Навігація
Головна
Массоперенос при адсорбції домішокХемосорбція газових домішокТермохімічне знешкодження газових викидівВплив вуглецю і постійних домішок на властивості сталиКінетика адсорбціїОчищення стічних вод адсорбцієюОЧИЩЕННЯ ГАЗОВИХ ВИКИДІВКоагулирование домішок водиГазова промисловістьТермоокислению домішок стічних вод
 
Головна arrow Екологія arrow Теоретичні основи захисту навколишнього середовища
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Адсорбція газових домішок

Адсорбцією називають процес виборчого поглинання компонента газу, пари або розчину пористою поверхнею твердого тіла (адсорбенту). Адсорбцію застосовують для очищення газів з невисоким вмістом газо- або пароподібних забруднень до отримання їх дуже низьких об'ємних концентрацій. Адсорбцію застосовують для уловлювання з газів вентиляційних викидів сірчистих сполук, вуглеводнів, хлору, окислів азоту, парів органічних розчинників та ін.

Процеси адсорбції бувають вибірковими і оборотними. Кожен поглинач має здатність поглинати лише певні речовини і не поглинати інші. Поглинене речовина завжди може бути виділено з поглинача шляхом десорбції.

На відміну від абсорбційних методів адсорбція дозволяє проводити очищення газів при підвищених температурах.

Цільовий поглинається компонент, що знаходиться в очищаемом газі, називають адсорбтивом, цей же компонент в адсорбованому стані, тобто поглинене речовина в адсорбенті, - адсорбатом.

Здатність поверхневих частинок (іонів, атомів або молекул) конденсованих тіл притягувати і утримувати молекули газу обумовлена надлишком енергії на поверхні (у порівнянні з середньою енергією частинок в обсязі тіла) і притаманна всім твердим речовин і рідин. На практиці як адсорбентів вигідно використовувати речовини з розвиненою питомою (на одиницю об'єму) поверхнею.

Кількість адсорбата, що утримується на одиничної площі поверхні розділу фаз, в кінцевому рахунку визначається силою взаємодії між молекулами адсорбируемого речовини і частинками, що знаходяться в приповерхневих шарах адсорбенту.

За характером взаємодії адсорбата з поверхнею розрізняють фізичну і хімічну адсорбцію.

Фізична адсорбція обумовлюється силами міжмолекулярної взаємодії (дисперсійний, орієнтаційний і індукційний ефекти). Міжмолекулярні сили слабкі, тому при фізичній адсорбції відбувається лише невелика деформація адсорбованих частинок. Цей вид адсорбції - чисто фізичний процес з енергією активації порядку 4 ... 12 кДж / моль. При фізичної адсорбції поглинаються молекули газів і парів утримуються силами Ван-дер-Ваальса, при хемосорбції - хімічними силами. При фізичної адсорбції взаємодія молекул з поверхнею адсорбенту визначається порівняно слабкими силами (дисперсними, індукційними, орієнтаційними). Для фізичної адсорбції характерна висока швидкість, мала міцність зв'язку між поверхнею адсорбенту і адсорбтивом, мала теплота адсорбції (до 60 кДж / моль).

Хімічна адсорбція (хемосорбция) здійснюється за рахунок ненасичених валентних сил поверхневого шару. При цьому можуть утворюватися поверхневі хімічні сполуки, властивості і будова яких ще мало вивчені. Відомо тільки, що вони від-приватне від властивостей об'ємних з'єднань. При утворенні поверхневих з'єднань необхідно подолати енергетичний бар'єр, який зазвичай складає 40 ... 100 кДж / моль. Оскільки хемосорбция вимагає значної енергії активації, її іноді називають активованої адсорбцією.

В основі хімічної адсорбції лежить хімічна взаємодія між адсорбентом і адсорбируемого речовиною. Діючі при цьому сили значно більше, ніж при фізичній адсорбції, а вивільняється теплота збігається з теплотою хімічної реакції (вона коливається в межах 20 ... 400 кДж / моль).

Величини фізичної та хімічної адсорбції із зростанням температури зменшуються, однак при певній температурі фізична адсорбція може стрибкоподібно перейти в активовану.

При адсорбції можливі дуже великі швидкості поглинання і повне вилучення компонентів, виділення яких шляхом абсорбції було б неможливо через їх малій концентрації в суміші.

