Адсорбционная очистка выбросов от газов

Явление адсорбции

Одним из перспективных методов очистки промышленных выбросов в атмосферу от газовых примесей, обеспечивающих высокую степень их извлечения, является адсорбционный.

Дадим несколько определений:

  • адсорбция — явление поглощения газов и паров, а также растворенных веществ поверхностным слоем (пористых) тел (адсорбентов). В процессе разделения, основанном на способности некоторых твердых тел избирательно поглощать газообразные компоненты из газовых смесей, присутствующие в газовой смеси молекулы загрязненного газа или пара сорбируются на поверхности или в порах твердого материала;
  • адсорбтив — вещество, поглощаемое из газовой фазы абсорбентом;
  • адсорбент — твердое вещество, на поверхности или в порах которого происходит адсорбция поглощаемого вещества;
  • газ-носитель — газовая фаза, в которой находится извлекаемый компонент;
  • адсорбат — извлеченный из газовой фазы компонент, который перешел в адсорбированное состояние.

Применение адсорбционных методов очистки газов целесообразно в тех случаях, когда требуемый эффект либо не может быть достигнут другими методами, либо концентрация удаляемой примеси в газе-носителе очень мала, либо когда требуется гарантированная рекуперация извлекаемой примеси из-за ее значительной стоимости.

В процессе адсорбции из отходящих газов удаляют различные примеси, в том числе сернистые соединения, парообразные и газообразные углеводороды, хлор, сероводород, сероуглерод и многие другие вещества. Явление адсорбции обусловлено наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и адсорбтива на границе раздела соприкасающихся фаз. Процесс перехода молекул адсорбтива из газа-носителя на поверхностный слой адсорбента происходит в том случае, если силы притяжения на них со стороны атомов адсорбента превосходят силы притяжения, действующие на эти молекулы со стороны молекул газа-носителя.

Рассмотрим схему кристаллической решетки твердого тела (рис. 1.16). Атом «А», находящийся внутри кристалла, имеет шесть ближайших соседей, все его связи задействованы, поэтому он не обладает свободной энергией. У атома «Б», находящегося на поверхности кристалла, только пять ближайших соседей, он имеет одну условную свободную связь, поэтому обладает некоторым избытком энергии, т. е. находится в более высоком энергетическом состоянии, чем атом внутри кристалла. Еще большей энергией обладает атом «В», находящийся на грани кристалла. У него четыре ближайших соседа (две условные свободные связи) и, следовательно, еще больший избыток энергии. Самым большим избытком энергии обладает атом «Г», лежащий на вершине кристалла. У него всего три ближайших соседа (и три условные свободные связи). Эта избыточная энергия называется поверхностной, и именно она является причиной такого явления, как адсорбция.

Молекула адсорбтива, переходя на поверхность адсорбента, уменьшают его энергию, в результате чего происходит выделение теплоты. Теплота физической адсорбции сравнительно невелика и составляет до 60 кДж/моль.

Схема кристаллической решетки адсорбента

Рис. 1.16. Схема кристаллической решетки адсорбента

Силы притяжения молекул адсорбента и адсорбтива могут иметь различную природу — физическую или химическую; соответственно, как и в случае абсорции, различают физическую и химическую адсорбцию.

При физической адсорбции взаимодействие молекул с поверхностью адсорбента определяется сравнительно слабыми индукционными и ориентационными силами. При этом адсорбированные молекулы не вступают с молекулами адсорбента в химическое взаимодействие и сохраняют свою индивидуальность. Для физической адсорбции характерны высокая скорость, малая прочность связи между поверхностью адсорбента и адсорбтивом и малая теплота адсорбции. С повышением температуры количество физически адсорбированного вещества уменьшается, при увеличении давления величина адсорбции возрастает.

Преимуществом физической сорбции является легкая обратимость процесса (что облегчает регенерацию адсорбента). При уменьшении давления адсорбента в газовой смеси, либо при увеличении температуры адсорбированные молекулы легко десорбируются без изменения химического состава, а регенерированный адсорбент может использоваться многократно.

Высокая скорость физической адсорбции и способность адсорбентов к регенерации позволяют вести процесс циклично в условиях обратимости, т. е. с чередованием стадий поглощения и выделения извлекаемых компонентов.

В основе химической адсорбции лежит химическое взаимодействие между молекулами адсорбента и адсорбируемого вещества. Действующие при этом силы значительно больше, чем при физической адсорбции, а высвобождающаяся теплота совпадает с теплотой химической реакции — как правило, она колеблется в пределах от 20 до 400 кДж/моль. Из-за такой большой теплоты адсорбции энергия связи хемосорбированных молекул сильно отличается от энергии связи этих же молекул в потоке газа. Соответственно и энергия, необходимая для того, чтобы хемосорбированная молекула прореагировала с молекулой другого сорта, может быть существенно меньше, чем энергия, необходимая для реакции этих же молекул в газовой фазе. Этим и объясняется факт того, что адсорбированная на поверхности твердого тела молекула легче вступает в химическую реакцию с другими молекулами.

Существует и другое важное отличие химической адсорбции: молекулы адсорбтива, вступив в химическое взаимодействие, прочно удерживаются на поверхности и в порах адсорбента. Таким образом, регенерация адсорбента при химической сорбции затруднена. Характерной особенностью химической адсорбции является и то, что скорость ее при низких температурах мала, но возрастает с ростом температуры.

Для целей очистки промышленных выбросов от газовых примесей наибольшее значение имеет физическая сорбция.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >