吸附技术介绍

一、吸附基本知识

1.1吸附

利用某些固体能够从流体混合物中选择性地凝聚一定组分在其表面上的能力，使混合物中的组分彼此分离的单元操作过程。

1.2吸附原理

1、吸附是一种界面现象，其作用发生在两个相的界面上。

2、根据吸附剂对吸附质之间吸附能力的不同，可分为物理吸附和化学吸附。

1.2.1物理吸附

概念：当气体或液体分子与固体表面分子间的作用力为分子间力时产生的吸附。   

特点：1、是一种可逆过程；

      2、吸附质在吸附剂表面形成单层或多层分子吸附时，其吸附热比较低；

      3、吸附无选择性，任何固体可以吸附任何气体，当然吸附量会有所不同；

      4、吸附稳定性不高，吸附和解吸速率都很快；

      5、吸附不需要活化能，吸附速率并不因温度的升高而变快。 

1.2.2化学吸附

概念：由吸附质与吸附剂表面原子间的化学键合作用造成的，即在吸附质与吸附                剂之间发生了电子转移、原子重排或化学键的破坏与生成等现象。

特点：1、化学吸附往往是不可逆的；

      2、化学吸附的吸附热接近于化学反应的反应热，比物理吸附大的多；

      3、吸附很稳定，一旦吸附，不易解吸；

      4、吸附是单分子层的；

      5、吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快。

1.3常见的吸附剂

常见的吸附剂有：活性炭、硅胶、活性氧化铝、合成沸石和天然沸石分子筛。

目前用在VOCs治理中的吸附剂主要是活性炭。 

1.3.1吸附剂的性能要求

1、有较大的比表面积

2、对吸附质有较高的吸附能力和高选择性

3、较高的强度和耐磨性

4、颗粒大小均匀

5、具有良好的化学稳定性、热稳定性以及价廉易得

6、容易再生

二、吸附法技术优缺点

2.1吸附法优点

1、可回收有机溶剂

2、可净化大风量、低浓度、低温度废气

3、废气不需要加热，低温或常温操作

4、可回收痕量物质

2.2吸附法缺点

1、需要预处理废气中的粉尘、烟等杂质

2、高温废气需要冷却

3、吸附剂使用寿命不长

4、投资费用较大

三、吸附法适用范围

吸附法用于治理喷漆、包装、印刷、机械、化工及生产过程产生苯类、酯、醇、酮、醛、酚汽油等场合。用于大风量、低浓度的废气工况或间歇作业中准备回收利用的有机溶剂工厂、车间，废气浓度一般小于等于1000mg/m³。

四、吸附热力学———等温吸附曲线和等压吸附曲线

吸附热力学主要研究的是平衡吸附量q0 与吸附体系参数温度t 、压力p 三者之间的关系。在给定的吸附体系中, 固体对气体的吸附量可用下式来表示

q0 = f ( p , t) 

当固定温度和压力时, 平衡吸附量就是压力和温度的单值函数, 从而得到等温吸附曲线和等压吸附曲线。

从等温吸附曲线(图a) 看出, 当压力甚小时, 平衡吸附量q0 与压力p 成正比(OA 段) ; 当压力甚大时, 平衡吸附量q0 与压力p 几乎无关(BC 段) , 此时吸附量已基本达到饱和; 在中等压力时, 平衡吸附量q0 与压力p 成某一曲线关系(AB) 。

在吸附压力恒定时, 吸附量随吸附温度的变化而变化, 可得到等压吸附线(图b) 。从中可以看出, 吸附剂的吸附量随温度升高而减少, 因为吸附作用是个放热过程, 温度提高不利于吸附。

吸附法的选择

吸附法分为固定床吸附法、流动床吸附法和浓缩转轮，在VOCs治理中最常用的就是固定床吸附法和浓缩转轮，在这里重点介绍固定床吸附法。

5.1固定床吸附法

固定床吸附法的特点是吸附与脱附在同一个床层上实现，为了保证吸附过程的连续性，需要两台或两台以上的吸附器同时工作，一种一些吸附器进行吸附时，另一些进行脱附再生。活性炭是应用最为广泛的固定床吸附剂，由于其容易吸附水，所以不适用于温度高于40℃、气相相对湿度超过50%的气体的吸附处理。此外也不适用于易发生反应、活性大的溶剂的吸收，该类有机物会与活性炭活在活性炭表面进行反应而堵塞炭孔，这种情况可采用碳纤维或沸石作为吸附剂。

