安全工程专业工业防毒技术经典课件05有害气体的吸附净化2.2.ppt
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1、工业防毒技术安全工程专业工业防毒技术经典课件05有害气体的吸附净化2.2 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望工业防毒技术第一节第一节 吸附的基本概念吸附的基本概念 吸附法:吸附法:是一种常用的净化方法。是一种常用的净化方法。它是利用一些固态物质它是利用一些固态物质对气体的吸附能力来除去废气中某些有害组分,从对气体的吸附能力来除去废气中某些有害组分,从而达到净化目的。而达到净化目的。吸附技术广泛应用于吸附技术广泛应用于工业气体的净化过程工业气体的净化过程
2、,以,以及有毒气体的及有毒气体的个人防护过程个人防护过程。-工业防毒技术吸附剂:吸附剂:具有较大吸附能力的固态物质称为吸附剂,具有较大吸附能力的固态物质称为吸附剂,吸附质:吸附质:被吸附的物质称为被吸附的物质称为吸附质吸附质。吸附法吸附法主要运用于以下几个方面:主要运用于以下几个方面:(1)(1)对于低浓度气体,吸附法的净化效率要比吸收法高,对于低浓度气体,吸附法的净化效率要比吸收法高,吸附法常用于浓度低、毒性大及吸附法常用于浓度低、毒性大及高净化要求的场合高净化要求的场合的的 有害气体,但吸附法处理的气体量不宜过大。有害气体,但吸附法处理的气体量不宜过大。(2)(2)用吸附法净化有机溶剂蒸气
3、具有较高的效率。对各种用吸附法净化有机溶剂蒸气具有较高的效率。对各种有机溶剂蒸气,其净化效率接近有机溶剂蒸气,其净化效率接近100100。(3)(3)当处理的气量较小时,用吸附法灵活方便。当处理的气量较小时,用吸附法灵活方便。-工业防毒技术 一定量的吸附剂所能吸收的气体量是有限度的,一定量的吸附剂所能吸收的气体量是有限度的,在吸附一定时间之后会达到在吸附一定时间之后会达到饱和饱和,这时需要更换吸,这时需要更换吸附剂。用过的吸附剂经过附剂。用过的吸附剂经过再生再生(解吸解吸)后能够重复使后能够重复使用。用。-工业防毒技术吸附法的优势吸附法的优势 在实用上和经济上优于有竞争性的湿式工艺(如在实用上
4、和经济上优于有竞争性的湿式工艺(如洗涤洗涤法法)之处有以下几个方面:)之处有以下几个方面:(1 1)干床层、非腐蚀系统;)干床层、非腐蚀系统;(2 2)良好的控制和对过程变化的敏感;)良好的控制和对过程变化的敏感;(3 3)没有化学品的处理问题;)没有化学品的处理问题;(4 4)全自动、无人管理操作;)全自动、无人管理操作;(5 5)能把生产过程气流中的污染物去除到极低的含量)能把生产过程气流中的污染物去除到极低的含量。-工业防毒技术木炭木炭(吸附剂)的历史(吸附剂)的历史(1)(1)公元前公元前15501550年,埃及有作为年,埃及有作为医用医用的记载;的记载;(2)(2)公元前公元前460
5、-359460-359年,希腊医生年,希腊医生HippocrateHippocrate用以用以 治羊癫疯;治羊癫疯;(3)1518-1593(3)1518-1593年,中国李时珍的年,中国李时珍的本草纲目本草纲目中提及中提及 用于治病;用于治病;(4)1993(4)1993年有外电报道用于溃疡;年有外电报道用于溃疡;(5)1794(5)1794年,英国有家糖厂用于年,英国有家糖厂用于加速脱色加速脱色。(6)(6)中国汉代将木炭用于墓穴中的中国汉代将木炭用于墓穴中的防腐防腐。(长沙马王堆)。(长沙马王堆)上述例证应用的都是木炭,不是上述例证应用的都是木炭,不是活性炭活性炭-工业防毒技术一战(一战
