吸附法实验：净化气体中的氮氧化物！

活性炭吸附广泛用于大气污染、水质污染和有毒气体的净化领域。吸附法净化气态污染物是一种简便的方法。利用活性炭的物理吸附性能和大的比表面积，可将废气中污染气体分子吸附在活性炭上，达到净化的目的。

本实验采用活性炭洗涤吸附床，以活性炭作为吸附剂，通过模拟氮氧化物废气，得出吸附净化效率、空塔气速和转效时间等数据。

（一）实验目的

（1）深入理解吸附法净化有害废气的原理和特点。

（2）掌握活性炭吸附法的工艺流程和吸附装置的特点。

（3）训练工艺实验的操作技能，掌握主要仪器设备的安装和使用。

（4）掌握活性炭吸附法中的样品分析和数据处理的技术。

（二）实验原理与技术指标

吸附是利用多孔性固体吸附剂处理流体混合物，使其中所含的一种或几种组分浓集在固定表面，而与其他组分分开的过程。产生吸附作用的力可以是分子间的引力，也可以是表面分子与气体分子的化学键力，前者称为物理吸附，后者称为化学吸附。

活性炭吸附气体中的氮氧化物是基于其较大的比表面积和较高的物理吸附性能。活性炭吸附氮氧化物是可逆过程，在一定温度和压力下达到吸附平衡，而在高温、减压或化学反应等条件下被吸附的氮氧化物又被解吸出来，使活性炭得到再生而能重复使用。

技术指标如下：

（1）吸附塔材质：不锈钢；直径80mm；长700mm。

（2）吸附剂种类：颗粒活性炭；吸附剂堆放厚度：＞500mm。

（3）吸附气体：氮氧化物气体；进气浓度：0.05%～0.5%。

（4）最大处理气量：10m³/h。

（5）吸附温度：常温。

（6）吸附压力：常压。

（7）吸附效率：约90%。

（8）压力损失：＜1000Pa。

（三）实验装置与设备特点

1.设备特点

（1）可模拟进行小试净化氮氧化物实验。

（2）可测定研究处理风量、待处理气体浓度对吸收效率及压力损失的影响。

（3）配有微电脑气体浓度检测系统（能在线监测尾气浓度的变化，并具有数据采集与直接打印输出功能）。

（4）装置配有微电脑风量、风压检测系统（能在线监测各段的风压、风速、风量，并具有数据采集与打印输出功能）。

（5）设备带有配气装置（包括废气流量计、钢瓶等），配气浓度可精确控制调节。

（6）设备配有气体混合系统，使风管内的气体分布均匀、取样检测更精确。

（7）设备具有吸附剂再生的功能。

（8）设备主体由不锈钢制成，耐腐蚀、使用寿命长。

（9）处理风量、进气浓度等可自行调节。

（10）该装置可在线数据采集，也可用备用数据采集接口，设备系统还在净化设备前后配有人工采样口。

2.配套实验装置

（1）微电脑进气氮氧化物浓度检测系统（英国进口传感器）1套。

（2）微电脑尾气氮氧化物浓度检测系统（英国进口传感器）1套。

（3）微电脑在线风量检测系统（日本进口传感器）1套。

（4）微电脑在线风速检测系统（日本进口传感器）1套。

（5）微电脑在线风压检测系统（日本进口压力传感器）1套。

（6）10英寸液晶显示器（日本进口，高分辨率）1套。

（7）在线温度、湿度检测系统（美国进口温度、湿度传感器）1套。

（8）配套分析处理软件1套（具有能记录保存实验数据、数据变化曲线分析、取样时间设定、工作效率自动换算等功能）。

（9）数据处理分析系统与计算机通信接口1套。

（10）不锈钢洗涤吸附床1个。

（11）吸附剂再生系统1套。

（12）耐酸耐碱水泵1台。

（13）进气风机1台。

（14）喷淋装置1套，均匀布液。

（15）贮液槽1个。

（16）气体缓冲罐1个。

（17）专用测压软管1套。

（18）系统静压测口2个。

（19）调节球阀1套。

（20）氮氧化物配气系统1套（氮氧化物气体10L、专用钢瓶1个）。

（21）进出口风管1套。

（22）人工取样口2个。

（23）风量调节阀1套。

（24）加药口1个。

（25）液体流量计1只。

（26）进气流量计1个。

（27）取样检测流量计1个。

（28）漏电保护开关1个。

（29）工作电压表1个。

（30）电源线1批。(www.xing528.com)

