2.2.2 Адсорбція газових домішок

Адсорбцією називають процес вибіркового поглинання компонента газу, пари або розчину за допомогою адсорбентів - пористих твердих матеріалів з розвиненою питомою поверхнею.

Газове середовище, з якого відбувається поглинання компонента, називається газом-носієм, тверда речовина, що поглинає компонент - адсорбентом, цільовий поглинаємий компонент, що знаходиться у газі, називають адсорбтивом, цей самий компонент у адсорбованому стані - адсорбатом.

За характером взаємодії адсорбату з поверхнею розрізняють фізичну та хімічну адсорбцію.

При фізичній адсорбції між молекулами адсорбенту і молекулами речовини, що адсорбується, не відбувається хімічної взаємодії. Процес фізичної адсорбції може бути оборотним, тобто чергуються стадії адсорбції і десорбції. Фізична адсорбція обумовлюється силами міжмолекулярної взаємодії. Міжмолекулярні сили слабкі, тому при фізичній адсорбції відбувається лише незначна деформація адсорбованих часток. Цей вид адсорбції - має енергією активації близько 4-12 кДж/моль.

При фізичній адсорбції поглинені молекули газів і пари утримуються силами Ван-дер-Ваальса, при хемосорбції - хімічними силами. При хімічній

адсорбції молекули адсорбенту і адсорбтиву хімічно взаємодіють. Десорбція практично неможлива. При хімічній адсорбції виділяється значно більше теплоти, ніж при фізичній. Хімічна адсорбиия (хемосорбція) здійснюється за рахунок ненасичених валентних сил поверхневого шару. При цьому можуть утворюватися поверхневі хімічні сполуки, властивості та будова яких ще мало вивчені. При утворенні поверхневих сполук необхідно подолати енергетичний бар'єр, який зазвичай складає 40-100 кДж/моль.

При адсорбції можливі значні швидкості поглинання та повне вилучення компонентів, виділення яких шляхом абсорбції було б неможливе завдяки їх малої концентрації у суміші. Адсорбцію застосовують для очищення газів з невисоким вмістом газоподібних або пароподібних речовин, для уловлення з газів вентиляційних викидів сірчистих сполук, вуглеводнів, хлору, окисів азоту,

пари органічних розчинників та ін.

А - адсорбер з киплячим шаром адсорбенту; Б - адсорбер періодичної дії; 1, 4, 5 - патрубки; 2 - шар адсорбенту; 3 - горизонтальна решітка Рисунок 2.15 - Адсорбери

Очищення газів здійснюють у апаратах, які називаються адсорбери, деякі конструкції представлені на рис. 2.15.

На практиці сфера її застосування обмежена рядом експлуатаційних, технічних і економічних умов. Так, за вимогами пожежо- і вибухобезпеки не можна піддавати адсорбційному

обробленню гази з вмістом вибухонебезпечних компонентів більш 2/3 від нижньої концентраційної межі займання. Оптимальні концентрації

забруднювачів у газах, що подаються на очищення, знаходяться у межах 0,02-0,5% об.

Адсорбент - тверде тіло, на поверхні і у порах якого відбувається адсорбція. Адсорбенти відрізняються високою пористістю, мають значну питому поверхню. Так, у найбільш поширених адсорбентів вона може сягати 1000 м²/г.

Промислові адсорбенти виготовляють з твердих пористих матеріалів і використовують у подрібненому, гранульованому або порошкоподібному вигляді.

Адсорбент повинен мати:

1. Високу сорбційну ємність, тобто можливість поглинати значну кількість адсорбтива при його низькій концентрації у газовому середовищі, що залежить від питомої площі поверхні та фізико-хімічних властивостей поверхневих часток. Адсорбційна ємність адсорбенту залежить від його природи. Вона зростає зі збільшенням поверхні, пористості, зі зниженням розмірів пор адсорбенту, а також з підвищенням концентрації адсорбтива у газі-носії і тиску у системі.

