ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Адсорбенты

Технико-экономические показатели процесса адсорбционной обра­ботки отбросных газов во многом зависят от свойств адсорбентов, требо­вания к которым формировались стремлением всемерно снизить энергети­ческие и материальные затраты на очистку.

Адсорбент - твердое тело на поверхности, в порах которого проис­ходит адсорбция. Адсорбенты отличаются высокой пористостью, имеют большую удельную поверхность. Так, у наиболее распространенных адсор­бентов она может достигать 1000 м /г.

Промышленные адсорбенты изготавливают из твердых пористых материалов и используют в дробленном, гранулированном или порошко­образном виде.

Адсорбент должен иметь высокую сорбционную емкость, т. е. воз­можность поглощать большое количество адсорбтива при его малой кон­центрации в газовой среде, что зависит от удельной площади поверхности и физико-химических свойств поверхностных частиц. Адсорбционная ем­кость адсорбента зависит от его природы. Она возрастает с увеличением поверхности, пористости, со снижением размеров пор адсорбента, а также с повышением концентрации адсорбтива в газе-носителе и давления в сис­теме. С увеличением температуры и влажности адсорбционная емкость ад­сорбентов снижается. Хорошие адсорбенты выдерживают несколько сотен и тысяч циклов «адсорбция-десорбция» без существенной потери активно­сти.

Адсорбент должен иметь высокую селективность (избиратель­ность) в отношении адсорбируемого компонента. Он должен обладать дос­таточной механической прочностью. Чтобы аэродинамическое сопротив­ление слоя было невысоким, плотность адсорбента должна быть неболь­шой, а форма частиц обтекаемой и создавать высокую порозность насып­ки. Адсорбент для процесса физической сорбции должен быть химически инертным по отношению к компонентам очищаемой газовой среды, а для химической сорбции (хемосорбции) - вступать с молекулами загрязните­лей в химическую реакцию. Для снижения затрат на десорбцию уловлен­ных компонентов удерживающая способность адсорбента не должна быть слишком высокой, т. е. он должен иметь способность к регенерации. Ад­сорбенты должны иметь невысокую стоимость и изготавливаться из дос­тупных материалов.

Поры в твердых телах классифицируются на: макропоры с радиусом более 1000.2000 °А; переходные (мезопоры) с радиусом от 15 до 1000 °А; микропоры с радиусом до 15 °А.

Макропоры с размерами пор более 1000.2000 °А являются транс­портными каналами для подвода адсорбируемых молекул к мезопорам и микропорам. В макропорах и мезопорах наблюдается послойный механизм адсорбции, в микропорах, размер которых соизмерим с размерами адсор­бируемых молекул, адсорбция носит характер объемного заполнения. По­этому для микропористых адсорбентов объем пор, а не поверхность адсор­бента играет решающее значение в адсорбции.

Адсорбент с крупными порами лучше адсорбирует вещества с боль­шими размерами молекул и при больших давлениях. Среднепористый ад­сорбент эффективнее адсорбирует при средних давлениях, а мелкопорис­тый - при низких давлениях.

Удельный объем микропор в адсорбентах достигает 0,2.0,6

З 2

См /г, а удельная поверхность - до 500 м /г и более. Поэтому микропоры играют основную роль при разделении газовых смесей, особенно при очи­стке газов от малых концентраций примесей.

При прочих равных условиях количество адсорбируемого вещества (адсорбата) будет возрастать по мере увеличения адсорбирующей по­верхности. Сильно развитую поверхность имеют вещества с очень высокой пористостью, губчатой структурой или в состоянии тончайшего измельче­ния. Из практически используемых адсорбирующих веществ (адсорбентов) ведущее место принадлежит различным видам изготавливаемых активиро­ванных углей (древесный, костяной и др.), поверхность которых может превышать 1000 м /г. Хорошими адсорбентами являются также гель крем­ниевой кислоты (силикагель), глинозем, каолин, некоторые алюмосилика­ты (алюмогели), цеолиты и другие вещества. Эти вещества отличаются друг от друга природой материала и, как следствие, своими адсорбционными свой­ствами, размерами гранул, плотностью и др.

Различают истинную, кажущуюся и насыпную плотность адсорбен­та. Истинная плотность - масса единицы объема плотного адсорбента (т. е. без учета пор). Кажущаяся плотность — масса единицы объема пористо­го материала адсорбента. Под насыпной плотностью понимают массу единицы объема слоя адсорбента, включая объем пор в гранулах адсорбен­та и промежутков между гранулами адсорбента.

Активированный уголь - пористый углеродный адсорбент. Применя­ют несколько марок активированного угля, различающихся размером мик - ропор. Активированный уголь соответствующей марки используют для ад­сорбции различных компонентов (газов, летучих растворителей и др.), об­ладающих различными свойствами. Размер гранул активированного угля 1,0.. .6,0 мм, насыпная плотность 380.. .600 кг/м.

