废气吸附设备吸附剂的选择及应用
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作者:仁信源环保
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发布时间: 2019-04-23
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吸附装置在废气处理当中是非常常见的设备，而吸附剂就是吸附装置的主要作用成分，目前市面上常见的吸附剂有，活性炭，沸石，活性氧化铝，硅胶等。而不同类型的吸附剂又衍生了多种类型，以满足不同的使用条件。
吸附装置是废物处理当中常见的设备，而吸附剂则在吸附装置中起主要作用，目前市面上常见的吸附剂有很多。而不同类型的吸附剂又衍生了多种类型，以满足不同的使用条件。可分为无机的和有机的，天然的和合成的。天然矿产如活性白土漂白土和硅藻土等，经过适当的加工，就可形成多孔结构直接作为吸附剂使用，一般用于石油制品的脱色或脱水及溶剂的精制等。天然沸石如丝光沸石、斜发沸石等，可直接用于环境保护中的NOx治理、水处理，脱除重金属离子以及海水提钾等。合成无机材料吸附剂有活性炭、活性炭纤维、硅胶、活性氧化铝和合成沸石分子筛等。特别是合成分子筛有严格的孔道结构，它的性能经调节和不断改进，具有较高的选择性和催化性能，适用于分离性能非常类似的物质。近年来还研制出多种大孔吸附树脂，与活性炭相比，它具有选择性良好、性能稳定、再生容易等优点，常用于废气治理、废水处理、维生素的分离及过氧化氢的精制等。
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吸附剂的常见种类
（一）活性炭及活性炭纤维
活性炭是应用最早、用途较广的一种优良吸附剂。它是由各种含碳物质如煤、木材、石油焦、果壳、果核等炭化后，再用水蒸气或化学药品进行活化处理，制成孔穴十分丰富的吸附剂，比表面积一般在700～1500m2/g范围内，具有优异的吸附能力。孔径分布一般为：活性炭50Å以下，活性焦炭20Å以下，炭分子筛10Å以下。炭分子筛是新近发展的一种孔径均一的分子筛型新品种，具有良好的选择吸附能力。
活性炭是一种具有非极性表面，为疏水性和亲有机物的吸附剂，故活性炭常常被用来吸附回收空气中的有机溶剂和恶臭物质，在环境保护方面用来处理工业废水和治理某些气态污染物。
活性炭纤维是一种较新型的高效吸附剂。它是用超细的活性炭微粒与各种纤维素、人造丝、纸浆等混合制成的各种形态的纤维状活性炭。微孔范围在0.5～1.4nm，比表面积大。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，特别是对一些恶臭物质的吸附量比颗粒活性炭要高出40倍左右。目前主要用于气相吸附。
（二）活性氧化铝
活性氧化铝一般指氧化铝的水合物加热脱水而形成的多孔结构物质。它是一种极性吸附剂，无毒，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，机械强度好。活性氧化铝的比表面积约为150～350m2/g，宜在473～523K下再生。循环使用后，其物化性能变化很小。由于它对水分的吸附容量大，常用于高湿度气体的脱湿和干燥，也可用于石油气的脱硫以及含氟废气的净化。
（三）硅胶
硅胶是一种坚硬无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，其分子式为SiO2·nH2O，由硅酸钠（水玻璃）与硫酸或盐酸经胶凝、洗涤、干燥、烘焙而成。硅胶为亲水性的极性吸附剂，而难于吸附非极性的有机物质。当硅胶吸附气体中的水分时，可达其自身重量的50％。硅胶的吸附热很大，吸附水分时能够放出大量的热量，使硅胶容易破碎。在工业上硅胶多用于高湿气体的干燥和从废气中回收极为有用的烃类气体，也可用作催化剂的载体。
（四）沸石分子筛
沸石分子筛是人工合成的结晶硅酸金属盐的多水化合物，沸石分子筛具有孔径均一的微孔，比孔道小的分子能进入孔穴而被吸附，比孔道大的分子拒之孔外，因而具有筛分性能。按SiO2和Al2O3的分子比不同，分子筛可分为A型、X型和Y型，根据孔径大小，A型分子筛又分为3A、4A、5A等几种。同一种类型分子筛孔径的大小主要取决于金属离子的种类。如金属离子为Na＋的A型分子筛是4A型；若以K＋代替Na＋，则为3A型；如以Ca2＋取代75％的Na＋，即为5A型等。
与其他吸附剂比较，沸石分子筛有如下特点：
①具有高的吸附选择性，并具有离子交换性和催化性；
②具有较强的吸附能力，合成沸石孔道小，空腔多，比表面积大，由于空腔周围力场迭加的作用，使其吸附能力明显提高，即使在吸附质浓度很低的情况下，吸附容量仍然很大；
③沸石分子筛是强极性吸附剂，对极性分子特别是对水具有较强的亲和力，也能选择性地吸附不饱和有机物；
④热稳定性和化学稳定性高
吸附剂的选用
（一）对吸附剂的基本要求
虽然许多固体表面都具有吸附能力，但合乎工业需要的吸附剂应满足下列要求。