2. Високу селективність (вибірковість) щодо компонента, який адсорбується.

3. Достатню механічну міцність. Щоб аеродинамічний опір шару був невисоким, густина адсорбенту повинна бути невисокою, а форма частинок обтікаємою і створювати високу пористість насипання.

4. Властивість хімічної інертності, для здійснення фізичної сорбції, згідно компонентів газового середовища, що підлягає очищенню.

5. Властивість вступати з молекулами забруднювачів у хімічну реакцію для здійснення хімічної сорбції (хемосорбції).

6. Мати не високу здатність затримання для зниження витрат на десорбцію уловлених компонентів, тобто він повинен мати здатність до регенерації.

7. Невисоку вартість і виготовлятися з доступних матеріалів.

Пори у твердих тілах класифікуються на:

- макропори з радіусом більше 100-200 нм;

- перехідні (мезопори) з радіусом від 1,5-100 нм;

- мікропори з радіусом до 1,5 нм.

Провідне місце серед адсорбентів належить різним видам активованого вугілля (деревне, кістяне та ін.), поверхня якого може перевищувати 1000 м²/г. Якісними адсорбентами є також гель кремнієвої кислоти (силікагель), глинозем, каолін, деякі алюмосилікати (алюмогелі), цеоліти та інші речовини. Вони відрізняються природою матеріалу та своїми адсорбційними властивостями, розмірами гранул, густиною та ін.

Розрізняють власну, уявну і насипну густину адсорбенту, аналогічно розглянутим у підрозділі 1.4.1 для аерозолів.

Активоване вугілля - пористий вуглецевий адсорбент. Його використовують для адсорбції різних компонентів (газів, летких розчинників та ін.), що володіють різними властивостями. Розмір гранул активованого вугілля - 1,0-6,0 мм, насипна густина - 380-600 кг/м³.

Силікагель - синтетичний мінеральний адсорбент. Силікагелі - це гідратовані аморфні кремнеземи. Питома поверхня силікагелю становить 400­770 м²/кг. Він застосовується головним чином для поглинання вологи та здатний утримувати до 50% вологи від маси адсорбенту.

Алюмогель - активний окис алюмінію. Алюмогель отримують прожарюванням гідроксидів алюмінію. Питома поверхня алюмогелів становить 170-220 м²/кг, сумарний об'єм пор 0,6-1,0 см³/г. Алюмогелі стійкі до впливу крапельної вологи, являють собою гідрофільні адсорбенти з розвиненою пористою структурою. Використовується для сушіння газів та поглинання з них ряду органічних речовин.

Цеоліти - алюмосилікати, що містять оксиди лужних і лужноземельних металів. Характеризуються розвиненою структурою пор, розміри яких сумірні з

розмірами молекул. Цей адсорбент називають «молекулярні сита» згідно його здатності розділяти речовини на молекулярному рівні завдяки структурі та розмірам своїх пор. Цеоліти адсорбують гази, молекули яких відповідають розмірам «вікон» у кристалічній решітці, можуть сорбувати ароматичні, сіркоорганічні, нітроорганічні, галогензаміщені вуглеводні. Однак з вологих потоків цеоліти вилучають лише пару води.

Рисунок 2.16 — Модель «адсорбційної хвилі»

У розрахунках адсорберів з нерухомим адсорбентом широко використовується модель «адсорбційної хвилі» (рис. 2.16), основана на наступних припущеннях. Вважають, що на початку процесу нижній шар адсорбенту товщиною h₀ швидко насичується до стану, близького до рівноважного. Концентрація забруднювача з проходженням забруднених газів через наступні шари адсорбенту знижується згідно деякому закону, вираженому графічно кривою 1, і на певній висоті h₁ стає рівною нулю.

Далі газ фільтрується через шар чистого адсорбенту висотою (H - h₁). Через певний час хвиля насичення адсорбенту доходить до висоти h₂ а гази повністю звільняються від забруднювача на висоті Н, тобто на виході з шару адсорбенту (крива 2).