Адсорбція може бути застосована для вилучення будь-яких забруднювачів з газового потоку, але область її застосування обмежена низкою експлуатаційних, технічних та економічних умов. Так, за вимогами пожежо- і вибухобезпеки не можна піддавати адсорбційної обробці гази з вмістом вибухонебезпечних компонентів більше 2/3 від нижньої концентраційної межі займання.

Оптимальні концентрації забруднювачів у газах, що подаються на очищення, знаходяться в межах 0,02 ... 0,5% об. (у перерахунку на з'єднання з молекулярною масою ~ 100). Сучасні технічні можливості не дозволяють знижувати концентрації забруднювачів допомогою адсорбції до санітарних норм. Орієнтовно мінімальні кінцеві концентрації забруднювачів, відповідні прийнятним характеристикам адсорбційних апаратів, на практиці складають 0,002 ... 0,004% об., Тому адсорбційна очистка газів з початковим вмістом забруднювача менше 0,02% об. доречна, якщо це дорогий продукт або речовина високого класу небезпеки.

Обробка отбросних газів з високою (більше 0,2 ... 0,4% об. В перерахунку на з'єднання з молекулярною масою близько 100 ... 50) початковою концентрацією забруднювача вимагає значної кількості адсорбенту і, відповідно, великих габаритів адсорбера. Громіздкість апаратів викликається і малими (до 0,5 м / с) значеннями швидкості потоку через шар адсорбенту, оскільки при більш високих швидкостях різко зростає стирання і винесення адсорбенту. Так, втрати адсорбенту за рахунок виносу можуть доходити при швидкостях потоку 1 ... 1,5 м / с до 5% на добу.

data-override-format="true" data-page-url = "http://stud.com.ua">

Проте можливості процесу адсорбції ще далеко не вичерпані. У ряді випадків він може бути використаний для створення очисних систем нового покоління, задовольняють не тільки санітарним нормам, а й економічним вимогам. Приміром, адсорбцію можна застосувати в двоступеневою схемою очищення для попереднього концентрування сильно розбавлених органічних забруднювачів, що надходять потім на термообезврежіваніе. Таким чином концентрації забруднювачів у вентиляційних викидах можна підвищити в десятки разів.

Адсорбція може протікати в нерухомому, що переміщається (рухомому) шарі, киплячому (псевдозрідженому) шарі адсорбенту.

Механізм процесу адсорбції. Адсорбційні явища розвиваються на кордоні твердої чи рідкої фази з іншого рідкою фазою або газом.

При проходженні потоку газу через шар адсорбенту (рис. 7.8) спочатку бере участь у роботі лише нижній шар висотою k 0, який швидко насичується до стану, близького до рівноважного. У цьому шарі початкова концентрація извлекаемого речовини знижується до нуля (працюючий шар або зона массопередачи).

Рис. 7.8. До механізму процесу адсорбції

Концентрація забруднювача у міру проходження отбросних газів через наступні шари адсорбенту знижується по деякому закону, вираженого графічно кривою 1, і на певній висоті h 1 стає рівною нулю. Далі через шар чистого адсорбенту висотою (Н - h 1) фільтрується чистий газ. Через певний час хвиля насичення адсорбенту доходить до висоти h 2, а отбросние гази повністю звільняються від забруднювача на висоті H, тобто на виході з шару адсорбенту (крива 2). Процес адсорбції припиняють, коли концентрація забруднювача в отбросних газах на виході з шару досягає заздалегідь заданої величини проскока П (крива 3). При цьому хвиля насичення адсорбенту досягає висоти h 3 і його направляють на регенерацію.

При адсорбції може відбуватися проскок компонента, коли адсорбент перестає поглинати його. Під активністю адсорбенту розуміють його здатність поглинати речовину. Адсорбенти характеризуються статичної та динамічної активністю.

Динамічна активність адсорбенту - кількість речовини, поглинене одиницею ваги (обсягу) адсорбенту за час від початку адсорбції до початку проскока.

Статична активність адсорбенту - кількість речовини, поглинене тією ж кількістю адсорбенту за час від початку адсорбції до встановлення рівноваги.

Динамічна активність завжди менше статичної, тому витрата адсорбенту визначається за його динамічної активності. Від активності адсорбенту залежать розміри адсорбційної апаратури, ефективність очищення газів.

Процес адсорбції протягом певного часу протікає при постійному значенні ступеня поглинання адсорбируемого речовини. Цей час називається часом захисної дії шару адсорбенту.