6、(1914191819141918)德国使用毒气(氯气)德国使用毒气(氯气)俄罗斯捷林斯基(俄罗斯捷林斯基(1861195318611953年)年)发明了第一个通用的发明了第一个通用的木炭防毒面具木炭防毒面具。活性炭活性炭:主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料,:主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料,如煤、木材、果壳、椰壳、核桃壳等。这些含碳材如煤、木材、果壳、椰壳、核桃壳等。这些含碳材料在活化炉中,在高温和一定压力下通过热解作用料在活化炉中,在高温和一定压力下通过热解作用被转换成活性炭。具有被转换成活性炭。具有较高的吸附能力较高的吸附能力。-工业防毒技术木炭木炭油脂脱色油脂脱色活性炭活性
7、炭过滤式防过滤式防毒面具毒面具消防消防防毒面具防毒面具-工业防毒技术活性炭的作用活性炭的作用1.1.新房吸附有害气体、厨房吸油烟、卫生间除臭、干新房吸附有害气体、厨房吸油烟、卫生间除臭、干燥防霉、烟嘴过滤、汽油吸附、净水、污水处理等。燥防霉、烟嘴过滤、汽油吸附、净水、污水处理等。2.2.在工业发展史上最大的作用在工业发展史上最大的作用是作为净水滤料用于污是作为净水滤料用于污水处理。活性炭在污水处理中做主要的净水滤料,水处理。活性炭在污水处理中做主要的净水滤料,吸附污水中的杂质,起到吸附过滤作用,通常放于吸附污水中的杂质,起到吸附过滤作用,通常放于滤池中与石英砂滤料、无烟煤滤料等配合使用。滤池中
8、与石英砂滤料、无烟煤滤料等配合使用。3.3.椰壳活性炭椰壳活性炭 净水效果最好。椰壳活性炭的粒径最小,空隙半径最净水效果最好。椰壳活性炭的粒径最小,空隙半径最小,空隙率高,表面积最大,吸附效率最好。小,空隙率高,表面积最大,吸附效率最好。-工业防毒技术 第一节吸附的基本概念第一节吸附的基本概念一、吸附原理一、吸附原理1 1、和吸收过程不同、和吸收过程不同吸收过程中吸收剂是吸收过程中吸收剂是液体液体,而吸附过程中吸附剂是,而吸附过程中吸附剂是固体固体;吸收时吸收质均匀分散在液相中(例如,吸收时吸收质均匀分散在液相中(例如,硫酸或石硫酸或石灰吸收水分灰吸收水分),而吸附时吸附质只吸附在吸附剂),而
9、吸附时吸附质只吸附在吸附剂表面,形成一层吸附层。表面,形成一层吸附层。2 2、分类、分类 吸附过程可以分为吸附过程可以分为物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附两类。两类。-工业防毒技术第一节吸附的基本概念第一节吸附的基本概念物理吸附物理吸附 固体吸附剂与气体分子之间普遍存在着分子间的固体吸附剂与气体分子之间普遍存在着分子间的引力,即引力,即范德华力范德华力。产生物理吸附的原因是分子间。产生物理吸附的原因是分子间的引力。的引力。物理吸附主要特征为:物理吸附主要特征为:固体表面与被吸附的气体之间固体表面与被吸附的气体之间不发生化学反应不发生化学反应;对吸附的气体没有选择性,对吸附的气体没有选择性,
10、可吸附一切气体可吸附一切气体;既可以是既可以是单分子层单分子层吸附也可形成吸附也可形成多分子层吸附多分子层吸附;吸附过程为吸附过程为放热过程放热过程。-工业防毒技术物理吸附分离原理大体上可分为以下四种类型物理吸附分离原理大体上可分为以下四种类型:1 1)选择性吸附。)选择性吸附。吸附力为固体表面的原子或基团与外来分子间的吸附力为固体表面的原子或基团与外来分子间的引力,本质是范德华力。吸附力的大小与引力,本质是范德华力。吸附力的大小与表面和分表面和分子两者的性质有关子两者的性质有关。这些性质的差异引起了吸附力。这些性质的差异引起了吸附力的差异,这就是选择性吸附。的差异,这就是选择性吸附。2 2)
