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工業(yè)廢氣處理


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廢氣吸附設(shè)備吸附劑的選擇及應(yīng)用
吸附裝置是廢物處理當(dāng)中常見的設(shè)備,而吸附劑則在吸附裝置中起主要作用,目前市面上常見的吸附劑有很多。而不同類型的吸附劑又衍生了多種類型,以滿足不同的使用條件。可分為無機(jī)的和有機(jī)的,天然的和合成的。天然礦產(chǎn)如活性白土漂白土和硅藻土等,經(jīng)過適當(dāng)?shù)募庸ぃ涂尚纬啥嗫捉Y(jié)構(gòu)直接作為吸附劑使用,一般用于石油制品的脫色或脫水及溶劑的精制等。天然沸石如絲光沸石、斜發(fā)沸石等,可直接用于環(huán)境保護(hù)中的NOx治理、水處理,脫除重金屬離子以及海水提鉀等。合成無機(jī)材料吸附劑有活性炭、活性炭纖維、硅膠、活性氧化鋁和合成沸石分子篩等。特別是合成分子篩有嚴(yán)格的孔道結(jié)構(gòu),它的性能經(jīng)調(diào)節(jié)和不斷改進(jìn),具有較高的選擇性和催化性能,適用于分離性能非常類似的物質(zhì)。近年來還研制出多種大孔吸附樹脂,與活性炭相比,它具有選擇性良好、性能穩(wěn)定、再生容易等優(yōu)點(diǎn),常用于廢氣治理、廢水處理、維生素的分離及過氧化氫的精制等。




吸附劑的常見種類
(一)活性炭及活性炭纖維

活性炭是應(yīng)用最早、用途較廣的一種優(yōu)良吸附劑。它是由各種含碳物質(zhì)如煤、木材、石油焦、果殼、果核等炭化后,再用水蒸氣或化學(xué)藥品進(jìn)行活化處理,制成孔穴十分豐富的吸附劑,比表面積一般在700~1500m2/g范圍內(nèi),具有優(yōu)異的吸附能力??讖椒植家话銥椋夯钚蕴?0?以下,活性焦炭20?以下,炭分子篩10?以下。炭分子篩是新近發(fā)展的一種孔徑均一的分子篩型新品種,具有良好的選擇吸附能力。
活性炭是一種具有非極性表面,為疏水性和親有機(jī)物的吸附劑,故活性炭常常被用來吸附回收空氣中的有機(jī)溶劑和惡臭物質(zhì),在環(huán)境保護(hù)方面用來處理工業(yè)廢水和治理某些氣態(tài)污染物。
活性炭纖維是一種較新型的高效吸附劑。它是用超細(xì)的活性炭微粒與各種纖維素、人造絲、紙漿等混合制成的各種形態(tài)的纖維狀活性炭。微孔范圍在0.5~1.4nm,比表面積大。對(duì)各種無機(jī)和有機(jī)氣體、水溶液中的有機(jī)物、重金屬離子等具有較大的吸附量和較快的吸附速率,其吸附能力比一般的活性炭高1~10倍,特別是對(duì)一些惡臭物質(zhì)的吸附量比顆粒活性炭要高出40倍左右。目前主要用于氣相吸附。

(二)活性氧化鋁

活性氧化鋁一般指氧化鋁的水合物加熱脫水而形成的多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)。它是一種極性吸附劑,無毒,對(duì)多數(shù)氣體和蒸氣是穩(wěn)定的,浸入水或液體中不會(huì)溶脹或破碎,機(jī)械強(qiáng)度好?;钚匝趸X的比表面積約為150~350m2/g,宜在473~523K下再生。循環(huán)使用后,其物化性能變化很小。由于它對(duì)水分的吸附容量大,常用于高濕度氣體的脫濕和干燥,也可用于石油氣的脫硫以及含氟廢氣的凈化。

(三)硅膠

硅膠是一種堅(jiān)硬無定形鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸聚合物顆粒,其分子式為SiO2·nH2O,由硅酸鈉(水玻璃)與硫酸或鹽酸經(jīng)膠凝、洗滌、干燥、烘焙而成。硅膠為親水性的極性吸附劑,而難于吸附非極性的有機(jī)物質(zhì)。當(dāng)硅膠吸附氣體中的水分時(shí),可達(dá)其自身重量的50%。硅膠的吸附熱很大,吸附水分時(shí)能夠放出大量的熱量,使硅膠容易破碎。在工業(yè)上硅膠多用于高濕氣體的干燥和從廢氣中回收極為有用的烴類氣體,也可用作催化劑的載體。

