附了置换上去的物质，必须用其他的方法使它们分离。常用来置换的物质是水蒸气，因为水分子与活性炭的亲和力比其他有机物要高，且容易脱附。此方法的缺点是有废水产生，对于溶于水的有机物，二次分离困难。
升温脱附(热氮气脱附)
物质的吸附量是随温度的升高而减小的，将吸附剂的温度升高，可以使已被吸附的组分脱附下来，这种方法也称为变温脱附。通常以入氮气为载体，携带热量加热吸附剂，使有机物脱附下来，氮气是惰性气体，可以保护吸附剂在高温状态下的安全性。
减压脱附(真空脱附)
物质的吸附量是随压力的升高而升高的，在较高的压力下吸附，降低压力或者抽真空，可以使吸附剂再生。采用此工艺方法脱附的吸附也称变压吸附法。
吸附剂种类
颗粒活性炭
颗粒活性炭分为定型和不定型颗粒，以椰壳、果壳和煤质为原料，经系列生产工艺精加工而成。产品广泛应用于饮用水、工业用水、酿酒、废气处理、脱色、干燥剂、气体净化等领域。颗粒活性炭具有发达的孔隙结构，良好的吸附性能，机械强度高，易反复再生，造价低等特点；用于有毒气体的净化，废气处理，工业和生活用水的净化处理，溶剂回收等方面。
活性炭经过活化后碳晶格形成形状和大小不一的发达细孔，大大增加比表面积。由于炭粒的表面积很大，所以能与气体(杂质)充分接触。当这些气体(杂质)碰到毛细管被吸附，起净化作用。活性炭的吸附除了物理吸附，还有化学吸附。活性炭的吸附性既取决于孔隙结构，又取决于化学组成。
活性炭纤维
活性炭纤维(ACF)为纤维状，纤维上布满微孔，经过高温活化后，纤维表面布满微孔(即氢、氧原子挥发前所占位置)，其孔径为一根头发丝的十万分之一，活性炭纤维的纤维直径为5～20μm，比表面积平均在1000～1500m2/g，平均孔径在1.0～4.0nm，微孔均匀分布于纤维表面。从物理学可知，物体的表面对外存在引力，表面越大吸附力越大，活性炭纤维正是通过这种范德华力的作用吸附周边分子并牢固与微孔之中。效率高，且具有纤维、毡、布和纸等各种纤细的表态，孔隙直接开口在纤维表面，其吸附质到达吸附位的扩散路径短，且本身的外表面积较内表面积高出两个数量级。
与活性炭相比，活性炭纤维微孔孔径小而均匀，结构简单。所以，活性炭纤维对于吸附小分子物质吸附速率更快，吸附速率更高，也容易容易解吸附。
ACF是继广泛使用的粉末活性炭、颗粒活性炭之后的第三代新型吸附材料，能够吸附的有机物有：烃类(苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、正己烷、环己烷等)，卤代烃(氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、三氯乙烯、三氯乙烷、溴甲烷、四氯化等)，醛酮类(丙酮、环己酮、甲醛、乙醛、糠醛等)，酯类(醋酸乙酯、醋酸丁酯等)，醚类(甲醚、乙醚、甲乙醚等)，醇类(甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇等)，聚合用单体(氯乙烯等)用于空气净化，可有效去除空气中各种有害恶臭物质，尤其是致癌物质、芳香族类的化合物(如苯类，醛类)可使空气洁净清晰。
沸石分子筛
分子筛为粉末状晶体，有金属光泽，硬度为3～5，相对密度为2～2.8，天然沸石有颜色，合成沸石为白色。合成沸石不溶于水，其化学通式为：Mx/m[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O，M代表阳离子，m表示其价态数，z表示水合数，x和y是整数。沸石分子筛活化后，水分子被除去，余下的原子形成笼形结构，孔径为0.3～1.0nm。热稳定性和耐酸性随着SiO2/Al2O3组成比的增加而提高。分子筛有很大的比表面积，达300～1000m2/g，内晶表面高度极化。
分子筛晶体中有许多一定大小的空穴，空穴之间有许多同直径的孔(也称“窗口”)相连。由于分子筛能将比其孔径小的分子吸附到空穴内部，而把比孔径大的分子排斥在其空穴外，起到筛分分子的作用，故得名分子筛。当组成中的金属离子与溶液中其他离子进行交换时，可调整孔径，改变其吸附性质与催化性质，从而制得不同性能的分子筛催化剂。
分子筛的类型按其晶体结构主要分为：A型、X型、Y型。商品分子筛常用前缀数码将晶体结构不同的分子筛加以分类，如3A型、4A型、5A型分子筛。4A型即表中A类，孔径0.4nm。含Na+的A型分子筛记作Na-A，若其中Na+被K+置换，孔径约为0.3nm，即为3A型分子筛，若Na-A中有1/3以上的Na+被Ca2+置换，孔径约为0.5nm，即为5A型分子筛。不同品种的分子筛的参数和用途见表
分子筛特点如下：
①表面上的路易斯中心极性很强；
②沸石中的笼或通道的尺寸很小，使得其中的引力场很强。
因此，其对吸附质分子的吸附能力远超过其他类型的吸附剂。即使吸附质的分压(或浓度)很低，吸附量仍很可观。沸石分子筛的吸附分离效果不仅与吸附质分子的尺寸和形状有关，而且还与其极性有关，因此，沸石分子筛也可用于尺寸相近的物质的分离。
