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工業(yè)廢氣處理
industry exhaust
吸附劑在廢氣處理中的應用
常用的吸附劑有以碳質為原料的各種活性炭吸附劑和金屬、非金屬氧化物類吸附劑(如硅膠、氧化鋁、分子篩、天然黏土等)。衡量吸附劑的主要指標有：對不同氣體雜質的吸附容量、磨耗率、松裝堆積密度、比表面積、抗壓碎強度等。吸附劑的良好吸附性能是由于它具有密集的細孔構造。
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吸附劑物理性能
孔容(VP)
吸附劑中微孔的容積稱為孔容，通常以單位質量吸附劑中吸附劑微孔的容積來表示(cm3/g)。孔容是吸附劑的有效體積，它是用飽和吸附量推算出來的值，也就是吸附劑能容納吸附質的體積，所以孔容以大為好。吸附劑的孔體積(Vk)不一定等于孔容(VP)，吸附劑中的微孔才有吸附作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的體積，一般要比VP大。
比表面積
即單位質量吸附劑所具有的表面積，常用單位是m2/g。吸附劑表面積每克有數(shù)百至千余平方米。吸附劑的表面積主要是微孔孔壁的表面，吸附劑外表面是很小的。
孔徑與孔徑分布
在吸附劑內(nèi)，孔的形狀極不規(guī)則，孔隙大小也各不相同。直徑在0.1～10nm的孔稱為細孔，直徑在幾十納米以上的孔稱為粗孔。細孔越多，則孔容越大，比表面也大，有利于吸附質的吸附。粗孔的作用是提供吸附質分子進入吸附劑的通路。粗孔和細孔的關系就像大街和小巷一樣，外來分子通過粗孔才能迅速到達吸附劑的深處。所以粗孔也應占有適當?shù)谋壤??；钚蕴亢凸枘z之類的吸附劑中粗孔和細孔是在制造過程中形成的。
沸石分子篩在合成時形成直徑為數(shù)微米的晶體，其中只有均勻的細孔，成型時才形成晶體與晶體之間的粗孔?？讖椒植际潜硎究讖酱笮∨c之對應的孔體積的關系，由此來表征吸附劑的孔特性。
吸附劑的脫附再生
置換脫附(水蒸氣脫附)
置換脫附的工作原理是用比被吸附組分的吸附力更強的物質將被吸組分置換下來。其后果是吸附劑上又吸附了置換上去的物質，必須用其他的方法使它們分離。常用來置換的物質是水蒸氣，因為水分子與活性炭的親和力比其他有機物要高，且容易脫附。此方法的缺點是有廢水產(chǎn)生，對于溶于水的有機物，二次分離困難。
升溫脫附(熱氮氣脫附)
物質的吸附量是隨溫度的升高而減小的，將吸附劑的溫度升高，可以使已被吸附的組分脫附下來，這種方法也稱為變溫脫附。通常以入氮氣為載體，攜帶熱量加熱吸附劑，使有機物脫附下來，氮氣是惰性氣體，可以保護吸附劑在高溫狀態(tài)下的安全性。
減壓脫附(真空脫附)
物質的吸附量是隨壓力的升高而升高的，在較高的壓力下吸附，降低壓力或者抽真空，可以使吸附劑再生。采用此工藝方法脫附的吸附也稱變壓吸附法。
吸附劑種類
顆粒活性炭
顆?；钚蕴糠譃槎ㄐ秃筒欢ㄐ皖w粒，以椰殼、果殼和煤質為原料，經(jīng)系列生產(chǎn)工藝精加工而成。產(chǎn)品廣泛應用于飲用水、工業(yè)用水、釀酒、廢氣處理、脫色、干燥劑、氣體凈化等領域。顆粒活性炭具有發(fā)達的孔隙結構，良好的吸附性能，機械強度高，易反復再生，造價低等特點；用于有毒氣體的凈化，廢氣處理，工業(yè)和生活用水的凈化處理，溶劑回收等方面。