5.2活性碳纤维

活性炭纤维是以有机化合物纤维（如聚丙烯、酚醛树脂、聚乙烯醇等）为基本原料经特殊加工制成的，它是一种很细的纤维状物质，具有巨大的比表面积、外表面积和非常发达的微孔结构，纤维上有很多微孔可直接与有机物接触而不是像颗粒活性炭那样要先通过大孔、过渡孔，才能到达微孔，因此，活性碳纤维更易于吸附低浓度的VOC。与颗粒活性炭相比，其吸附有机物的能力高出1.5～2.0倍，吸附速度也快3倍左右。

由于活性炭纤维的吸附能力强，所以吸附装置可以小型化，吸附剂的量也可以少些，降低处理费用。

表 颗粒活性炭和活性碳纤维吸附回收工艺比较（同等处理规模）

表 活性碳纤维与颗粒活性炭对几种有机物平衡吸附量的比较

(1) 在化学、金属、电子及其有关工业中, 用活性炭回收含氯烃类化合物会生成盐酸, 造成设备腐蚀。而用活性炭纤维回收, 生成的盐酸浓度低, 对系统的腐蚀危害小, 且回收质量也高。

(2) 可用于回收反应活性大的溶剂。酮类化合物的反应活性大, 用活性炭回收存在火灾危险。

(3) 可用于回收低浓度污染物。

(4) 可用于回收难处理物质。例如, 颗粒活性炭对低沸点物质 的回收率很低, 如对酚的吸附, 吸附带厚度超过2 m, 而活性炭纤维只要5 cm 左右。

(5) 易于再生。

六、吸附法流程图

颗粒活性炭吸附技术流程图

七、吸附剂再生方法

从吸附曲线可以看出, 在同一温度下, 吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附质的分压上升而增加;在同一吸附质分压下, 吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减小。这就是说, 加压、降温有利于吸附, 降压、升温有利于脱附或吸附质的再生。于是按照吸附剂的再生方法, 可将吸附循环分成两类: 即变温吸附( TSA) 和变压吸附( PSA) 。图表示了这两种方法的概念。图中横坐标为吸附质的分压, 纵坐标为单位吸附剂的吸附量。

7.1变温吸附

变温吸附就是在常温下进行吸附, 在较高温度下将被吸附的气体从吸附剂中脱附出来。从图看出, 变温吸附在两条温度不同的等温曲线之间上下移动进行吸附和脱附。由于常用吸附剂的比热容较大而热导率较小, 加温和冷却所需的热量和冷量均较大, 而且过程时间很长(往往需几小时) , 还要配备相应的加热和冷却设施, 能耗和投资相对较高; 此外温度大幅度周期性变化也会影响吸附剂寿命。

变压、变温吸附示意图

7.2变压吸附

变压吸附就是在较高的吸附质分压下进行吸附, 在较低分压下(甚至真空状态) 使其脱附的过程。由于吸附循环周期短(几分钟) , 吸附热来不及散失即可供脱附用, 吸附床温度变化小, 可近似看作是等温过程。

