Технологические схемы адсорбционной очистки. Адсорбенты. Практическое применение адсорбции

Механизм процесса адсорбции заключается в поглощении компонентов из газовой смеси или раствора твёрдым поглотителем – адсорбентом.

Адсорбция относится к наиболее эффективным способам очистки газовоздушных выбросов от ЛОС. Она применяется в тех случаях, когда концентрация загрязняющих веществ невелика.

Молекулы адсорбированного вещества накапливаются и удерживаются на поверхности адсорбента, поэтому важным свойством адсорбента является сильно развитая удельная поверхность с высоким содержанием микроорганизмов. Таким свойством могут обладать высокопористые материалы. Использование таких материалов в процессе очистки газов делает необходимым предварительную подготовку газового потока, заключающуюся в очистке газового потока от взвешенных частиц.

Недостатком является снижение селективности адсорбента в процессе газоочистки и необходимость регенерации адсорбента или его замены и утилизации.

В практике газоочистки наибольшее значение нашли углеродные сорбенты. Они неполярны, способны сорбировать вещества в присутствии воды. Обладают уникальными способностями: у угля большая удельная поверхность, диапазон по концентрациям, доступность сырья [ ].

Необычный адсорбент для очистки газообразных и жидких сред от углеводородов предложили немецкие учёные. Адсорбент получен путём механического измельчения отходов производства сигаретных фильтров с последующей пропиткой их водорастворимыми (метилцеллюлоза) и/или растворимыми в неполярных растворителях (эфиры метакриловой кислоты) связующими. Данный метод позволяет вовлекать в переработку отходы производства, что, бесспорно, является комплексным природоохранным решением. К тому же пропитка измельчённых отходов тем или иным растворителем позволяет получить адсорбент с новыми свойствами.

Адсорбенты — высокодисперсные природные или искусственные материалы с большой поверхностью, на которой происходит адсорбция веществ из соприкасающихся с ней газов или жидкостей. Наиболее важные адсорбенты:

· активированный уголь,

· цеолиты,

· силикагели,

· алюмосиликагели,

· сажа,

· оксиды и гидроксиды некоторых металлов (главным образом алюминия),

· губчатые металлы,

· природные минералы,

· глины (бентонит).

Адсорбенты применяют в противогазах, в качестве носителей катализаторов, для очистки газов, спиртов, масел, для разделения спиртов, при переработке нефти, в медицине для поглощения газов и ядов.

Адсорбенты в газоразделении.

Широкое применение адсорбенты находят в установках по разделению воздуха - так называемых азотных генераторах и кислородных генераторах. Помимо этого адсобционные установки применяются и при выделении водорода - водородные генераторы. Типичный вид воздухоразделительных установок и их принципиальное устройство описано в статьях Азотная установка и Кислородная установка.

Строение адсорбента и физические принципы адсорбции.

Адсорбент, использцемый в промышленности – это адсорбент с высокоразвитой поверхностью. Для понимания важности этого свойства необходимо рассмотреть физические процессы, происходящие в ходе газоразделения.

Другое определение адсорбции – поверхностное явление, проявляющееся во взаимодействии двух сопряженных фаз. Фаза, представляющая поверхность, называется адсорбентом. Вторая фаза, представляющая собой газ, называется объемной фазой или адсорбированной, а обычно адсорбатом. Образование адсорбированной фазы связано с ломкой приповерхностных слоев объемной фазы, которое сопровождается выделением теплоты. Рассмотрим более подробно образование адсорбированной фазы. Внешний слой твердого тела является обедненным, за счет отсутствия родственных связей. В результате поверхностные молекулы адсорбента взаимодействуют с молекулами сопряженной объемной фазы, удерживая их на поверхности, т.е. адсорбируя. Силы межмолекулярного взаимодействия, обуславливающие адсорбцию, называют силами Ван–дер–Вальса. На расстоянии порядка полутора диаметров молекул находится потенциальная «яма» - максимум результирующей силы притяжения, в которой над поверхностью располагается молекула адсорбата. Совокупность таких молекул образует первый слой адсорбата. Дальнейшие слои практически не образуются за счет экранирования сил притяжения первым слоем. Кроме физических сил взаимодействия существуют химические, но обычно в понятие «адсорбция» не вкладывают смысл химического взаимодействия и этот процесс называют поверхностной химической реакцией. Из – за отсутствия четких границ между физическими и химическими взаимодействиями имеет место область промежуточных взаимодействий, называемая хемосорбцией. Различить эти три явления можно по теплоте, сопровождающей взаимодействие.Эта концепция описывается уравнением Ленгмюра, которое во взаимосвязи с температурой, представляют изотермы сорбции. Согласно уравнению Ленгмюра величина адсорбции в основном определяется природой взаимодействия молекул и емкостью первого слоя. Управление ими положено в основу синтеза промышленных адсорбентов. Величина адсорбции промышленных адсорбентов составляет до 50% от массы самого адсорбента и в первую очередь она связана с развитой поверхностью определяющей емкость первого слоя. Наиболее эффективный путь увеличения удельной поверхности – это предельно возможное уменьшение размера единичных пор в твердом теле. Например, при уменьшении размера пор от 1 мм до 1 нанометра (нм) удельная поверхность твердого тела возрастает в миллион раз. Поры размером на уровне1 нм соизмеримы с радиусом молекул многих веществ (0,1 – 0,5 нм) и поэтому являются предельными с точки зрения физического существования твердой фазы. Поры на уровне 1 нм называются микропорами. Реальные твердые сорбенты наряду с микропорами имеют и более крупные образования – мезо- и макропоры, выполняющие в основном роль транспортных артерий, подводящих за счет диффузии вещество из объемной фазы к микроструктурам.

Самым старым промышленным адсорбентом является активный уголь, синтезированный в начале 20 – го века, и используемый во многих процессах. Вторым крупным синтетическим адсорбентом, появившимся на рынке в 20 – х годах прошлого века, стал селикагель. Третью группу представляют цеолиты (алюминосиликаты легких металлов), самые молодые из промышленных адсорбентов. Варьируя виды сырья, условия обработки и синтеза получают адсорбенты с разной степенью развития пор. Но всегда существует оптимум в зависимости от целевого назначения использования, поскольку размер пор должен быть минимально таким, чтобы адсорбирующиеся молекулы могли в них проникнуть, а с другой чем меньше поры, тем больше наложение сил противоположных стенок и сильнее адсорбция, а значит соответственно десорбция. Характерной особенностью цеолитов является то, что они имеют очень однородный размер пор, причем такой величины (около 1нм), что исключают адсорбцию в них тех или иных веществ.Цеолиты имеют только такие поры и получили второе название - молекулярные сита. Долгое время эта исключительность была характерна только для них. Но в результате интенсивных работ в создании новых промышленных адсорбентов появились углеродные молекулярные сита и селикагелевые молекулярные сита с высокой однородностью пор. Промышленные адсорбенты выпускаются в виде гранул, шариков и прессованных элементов специальной формы,. Их наружная поверхность составляет лишь малую долю общей поверхности, формирующейся в основном за счет внутренних пор. Площадь их поверхности пор составляет несколько сотен квадратных метров на грамм адсорбента.