Рішення задачі по визначенню стаціонарного фронту сорбції при рівноважному режимі адсорбції дано в рівнянні Шилова:

(7.60)

де k = 1 / w - коефіцієнт захисної дії шару; w - швидкість переміщення фронту сорбції; τ 0 = kh - час втрати захисної дії шару; h = (Н - Н 0) - висота невикористаної ємності шару адсорбенту.

Адсорбенти. Якісні показники процесу адсорбційної обробки отбросних газів багато в чому залежать від властивостей адсорбентів. Адсорбенти відрізняються високою пористістю, мають велику питому поверхню. Так, у найбільш поширених адсорбентів вона може досягати 1000 м 2 / г. Промислові адсорбенти виготовляють з твердих пористих матеріалів і використовують в подрібненим, гранульованому або порошкоподібному вигляді.

Адсорбент повинен мати високу сорбційну ємність, тобто можливість поглинати велику кількість адсорбтива при його малій концентрації в газовому середовищі, що залежить від питомої площі поверхні і фізико-хімічних властивостей поверхневих частинок. Адсорбційна ємність адсорбенту залежить від його природи. Вона зростає зі збільшенням поверхні, пористості, зі зниженням розмірів пор адсорбенту, а також з підвищенням концентрації адсорбтива в газі-носії і тиску в системі. Зі збільшенням температури і вологості адсорбційна ємність адсорбентів знижується. Хороші адсорбенти витримують кілька сотень і тисяч циклів адсорбція - десорбція без істотної втрати активності.

Адсорбент повинен мати високу селективність (вибірковість) відносно адсорбируемого компонента, володіти достатньою механічною міцністю. Щоб аеродинамічний опір шару було невисоким, щільність адсорбенту повинна бути невеликою, а форма частинок обтічної і створювати високу порозность насипання. Адсорбент для процесу фізичної сорбції повинен бути хімічно інертним по відношенню до компонентів очищаемой газового середовища, а для хімічної сорбції (хемосорбції) - вступати з молекулами забруднювачів в хімічну реакцію. Для зниження витрат на десорбції уловлених компонентів утримуюча здатність адсорбенту не повинна бути занадто високою, тобто він повинен мати здатність до регенерації. Адсорбенти повинні мати невисоку вартість і виготовлятися з доступних матеріалів.

Пори в твердих тілах класифікують на макропори радіусом більше 1000 ... 2000 А; перехідні (мезопори) - радіусом від 15 до 1000 А; мікропори - радіусом до 15 А.

Макропори з розмірами пір більше 1000 ... 2000 А є транспортними каналами для підведення адсорбованих молекул до мезо- і мікропорами. У макро- і мезопорах спостерігається пошаровий механізм адсорбції, в мікропорах, розмір яких дорівнює розмірам адсорбованих молекул, адсорбція носить характер об'ємного заповнення. Тому для мікропористих адсорбентів вирішальне значення в адсорбції грає обсяг пір, а не поверхня адсорбенту.

Адсорбент з великими порами краще адсорбує речовини з великими розмірами молекул і при великих тисках. Среднепорістий адсорбент ефективніше адсорбує при середніх тисках, а дрібнопористий - при низьких тисках.

Питомий об'єм мікропор в адсорбентах досягає 0,2 ... 0,6 см 3 / г, а питома поверхня - до 500 м 2 / г і більше, тому мікропори відіграють основну роль при поділі газових сумішей, особливо при очищенні газів від малих концентрацій домішок. За інших рівних умов кількість адсорбируемого речовини (адсорбата) буде зростати в міру збільшення адсорбуючої поверхні.

Сильно розвинену поверхню мають речовини з дуже високою пористістю, губчастої структурою або в стані найтоншого подрібнення. З практично використовуваних адсорбуючих речовин (адсорбентів) провідне місце належить різним видам активованих вугіль (деревний, кістяний та ін.), Поверхня яких може перевищувати 1000 м 2 / г. Добрими адсорбентами є також гель кремнієвої кислоти (силікагель), глинозем, каолін, деякі алюмосилікати (алюмогели), цеоліти та інші речовини, що відрізняються один від одного природою матеріалу і, як наслідок, своїми адсорбційними властивостями, розмірами гранул, щільністю і ін.

Активоване вугілля - пористий вуглецевий адсорбент. Застосовують кілька марок активованого вугілля, що розрізняються розміром мікропор. Активоване вугілля відповідної марки використовують для адсорбції різних компонентів (газів, летких розчинників та ін.), Що володіють різними властивостями. Розмір гранул активованого вугілля 1,0 ... 6,0 мм, насипна щільність 380 ... 600 кг / м 3.