(四)沸石分子篩

沸石分子篩是人工合成的結(jié)晶硅酸金屬鹽的多水化合物,沸石分子篩具有孔徑均一的微孔,比孔道小的分子能進(jìn)入孔穴而被吸附,比孔道大的分子拒之孔外,因而具有篩分性能。按SiO2和Al2O3的分子比不同,分子篩可分為A型、X型和Y型,根據(jù)孔徑大小,A型分子篩又分為3A、4A、5A等幾種。同一種類型分子篩孔徑的大小主要取決于金屬離子的種類。如金屬離子為Na+的A型分子篩是4A型;若以K+代替Na+,則為3A型;如以Ca2+取代75%的Na+,即為5A型等。
與其他吸附劑比較,沸石分子篩有如下特點(diǎn):
①具有高的吸附選擇性,并具有離子交換性和催化性;
②具有較強(qiáng)的吸附能力,合成沸石孔道小,空腔多,比表面積大,由于空腔周圍力場迭加的作用,使其吸附能力明顯提高,即使在吸附質(zhì)濃度很低的情況下,吸附容量仍然很大;
③沸石分子篩是強(qiáng)極性吸附劑,對(duì)極性分子特別是對(duì)水具有較強(qiáng)的親和力,也能選擇性地吸附不飽和有機(jī)物;
④熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高

吸附劑的選用
(一)對(duì)吸附劑的基本要求

雖然許多固體表面都具有吸附能力,但合乎工業(yè)需要的吸附劑應(yīng)滿足下列要求。
  • 有巨大的內(nèi)表面 吸附劑的吸附作用主要發(fā)生在與外界相通的空穴的表面上,孔穴越多,內(nèi)表面越大,則吸附性能越好。
  • 有良好的選擇性 不同的吸附劑因其組成、結(jié)構(gòu)不同,所顯示出來的對(duì)某些物質(zhì)優(yōu)先吸附的能力就不同,例如,木炭吸附SO2或NH3的能力較吸附空氣的要大。
  • 有良好的再生特性 吸附劑再生效果的好壞,往往是吸附技術(shù)使用的關(guān)鍵,因此要求吸附劑具有簡單的再生方法、穩(wěn)定的再生活性。
  • 有較好的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。
  • 原料來源廣泛,制備簡單,價(jià)格低廉。
要同時(shí)滿足以上要求往往是很困難的,只能在全面衡量后擇優(yōu)選定。

(二)吸附劑的選擇

吸附過程設(shè)計(jì)中,吸附劑的選擇是十分重要的。原則上應(yīng)根據(jù)上述對(duì)吸附劑的基本要求進(jìn)行選擇。一般可按下述方法進(jìn)行。
1.吸附劑的初步選擇

選擇吸附劑除要有一定的機(jī)械強(qiáng)度外,最主要的是對(duì)預(yù)分離組分要有良好的選擇性和較高的吸附能力。這主要取決于吸附劑本身的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)和吸附質(zhì)的性質(zhì)(例如極性、分子大小、濃度高低、分離要求等)。
對(duì)極性分子,可優(yōu)先考慮使用分子篩、硅膠和活性氧化鋁。而對(duì)非極性分子或分子量較大的有機(jī)物,應(yīng)選用活性炭,因?yàn)榛钚蕴繉?duì)烴類化合物具有良好的選擇性和較高的吸附能力。對(duì)分子較大的吸附質(zhì),應(yīng)選用活性炭和硅膠等孔徑較大的吸附劑。而對(duì)于分子較小的吸附質(zhì),則應(yīng)選用分子篩,因?yàn)榉肿雍Y的選擇性更多地取決于其微孔尺寸極限。很重要的一點(diǎn)是,要除去的污染物必須小于有效微孔尺寸。
當(dāng)污染物濃度較大而凈化要求不太高時(shí),可采用吸附能力適中而價(jià)格便宜的吸附劑。當(dāng)污染物濃度高而凈化要求也高時(shí),可考慮用不同吸附劑進(jìn)行兩級(jí)吸附處理或用吸附浸漬的方法(例如浸漬過碘的活性炭可除去汞蒸氣,浸漬過溴的活性炭可除去乙烯或丙烯)。
2.活性與壽命實(shí)驗(yàn)

