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吸附操作是上百年來作為從廢氣中去除可吸附的VOC組分或回收溶劑的一種 典型方法。吸附操作的原理是：在氣相中需要分離的氣體組分（吸附質(zhì)）可以選擇 性地與固體表面（吸附劑）相結(jié)合，然后再經(jīng)過解吸又回到氣相中去。通常吸附分 為物理吸附（范德華力）和化學(xué)吸附兩類；而VOC廢氣的凈化主要采用物理吸附 方法。與其他方法相比，吸附法可以吸附濃度很低的（甚至痕量）組分，經(jīng)解吸后 可大大增濃，因而可以從廢氣中除去溶劑蒸氣和*后經(jīng)分離來回收溶劑。此外，吸 附法有許多優(yōu)點(diǎn)，例如：它不需要水，自然不產(chǎn)生廢水，也不需輔助燃料，而且能 適應(yīng)廢氣濃度的變化和吸附鹵代炷類及含無機(jī)物的揮發(fā)組分。

當(dāng)吸附時，氣體分子的自由度減少，從而降低了吸附系統(tǒng)中的炳。按照熱力學(xué) 第二定律，系統(tǒng)嫡的降低是由向環(huán)境給熱而得到補(bǔ)償。因此，吸附過程原則上是放 熱的。一般講，在平衡時可吸附的氣體量是隨溫度的降低和要分離氣體組分分壓的 增加而增加。在平衡時可吸附氣體的量，通常是與吸附劑表面積的大小成正比。在 恒定溫度下，氣體的吸附量（〃訕）與氣體濃度和分壓（蒸氣組分的分壓和該溫度 下飽和蒸氣壓之比P/Po）的關(guān)系可用吸附等溫線來表示。典型的吸附等溫曲線分 5種類型，如圖2.2所示。由圖可知，在較低壓力范圍內(nèi)（力/伽 約V 0.4）,類型 U和類型IV的吸附等溫線變化是相同的，而相應(yīng)于這個范圍內(nèi)類型ID的吸附等溫線 則與類型v相類似；當(dāng)“力。的數(shù)值約〉o.4時，則類型u和m以及類型iv和v的 吸附等溫線具有類似的變化規(guī)律。

因?yàn)槲竭^程與許多因素有關(guān)，而且吸附劑/吸附質(zhì)系統(tǒng)使各個因素間的相互 作用、變化也十分復(fù)雜，所以迄今為止尚未找到一般通用的吸附等溫線方程。

影響吸附的主要因素有：

① 比表面積；

② 顆粒大小分布；

③ 孔徑大小分布； 

圖2.2 典型的吸附等溫曲線

 

④ 晶格；

⑤ 晶格結(jié)構(gòu)缺陷；

⑥ 潤濕性；

⑦ 表面張力；

⑧ 氣相中分子的相互作用；

⑨ 吸附層中分子的相互作用。

工業(yè)上吸附等溫曲線方程常用經(jīng)驗(yàn)式表示，而其中BET (Brunauer, Emmet 和Teller)^方程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果*為吻合。

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)氣體混合物通過填裝固體吸附劑的床層時，要分離的組 分被吸附在固體表面上；當(dāng)吸附劑達(dá)到飽和時，被吸附的物質(zhì)經(jīng)過加熱或減壓 而解吸，同時吸附劑再生。由于吸附劑的吸附容量較低，因此至少需用兩臺吸 附器來完成吸附、解吸的連續(xù)操作過程。若用熱空氣或過熱蒸氣來解吸，則不 僅可使床層溫度升高，而且還可使要吸附的氣體組分的分壓降低；分離出的氣 體組分就處于熱空氣或水蒸氣中，經(jīng)冷卻、冷凝而分離。在用水蒸氣解吸的情 況下，由于大多數(shù)VOC在水中的溶解度極低，經(jīng)冷凝而成為兩相，因此很容 易分離。

有機(jī)廢氣凈化常用的吸附劑是活性炭或活性焦炭，因?yàn)樗鼈儾粌H具有較大的比 表面積，而且對非極性物質(zhì)，如有機(jī)溶劑具有非常好的吸附能力；相反，對極性物 質(zhì)如水，則吸附性很差，因此就有可能和方便地用水蒸氣來再生。常見的吸附劑特 性數(shù)據(jù)如表2.1所示。