（31）指示按钮开关3只。

（32）电气控制柜1个。

（33）不锈钢实验设备台架1套。

（34）连接管道、阀门、开关、插座等1套。

（35）装置总体尺寸：约长1200mm×宽400mm×高1800mm。

（四）实验步骤

1.实验准备

（1）实验准备工作在学生进行实验之前由实验室工作人员完成。

（2）按流程图连接好装置并检查气密性。

（3）校定流量计并绘出流量曲线图。

（4）将活性炭放入烘箱中，在100℃以下烘1～2h，过筛备用。

2.实验步骤

（1）首先检查设备有无异常（漏电、漏气等），一切正常后开始操作。

（2）启动气泵电源，开始进气，将进气流量计调节至5～10m³/h。

（3）先将氮氧化物流量计打开，再启动进气电磁阀，打开钢瓶阀门并调节进气浓度（0.01%～0.5%）。

（4）进行氮氧化物吸附净化实验，通过改变其气体浓度、气量变化、不同吸附剂等，测定对其吸附效率的影响。

（5）待吸附剂饱和以后，停止吸附操作，转入高温脱附阶段，此时需先将氮氧化物气体电磁阀关闭。停止进气，然后再打开再生加热器，再生时间约需数个小时。对其完全脱附后，停止再生加热。待反应器降温至常温后，重新进行吸附操作。

（6）实验完毕后，关闭设备，切断电源，清洗、整理仪器药品。

（五）实验结果整理

1.实验基本参数记录

吸附器直径d=__________mm

装填量m_AC=__________g

进口气体浓度y₀=__________10^-6（体积分数）

室温T=__________K

活性炭装填高度H=__________mm

操作条件__________

气体流量G=__________L/min

环境大气绝对压力p=__________Pa

2.实验结果及整理

（1）记录实验数据并分析结果：

切换时刻__________

实验停止时刻τ′__________

最低出口浓度生成时刻τ₀__________

τ与气体浓度的关系见表3-12。

表3-12 τ与气体浓度的关系

（2）根据实验结果绘制气体吸附穿透曲线。由实验结果图定出穿透时间τ_B（设穿透点浓度y_B为进口浓度的10%）和饱和时间τ_E（设饱和点浓度y_E为进口浓度的70%）。理想状态下的吸附穿透曲线如图3-5所示。

图3-5 理想状态下的吸附穿透曲线

（3）根据吸附穿透曲线，确定实验所用床层的传质区高度Z_a（m）、到达破点时刻吸附装置的吸附饱和度a以及该吸附床的动态活性。

提示：通过图形积分，得出吸附传质区的不饱和度为：

式中 U——图中斜线阴影部分面积，表示吸附传质区的剩余吸附总量

S——图中横线阴影部分面积，表示吸附传质区的总体饱和吸附容量

V_B——达到破点时的累积体积，m³

V_E——达到饱和点时的累积体积，m³

V_a——V_a=V_B-V_E，即传质区移动一个传质区长度时间段内的累计气体提及，m³

y₀——气体进口浓度，10^-6

y——气体出口浓度，10^-6

通过式3-46计算出Z_a：

式中 Z——吸附床层总长度，m

通过式3-47计算出吸附饱和度a：

达到破点时的吸附量A_B为

式中 R——通用气体常数，8.31J/（mol· K）

——SO₂的摩尔质量，64g/mol

动活性用下式计算：动活性=

式中 m_AC——实验用活性炭质量，g

（六）实验结果讨论

（1）还可通过该实验系统测定出不同长度吸附柱的破点时间，再利用西罗夫方程确定吸附柱的传质参数（利用备用采样点），请设计实验过程。

（2）若要测定气体进口浓度的变化对吸附容量的影响，应该怎样设计实验？

（3）在什么样的条件下可以使用希洛夫公式进行吸附床层的计算？根据实验结果，若设计一个炭层高度为0.5m的吸附床层，它的饱和时间为多少？

（4）吸附温度对吸附效率的影响如何？

（5）再生温度与再生时间的关系如何？