5章(气态污染控制机理及方法)

室内污染控制与洁净技术第五章空气中气态污染机理及方法吸附净化5.1光催化(光触媒)净化5.2非平衡等粒子体净化5.3负离子净化5.4臭氧净化5.5室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化吸附作为工业上的一种分离过程，已经广泛地应用在化工、石油、食品、轻工业及高纯气体的制备等工业部门。由于吸附具有很高的选择性和高分离效果，能脱除痕量（10-6级）物质，所以在空气污染控制中吸附净化法日益受到重视，特别是用于去除其它方法难以分离的低浓度有害物质和处理排放标准要求严格的废气效果更好。5.1.1吸附过程的理论基础吸附法就是利用多孔性的固体物质,将1种或几种物质吸附在其表面而去除的方法。根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为：①物理吸附②化学吸附室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化1）物理吸附吸附剂和吸附质之间通过分子间产生的吸附，称为物理吸附。物理吸附因不发生化学作用，所以在低温下就能进行。一种吸附剂可吸附多种吸附质，没有选择性，只是一种吸附剂对各种吸附质的吸附量是不同的。物理吸附的特性：1.具有可逆性(可逆过程)；4.一种吸附剂可吸附多种物质，无选择性(只是吸附量不同而已)。3.吸附和解析后的物质的性质没有改变；2.低温下吸附，高温下可解析；室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化2）化学吸附化学吸附是吸附剂和吸附质之间发生的化学作用，是由化学键力引起的。化学吸附的特性：1.吸附是由化学键力引起的；4.吸附过程一般为不可逆过程；3.吸附具有选择性(只能吸附一种或几种物质)；2.一般在较高环境下进行；5.不易解析，即使高温解析了，解析的气体会改变原特性。物理吸附和化学吸附并不是孤立的，往往相伴发生。室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化5.1.2吸附剂及其选择一、对吸附剂的要求：（1)有大的比表面积,吸附能力强;(2)吸附选择性要好;(3)具有一定的粒度,较高的机械强度、化学稳定性和热稳定性;(4)大的吸附容量;(5)来源广泛,价格低廉;(6)容易再生和再利用。二、常用吸附剂及其功能：见表5.1表5.1各种吸附剂可去除的有害气体吸附剂可去除的有害气体活性炭苯、甲苯、二甲苯、丙酮、乙醇、乙醚、甲醛、苯乙烯、氯乙烯、恶臭物质、硫化氢、氯气、硫氧化物、氮氧化物、氯仿、一氧化碳浸渍活性炭烯烃、胺、酸雾、碱雾、硫醇、二氧化硫、氟化氢、氯化氢、氨气、汞、甲醛活性氧化铝硫化氢、二氧化硫、氟化氢、烃类浸渍活性氧化铝甲醛、氯化氢、酸雾、汞硅胶氮氧化物、二氧化硫、乙炔分子筛氮氧化物、二氧化硫、硫化氢、氯仿、烃类室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化(1)活性炭(一)活性炭制作活性炭是目前应用较多的一种吸附剂，用于气体净化的活性炭是以煤粉等为原料，以煤焦油做调和剂，成型后经干燥、炭化、活化等工序制成。工艺：原料经粉碎及加黏合剂成型后，经加热脱水（120～130℃）、炭化（170～600℃）、活化（700～900℃）而制得。(二)特性(1)具有稳定的化学性质;(2)可以耐强酸、强碱;(3)能经受水浸、高温、高压作用;(4)不易破碎;(5)几何特性见表5.2所示。(三)活性炭的选择：活性炭小孔的表面积占比表面积的95%以上，所以吸附量主要受小孔支配。由于活性炭的原料和制造方法不同，细孔的分布情况相差很大，应根据吸附质的分子直径和活性炭的细孔分布情况选择合适的活性炭。室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化表5.2常用吸附剂的特性比表面积(m2/g)孔隙体积微观孔/宏观孔(cm3/g）松散密度（g/L）比热容(J/kg.K)活性炭（木炭）1000～15000.6～0.8;0.5～0.8300～500840木炭-窄孔600～10000.3～0.6;0.3～0.4400～500840木炭1000.05～0.10;0.2～0.3600840氧化硅胶-窄孔600～8500.35～0.45;0.1700～800920氧化硅胶-大孔250～3500.3～0.45;0.05～0.10400～800920活性氧化铝100～4000.4;0.1700～800880分子筛500～10000.25～0.30;0.3～0.4600～900920物理性质吸附剂室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化(2)树脂吸附剂树脂吸附剂也叫吸附树脂，是一种新型有机吸附剂。