Силикагель - синтетический минеральный адсорбент. Силикагели пред­ставляют собой гидратированные аморфные кремнеземы (Л^О2-^Н2О). Удельная поверхность силикагеля составляет 400.770 м /кг. Силикагель применяется главным образом для поглощения влаги. Он способен удер­живать до 50 % влаги к массе адсорбента. Его преимущество по сравнению с активированным углем — негорючесть, низкая температура регенерации (100...200°С), низкая себестоимость при массовом производстве, относи­тельно высокая механическая прочность. Промышленность выпускает ряд марок силикагеля, отличающихся формой и размерами зерен (0,2.7,0 мм - кусковые и гранулированные), насыпная плотность

400.900 кг/м. Сили­кагель обладает высокой адсорбционной емкостью. Его используют часто для осушения газа и поглощения паров, например, метилового спирта из газового потока. Требования, предъявляемые к адсорбентам, часто проти­воречивы и иногда трудновыполнимы. К последним относится и необхо­димость работы с влажными газами. Для большинства современных, ад­сорбентов требуется предварительная осушка подаваемых на очистку газо­вых выбросов.

Алюмогель - активная окись алюминия. Алюмогель (Л12О3-«Н2О) по­лучают прокаливанием гидроксидов алюминия. Удельная поверхность алюмогелей составляет 170.220 м /кг, суммарный объем пор 0,6.1,0 см /г. Алюмогели стойки к воздействию капельной влаги. Гидрофильный адсорбент с развитой пористой структурой. Используется, как и силика - гель, для осушки газов и поглощения из них ряда полярных органических веществ. Благодаря своим положительным свойствам (доступность, стой­кость к воздействию жидкостей и др.) широко применяется. Выпускается в виде гранул цилиндрической формы диаметром 2,5.5 мм, высотой 3.7 мм, насыпная плотность 500.700 мм, и шаровой формы - радиус 3.4 мм, насып­ная плотность 600.900 кг/м.

Цеолиты - алюмосиликаты, содержащие оксиды щелочных и щелоч­ноземельных металлов. Характеризуются регулярной структурой пор, раз­меры которых соизмеримы с размерами молекул. Этот адсорбент называют «молекулярные сита» за их способность разделять вещества на молекулярном уровне благодаря структуре и размерам своих пор. Цеолиты адсорбируют га­зы, молекулы которых соответствуют размерам "окон" в кристаллической решетке. Так, цеолит марки NaA сорбирует газы с размером молекул не более 4 нм - метан, этан, аммиак, сероводород, сероуглерод, оксид углеро­да и др. Цеолит СаА сорбирует углероводороды нормального строения и не сорбирует изомеры. Цеолиты СаХ и NaX могут сорбировать ароматиче­ские, сероорганические, нитроорганические, галогензамещенные углево­дороды. Однако из влажных потоков цеолиты извлекают только пары во­ды. Цеолиты обладают также высокой селективностью. Цеолиты выпускаются в виде гранул цилиндрической и шаровой формы. Размер гранул шарообраз­ных d = 4 мм, цилиндрических 4 мм, насыпная плотность 600.900 кг/м.

Иониты - высокомолекулярные соединения природного и искусст­венного происхождения. Не нашли пока широкого применения для очист­ки отходящих газов.

Единственным адсорбентом, удовлетворительно работающим во влажных средах, является активированный уголь. Он удовлетворяет и большинству других требований, в связи с чем широко применяется. Од­ним из основных недостатков активированного угля является химическая нестойкость к кислороду, особенно при повышенных температурах.

Остальные адсорбенты проявляют, как правило, селективность к улавливанию загрязнителей. Так, оксиды алюминия (алюмогели) исполь­зуются для улавливания фтора и фтористого водорода, полярных органи­ческих веществ, силикат кальция - для улавливания паров жирных кислот, силикагель - для полярных органических веществ, сухих газовых смесей. Большинство полярных адсорбентов можно использовать для осушки га­зов.

Для процессов хемосорбции используется импрегнирование некото­рых из приведенных сорбентов. Импрегнирующие (пропитывающие) ве­щества могут действовать двояко: вступать в реакции с определенными за­грязнителями или катализировать реакции, ведущие к их обезвреживанию - распаду, окислению и т. д. Так, при взаимодействии активированного уг­ля, обработанного тяжелыми галогенами (бромом, йодом), с метаном или этаном, образуются тяжелые галогензамещенные углеводороды, которые
затем легко адсорбируются. Алюмосиликаты, пропитанные оксидами же­леза, при температуре разложения галогенорганических соединений спо­собствуют реакции хлора с оксидом металла. Образовавшиеся парообраз­ные хлориды металлов могут быть в дальнейшем легко сконденсированы, так как имеют низкую упругость насыщенных паров.