Силікагель - синтетичний мінеральний адсорбент. Силикагели являють собою гідратовані аморфні кремнеземи (Аl i O 22 O). Питома поверхня силікагелю складає 400 ... 770 м 2 / кг. Застосовують його головним чином для поглинання вологи, тому що він здатний утримувати до 50% вологи до маси адсорбенту. Його переваги в порівнянні з активованим вугіллям - негорючість, низька температура регенерації (100 ... 200 ° С), низька собівартість при масовому виробництві, відносно висока механічна міцність. Промисловість випускає ряд марок силікагелю, що відрізняються формою і розмірами зерен (0,2 ... 7,0 мм - кускові і гранульовані), насипна щільність 400 ... 900 кг / м 3. Силікагель має високу адсорбційну ємністю. Його використовують часто для осушення газу та поглинання парів, наприклад, метилового спирту з газового потоку.

Алюмогель - активна окис алюмінію (Аl 2 O 3 · nН 2 O), одержувана прожарюванням гідроксидів алюмінію. Питома поверхня алюмогель становить 170 ... 220 м 2 / кг, сумарний обсяг пір 0,6 ... 1,0 см 3 / г. Алюмогелі стійки до впливу крапельної вологи. Гідрофільний адсорбент з розвиненою пористою структурою. Використовується, як і силікагель, для осушення газів і поглинання з них ряду полярних органічних речовин. Широко застосовується завдяки своїм позитивним властивостям (доступність, стійкість до впливу рідин та ін.). Випускається у вигляді гранул циліндричної форми діаметром 2,5 ... 5 мм, висотою 3 ... 7 мм, насипна щільність 500 ... 700 кг / м 3, і кульової форми - радіус 3 ... 4 мм, насипна щільність 600 ... 900 кг / м 3.

Цеоліт - алюмосилікати, що містять оксиди лужних і лужноземельних металів. Характеризуються регулярною структурою пір, розміри яких порівнянні з розмірами молекул. Цей адсорбент називають "молекулярні сита" за їхню здатність розділяти речовини на молекулярному рівні завдяки структурі і розмірам своїх пір. Цеоліт адсорбують гази, молекули яких відповідають розмірам "вікон" в кристалічній решітці. Так, цеоліт марки NaA сорбує гази з розміром молекул не більше 4 нм - метан, етан, аміак, сірководень, сірковуглець, оксид вуглецю та ін. Цеоліт Саа сорбує углероводороди нормальної будови і не сорбує ізомери. Цеоліт Сах та NaX можуть сорбувати ароматичні, сіркоорганічні, нітроорганіческіе, галогензамещенние вуглеводні. Однак з вологих потоків цеоліти витягують тільки пари води. Вони володіють також високою селективністю. Цеоліт випускаються у вигляді гранул циліндричної та кульової форми. Розмір гранул кулястих d = 4 мм, циліндричних - 4 мм, насипна щільність 600 ... 900 кг / м 3.

Універсальним адсорбентом, задовільно працюючим у вологих середовищах, є активоване вугілля. Він задовольняє і більшості інших вимог, у зв'язку з чим широко застосовується. Одним з основних недоліків активованого вугілля є хімічна нестійкість до кисню, особливо при підвищених температурах.

Решта адсорбенти проявляють, як правило, селективність до уловлювання забруднювачів. Так, оксиди алюмінію (алюмогели) використовуються для уловлювання фтору і фтористого водню, полярних органічних речовин, силікат кальцію - для уловлювання парів жирних кислот, силікагель - для полярних органічних речовин, сухих газових сумішей. Більшість полярних адсорбентів можна використовувати для осушення газів.

Для процесів хемосорбції використовується імпрегнірованіє (просочування) деяких з наведених сорбентів. Імпрегніруются (просочуючі) речовини можуть діяти двояко: вступати в реакції з певними забруднювачами або каталізувати реакції, які ведуть їх знешкодженню - розпаду, окислювання і т. Д.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
data-override-format="true" data-page-url = "http://stud.com.ua">

Cхожі теми

Массоперенос при адсорбції домішок
Хемосорбція газових домішок
Термохімічне знешкодження газових викидів
Вплив вуглецю і постійних домішок на властивості стали
Кінетика адсорбції
Очищення стічних вод адсорбцією
ОЧИЩЕННЯ ГАЗОВИХ ВИКИДІВ
Коагулирование домішок води
Газова промисловість
Термоокислению домішок стічних вод
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук