大气污染治理技术中的吸附剂及应用

（一）吸附剂的种类和性质

吸附剂的种类很多，可分为天然和合成吸附剂。天然矿产品如活性白土和硅藻土等经过适当的加工，就可以形成多孔结构，可直接作为吸附剂使用。合成无机材料吸附剂主要有活性炭、活性炭纤维、硅胶、活性氧化铝及合成沸石分子筛等。近年来还研制出多种大孔吸附树脂，与活性炭相比，它具有选择性好、性能稳定、易于再生等优点。

目前，工业上广泛采用的吸附剂主要有以下几种。

1.活性炭

活性炭是应用最早，用途较为广泛的一种优良吸附剂。它是由各种含碳物质如煤、木材、果壳、果核等炭化后，再用水蒸气或化学试剂进行活化处理，制成孔穴十分丰富的吸附剂。制备活性炭最好的原料是椰子壳，其次是核桃壳和桃核等。

活性炭是一种具有非极性表面、疏水性和亲有机物的吸附剂，常常被用来吸附回收空气中的有机溶剂（如苯、甲苯、丙酮、乙醇、乙醚、甲醛等），还可以用来分离某些烃类气体，以及用来脱臭等。活性炭的主要缺点是具有可燃性，使用温度一般不超过200℃。在实际工作中，对活性炭的技术指标有一定的要求，见表6.3。

表6.3　活性炭的技术指标范围

炭分子筛是最新发展的一种孔径均一的新品种，具有良好的选择性。活性炭纤维是一种新型的高效吸附剂，它是用超细的活性炭微粒与各种纤维素、人造丝、纸浆等混合制成各种不同类型的纤维状活性炭。微孔范围在0.5～1.4nm，比表面积大，有较大的吸附量和较快的吸附速率。主要用于吸附各种无机和有机气体、水溶性的有机物、重金属离子等，特别对一些恶臭物质的吸附量比颗粒活性炭要高出40倍。

2.活性氧化铝

活性氧化铝是由氧化铝的水合物加热脱水而形成的多孔物质，其晶格构型分为α型、γ型和中间型，其中起吸附作用的主要是γ型。活性氧化铝吸附极性分子，无毒，机械强度大，不易膨胀，比表面积大，宜在200～250℃下再生，其技术指标参见表6.4。在污染物控制技术中常用于石油气的脱硫及含氟废气的净化。

表6.4　活性氧化铝的技术指标

3.硅胶

硅胶是用硅酸钠与酸反应生成硅酸凝胶（SiO2·nH2O），然后在115～130℃下烘干、破碎、筛分而制成各种粒度的产品。硅胶具有很好的亲水性，当用硅胶吸附气体中的水分时，能放出大量的热，使硅胶容易破碎，但吸附量很大，可达自身质量的50%。在工业上主要用于气体的干燥和从废气中回收烃类气体，也可用作催化剂的载体。工业用硅胶的主要技术指标参见表6.5。

表6.5　工业用硅胶的主要技术指标

4.沸石分子筛

应用最广的沸石分子筛是具有多孔骨架结构的硅酸盐结晶体。按SiO2和Al2O3的单元比不同，将分子筛分为A型、X型和Y型。A型的比值等于2，X型的比值为2.3～3.3，Y型的比值为3.3～6。按孔径从小到大的顺序，A型沸石分子筛又分为3A、4A和5A型。

分子筛具有许多孔径均匀的微孔，比孔径小的分子能进入孔穴而被吸附，比孔径大的分子被拒之孔外，因此具有强的选择性。与其他吸附剂相比较，沸石分子筛具有如下特点：①具有很高的吸附选择性；②具有很强的吸附能力；③是强极性吸附剂，对极性分子特别是对水分子具有强的亲和力；④热稳定性和化学稳定性高。