除上述吸附劑外，近年來還開發(fā)了各種高聚物吸附樹脂，如聚苯乙烯、聚丙烯 酸酯、聚丙烯酰胺類的高聚物等。

 

吸附法常用亍凈化氣質(zhì)量要求特別高的場合。如果與吸收法相比，則在氣體處 理量非常大的情況下，其投資費(fèi)和操作費(fèi)明顯要高得多，有時可能高出兩三倍。但 是在氣體處理量相對較小的情況下(小裝置)，吸附法就有其優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗恍枰?像吸收法那樣為液體循環(huán)付出高昂的操作費(fèi)。與其他氣體凈化法相比，吸附法多出 的費(fèi)用也可通過回收有價值的溶劑而得到補(bǔ)償。因此，工業(yè)上廢氣凈化的吸附法主 要用于溶劑回收的場合，所用的吸附劑大多是活性炭。

吸附方法的凈化率一般都較高。但吸附法的缺點(diǎn)是：吸附劑的吸附容量低，一 般只有40%左右，因此必須頻繁地進(jìn)行吸附、解吸和再生操作。此外，回收溶劑 需要一套后續(xù)裝置，例如蒸餡、精餡等裝置，并根據(jù)不同溶劑采用不同的過程方 法。用水蒸氣再生后回收溶劑的方法有如下幾種。

① 溶于水的溶劑，例如丙酮、乙醇、四氫味喃、二甲基甲酰胺，用蒸餡方法。

② 部分溶于水的溶劑，例如甲乙酮、丁酮、醋酸乙酯、乙醇/甲苯，用增濃/ 冷凝和蒸饞方法。

③ 不溶于水的溶劑，如汽油、己烷、甲苯、二甲苯、氯化炷類，用相分離 方法。

如果生產(chǎn)過程中沒有多余的水蒸氣(即水蒸氣可以不計成本)，那么以前常 用水蒸氣解吸的方法，目前大多采用高溫氣體進(jìn)行解吸。這是因?yàn)橛盟魵饨馕?不僅能耗高，而且在蒸汽解吸后還要用高溫氣體將床層進(jìn)行干燥。通?？蛇x用比 廢氣流量小得多的惰性氣體來解吸，并且要求其容量大、無爆炸危險。解吸出帶 溶劑的氣流，如果沒有回收價值，一般還要用熱力氧化或催化氧化進(jìn)行*后凈化 處理。

目前，工業(yè)吸附裝置的類型主要有：固定床吸附器，轉(zhuǎn)子吸附器，流化床吸附 器和移動床吸附器。*經(jīng)典、常用的是采用顆粒狀吸附劑的固定床吸附器。因?yàn)楣?定床吸附器具有大的吸附劑體積和較長的吸附循環(huán)周期，即使當(dāng)進(jìn)入的廢氣濃度有 波動時也能保證安全操作，所以獲得廣泛應(yīng)用。當(dāng)吸附劑達(dá)到飽和時，必須用適當(dāng) 方式加以再生。因此，工業(yè)吸附裝置至少要兩臺，即當(dāng)一臺在吸附時，另一臺進(jìn)行 解吸和再生。圖2. 3表示了用水蒸氣解吸的吸附裝置流程示意圖。

通常在固定床中放置活性炭或疏水性沸石作為吸附劑。雖然這種吸附劑對有機(jī) 溶劑具有優(yōu)良的吸附性能，但對于來自生產(chǎn)過程大約70?100笆的有機(jī)廢氣，一般 還應(yīng)將其冷卻到相宜的吸附溫度，大致在30?40°C之間。這樣可降低廢氣的相對 濕度，使水蒸氣的吸附降到*低。廢氣經(jīng)冷卻后用風(fēng)機(jī)送入吸附器，并由下向上通 過床層；此時溶劑蒸氣被吸附劑吸附，凈化氣則從頂部離開吸附器。因?yàn)槲絼┯?nbsp;