11、分子筛效应。)分子筛效应。多孔固体的微孔孔径是均一的,而且与分子多孔固体的微孔孔径是均一的,而且与分子尺寸尺寸相当相当。小于微孔孔径的分子可以进入微孔而被吸附,。小于微孔孔径的分子可以进入微孔而被吸附,比孔径大的分子则被排斥在外,这种现象称为比孔径大的分子则被排斥在外,这种现象称为分子分子筛效应筛效应。-工业防毒技术3)通过微孔的扩散。通过微孔的扩散。气体在多孔固体中的气体在多孔固体中的扩散速率扩散速率与气体的性质、吸与气体的性质、吸附剂材料的性质以及微孔尺寸等因素有关。利用扩附剂材料的性质以及微孔尺寸等因素有关。利用扩散速率的差别可以将混合物分离。散速率的差别可以将混合物分离。4 4)微孔中
12、的凝聚。)微孔中的凝聚。毛细管中液体曲面上的蒸气压与其正常蒸气压不毛细管中液体曲面上的蒸气压与其正常蒸气压不同。多数情况下毛细管上的可凝气体会在小于其正同。多数情况下毛细管上的可凝气体会在小于其正常蒸气压的压力下在毛细管中凝聚。在一定温度下常蒸气压的压力下在毛细管中凝聚。在一定温度下凝聚压力与毛细管半径有关。因此,凝聚压力与毛细管半径有关。因此,多孔固体周围多孔固体周围的可凝缩气体会在与其孔径对应的压力下在微孔中的可凝缩气体会在与其孔径对应的压力下在微孔中凝聚。凝聚。-工业防毒技术第一节第一节 吸附的基本概念吸附的基本概念化学吸附化学吸附 化学吸附也称化学吸附也称活性吸附活性吸附,它是由于固体
13、表面与吸附气体分子,它是由于固体表面与吸附气体分子之间的之间的化学键化学键所造成。所造成。化学吸附的特征为:化学吸附的特征为:具有明显的选择性;具有明显的选择性;单分子层吸附;单分子层吸附;吸附热量大。吸附热量大。吸附速率随温度升高而增加。故化学吸附宜在较高温度下进行。吸附速率随温度升高而增加。故化学吸附宜在较高温度下进行。为不可逆吸附。为不可逆吸附。-工业防毒技术-工业防毒技术影响气体吸附的因素影响气体吸附的因素(1)(1)操作条件操作条件 低温有利于物理吸附,提高温度有利于化学吸附。低温有利于物理吸附,提高温度有利于化学吸附。增大气相主体的压力、从而增大了吸附质的分压,增大气相主体的压力、
14、从而增大了吸附质的分压,有利于吸附、但压力增大会增加能耗,且操作要求有利于吸附、但压力增大会增加能耗,且操作要求高。气体流速大压损大并使吸附质和吸附剂接触高。气体流速大压损大并使吸附质和吸附剂接触时间短、不利于吸附,气流速度应控制在一定范围时间短、不利于吸附,气流速度应控制在一定范围内,对固定床吸附器而言,气流速度控制在内,对固定床吸附器而言,气流速度控制在 0.20.2一一0.6m0.6ms s范围内。范围内。-工业防毒技术(2)(2)吸附剂性质吸附剂性质 吸附剂的孔隙率、孔径、颗粒度等影响其比表面吸附剂的孔隙率、孔径、颗粒度等影响其比表面面积的大小,因而影响吸附效果。面积的大小,因而影响吸
15、附效果。(3)(3)吸附质的性质与浓度吸附质的性质与浓度 其临界直径、分子量、沸点和饱和性等影响吸附。其临界直径、分子量、沸点和饱和性等影响吸附。若用同种活性炭吸附结构相似的有机物时,吸附若用同种活性炭吸附结构相似的有机物时,吸附质分子量越大,沸点越高,不饱和性越大,越易被质分子量越大,沸点越高,不饱和性越大,越易被吸附。吸附。-工业防毒技术吸附平衡吸附平衡(一一)吸附过程吸附过程 吸附过程中吸附质的传送过程可以分为四个阶段吸附过程中吸附质的传送过程可以分为四个阶段(1)1)吸附质分子通过吸附质分子通过气膜气膜扩散到吸附剂外表面;扩散到吸附剂外表面;(2)(2)吸附质分子在吸附质分子在微孔微孔
