吸附技術(shù)治理VOC的分類及特點(diǎn)

VOC(揮發(fā)性化合物)是石油化工、印刷、制鞋、噴漆等行業(yè)排放的常見的污染物。隨著合成工業(yè)和石油化工工業(yè)的發(fā)展，進(jìn)人大氣的揮發(fā)性化合物越來越多。這些物質(zhì)主要有硫化氫、硫醇類、硫醚類、氨、胺類、
　　吲哚類、硝基化合物、烴類、醛類、脂肪酸類、醇類、酚類、酯類以及鹵系衍生物等。
　　該類物大多具有毒性，部分已被列為致癌物，如氯乙烯、苯、多環(huán)芳烴等。多數(shù)VOC易燃易爆，對生產(chǎn)企業(yè)的   造成威脅；部分VOC對臭氧層具有破壞作用，如氯氟烴(CFCs)和含氫氯氟烴(HCFCIs)。因此，需要經(jīng)濟(jì)的處理手段治理這些廢氣，其中吸附技術(shù)了越來越廣泛的應(yīng)用。
　　VOC的處理方法可以分為兩類：一類是具有破壞性的方法，如焚燒法和催化燃燒法等，該方法可打斷VOC廢氣的化學(xué)鍵，將VOC轉(zhuǎn)化成CO2和H2O；另一類是非破壞性方法，即吸附法，常用的回收方法有炭吸附法、冷凝法和膜分離法。而在各種揮發(fā)性廢氣的治理方法中，活性炭凈化塔吸附法已經(jīng)占據(jù)了重要的地位并了廣泛應(yīng)用。吸附治理技術(shù)因而成為研究的。
　　一、吸附技術(shù)的分類
　　根據(jù)吸附質(zhì)和吸附劑之間吸附力的不同，吸附操作分為物理吸附與化學(xué)吸附兩大類。
　　物理吸附又稱范德華吸附，是吸附劑分子與吸附質(zhì)分子間吸引力作用的結(jié)果，因其分子間的結(jié)合力較弱，故容易脫附，如固體和氣體之間的分子引力大于氣體內(nèi)部分子之間的引力，氣體會凝結(jié)在固體表面上，吸附過程達(dá)到平衡時，吸附在吸附劑上的吸附質(zhì)的蒸氣壓等于它在氣相中的分壓。
　　化學(xué)吸附是由吸附質(zhì)與吸附劑分子間化學(xué)健的作用所引起，其間的結(jié)合力比物理吸附大得多，放出的熱量也大得多，與化學(xué)反應(yīng)熱數(shù)量級相當(dāng)，過程往往不可逆，化學(xué)吸附在催化反應(yīng)中起著重要作用。
　　二、吸附機(jī)理及應(yīng)用特點(diǎn)分析
　　1、吸附機(jī)理
　　吸附質(zhì)被吸附劑吸附的過程可分為三步：
　　一步外擴(kuò)散：吸附質(zhì)從流體主體通過擴(kuò)散(分子擴(kuò)散與對流擴(kuò)散)傳遞到吸附劑顆粒的外表面。因?yàn)榱黧w與固體接觸時，在緊貼固體表面處有一層滯流膜，所以這一步的速率主要取決于吸附質(zhì)以分子擴(kuò)散通過這一滯流膜的傳遞速率。
　　二步內(nèi)擴(kuò)散：吸附質(zhì)從吸附劑顆粒的外表面通過顆粒上的微孔擴(kuò)散進(jìn)人顆粒內(nèi)部，到達(dá)顆粒的內(nèi)部表面。
　　三步吸附：吸附質(zhì)被吸附劑吸附在內(nèi)表面上。對于物理吸附，第三步通常是瞬間實(shí)現(xiàn)的，所以吸附過程的速率通常由前二步?jīng)Q定，據(jù)內(nèi)、外擴(kuò)散速率的相對大小分為：外擴(kuò)散控制、內(nèi)擴(kuò)散控制和內(nèi)外擴(kuò)散聯(lián)合控制三種。
　　2、吸附機(jī)理的特點(diǎn)
　　化學(xué)吸附熱與化學(xué)反應(yīng)熱相近，比物理吸附熱大很多。如CO2和氫在各種吸附劑上的化學(xué)吸附熱為83740J/mol和62800J/mol，而這兩種氣體的物理吸附熱約為25120J/mol和8374J/mol。
　　物理吸附?jīng)]有很高的選擇性，其主要取決于氣體或液體的物理性質(zhì)及吸附劑的特性。而化學(xué)吸附具有較高的選擇性，如氯可以被鎢或鎳化學(xué)吸附。
　　化學(xué)吸附時，溫度對吸附速率的影響較顯著，溫度升高則吸附速率加快，因其是一個活化過程，故又稱活化吸附。而物理吸附即使在低溫下，吸附速率也可能較大，因它不屬于活化吸附?；瘜W(xué)吸附總是單分子層或單原子層，而物理吸附則不同，低壓時，一般是單分子層，隨著吸附質(zhì)分壓增大，吸附層可能轉(zhuǎn)變成多分子層。
　　三、VOC治理中常用的吸附劑及應(yīng)用
　　吸附法的吸附效果主要取決于吸附劑性質(zhì)、氣相污染物種和吸附系統(tǒng)工藝條件(如操作溫度、濕度等因素)，因而吸附法的關(guān)鍵問題在于對吸附劑的選擇。通常固體都具有   的吸附能力，但只有具有很高選擇性和很大吸附容量的固體才能作為工業(yè)吸附劑。吸附劑要具有密集的細(xì)孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)表面積大，吸附性能好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，、耐水、高壓，不易破碎，對空氣阻力小。常用的吸附劑主要有分子篩、活性碳(顆粒狀)和活性碳纖維、活性氧化鋁、硅膠等。