7.3变温吸附（TSA）法优缺点

优点：再生彻底、回收率高、产品损失小

缺点：周期长、投资较大能耗高，吸附剂使用寿命不长

7.4变压吸附（PSA）法优缺点

优点：循环周期短、吸附剂利用率高、产品纯度高、吸附剂用量相对较少， 不需要加热设备，主要用于气量大、原理气体组分复杂的气体分离与提纯。

缺点：回收率不高，需要加压和真空设备。

7.5氮气脱附

7.5.1水蒸气脱附缺点

传统工艺采用水蒸气脱附、静态分层回收有机溶剂的方法，虽然水蒸气脱附法有相变热高，脱附较完全、易冷凝等优点，还有以下缺点：

产生二次排放物污水，特别是回收溶解度大的有机物时污水很难处理，用精馏塔处理运行费用高。

在脱附时有大量水蒸气冷凝在活性炭纤维吸附层中，虽然经干燥风吹扫，但活性炭纤维的水含量还是很高，影响其吸附性能，降低了利用率。

当有机废气中含有易水解物质或卤代烃等物质时，在高温水蒸气的作用下，设备极易腐蚀，回收产品中杂质多。

工况环境较差时，气流夹带的灰尘等杂质会在活性炭纤维中积累，在盐析、填充等作用下活性碳纤维失去活性。

对一些高沸点物质的场合，由于水蒸气不能有效解吸，上述工艺及装置运行一段时间后吸附率会下降很多，不能正常运行。

7.5.2氮气脱附优点

所以近年来氮气脱附称为了研究热点，以热氮气作为解吸介质，富集后的解析气通过冷凝或吸收方式加以回收，实现污染物零排放。与水蒸气脱附法相比，氮气脱附有以下优点：

用热氮气脱附，不产生二次污染物，可实现环保达标排放。

吸附层保持干燥，提高了活性炭纤维的利用率，延长了活性碳纤维的使用寿命。

由于不用水蒸气脱附，设备无腐蚀成本，大大降低了设备制造成本。

回收产品中水含量低，溶剂品质高。

对于水溶性大或是易水解的溶剂回收效果好，可降低运营成本。

由于脱附气可加入至400℃左右，所以回收装置可以应用于含高沸点有机溶剂的回收，拓展回收装置的应用范围。

7.5.3氮气脱附装置流程

虽然目前氮气脱附的研究有比较多，也有多家公司申请了该专利，但是目前投入实际运用的还很少。比如，中节能天辰（北京）环保科技有限公司已经申请了该专利，但是其生产的活性炭吸附装置脱附时还是用的是氮气脱附。

吸附法使用时的注意点

8.1预处理气中的粉尘、烟杂质的影响

预处理气在进入吸附罐之前，应先经过一个预处理器去除其中的粉尘、烟、漆雾等杂质，假如不处理，其中的粉尘、烟、漆雾等杂质会进入吸附罐，从而吸附在活性炭的表面，堵塞活性炭的空隙，降低了活性炭的使用寿命，增加运行成本。

8.2高温废气需要冷却

假如预处理气的温度过高，则不能直接进入吸附罐，需要经过冷却装置将预处理气的温度降低。因为根据吸附曲线可知，在同一吸附质分压下, 吸附质在吸附剂上的吸附量随吸附温度上升而减小，假如未经过冷却直接将气体通入吸附罐，则将影响吸附效率，尾气排放不达标。一般要求废气进口温度低于40℃，如高于40℃，则需加气体冷却装置，冷却后才可进入吸附罐。

8.3废气中的水蒸气会有抑制作用

大部分活性炭具有憎水性,但由于水蒸汽比VOC具有较高的相对压力和较小的分子量,水蒸汽更容易扩散，被活性炭优先吸附。VOC-水蒸汽在活性炭上的二元吸附平衡可简化为以下两个步骤:(1)水蒸汽在活性炭上被优先吸附;(2)VOC在已经吸附了水蒸汽的活性炭上吸附、取代出部分水分。

优先吸附的水蒸汽从以下两个方面改变了吸附剂的性质, 从而对VOC 的吸附平衡产生不利影响: 第一、占据一定的孔隙体积, 使得活性炭有效吸附体积减小 ; 第二、改变了活性炭孔隙表面的特性, 降低了表面对VOC 的吸附亲和力。

水蒸汽对VOC 在活性炭上吸附平衡的抑制作用, 随着VOC 浓度的增加而减小,对低浓度VOC 的影响非常显著; 随着RH的增大而增大, 在RH＞50%时, 抑制作用显著增强。一般要求进气相对湿度小于50%。

活性炭吸附装置参数

9.1实例介绍

1、公司名称：**有限公司

2、装置名称：活性炭吸附回收净化装置

3、装置结构：吸附罐、冷凝器、分离器、曝气器、主排风机等设备，配有进出口阀，炭层超温报警自动降温装置及电控柜等。

4、装置特点：本净化装置可根据生产工艺设定单床/双床或多床，连续性生产设立两个吸附罐，一只吸附，一只脱附，也可两罐同时使用。装置的进出风口设置手动或气动阀门，操作简便可靠。本装置采用低压蒸汽为解吸介质，高沸点的溶剂解吸时可配备蒸汽过滤器，提高蒸汽温度。两罐也可同时吸附，定期同时解吸，处理风量可增加近一倍，对于间歇性生产可减少投资和占地面积。

