吸附技术治理VOC的分类及特点

VOC(挥发性化合物)是石油化工、印刷、制鞋、喷漆等行业排放的常见的污染物。随着合成工业和石油化工工业的发展，进人大气的挥发性化合物越来越多。这些物质主要有硫化氢、硫醇类、硫醚类、氨、胺类、
　　吲哚类、硝基化合物、烃类、醛类、脂肪酸类、醇类、酚类、酯类以及卤系衍生物等。
　　该类物大多具有毒性，部分已被列为致癌物，如氯乙烯、苯、多环芳烃等。多数VOC易燃易爆，对生产企业的   造成威胁；部分VOC对臭氧层具有破坏作用，如氯氟烃(CFCs)和含氢氯氟烃(HCFCIs)。因此，需要经济的处理手段治理这些废气，其中吸附技术了越来越广泛的应用。
　　VOC的处理方法可以分为两类：一类是具有破坏性的方法，如焚烧法和催化燃烧法等，该方法可打断VOC废气的化学键，将VOC转化成CO2和H2O；另一类是非破坏性方法，即吸附法，常用的回收方法有炭吸附法、冷凝法和膜分离法。而在各种挥发性废气的治理方法中，活性炭净化塔吸附法已经占据了重要的地位并了广泛应用。吸附治理技术因而成为研究的。
　　一、吸附技术的分类
　　根据吸附质和吸附剂之间吸附力的不同，吸附操作分为物理吸附与化学吸附两大类。
　　物理吸附又称范德华吸附，是吸附剂分子与吸附质分子间吸引力作用的结果，因其分子间的结合力较弱，故容易脱附，如固体和气体之间的分子引力大于气体内部分子之间的引力，气体会凝结在固体表面上，吸附过程达到平衡时，吸附在吸附剂上的吸附质的蒸气压等于它在气相中的分压。
　　化学吸附是由吸附质与吸附剂分子间化学健的作用所引起，其间的结合力比物理吸附大得多，放出的热量也大得多，与化学反应热数量级相当，过程往往不可逆，化学吸附在催化反应中起着重要作用。
　　二、吸附机理及应用特点分析
　　1、吸附机理
　　吸附质被吸附剂吸附的过程可分为三步：
　　一步外扩散：吸附质从流体主体通过扩散(分子扩散与对流扩散)传递到吸附剂颗粒的外表面。因为流体与固体接触时，在紧贴固体表面处有一层滞流膜，所以这一步的速率主要取决于吸附质以分子扩散通过这一滞流膜的传递速率。
　　二步内扩散：吸附质从吸附剂颗粒的外表面通过颗粒上的微孔扩散进人颗粒内部，到达颗粒的内部表面。
　　三步吸附：吸附质被吸附剂吸附在内表面上。对于物理吸附，第三步通常是瞬间实现的，所以吸附过程的速率通常由前二步决定，据内、外扩散速率的相对大小分为：外扩散控制、内扩散控制和内外扩散联合控制三种。
　　2、吸附机理的特点
　　化学吸附热与化学反应热相近，比物理吸附热大很多。如CO2和氢在各种吸附剂上的化学吸附热为83740J/mol和62800J/mol，而这两种气体的物理吸附热约为25120J/mol和8374J/mol。
　　物理吸附没有很高的选择性，其主要取决于气体或液体的物理性质及吸附剂的特性。而化学吸附具有较高的选择性，如氯可以被钨或镍化学吸附。
　　化学吸附时，温度对吸附速率的影响较显著，温度升高则吸附速率加快，因其是一个活化过程，故又称活化吸附。而物理吸附即使在低温下，吸附速率也可能较大，因它不属于活化吸附。化学吸附总是单分子层或单原子层，而物理吸附则不同，低压时，一般是单分子层，随着吸附质分压增大，吸附层可能转变成多分子层。
　　三、VOC治理中常用的吸附剂及应用
　　吸附法的吸附效果主要取决于吸附剂性质、气相污染物种和吸附系统工艺条件(如操作温度、湿度等因素)，因而吸附法的关键问题在于对吸附剂的选择。通常固体都具有   的吸附能力，但只有具有很高选择性和很大吸附容量的固体才能作为工业吸附剂。吸附剂要具有密集的细孔结构，内表面积大，吸附性能好，化学性质稳定，、耐水、高压，不易破碎，对空气阻力小。常用的吸附剂主要有分子筛、活性碳(颗粒状)和活性碳纤维、活性氧化铝、硅胶等。