Під активністю адсорбенту розуміють його здатність поглинати речовину. Адсорбенти характеризуються статичною та динамічною активністю.

Динамічна активність адсорбенту — кількість речовини, що поглинається одиницею маси (об’єму) адсорбенту за час від початку адсорбції до початку проскоку.

Статична активність адсорбенту — кількість речовини, що поглинається тією самою кількістю адсорбенту за час від початку адсорбції до встановлення рівноваги.

Динамічна активність завжди менше статичної, тому витрата адсорбенту визначається згідно його динамічної активності. Від активності адсорбенту залежать розміри адсорбційних апаратів та ефективність очищення газів. Процес адсорбції протягом певного часу перебігає при постійному значенні ступені поглинання адсорбуючої речовини. Цей час називається часом захисної дії шару адсорбенту.

Поглинальна здатність адсорбентів виражається концентрацією адсорбату у масовій або об'ємній одиниці адсорбенту. Процес адсорбції супроводжується виділенням тепла, тому зниження температури сприяє його здійснення. Незалежно від природи адсорбційних сил на величину адсорбції впливають наступні фактори:

1. Природа речовини, що поглинається. Вважається, що рівноважна концентрація у адсорбенті тим вище, чим більше молекулярна вага поглинутого газу, а у разі розчинів - чим менше розчинність поглинаємої речовини у рідині.

2. Температура. З підвищенням температури за інших рівних умов рівноважна концентрація зменшується.

3. Тиск. Зі зростанням тиску у парогазовій фазі рівноважна концентрація збільшується.

4. Домішки у фазі, з якої поглинається речовина. При наявності у фазі, з якої адсорбент поглинає речовину Х, конкуруючої речовини А, тобто речовини, також здатної поглинатися цим адсорбентом, зменшується рівноважна концентрація речовини Х в адсорбенті.

З плином часу при адсорбції настає стан рівноваги, при якому втановлюється певна залежність між концентрацією адсорбуємої речовини Х (кг/кг адсорбенту) та її концентрацією Y у газовій фазі

де Y - рівноважна концентрація інертної частини газової суміші, кг/кг; А, n - коефіцієнти, що визначаються дослідним шляхом (причому n ≥ 1).

Адсорбція прискорюється при зниженні температури або при підвищенні тиску. Ці самі фактори впливають на процес десорбції у зворотному напряму. Серйозним відхиленням від реальних характеристик адсорбції є припущення про ізотермічність процесу. Адсорбція може бути ізотермічною лише при відповідній організації тепловідведення з зони конденсації. У інших випадках тепло, що виділяється при конденсації адсорбату і змочуванні поверхні адсорбенту, подається на нагрівання оброблюваного газу і часток адсорбенту.

Процес адсорбції складається з послідовних стадій: дифузії молекул речовини, що поглинається з потоку газу, до зовнішньої поверхні адсорбенту (зовнішня дифузія), проникнення молекул всередині пористого поглинача (внутрішня дифузія) і сорбції (конденсація) молекул на внутрішній поверхні пор.

Механізм конкретного процесу дифузії визначають на основі вивчення залежностей коефіцієнтів дифузії від тиску, температури, молекулярних мас речовини, що поглинається, та газу-носія. Рівняння кінетики адсорбції має наступний вигляд

де β₀ - коефіцієнт масопередачі, що виражається через коефіцієнти зовнішнього βι і внутрішнього β₂ масообміну

де D* - коефіцієнт поздовжньої дифузії; w - швидкість потоку газу.

Розрізняють стаціонарні і нестаціонарні процеси адсорбції. у стаціонарному процесі концентрація адсорбату у кожній точці шару поглинача постійна і безперервна. На практиці санітарного очищення газу найбільш поширені нестаціонарні періодичні процеси.

2.2.3