5、注意事项：

（1）装置的废气进口温度应低于40℃，如高于40℃的废气需增加空气冷却装置，冷却后进入吸附罐。

（2）用于喷漆作业等产生的含有较多颗粒粉尘废气净化，废气应先对颗粒物进行过滤净化。

（3）当吸附的有机溶剂沸点较高（120℃以上）时，可采用蒸汽过滤器，提高解吸蒸汽温度

（4）如没有蒸汽供应时，可随净化装置专门配备小型电热蒸汽发生器。

表 活性炭吸附装置性能参数

10.1活性炭吸附催化净化装置

10.1.1装置介绍

本装置是由扬州绿之源环保科技有限公司生产的活性炭吸附催化净化装置。

10.1.2工作原理

本装置根据吸附（效率高）和催化燃烧（节能）两个基本原理设计，采用双气路连续工作，一个催化燃烧室，两个吸附床交替使用。先将有机废气用活性炭吸附，当快达到饱和时停止吸附，然后用热气流将有机物从活性炭上脱附下来使活性炭再生；脱附下来的有机物已被浓缩（浓度较原来提高十倍以上）并送往催化燃烧室催化燃烧成二氧化碳及水蒸气排出。当有机废气的浓度达到2000PPm以上时，有机废气在催化床可维持自燃，不用外加热。燃烧后的尾气一部分排入大气，大部分被送往吸附床，用于活性炭再生。这样可满足燃烧和吸附所需的热能，达到节能的目的。再生后的可进入下次吸附；在脱附时，净化操作可用另一个吸附床进行，既适合于连续操作，也适合于间断操作。

10.1.2技术性能及特点

该设备设计原理先进、用材独特，性能稳定，结构简便，安全可靠，节能省力，无二次污染。设备占地面积小，重量轻。吸附床采用抽屉式结构，装填方便，便于更换。

2、采用新型的活性炭吸附材料—蜂窝状块形活性炭，极适用于大风量下使用。

3、催化燃烧室采用蜂窝陶瓷状为载体的贵金属催化剂，阻力小，活性高。当有机蒸气浓度达到2000PPm以上时，可维持自燃。

4、耗电量小，由于床层阻力小，用低压风机就可以工作，不但耗电少而且噪音低。催化燃烧时，需电加热启动。有机物在催化床催化燃烧开始后，其燃烧热可足以维持其反应所需的温度，此时电加热停止，启动电加热时间大约为1小时左右。

5.吸附有机物废气的活性炭床，用催化燃烧后的废气进行脱附再生，脱附后的气体再送催化燃烧室进行净化，不需外部能量，运行费用低，节能效果显著。

工程案例 

11.1喷漆房有机溶剂废气回收装置

该装置为**有限公司和**集装箱制造公司共同研发，用于回收喷漆房有机溶剂废气的回收，于2007年成功用于投产。

11.1.1技术特点

采用纤维棉过滤—雾化洗涤—吸收的多重预处理工艺

有效去除废气中的漆雾微细颗粒、树脂单体、气溶胶和高沸点溶剂等有害活性炭寿命的组分，去除率达到99.5%以上。解决了传统吸附方法中吸附剂寿命短的问题，使有害吸附剂寿命的物质最大限度地被阻挡在吸附剂之前，从而保证吸附剂能长期保持良好的吸附能力。

复合炭床吸附技术

在吸附罐中按顺序分布几层次具有不同吸附倾向、吸附能力的活性炭，从而达到吸附的互补作用，使复合炭床对喷涂漆废气的有效成份的吸附能力达到99.5%以上。同时保证废气中的不同成分能同时被吸附回收。该回收技术的吸附能力可达到95%以上。

高温蒸汽分段脱附、分级冷凝分离工艺技术

采用变温蒸汽脱附，通过对低压蒸汽进行电加热，从而逐步提高吸附罐的温度，使低沸点有机分子先脱附，高沸点有机分子后脱附，从而达到分段脱附、分级冷凝分离的目的，所回收的有机溶剂不改变原来的成分组别，能够直接回用。

11.2三氯乙烯废气回收装置

三氯乙烯回收装置用于吸附工业生产过程中排出的三氯乙烯有机废气。能将废气中的有机物变成液体溶剂直接回用，吸附回收效率高达95～98%。 

11.2.1产品特点

·合理确定各项操作参数，取消传统工艺对脱附后的吸附剂的冷却过程；

·选用一级脱附、降低流速的方法，实现了低造价、高吸附率、达标排放；

·系统结构合理、构造简单、占地面积小、性价比高；

·吸附介质使用寿命长，运行成本低。

11.2.2产品的主要技术指标