16、中扩散到达内表面;中扩散到达内表面;(3)(3)吸附质分子被吸附在吸附质分子被吸附在内表面活性点内表面活性点上;上;(4)(4)吸附质分子由吸附剂内表面向晶格内部扩散。吸附质分子由吸附剂内表面向晶格内部扩散。-工业防毒技术-工业防毒技术(二二)静活性与动活性静活性与动活性 单位质量吸附剂在一定的单位质量吸附剂在一定的温度、压力温度、压力下,达到下,达到饱饱和状态和状态时所吸附的气体量称为吸附剂的时所吸附的气体量称为吸附剂的静活性静活性,又,又称称平衡吸附量平衡吸附量。静活性静活性是表示吸附剂对气体吸附量的是表示吸附剂对气体吸附量的极限极限,是,是吸附操作的重要指标,是吸附操作的重要指标,是设计
17、和控制吸附过程设计和控制吸附过程的重的重要参数。要参数。-工业防毒技术 气流通过一定厚度的吸附层时,出口处的气流通过一定厚度的吸附层时,出口处的吸附质浓度随时间变化的曲线吸附质浓度随时间变化的曲线如图所示如图所示。从图。从图中看出,开始时吸附层出口出的气体浓度为零,中看出,开始时吸附层出口出的气体浓度为零,经一段时间后,在吸附层出口处出现吸附质,经一段时间后,在吸附层出口处出现吸附质,这种现象称为这种现象称为穿透穿透,所经历的这段时间称为,所经历的这段时间称为穿穿透时间透时间。-工业防毒技术-工业防毒技术吸附过程出现穿透后,吸附层出口处的吸附过程出现穿透后,吸附层出口处的有害气体浓度迅速增加,
18、直至与有害气体浓度迅速增加,直至与进口浓进口浓度相等度相等为止。为止。吸附层从操作开始到穿透,吸附层的单吸附层从操作开始到穿透,吸附层的单位质量吸附剂所吸附的气体量叫做吸附位质量吸附剂所吸附的气体量叫做吸附剂的剂的动活性动活性。在净化通风系统的排气时,吸附层穿透在净化通风系统的排气时,吸附层穿透后一般应当立即更换吸附剂。后一般应当立即更换吸附剂。-工业防毒技术三、吸附剂的选择三、吸附剂的选择 (一一)吸附剂的特性吸附剂的特性 吸附剂具有许多微孔,内表面积很吸附剂具有许多微孔,内表面积很大,例如大,例如1kg1kg活性炭的总表面积可达活性炭的总表面积可达10106 6m m2 2。活性炭的内表面
19、积和微孔大小对其吸附活性炭的内表面积和微孔大小对其吸附性能有很大影响。吸附剂的特性参数均性能有很大影响。吸附剂的特性参数均与多孔结构有关。与多孔结构有关。-工业防毒技术 1 1比表面积比表面积-工业防毒技术2 2孔半径孔半径 微孔大小通常用孔半径微孔大小通常用孔半径rgrg来表示,根据孔半径大来表示,根据孔半径大小,可以把微孔分为小,可以把微孔分为大孔大孔(rg(rg0.10.11.0um)1.0um),大孔用来吸附液体分子大孔用来吸附液体分子 比较有效比较有效 中孔中孔(rg(rg0.0020.0020.1um)0.1um)中孔吸附蒸气分子中孔吸附蒸气分子 比较有效比较有效小孔小孔(rg(r
20、g0.002um)0.002um)小孔吸附气体分子较有效小孔吸附气体分子较有效-工业防毒技术-工业防毒技术3 3孔隙率孔隙率 吸附剂内部的微孔体积和吸附剂个体总体积之比称为吸附剂内部的微孔体积和吸附剂个体总体积之比称为其其孔隙率孔隙率4 4饱和吸附量饱和吸附量 饱和吸附量即饱和吸附量即静活性静活性。-工业防毒技术(二二)对吸附剂的要求对吸附剂的要求对吸附剂的主要要求是:对吸附剂的主要要求是:吸附能力吸附能力强,吸附容量大强,吸附容量大。吸附吸附容量容量是指在一定的温度、吸附质浓度下是指在一定的温度、吸附质浓度下,单位,单位质量质量(或单位体积或单位体积)吸附剂所能吸附的最大量。吸附吸附剂所能吸