活性炭經(jīng)過活化后碳晶格形成形狀和大小不一的發(fā)達細孔，大大增加比表面積。由于炭粒的表面積很大，所以能與氣體(雜質)充分接觸。當這些氣體(雜質)碰到毛細管被吸附，起凈化作用?；钚蕴康奈匠宋锢砦?，還有化學吸附?；钚蕴康奈叫约热Q于孔隙結構，又取決于化學組成。
活性炭纖維
活性炭纖維(ACF)為纖維狀，纖維上布滿微孔，經(jīng)過高溫活化后，纖維表面布滿微孔(即氫、氧原子揮發(fā)前所占位置)，其孔徑為一根頭發(fā)絲的十萬分之一，活性炭纖維的纖維直徑為5～20μm，比表面積平均在1000～1500m2/g，平均孔徑在1.0～4.0nm，微孔均勻分布于纖維表面。從物理學可知，物體的表面對外存在引力，表面越大吸附力越大，活性炭纖維正是通過這種范德華力的作用吸附周邊分子并牢固與微孔之中。效率高，且具有纖維、氈、布和紙等各種纖細的表態(tài)，孔隙直接開口在纖維表面，其吸附質到達吸附位的擴散路徑短，且本身的外表面積較內(nèi)表面積高出兩個數(shù)量級。
與活性炭相比，活性炭纖維微孔孔徑小而均勻，結構簡單。所以，活性炭纖維對于吸附小分子物質吸附速率更快，吸附速率更高，也容易容易解吸附。
ACF是繼廣泛使用的粉末活性炭、顆?；钚蕴恐蟮牡谌滦臀讲牧?，能夠吸附的有機物有：烴類(苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、正己烷、環(huán)己烷等)，鹵代烴(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)，醛酮類(丙酮、環(huán)己酮、甲醛、乙醛、糠醛等)，酯類(醋酸乙酯、醋酸丁酯等)，醚類(甲醚、乙醚、甲乙醚等)，醇類(甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇等)，聚合用單體(氯乙烯等)用于空氣凈化，可有效去除空氣中各種有害惡臭物質，尤其是致癌物質、芳香族類的化合物(如苯類，醛類)可使空氣潔凈清晰。
沸石分子篩
分子篩為粉末狀晶體，有金屬光澤，硬度為3～5，相對密度為2～2.8，天然沸石有顏色，合成沸石為白色。合成沸石不溶于水，其化學通式為：Mx/m[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O，M代表陽離子，m表示其價態(tài)數(shù)，z表示水合數(shù)，x和y是整數(shù)。沸石分子篩活化后，水分子被除去，余下的原子形成籠形結構，孔徑為0.3～1.0nm。熱穩(wěn)定性和耐酸性隨著SiO2/Al2O3組成比的增加而提高。分子篩有很大的比表面積，達300～1000m2/g，內(nèi)晶表面高度極化。
分子篩晶體中有許多一定大小的空穴，空穴之間有許多同直徑的孔(也稱“窗口”)相連。由于分子篩能將比其孔徑小的分子吸附到空穴內(nèi)部，而把比孔徑大的分子排斥在其空穴外，起到篩分分子的作用，故得名分子篩。當組成中的金屬離子與溶液中其他離子進行交換時，可調整孔徑，改變其吸附性質與催化性質，從而制得不同性能的分子篩催化劑。
分子篩的類型按其晶體結構主要分為：A型、X型、Y型。商品分子篩常用前綴數(shù)碼將晶體結構不同的分子篩加以分類，如3A型、4A型、5A型分子篩。4A型即表中A類，孔徑0.4nm。含Na+的A型分子篩記作Na-A，若其中Na+被K+置換，孔徑約為0.3nm，即為3A型分子篩，若Na-A中有1/3以上的Na+被Ca2+置換，孔徑約為0.5nm，即為5A型分子篩。不同品種的分子篩的參數(shù)和用途見表
分子篩特點如下：
①表面上的路易斯中心極性很強；
②沸石中的籠或通道的尺寸很小，使得其中的引力場很強。