　　1、吸附劑的選擇原則
　　吸附劑的性能對吸附操作的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)起著決定性的作用，吸附劑的選擇是非常重要的，一般的選擇原則為：1)具有較大的平衡吸附量。一般比表面積大的吸附劑的吸附能力也強(qiáng)；2)具有良好的吸附選擇性；3)容易解吸，即平衡吸附量與溫度或壓力具有較敏感的關(guān)系；4)有   的機(jī)械強(qiáng)度和，性能穩(wěn)定，床層壓降較低，價格便宜等。
　　2、常用的吸附劑及應(yīng)用
　　2.1、合成沸石(分子篩)及在VOC治理應(yīng)用
　　沸石吸附劑是具有特定而且均勻一致孔徑的多孔吸附劑，其只能允許比其微孔孔徑小的分子吸附上去，比它孔徑大的分子則不能進(jìn)人，有篩分子的作用，故稱為分子篩。
　　分子篩早在1756年被發(fā)現(xiàn)，但在工業(yè)上應(yīng)用，則是在1954年   聯(lián)合碳化物公司實(shí)現(xiàn)人工合成分子篩以后。從此，各國競相研究，相繼應(yīng)用。我國是在20世紀(jì)50年代末60年代初實(shí)現(xiàn)人工合成分子篩的研究，并工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。
　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界合成分子篩的型號已有100多種，但用量較多、應(yīng)用較廣的仍是A型、X型和Y型，其它用量不大。根據(jù)原料配比、組成和制造方法不同，可以制成不同孔徑(一般從3A到8A)和形狀(圓形、橢圓形)的分子篩。
　　根據(jù)VOC廢氣成分的區(qū)別，分子篩的具體參數(shù)也不盡相同，如標(biāo)稱孔徑、堆積密度、顆粒直徑、抗壓強(qiáng)度、晶胞常數(shù)、比表面積等都有區(qū)別。分子篩是極性吸附劑，對極性分子，尤其對水具有很大的親和力。由于分子篩突出的吸附性能，使得它在吸附分離中有著廣泛的應(yīng)用，主要用于各種氣體和液體的干燥，芳烴或烷烴的分離及用作催化劑及催化劑載體等。
　　2.2、活性炭及其在VOC治理應(yīng)用
　　活性炭是黑色粉末狀或顆粒狀的無定形碳?；钚蕴恐鞒煞殖颂家酝膺€有氧、氫等元素。活性炭在結(jié)構(gòu)上由于微晶碳是不規(guī)則排列，在交叉連接之間有細(xì)孔，在活化時會產(chǎn)生碳組織缺陷，因此它是一種多孔炭，堆積密度低，比表面積大。活性炭無臭、無味、無砂性、不溶于任何溶劑，對各種氣體有選擇性的吸附能力，對色素和含氮堿有高容量吸附能力。每克總表面積可達(dá)500~1000㎡。相對密度約1.9~2.1，表觀相對密度約0.08~0.45。
　　活性炭的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展很快，目前應(yīng)用較多的主要是粉末狀、顆粒狀的活性炭和活性碳纖維。除此之外，蜂窩狀活性炭作為一種環(huán)保吸附材料，被處理廢氣在通過蜂窩活性炭方孔時能充分與活性炭接觸，吸附，風(fēng)阻系數(shù)小，具有優(yōu)良的吸附、脫附性能和氣體動力學(xué)性能，采用蜂窩狀活性炭的環(huán)保設(shè)備廢氣處理凈化，吸附床體積小，設(shè)備能耗低，能夠降低造價和運(yùn)行成本。
　　2.3、新型吸附材料
　　近些年，各國對環(huán)保、節(jié)能提出   ，吸附劑的工作也取得了飛快的發(fā)展。碳分子篩是一種兼具活性炭和分子篩某些特性的碳基吸附劑。碳分子篩具有很小的微孔組成，孔徑分布0.3~1mm之間，用途是空氣分離制作純氮。其吸附氧而純氮，即可比原始空氣壓力稍低的氧氣。
　　吸附法的優(yōu)點(diǎn)在于去除、能耗低、工藝成熟、脫附后溶劑可回收。缺點(diǎn)是設(shè)備龐大、流程復(fù)雜、投資后的運(yùn)行費(fèi)用較高且有二次污染產(chǎn)生，當(dāng)廢氣中有膠粒物質(zhì)或其他雜質(zhì)時，吸附劑易中毒。
　　在實(shí)踐中遇到的常見的多孔材料(如活性炭，硅膠和分子篩)的一些缺點(diǎn)，如低吸附能力、易燃性，并有與   的問題。因此，人們一直專注新型多孔材料的吸附能力、反應(yīng)動力學(xué)和高可逆性。
　　因此，新型吸附劑的對擴(kuò)大吸附分離技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。與傳統(tǒng)吸附劑相比，新型吸附劑可提高吸附VOC的能力，提高去除率，降低排放氣中殘余VOC含量。而新型金屬一骨架材料由于具備較高的空隙率、好的化學(xué)穩(wěn)定性、可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)和高的比表面積，比其它的多孔材料具有   為廣泛的應(yīng)用前景。