吸附劑的吸附容量有限,在1%~40%(質量分數)之間,當吸附達到或接近飽和時,都要進行脫附再生。從理論上講,吸附劑經過脫附,吸附質應該被全部脫附出來,也就是說,吸附曲線和脫附曲線在理論上應該吻合。
然而實際上至少在等溫線上的一部分會產生不同的平衡,如下圖所示。這種現象稱為滯后現象。由于滯后現象的存在,使解吸時吸附質的平衡分壓總是低于吸附時的平衡分壓。
圖1 表示滯后現象的吸附等溫線
這就反映出有一部分吸附質未能全部被解吸,而存在著殘留吸附量。滯后現象的存在,必然降低吸附劑的循環使用壽命。為了盡可能地減少滯后造成的影響,應正確地選擇脫附再生方法。
吸附劑的5種脫附再生方法
吸附質從吸附劑表面脫附的根本原因是,吸附質分子必須克服吸附劑表面對它的引力,增大其脫離表面的推動力。
(1) 升溫脫附
升高溫度可增大吸附質分子的動能,使吸附質分子能夠克服吸附劑的引力而由固體吸附劑上逸出,這也就是吸附劑的吸附容量在等壓下隨溫度升高而降低的原因。
要根據吸附質和吸附劑的性質選擇適當的脫附溫度,一般來說,脫附溫度的高低與吸附質的沸點沒有直接關系,而是與其飽和蒸氣壓關系密切。在通常情況下,不主張采取過高的脫附溫度,因為過高的脫附溫度不僅增加能耗,而且還可能給吸附裝置帶來超壓的隱患。
因此,要認真選擇脫附溫度并嚴格控制,既能保證吸附質脫附得比較完全,達到較低的殘余負荷,又能防止吸附劑失活或晶體結構破壞。
升溫脫附經常采用過熱蒸汽、熱的惰性氣體(如氮氣)、熱煙氣或采用電感加熱等方式。
(2) 降壓脫附
降低壓強也就是降低吸附質分子在氣相中的分壓,以增大吸附質分子由固體表面逸出的推動力,從而使吸附質分子從固相轉入氣相,達到脫附的目的。吸附劑的吸附容量在等溫下隨壓力降低而降低的原因就在于此。因此,工程上采用降壓或真空脫附,采用降壓脫附要考慮系統的安全性(有時還要使用壓力容器)和經濟性。
(3) 置換脫附
采用在脫附條件下與吸附劑親和能力比原吸附質更強的物質,將原吸附質置換下來的方法,稱為置換脫附。置換脫附特別適用于對熱敏感性強的吸附質,能使吸附質的殘留負荷達到很低。采用置換脫附時要考慮脫附后的原吸附物質和置換劑的分離。
過置換脫附后,吸附床層要把置換劑脫附下來而使吸附劑再生。
(4) 吹掃脫附
吹掃脫附的原理與降壓脫附相類似,也是降低吸附質在氣相中的分壓,使吸附質脫附。采用的吹掃氣體必須是不被該吸附劑吸附的氣體,吹掃吸附常采用惰性氣體作脫附劑。
實際應用中,往往是幾種脫附方法的結合,例如用水蒸氣脫附,就同時具有加熱和吹掃的作用。
(5) 化學轉化脫附
向吸附床層中注入可與吸附質進行化學反應的物質,使之生成的產物容易脫附,這種方法多用于吸附量不太大的有機物,可以使之轉化成CO2而脫附下來。
采用碳基吸附劑處理VOCs的幾個誤區
01 廢氣通過吸附床層的風速
有很多教科書上都明確寫道:氣體通過吸附劑床層的風速一般為0.2~0.6m/s。通過工程實踐發現,這種說法有些偏頗。
當人們利用活性碳纖維作吸附劑處理VOCs時,所使用的最大風速絕不會超過0.15m/s,因為由于受到床層阻カ的限制,一般活性碳纖維層的厚度不會超過150mm。
那么為什么老的教科書給出這個數據呢?考查發現:過去人們大都采用顆?;钚蕴孔魑絼?,它的床層厚度一般設計在0.2~0.6m,最大不會超過1m,所以就給出了這個數據。
實際上,通過工程實踐發現,廢氣通過床層的速度是由廢氣在床層中與吸附劑的接觸時間決定的??偨Y工程實踐,廢氣在吸附床層內與吸附劑的接觸時間為0.8~1.2s即可將廢氣中的吸附質完全吸附下來,也就是說,采用這樣的風速,完全可以滿足治理要求。
02 脫附溫度
關于脫附溫度,很多人都認為與吸附質的沸點有關,認為要想把高沸點的物質從吸附劑上脫附下來,脫附介質的溫度必須高于該物質的沸點。
實踐證明這種觀點是錯誤的。以雙氧水行業回收三甲苯為例,三甲苯的沸點為164.7℃(另有資料介紹為176.1℃),而采用100℃的水蒸氣即可將三甲苯完全脫附下來。有不少工程實踐都證明了這一點。
為此可以得出結論,吸附質的脫附溫度與其沸點沒有直接關系,而是和它的飽和蒸氣壓有關。這個結論可以用脫附原理來說明。
大家都知道,要想使吸附質分子從吸附劑表面脫附下來必須給它能量或推動力,使其能夠從吸附劑表面“蒸發”到吸附劑孔道中,從而進入氣相主體。而在通常采用的脫附方法中,加熱脫附是給它提供能量,以增加分子的動能;吹掃脫附和降壓(真空)脫附,都是為了降低吸附劑孔道中廢氣分子的分壓,也就是蒸氣壓,給廢氣造成一個濃度差,從而給廢氣分子由吸附劑表面向氣相轉移提供一個推動力,這個推動力越大,廢氣分子的脫附速度就越快。
所以,從這個理論出發就不難理解,吸附質的脫附溫度是與其飽和蒸氣壓直接相關的,而與它的沸點無關。如洗過的衣服通常是在低于水的沸點下晾干的。
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