因此，其對吸附質分子的吸附能力遠超過其他類型的吸附劑。即使吸附質的分壓(或濃度)很低，吸附量仍很可觀。沸石分子篩的吸附分離效果不僅與吸附質分子的尺寸和形狀有關，而且還與其極性有關，因此，沸石分子篩也可用于尺寸相近的物質的分離。
吸附劑物理性能
孔容(VP)
吸附劑中微孔的容積稱為孔容，通常以單位質量吸附劑中吸附劑微孔的容積來表示(cm3/g)。孔容是吸附劑的有效體積，它是用飽和吸附量推算出來的值，也就是吸附劑能容納吸附質的體積，所以孔容以大為好。吸附劑的孔體積(Vk)不一定等于孔容(VP)，吸附劑中的微孔才有吸附作用，所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的體積，一般要比VP大。
比表面積
即單位質量吸附劑所具有的表面積，常用單位是m2/g。吸附劑表面積每克有數(shù)百至千余平方米。吸附劑的表面積主要是微孔孔壁的表面，吸附劑外表面是很小的。
孔徑與孔徑分布
在吸附劑內(nèi)，孔的形狀極不規(guī)則，孔隙大小也各不相同。直徑在0.1～10nm的孔稱為細孔，直徑在幾十納米以上的孔稱為粗孔。細孔越多，則孔容越大，比表面也大，有利于吸附質的吸附。粗孔的作用是提供吸附質分子進入吸附劑的通路。粗孔和細孔的關系就像大街和小巷一樣，外來分子通過粗孔才能迅速到達吸附劑的深處。所以粗孔也應占有適當?shù)谋壤??；钚蕴亢凸枘z之類的吸附劑中粗孔和細孔是在制造過程中形成的。
沸石分子篩在合成時形成直徑為數(shù)微米的晶體，其中只有均勻的細孔，成型時才形成晶體與晶體之間的粗孔?？讖椒植际潜硎究讖酱笮∨c之對應的孔體積的關系，由此來表征吸附劑的孔特性。
吸附劑的脫附再生
置換脫附(水蒸氣脫附)
置換脫附的工作原理是用比被吸附組分的吸附力更強的物質將被吸組分置換下來。其后果是吸附劑上又吸附了置換上去的物質，必須用其他的方法使它們分離。常用來置換的物質是水蒸氣，因為水分子與活性炭的親和力比其他有機物要高，且容易脫附。此方法的缺點是有廢水產(chǎn)生，對于溶于水的有機物，二次分離困難。
升溫脫附(熱氮氣脫附)
物質的吸附量是隨溫度的升高而減小的，將吸附劑的溫度升高，可以使已被吸附的組分脫附下來，這種方法也稱為變溫脫附。通常以入氮氣為載體，攜帶熱量加熱吸附劑，使有機物脫附下來，氮氣是惰性氣體，可以保護吸附劑在高溫狀態(tài)下的安全性。
減壓脫附(真空脫附)
物質的吸附量是隨壓力的升高而升高的，在較高的壓力下吸附，降低壓力或者抽真空，可以使吸附劑再生。采用此工藝方法脫附的吸附也稱變壓吸附法。
吸附劑種類
顆粒活性炭
顆?；钚蕴糠譃槎ㄐ秃筒欢ㄐ皖w粒，以椰殼、果殼和煤質為原料，經(jīng)系列生產(chǎn)工藝精加工而成。產(chǎn)品廣泛應用于飲用水、工業(yè)用水、釀酒、廢氣處理、脫色、干燥劑、氣體凈化等領域。顆粒活性炭具有發(fā)達的孔隙結構，良好的吸附性能，機械強度高，易反復再生，造價低等特點；用于有毒氣體的凈化，廢氣處理，工業(yè)和生活用水的凈化處理，溶劑回收等方面。
活性炭經(jīng)過活化后碳晶格形成形狀和大小不一的發(fā)達細孔，大大增加比表面積。由于炭粒的表面積很大，所以能與氣體(雜質)充分接觸。當這些氣體(雜質)碰到毛細管被吸附，起凈化作用?；钚蕴康奈匠宋锢砦?，還有化學吸附?；钚蕴康奈叫约热Q于孔隙結構，又取決于化學組成。
活性炭纖維