對(duì)初步選出的一種或幾種吸附劑應(yīng)進(jìn)行活性和壽命實(shí)驗(yàn)?;钚詫?shí)驗(yàn)一般在小試階段進(jìn)行,而對(duì)活性較好的吸附劑一般應(yīng)通過中試進(jìn)行壽命實(shí)驗(yàn)(包括吸附劑的脫附和活化實(shí)驗(yàn))。
3.經(jīng)濟(jì)評(píng)估

對(duì)初步選出的幾種吸附劑進(jìn)行活性、使用壽命、脫附性能、價(jià)格等方面的綜合比較,進(jìn)行經(jīng)濟(jì)估算,從中選用總費(fèi)用最少,效果較好的吸附劑。

三)吸附劑的再生
吸附劑的吸附容量有限,在1%~40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))之間。要增大吸附裝置的處理能力,吸附劑一般都循環(huán)使用,即當(dāng)吸附劑達(dá)到飽和或接近飽和時(shí),使其轉(zhuǎn)入脫附和再生操作,再生后重新轉(zhuǎn)入吸附操作。一般常用的脫附再生方法如下。
(1)升溫脫附 根據(jù)吸附劑的吸附容量在等壓下隨溫度升高而降低的特點(diǎn),用升高吸附劑溫度的辦法,使吸附質(zhì)脫附,從而使吸附劑得以再生的方法稱為升溫脫附。選擇一定的脫附溫度,能使吸附質(zhì)脫附得比較完全,達(dá)到較低的殘余負(fù)荷。但要嚴(yán)格控制床層溫度,以防止吸附劑失活或晶體結(jié)構(gòu)被破壞。脫附階段對(duì)吸附劑床層的加熱方式可以采用過熱水蒸氣法、煙道氣法、電感加熱和微波加熱等。
(2)降壓脫附 根據(jù)吸附劑的吸附容量在等溫下隨壓力下降而降低的特點(diǎn),用降低壓力或抽真空的方法使吸附質(zhì)脫附,從而吸附劑得以再生的方法稱為降壓脫附。對(duì)一定的吸附劑而言,壓力變化越大,吸附質(zhì)脫附得越完全。但要嚴(yán)格控制體系的壓力變化,以減少動(dòng)力消耗和盡量避免吸附劑顆粒劇烈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
(3)置換脫附 根據(jù)吸附劑對(duì)不同物質(zhì)具有不同的吸附能力這一特點(diǎn),在恒溫和恒壓下,向飽和吸附劑床層中通入可被吸附的流體置換出原來被吸附的物質(zhì),從而使吸附質(zhì)脫附的方法稱為置換脫附。此法特別適用于對(duì)熱敏感性強(qiáng)的吸附質(zhì),其脫附效率較高,能使吸附劑的殘余負(fù)荷很低。在氣體凈化中常用水蒸氣做置換劑,而在液體吸附中常采用水和有機(jī)溶劑作為置換劑。由于采用該方法,脫附產(chǎn)物中既有原吸附質(zhì),又有置換劑,所以在后處理中必須將其進(jìn)行分離。為了達(dá)到較理想的分離效果,置換劑與吸附質(zhì)組分間的沸點(diǎn)要相差較大。
(4)吹掃脫附 用不能被吸附的氣體(例如惰性氣體)吹掃吸附劑床層,以降低氣相中吸附質(zhì)的分壓,使吸附質(zhì)脫附的方法稱為吹掃脫附。如吸附了大量水分的硅膠,可通入干燥的氮?dú)膺M(jìn)行吹掃,以使硅膠脫出水分而得到再生。
(5)化學(xué)轉(zhuǎn)化再生法 有時(shí)候可以將被吸附的物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),使其生成一種不易被吸附的新物質(zhì)而脫附下來。如活性炭上吸附的有機(jī)物,可用蒸汽和空氣的混合物對(duì)它進(jìn)行氧化,使其生成CO2,從而實(shí)現(xiàn)脫附再生的目的。
此外,還有一些其他的吸附劑脫附再生方法,例如電解氧化再生法、微生物再生法和藥物再生法。至于工業(yè)上到底采用哪種操作方法,應(yīng)視具體情況選用既經(jīng)濟(jì)又有效的方法。生產(chǎn)實(shí)際中,常常是幾種方法結(jié)合使用。



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