具有立体网状结构，呈多孔海绵状，加热不熔化，可在150℃下使用，不溶于一般溶剂及酸、碱，比表面积可达到800m2/g；按照基本结构分类，吸附树脂大体可分为非极性、中极性、极性和强极性四种类型。树脂吸附剂的结构容易人为控制，因而它具有适应性大，应用范围广、吸附选择性特殊、稳定性高等优点，并且再生简单。(3)活性炭纤维最近研制出的一种活性碳纤维，纤维直径为10～20μm，具有和活性碳一样的吸附特性。形状采用W字形、圆筒形、卷绕形等。室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化有关资料报道，活性炭纤维的外表面积比粒状活性炭大100倍以上．两者的体积密度相差10倍，与粒状活性炭相比，活性炭纤维有更多的微孔直接与吸附质接触，而且吸附质直接暴露于纤维表面进行吸附和解析，因而也能更快达到吸附平衡而更有效地利用微孔。比表面积相同时，活性炭纤维比粒状活性炭吸附质的吸附能力更高，而吸附低浓度的以及痕量的吸附质时也更有效。由于活性炭纤维具有优异的结构特征以及良好的吸附性能，在室内空气净化方面也取得了较好的效果，活性炭纤维不仅能广泛用于有机物的吸附与清除，而且能够有效地去除异味。室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化5.1.３吸附理论与吸附性能参数的测定吸附平衡与吸附过程所进行的时间(即吸附速率)是吸附分离效果的关键因素。1)吸附平衡吸附质与吸附剂长时间接触最终可达到吸附平衡。静吸附量分数用XT或m吸附质/m吸附剂表示(为无量纲量)。它是设计和生产的一个重要因素。当吸附达到平衡时，吸附质在气、固两相中的浓度间有一定的等温吸附函数关系。等温吸附关系式有多种形式，常用的关系式：朗格谬尔(Langmuir)方程式设吸附质对吸附剂表明的覆盖率为θ,则未覆盖率部分为(1-θ),若气相侧分压为p,则吸附速率为K1P(1-θ),解吸附速率为K2θ,当吸附达到平衡时,则:室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化112KPKPK1TABPXABP12KP1-θ=Kθ或式中，---吸附、解吸常数。12,KK若令,以A表示饱和吸附量，则单位质量吸附剂所吸附的吸附质的量可表示为：TX12/BKK上式为朗式方程,式中为常数。若将其覆盖率表示，其中为气体分压力P时被吸附气体在标准状况下的体积；为吸附剂被覆盖满一层时被吸附气体在标准状况下的体积。则上式可改写成:/mVVmVV,AB室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化1mmPPVBVV1mVBPVBP或用对做图应得一条直线。由直线的斜率和截距便可计算与的值。朗式方程能解释很多试验结果，是目前常用的等温吸附方程式。mV/PV1/mVP1/mBVB2)吸附速率(速度)吸附过程常需要较长时间才能达到两相平衡，而在实际生产过程中，其接触时间是很短的，因此吸附量取决于吸附速率，与吸附过程有关。吸附要经过以下3个过程：①被吸附物质向吸附剂周围流体界面膜扩散，称为外扩散过程。②被吸附物质向吸附剂粒子内扩散，称为内扩散过程。③吸附剂内表面吸附，称为吸附过程。室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化现分析填充密度为,吸附剂粒子的外表面为,填充层长度为的吸附剂填充层上产生的吸附过程。可以认为,在气相与吸附剂粒子的界面上存在着双层界膜,如图5.1所示的。3(/)rgcm23(/)vacmcml假设在界膜层内某一点上,气相主体的被吸附物质浓度为C,吸附剂粒子表面的被吸附物质浓度为CB,吸附剂表面的吸附量为qB,吸附剂粒子内的吸附量为q,那么单位体积的吸附量随时间的变化具有下列关系式：GvBSvBdqkaCCkaqqdt式中,kG——气体界膜标准物质的分移动系数；kS——粒子内的物质分移动系数。