一定的吸附容量，如果當(dāng)排出的凈化氣 中溶劑濃度已達(dá)到允許的限值時，則就 應(yīng)該將廢氣切換到另一臺吸附器去吸附， 而自身進(jìn)行再生。如圖2.3所示，再生 可用約130笆的水蒸氣，與吸附過程相 反自上而下通過床層。開始解吸出的是 液體，隨著溫度升高而呈蒸汽態(tài)；同時 與冷凝液以及水蒸氣一起進(jìn)入收集槽， 基于有機(jī)相和水相的密度差而分離。

除了上述固定床吸附器外，在有機(jī) 廢氣凈化的領(lǐng)域中相對較新開發(fā)的是旋 轉(zhuǎn)式吸附系統(tǒng)。這種稱為“轉(zhuǎn)子吸附 器”的工作原理如圖2. 4所示。

按構(gòu)造形式和容積流量的不同，廢氣可徑向或軸向地通過裝有吸附劑的轉(zhuǎn)子，并經(jīng)過大部 分的旋轉(zhuǎn)床層而被凈化。轉(zhuǎn)子的一定部分留作解吸用，即熱的氣體以逆流方式通過轉(zhuǎn) 子。由于轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)或按扇形節(jié)拍旋轉(zhuǎn)，因而吸附器的每一個部分均可經(jīng)過解吸區(qū)。

為避免廢氣和解吸氣體間的相混，轉(zhuǎn)子用扇形隔板分開。轉(zhuǎn)子吸附器的吸附劑 結(jié)構(gòu)是專門設(shè)計的，通常做成有平行通道的蜂窩塊（Monolith）或呈波紋的卷狀 物。由于吸附劑具有的這種特殊結(jié)構(gòu)，所以它本身就可阻止氣體在圓周方向流動， 同時還降低了流動阻力。

轉(zhuǎn)子吸附器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小、操作方便、壓降低；另外，它可以連續(xù)地將 大的廢氣流量處理成濃度足夠低的凈化氣，而解吸出的氣體則濃度高而流量低，一 般增濃比可達(dá)10?15,這樣可以方便地用于下一步的凈化處理。

一般講，吸附法適合于小到大的廢氣流量；對于特別大的體積流量，例如廢氣 流量超過100000Nm3/h或濃度極低，則優(yōu)先采用吸附法⑹。吸附法的投資費(fèi)和操 作費(fèi)較高，而且吸附劑使用一定時間后也需要更換。因此，只有當(dāng)溶劑能回收時， 才能降低其投資費(fèi)用。

在VOC廢氣的凈化中，吸附法也常與其他方法聯(lián)合使用，特別是當(dāng)經(jīng)吸附后 未達(dá)到排放要求時，或先將有機(jī)廢氣濃縮，然后再用燃燒氧化法作*后凈化。轉(zhuǎn)子 吸附器與熱力氧化器相結(jié)合的V（）C廢氣凈化裝置如圖2.5所示。

 

 

廢氣進(jìn)入轉(zhuǎn)子吸附器（1）,吸附后凈化氣用風(fēng)機(jī)（2）送到排氣筒（3）排入大 氣；新鮮空氣（4）先經(jīng)換熱器（5）加熱后作為解吸用熱空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)子吸附器 （1）,并將吸附的VOC解吸；解吸后氣體用風(fēng)機(jī)（6）送到換熱器（8）再進(jìn)一步 預(yù)熱，然后進(jìn)入熱力氧化器（7）中燃燒，燃燒后凈化氣經(jīng)換熱器（8）、（9）冷卻 后送入排氣筒（10）排入大氣。

該裝置是由atea-WKUSA Inc.為處理半導(dǎo)體生產(chǎn)中所產(chǎn)生的V（）C廢氣而設(shè) 計的，其廢氣處理量為75000scfm（127425Nm3/h）,單臺處理量為37500scfm （63712Nm3/h）,吸附濃縮比達(dá)20： 1。通常這種轉(zhuǎn)子吸附/熱力氧化的設(shè)備都設(shè)計 成一個緊湊的整體裝置。