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有巨大的内表面 吸附剂的吸附作用主要发生在与外界相通的空穴的表面上，孔穴越多，内表面越大，则吸附性能越好。
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有良好的选择性 不同的吸附剂因其组成、结构不同，所显示出来的对某些物质优先吸附的能力就不同，例如，木炭吸附SO2或NH3的能力较吸附空气的要大。
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有良好的再生特性 吸附剂再生效果的好坏，往往是吸附技术使用的关键，因此要求吸附剂具有简单的再生方法、稳定的再生活性。
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有较好的机械强度、热稳定性和化学稳定性。
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原料来源广泛，制备简单，价格低廉。
要同时满足以上要求往往是很困难的，只能在全面衡量后择优选定。
（二）吸附剂的选择
吸附过程设计中，吸附剂的选择是十分重要的。原则上应根据上述对吸附剂的基本要求进行选择。一般可按下述方法进行。
1．吸附剂的初步选择
选择吸附剂除要有一定的机械强度外，最主要的是对预分离组分要有良好的选择性和较高的吸附能力。这主要取决于吸附剂本身的物理化学结构和吸附质的性质（例如极性、分子大小、浓度高低、分离要求等）。
对极性分子，可优先考虑使用分子筛、硅胶和活性氧化铝。而对非极性分子或分子量较大的有机物，应选用活性炭，因为活性炭对烃类化合物具有良好的选择性和较高的吸附能力。对分子较大的吸附质，应选用活性炭和硅胶等孔径较大的吸附剂。而对于分子较小的吸附质，则应选用分子筛，因为分子筛的选择性更多地取决于其微孔尺寸极限。很重要的一点是，要除去的污染物必须小于有效微孔尺寸。
当污染物浓度较大而净化要求不太高时，可采用吸附能力适中而价格便宜的吸附剂。当污染物浓度高而净化要求也高时，可考虑用不同吸附剂进行两级吸附处理或用吸附浸渍的方法（例如浸渍过碘的活性炭可除去汞蒸气，浸渍过溴的活性炭可除去乙烯或丙烯）。
2．活性与寿命实验
对初步选出的一种或几种吸附剂应进行活性和寿命实验。活性实验一般在小试阶段进行，而对活性较好的吸附剂一般应通过中试进行寿命实验（包括吸附剂的脱附和活化实验）。
3．经济评估
对初步选出的几种吸附剂进行活性、使用寿命、脱附性能、价格等方面的综合比较，进行经济估算，从中选用总费用最少，效果较好的吸附剂。
（三）吸附剂的再生
吸附剂的吸附容量有限，在1％～40％（质量分数）之间。要增大吸附装置的处理能力，吸附剂一般都循环使用，即当吸附剂达到饱和或接近饱和时，使其转入脱附和再生操作，再生后重新转入吸附操作。一般常用的脱附再生方法如下。
（1）升温脱附 根据吸附剂的吸附容量在等压下随温度升高而降低的特点，用升高吸附剂温度的办法，使吸附质脱附，从而使吸附剂得以再生的方法称为升温脱附。选择一定的脱附温度，能使吸附质脱附得比较完全，达到较低的残余负荷。但要严格控制床层温度，以防止吸附剂失活或晶体结构被破坏。脱附阶段对吸附剂床层的加热方式可以采用过热水蒸气法、烟道气法、电感加热和微波加热等。
（2）降压脱附 根据吸附剂的吸附容量在等温下随压力下降而降低的特点，用降低压力或抽真空的方法使吸附质脱附，从而吸附剂得以再生的方法称为降压脱附。对一定的吸附剂而言，压力变化越大，吸附质脱附得越完全。但要严格控制体系的压力变化，以减少动力消耗和尽量避免吸附剂颗粒剧烈的相对运动。
（3）置换脱附 根据吸附剂对不同物质具有不同的吸附能力这一特点，在恒温和恒压下，向饱和吸附剂床层中通入可被吸附的流体置换出原来被吸附的物质，从而使吸附质脱附的方法称为置换脱附。此法特别适用于对热敏感性强的吸附质，其脱附效率较高，能使吸附剂的残余负荷很低。在气体净化中常用水蒸气做置换剂，而在液体吸附中常采用水和有机溶剂作为置换剂。由于采用该方法，脱附产物中既有原吸附质，又有置换剂，所以在后处理中必须将其进行分离。为了达到较理想的分离效果，置换剂与吸附质组分间的沸点要相差较大。
（4）吹扫脱附 用不能被吸附的气体（例如惰性气体）吹扫吸附剂床层，以降低气相中吸附质的分压，使吸附质脱附的方法称为吹扫脱附。如吸附了大量水分的硅胶，可通入干燥的氮气进行吹扫，以使硅胶脱出水分而得到再生。
（5）化学转化再生法 有时候可以将被吸附的物质进行化学反应，使其生成一种不易被吸附的新物质而脱附下来。如活性炭上吸附的有机物，可用蒸汽和空气的混合物对它进行氧化，使其生成CO2，从而实现脱附再生的目的。
此外，还有一些其他的吸附剂脱附再生方法，例如电解氧化再生法、微生物再生法和药物再生法。至于工业上到底采用哪种操作方法，应视具体情况选用既经济又有效的方法。生产实际中，常常是几种方法结合使用。
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