在一般的物理吸附中,第③项过程进行得非常迅速,而第①或②项决定着吸附全过程的速度。室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化由于式中CB,qB往往是很难实际测定和判断的,所以还是把吸附的整个过程归并到气相或固相部分,综合表示比较方便。如图5.2所示,如果C和q分别取平衡点q*和,则可用下式表示：**GvSvdqKaCCKaqqdt*C式中,KG——按浓度合并的物质总移动系数；KS——按吸附量之差合并的物质总移动系数。图5.1双层界膜模型图5.2双层界膜模型与等温吸附线的关系室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化假设吸附平衡为已知条件,则根据式(5.6)和式(5.7)求出物质移动系数之间的关系,令,则得出下式：**,qCqC**BBCCCCCC即111GvGvSvKakaka11SvGvSvKakaka式中,β——等温吸附平衡曲线的平均斜率。上式只有在填充层长度l足够大时才能成立。在物理吸附情况下,用液体界膜物质移动系数kL代替kS,就可以得到与上式完全相同的关系式。室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化5.1.4吸附技术在空气净化中的应用近年来通过对SBS的调查分析发现,现代化大楼最常见的分子污染是VOC污染,它是建筑内各种异味的主要根源,分子扩散速度的量级大大高于微粒。因此,控制分子污染是对通风空调技术的严峻挑战。表5.4比较了活性炭纤维和粒状活性炭的吸附容量。吸附质活性炭纤维粒状活性炭吸附质活性炭纤维粒状活性炭正丁硫醇1104.8613.0甲苯333243二甲硫醚686.6436.6环乙烷232185二硫化碳723.4520.1丙醇319224苯326213甲醇288205苯乙烯328219表5.4有机物的平衡吸附容量单位:mg/g室内污染控制与洁净技术5.1吸附净化与粒状活性炭相比，活性炭纤维除具有大得多的比表面积外，同时还具有大量的微孔结构的特征，致使吸附质在活性炭纤维内扩散阻力减小，吸附速度加快。由于活性纤维具有更多的微孔直接与吸附质接触，而且吸附质直接暴露于纤维表面进行吸附和解吸，因此也能更快达到吸附平衡，能有效地利用微孔。在同样的比表面积时，活性炭纤维比粒状活性炭对吸附的能力更高，而吸附低浓度的吸附质时也更有效。由于活性炭纤维具有良好的结构特征以及优异的吸附性能，在废水治理、饮用水净化方面，已经取得了理想的效果。在室内空气净化方面，也取得了较好的效果，活性炭纤维不仅能广泛用于有机物的吸附清除，而且能够有效驱除异味。日本有关专家的研究证明，活性炭纤维能高效吸附香烟烟雾中的有害成分，有效地清除香烟烟雾中的有害物质。5.2光催化(光触媒)净化方法室内污染控制与洁净技术光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有氧化还原能力而净化污染物的。即:概述：催化剂+紫外光线照射氧化、还原吸附净化污染物自1972年Honde等人发现TiO2被光照辐射后可以持续发生水的氧化还原反应，并产生H2以来，人们对这一催化反应过程进行了大量研究。结果表明，这一技术不但在废水净化处理方面具有巨大潜能，在空气净化（特别是在挥发性有机物VOC）方面也具有广阔应用前景。5.2光催化(光触媒)净化方法室内污染控制与洁净技术该项技术是当前国内外研究者们十分关注研究与开发的重要课题之一，纳米光催化净化技术还在其他领域中占有重要研究价值（如航天、航海、医疗业）。由于光催化氧化分解挥发性有机物，可以利用空气中的O2作氧化剂，而反应能在常温常压下进行，在分解有机物的同时还能杀菌除臭，所以特别适合于室内挥发性有机物的净化。5.2光催化(光触媒)净化方法室内污染控制与洁净技术1、光催化材料处理VOC作用原理：“光催化”——这一术语本身就意味着光化学与催化剂二者的结合，二者是引发和促进催化氧化反应的必要条件。TiO2——作为催化剂(是由其本身的光电特性所决定的)。即在光电转换中进行氧化还原反应。1.半导体粒子的能带结构:(右图示)根据半导体粒子特性，超细半导体粒子所含有的能带结构，通常是由一充满电子(h+)的低能价带和一个空的高能导带(e-)构成