分子筛可以从废气中选择性地除去NOx、H2O、CO2、CO、CS2、SO2、H2S、NH3、CCl4和烃类等气态污染物。

（二）吸附剂的选择

1.吸附剂的基本要求

（1）大的比表面积和孔隙率

由于吸附作用主要发生在空穴的表面上，空穴越多，内表面越大，则吸附性能越好。

（2）良好的选择性(www.xing528.com)

由于不同的吸附剂因其组成和结构不同，所表现出的优先吸附能力就不同，只有具有良好的选择性，才能经济有效地净化气态混合物。

（3）易于再生

吸附法净化气态污染物应包括吸附和吸附剂再生的全部过程。

（4）机械强度大，化学稳定性强，热稳定性好；

（5）原料来源广泛，价格低廉。

不同的吸附剂其适用范围不同，工业上常用吸附剂的适用范围见表6.6。

表6.6　不同吸附剂的应用范围

2.吸附剂的选择

在实际工作中，选择的吸附剂要完全满足吸附剂的基本要求往往是很难的，只能在全面衡量后择优选用。选择时可按下述方法进行。

（1）初步选择选择吸附剂除要有一定的机械强度外，最主要的是对分离组分具有良好的选择性和较强的吸附能力。对于极性分子，可优先考虑使用分子筛、硅胶和活性氧化铝。对于非极性分子或相对分子质量较大的有机物，应选用活性炭。因为活性炭对碳氢化合物具有良好的选择性和较强的吸附能力。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，因分子筛的选择性更多地取决于微孔的大小。在选择吸附剂时还必须注意的一点是，吸附质分子的大小必须小于微孔的大小。

当污染物的浓度较大而净化要求不高时，可采用吸附能力适中而价格便宜的吸附剂。当污染物浓度较高而净化要求也很高时，考虑用不同的吸附剂进行两级吸附处理。

（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。

（3）经济评估对初步选出的几种吸附剂进行经济估算，从中选用费用低，效果较好的吸附剂。

（三）吸附剂的再生

吸附剂的容量有限，当吸附剂达到饱和或接近饱和时，必须对其进行再生操作。常用的再生方法有升温再生、降压再生、吹扫再生、置换脱附和化学转化再生等。

（1）升温再生，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，使热气流与床层接触直接加热床层，使吸附质脱附，吸附剂恢复吸附性能。加热方式有过热水蒸气法、烟道气法、电加热和微波加热法等。

（2）降压再生，再生时压力低于吸附操作的压力，或对床层抽真空，使吸附质解吸出来，再生温度可与吸附温度相同。

（3）吹扫再生，向再生设备中通入不被吸附的吹扫气，降低吸附质在气相中的分压，使其解吸出来。操作温度越高，通气温度越低，效果越好。

（4）置换再生，采用可吸附的吹扫气，置换床中已被吸附的物质，吹扫气的吸附性越强，床层解吸效果越好。

（5）化学再生，向床层中通入某种物质使其与被吸附的物质发生化学反应，生成不易被吸附物质而解吸下来。

影响吸附剂再生的因素与影响气体吸附的因素相同，主要有温度、压力、吸附质的性质和气相组成、吸附剂的化学组成和结构等。当影响吸附的因素主要是温度和压力等操作条件时，一般是通过降低温度和增大压力来提高吸附量，对这类吸附剂进行再生时可以采用升温再生法、降压再生法和吹扫再生法；当影响吸附的因素主要是吸附质的性质和气相组成或吸附剂的化学组成和结构等时，通常采用置换再生或化学再生法。

在实际工作中，人们一方面要求吸附容量大、吸附效率高，另一方面又要求易于再生，这是一对对立统一的矛盾。因为吸附能力越强，就可能越不易再生。因此在选择吸附剂时要考虑吸附容量和再生两方面的因素。表6.7列出了活性炭上易于再生和难以再生的物质，作为选择吸附剂时的参考。

表6.7　活性炭上易于再生和难以再生的物质