活性炭纖維(ACF)為纖維狀，纖維上布滿微孔，經(jīng)過高溫活化后，纖維表面布滿微孔(即氫、氧原子揮發(fā)前所占位置)，其孔徑為一根頭發(fā)絲的十萬分之一，活性炭纖維的纖維直徑為5～20μm，比表面積平均在1000～1500m2/g，平均孔徑在1.0～4.0nm，微孔均勻分布于纖維表面。從物理學可知，物體的表面對外存在引力，表面越大吸附力越大，活性炭纖維正是通過這種范德華力的作用吸附周邊分子并牢固與微孔之中。效率高，且具有纖維、氈、布和紙等各種纖細的表態(tài)，孔隙直接開口在纖維表面，其吸附質到達吸附位的擴散路徑短，且本身的外表面積較內(nèi)表面積高出兩個數(shù)量級。
與活性炭相比，活性炭纖維微孔孔徑小而均勻，結構簡單。所以，活性炭纖維對于吸附小分子物質吸附速率更快，吸附速率更高，也容易容易解吸附。
ACF是繼廣泛使用的粉末活性炭、顆?；钚蕴恐蟮牡谌滦臀讲牧?，能夠吸附的有機物有：烴類(苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、正己烷、環(huán)己烷等)，鹵代烴(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)，醛酮類(丙酮、環(huán)己酮、甲醛、乙醛、糠醛等)，酯類(醋酸乙酯、醋酸丁酯等)，醚類(甲醚、乙醚、甲乙醚等)，醇類(甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇等)，聚合用單體(氯乙烯等)用于空氣凈化，可有效去除空氣中各種有害惡臭物質，尤其是致癌物質、芳香族類的化合物(如苯類，醛類)可使空氣潔凈清晰。
沸石分子篩
分子篩為粉末狀晶體，有金屬光澤，硬度為3～5，相對密度為2～2.8，天然沸石有顏色，合成沸石為白色。合成沸石不溶于水，其化學通式為：Mx/m[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O，M代表陽離子，m表示其價態(tài)數(shù)，z表示水合數(shù)，x和y是整數(shù)。沸石分子篩活化后，水分子被除去，余下的原子形成籠形結構，孔徑為0.3～1.0nm。熱穩(wěn)定性和耐酸性隨著SiO2/Al2O3組成比的增加而提高。分子篩有很大的比表面積，達300～1000m2/g，內(nèi)晶表面高度極化。
分子篩晶體中有許多一定大小的空穴，空穴之間有許多同直徑的孔(也稱“窗口”)相連。由于分子篩能將比其孔徑小的分子吸附到空穴內(nèi)部，而把比孔徑大的分子排斥在其空穴外，起到篩分分子的作用，故得名分子篩。當組成中的金屬離子與溶液中其他離子進行交換時，可調整孔徑，改變其吸附性質與催化性質，從而制得不同性能的分子篩催化劑。
分子篩的類型按其晶體結構主要分為：A型、X型、Y型。商品分子篩常用前綴數(shù)碼將晶體結構不同的分子篩加以分類，如3A型、4A型、5A型分子篩。4A型即表中A類，孔徑0.4nm。含Na+的A型分子篩記作Na-A，若其中Na+被K+置換，孔徑約為0.3nm，即為3A型分子篩，若Na-A中有1/3以上的Na+被Ca2+置換，孔徑約為0.5nm，即為5A型分子篩。不同品種的分子篩的參數(shù)和用途見表
分子篩特點如下：
①表面上的路易斯中心極性很強；
②沸石中的籠或通道的尺寸很小，使得其中的引力場很強。
因此，其對吸附質分子的吸附能力遠超過其他類型的吸附劑。即使吸附質的分壓(或濃度)很低，吸附量仍很可觀。沸石分子篩的吸附分離效果不僅與吸附質分子的尺寸和形狀有關，而且還與其極性有關，因此，沸石分子篩也可用于尺寸相近的物質的分離。
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