21、附的最大量。吸附量大,可降低处理单位流体所需的吸附剂用量。量大,可降低处理单位流体所需的吸附剂用量。具具有大的比表面积和孔隙率有大的比表面积和孔隙率。具有良好的选择性具有良好的选择性。-工业防毒技术机械强度、化学稳定性、热稳定性等性能良好,机械强度、化学稳定性、热稳定性等性能良好,使用寿命长。使用寿命长。颗粒均匀。如果颗粒颗粒均匀。如果颗粒大大小不均匀,易造成短路和流速小不均匀,易造成短路和流速分布不均,引起气流返混,降低吸附分离效率:若分布不均,引起气流返混,降低吸附分离效率:若颗粒太小,床层阻力过大,严重时会将吸附剂带出颗粒太小,床层阻力过大,严重时会将吸附剂带出器外。器外。再生再生容容易
22、。易。(7 7)价格低廉易得价格低廉易得-工业防毒技术-工业防毒技术2 2工业吸附剂工业吸附剂吸附剂可分为两大类,吸附剂可分为两大类,一类是天然的吸附剂一类是天然的吸附剂,如硅藻土、白土、天然,如硅藻土、白土、天然沸石等。沸石等。另一类是人工制作的吸附剂另一类是人工制作的吸附剂,主要有,主要有活性炭活性炭、硅胶硅胶、活性氧化铝、合成沸石分子筛、有机树、活性氧化铝、合成沸石分子筛、有机树脂吸附剂等。脂吸附剂等。-工业防毒技术(1 1)活性炭)活性炭 活性炭是许多具有较高吸附性能的碳基物质的总称。活性炭是许多具有较高吸附性能的碳基物质的总称。活性炭是最常用的活性炭是最常用的非极性吸附剂非极性吸附剂
23、。为疏水性和亲有机物的吸附剂,具。为疏水性和亲有机物的吸附剂,具有很高的比表面积,活性炭的主体是炭,表面上的官能团较少,极性较弱,有很高的比表面积,活性炭的主体是炭,表面上的官能团较少,极性较弱,对烃类及衍生物的吸附能力强。对烃类及衍生物的吸附能力强。化学稳定性好,抗酸耐碱,热稳性高,再生容易。用于回收气体中的化学稳定性好,抗酸耐碱,热稳性高,再生容易。用于回收气体中的有机气体,脱除废水中的有机物,脱除水溶液中的色素。有机气体,脱除废水中的有机物,脱除水溶液中的色素。合成纤维经炭化后可制成活性炭纤维吸附剂,使吸附容量提高数十倍,合成纤维经炭化后可制成活性炭纤维吸附剂,使吸附容量提高数十倍,而且
24、可以编制成各种织物,使装置更为紧凑并减少流体阻力。而且可以编制成各种织物,使装置更为紧凑并减少流体阻力。活性炭也可加工成炭分子筛,活性炭也可加工成炭分子筛,孔径范围孔径范围0.2-1nm0.2-1nm,能起到分子筛的作,能起到分子筛的作用又有活性炭的基本性质,对同系物或有机异构体有良好的选择性。用又有活性炭的基本性质,对同系物或有机异构体有良好的选择性。活性炭的缺点是它的活性炭的缺点是它的可燃性,因而使用温度一般不能超过可燃性,因而使用温度一般不能超过473K473K:-工业防毒技术(2 2)硅胶硅胶 硅胶的分子式通常用硅胶的分子式通常用SiOSiO2 2nHnH2 2O O表示。由表示。由H
25、 H2 2SiOSiO3 3溶溶液经过缩合、除盐、脱水等处理制得。比表面积达液经过缩合、除盐、脱水等处理制得。比表面积达800 m2/g800 m2/g。工业用的硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末工业用的硅胶有球型、无定形、加工成型和粉末状四种。硅胶含硅大于状四种。硅胶含硅大于9595,硅胶是,硅胶是亲水性的极性亲水性的极性吸附剂吸附剂,对不饱和烃、甲醇、水分等有明显的选择,对不饱和烃、甲醇、水分等有明显的选择性。性。硅胶是硅胶是工业上和实验室工业上和实验室常用的吸附剂。主要用于常用的吸附剂。主要用于气体或液体的干燥:烃类气体的回收;废气气体或液体的干燥:烃类气体的回收;废气(含含SOSO2
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