活性炭吸附箱装置的概述

    一．吸附装置设计的基本要求

    1.吸附装置出口排气须达到排放标准

    当前已进入可持续发展时代,不论是为生产工艺过程中尾气的回收利用,还是为废气治理而设计的吸收装置,出口的排气须达到排放标准。例如,《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)规定,苯的允许排放浓度现有污染源为17mg/m3,新污染源为12mg/m3。

    2.设备选型与吸附剂选择要面向生产实际、面向市场

    为某些特定生产工艺(化学工业、石油化工等)的废气治理或为开发环保产业的新产品而设计吸附装置,都会面临设备选型和选用吸附剂的问题。这就需要考虑到工业生产的规模、性质,生产和排污的方式(连续或间歇,均匀或排污强度变化大等),以及所排污染物的物理特征和化学特征。新产品开发还要考虑产业政策、环境政策,以及预测市场需求的变化。

    3.设计的吸附装置要处理能力大、效率高

    在选定吸附装置的类型和使用的吸附剂后,在设计中通过改进设备结构,使吸附装置能保持在良好条件下操作,更新吸附剂制作的方法,使设计的吸附装置处理能力大、效率大、收益大。

    4.价格低、运行费用低

    设计吸附装置要尽可能简化结构,并使设备易于安装,以节省用户的一次性投资;设计的吸附装置还要维修、操作简便,易于管理,以节省运转费用。

    二 . 吸附剂的种类和应用

    吸附剂的种类很多,可分为无机的和有机的和合成的。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。沸石如丝光沸石、斜发沸石等,可直接用于环境保护中的NOz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。

    工业上广泛应用的吸附剂有以下几种

    (一)活性炭及活性炭纤维

    活性炭是应用早、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、石油佳果壳、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都,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:活件炭50A以下,活性焦炭20A以下,炭分子筛10A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吸附剂。它是用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,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150~350m?/g,宜在473~523K下。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,可达其自身重量的一半。硅胶的吸附热很大,吸附水分时能够放出大量的热量,使硅胶谷易破碎。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。

    三 . 吸附剂的选择 

    (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。 

    (1)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。

    (2)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NH:的能力较吸附空气的要大。

    (3)有较好的机械强度、热稳定性和化学稳定性。 

    (4)原料来源广,制备简单,价格低廉。

    要同时满足以上要求往往是很困难的,只能在衡量后择优选定。

    (ニ)吸附剂的选择

    活性炭吸附箱吸附过程设计中,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,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,要除去的污染物要小于有效微孔尺寸。

    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,所以在后处理中要将其进行分离。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。