　　1、吸附剂的选择原则
　　吸附剂的性能对吸附操作的技术经济性指标起着决定性的作用，吸附剂的选择是非常重要的，一般的选择原则为：1)具有较大的平衡吸附量。一般比表面积大的吸附剂的吸附能力也强；2)具有良好的吸附选择性；3)容易解吸，即平衡吸附量与温度或压力具有较敏感的关系；4)有   的机械强度和，性能稳定，床层压降较低，价格便宜等。
　　2、常用的吸附剂及应用
　　2.1、合成沸石(分子筛)及在VOC治理应用
　　沸石吸附剂是具有特定而且均匀一致孔径的多孔吸附剂，其只能允许比其微孔孔径小的分子吸附上去，比它孔径大的分子则不能进人，有筛分子的作用，故称为分子筛。
　　分子筛早在1756年被发现，但在工业上应用，则是在1954年   联合碳化物公司实现人工合成分子筛以后。从此，各国竞相研究，相继应用。我国是在20世纪50年代末60年代初实现人工合成分子筛的研究，并工业化生产和应用。
　　据统计，世界合成分子筛的型号已有100多种，但用量较多、应用较广的仍是A型、X型和Y型，其它用量不大。根据原料配比、组成和制造方法不同，可以制成不同孔径(一般从3A到8A)和形状(圆形、椭圆形)的分子筛。
　　根据VOC废气成分的区别，分子筛的具体参数也不尽相同，如标称孔径、堆积密度、颗粒直径、抗压强度、晶胞常数、比表面积等都有区别。分子筛是极性吸附剂，对极性分子，尤其对水具有很大的亲和力。由于分子筛突出的吸附性能，使得它在吸附分离中有着广泛的应用，主要用于各种气体和液体的干燥，芳烃或烷烃的分离及用作催化剂及催化剂载体等。
　　2.2、活性炭及其在VOC治理应用
　　活性炭是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳。活性炭主成分除了碳以外还有氧、氢等元素。活性炭在结构上由于微晶碳是不规则排列，在交叉连接之间有细孔，在活化时会产生碳组织缺陷，因此它是一种多孔炭，堆积密度低，比表面积大。活性炭无臭、无味、无砂性、不溶于任何溶剂，对各种气体有选择性的吸附能力，对色素和含氮碱有高容量吸附能力。每克总表面积可达500~1000㎡。相对密度约1.9~2.1，表观相对密度约0.08~0.45。
　　活性炭的研究、生产和应用发展很快，目前应用较多的主要是粉末状、颗粒状的活性炭和活性碳纤维。除此之外，蜂窝状活性炭作为一种环保吸附材料，被处理废气在通过蜂窝活性炭方孔时能充分与活性炭接触，吸附，风阻系数小，具有优良的吸附、脱附性能和气体动力学性能，采用蜂窝状活性炭的环保设备废气处理净化，吸附床体积小，设备能耗低，能够降低造价和运行成本。
　　2.3、新型吸附材料
　　近些年，各国对环保、节能提出   ，吸附剂的工作也取得了飞快的发展。碳分子筛是一种兼具活性炭和分子筛某些特性的碳基吸附剂。碳分子筛具有很小的微孔组成，孔径分布0.3~1mm之间，用途是空气分离制作纯氮。其吸附氧而纯氮，即可比原始空气压力稍低的氧气。
　　吸附法的优点在于去除、能耗低、工艺成熟、脱附后溶剂可回收。缺点是设备庞大、流程复杂、投资后的运行费用较高且有二次污染产生，当废气中有胶粒物质或其他杂质时，吸附剂易中毒。
　　在实践中遇到的常见的多孔材料(如活性炭，硅胶和分子筛)的一些缺点，如低吸附能力、易燃性，并有与   的问题。因此，人们一直专注新型多孔材料的吸附能力、反应动力学和高可逆性。
　　因此，新型吸附剂的对扩大吸附分离技术的应用尤为重要。与传统吸附剂相比，新型吸附剂可提高吸附VOC的能力，提高去除率，降低排放气中残余VOC含量。而新型金属一骨架材料由于具备较高的空隙率、好的化学稳定性、可调的孔结构和高的比表面积，比其它的多孔材料具有   为广泛的应用前景。