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吸附剂

吸附剂也称吸收剂。这种物质可使活性成分附着在其颗粒表面,使液态微量化合物添加剂变为固态化合物,有利于实施均匀混合。是一种能够有效地从气体或液体中吸附其中某些成分的固体物质。具有大的比表面、适宜的孔结构及表面结构;对吸附质有强烈的吸附能力;一般不与吸附质和介质发生化学反应;制造方便、容易再生;有极好的吸附性和机械性特性。

吸附剂一般有以下特点:大的比表面、适宜的孔结构及表面结构;对吸附质有强烈的吸附能力;一般不与吸附质和介质发生化学反应;制造方便、容易再生;有极好的吸附性和机械性特性。 [1]

吸附剂可按孔径大小、颗粒形状、化学成分、表面极性等分类,如粗孔和细孔吸附剂,粉状、粒状、条状吸附剂,碳质和氧化物吸附剂,极性和非极性吸附剂等。 [2]

常用的吸附剂有以碳质为原料的各种活性炭吸附剂和金属、非金属氧化物类吸附剂(如硅胶、氧化铝、分子筛、天然黏土等)。最具代表性的吸附剂是活性炭,吸附性能相当好,但是成本比较高,曾应用在松花江事件中用来吸附水体中的甲苯。其次还有分子筛、硅胶、活性铝、聚合物吸附剂和生物吸附剂等等。 [2]

吸附剂一般都是用在工业生产中,因此根据工业的常用性可以把吸附剂分为六大类。

硅胶,它主要用于干燥、气体混合物及石油组分的分离等;

氧化铝,它也是一种脱水的吸附剂;

活性炭,主要用于水处理、脱色和气体处理;

聚丙烯酰胺,主要用于生活污水和有机废水;

沸石分子筛,用于气体吸附分离、气体和液体干燥;

碳分子筛,主要起运输通道作用,微孔则起分子筛的作用。 [1]

吸附剂一般也分为有机物和无机物两类,有机物类如小麦胚粉,脱脂的玉米胚粉,玉米芯碎片,粗麸皮,大豆细粉以及吸水性强的谷物类等。无机物类则包括二氧化硅,蛭石,硅酸钙等。

吸附剂会吸收制冷剂蒸汽,使蒸发器中压力降低,于是会有更多液体气化,蒸发中吸收热量降温,实现吸附制冷;吸附剂选择吸附杂质,可进行产品提纯;活性炭可用于污水处理场排气吸附。 [3]

气体吸附分离成功与否,极大程度上依赖于吸附剂的性能,因此选择吸附剂是确定吸附操作的首要问题。

吸附剂是现代工业中一种不可缺少的产品,它的作用很大,不但可以分离物质还可以吸附一些产品中多余的水分,成本低、工艺简单、可重复使用,应用范围远远大于工业需要。 [1] 现在工业越来越发达,吸附剂一般被广泛的引用在石油工业的采油、炼油、贮油运输产生的污水、洗舱水、机械工业的冷润滑液、轧钢水,电镀污水及粮油加工、皮革、纸业、纺织、食品加工等多行业。

是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒,分子式为SiO2.nH2O,为一种亲水性的极性吸附剂。它是用硫酸处理硅酸钠的水溶液,生成凝胶,并将其水洗除去硫酸钠后经干燥,便得到玻璃状的硅胶,它主要用于干燥、气体混合物及石油组分的分离等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下,吸附量可达吸附剂重量的80%以上,而在低湿度条件下,吸附量大大低于细孔硅胶。

活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成,它的性质取决于最初氢氧化物的结构状态,一般都不是纯粹的Al2O3,而是部分水合无定形的多孔结构物质,其中不仅有无定形的凝胶,还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具有较高的活性,故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力,是一种对微量水深度干燥用的吸附剂。在一定操作条件下,它的干燥深度可达露点-70℃以下。

是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。

活化方法可分为两大类,即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品,在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热,通常在700℃以下除去挥发组分以后,通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等,并在700~1200℃温度范围内进行反应使其活化。

活性炭特性:

①活性炭的比表面积和孔隙结构

活性炭具有巨大的比表面积和丰富的孔隙结构。比表面积可达500~1700/g,其中小孔容积一般为0.15~0.9ml/g,表面积占比表面积的95%以上,过渡孔容积一般为0.02~0.1ml/g,表面积占比表面积的5%左右,而大孔容积一般为0.2~0.5ml/g,表面积很小,只有0.5~2/g。

②活性炭的表面化学性质

由于活性炭表面有OH基等,所以具有一些极性。 [4]

活性炭作用:

空气净化;污水处理场排气吸附;饮料水处理;电厂水预处理;废水回收前处理;生物法污水处理;有毒废水处理;石化无碱脱硫醇;溶剂回收;化工催化剂载体;滤毒罐;黄金提取;化工品储存排气净化;制糖、酒类、味精医药、食品精制、脱色;乙烯脱盐水填料;汽车尾气净化;PTA氧化装置净化气体。 [3]

又称合成沸石或分子筛,其化学组成通式为:

[M2(Ⅰ)M(Ⅱ)]O.Al2O3.nSiO2. mH2O

式中M2(Ⅰ)和M(Ⅱ)分别为为一价和二价金属离子,多半是钠和钙,n称为沸石的硅铝比,硅主要来自于硅酸钠和硅胶,铝则来自于铝酸钠和Al(HO)3等,它们与氢氧化钠水溶液反应制得的胶体物,经干燥后便成沸石,一般n=2~10,m=0~9。

沸石的特点是具有分子筛的作用,它有均匀的孔径,如3A0、4A0、5A0、10A0细孔。有4A0孔径的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷,而不吸附三个碳以上的正烷烃。它已广泛用于气体吸附分离、气体和液体干燥以及正异烷烃的分离。

实际上也是一种活性炭,它与一般的碳质吸附剂不同之处,在于其微孔孔径均匀地分布在一狭窄的范围内,微孔孔径大小与被分离的气体分子直径相当,微孔的比表面积一般占碳分子筛所有表面积的90%以上。碳分子筛的孔结构主要分布形式为:大孔直径与碳粒的外表面相通,过渡孔从大孔分支出来,微孔又从过渡孔分支出来。在分离过程中,大孔主要起运输通道作用,微孔则起分子筛的作用。

以煤为原料制取碳分子筛的方法有碳化法、气体活化法、碳沉积法和浸渍法。其中炭化法最为简单,但要制取高质量的碳分子筛必须综合使用这几种方法。

碳分子筛在空气分离制取氮气领域已获得了成功,在其它气体分离方面也有广阔的前景。

1)用于污泥脱水根据污泥性质可选用本产品的相应型号,可有效在污泥进入压滤之前进行污泥脱水,脱水时,产生絮团大,不粘滤布,压滤时不散,流泥饼较厚,脱水效率高,泥饼含水率在80%以下。

2)用于生活污水和有机废水的处理,本产品在配性或碱性介质中均呈现阳电性,这样对污水中悬浮颗粒带阴电荷的污水进行絮凝沉淀,澄清很有效。如生产粮食酒精废水,造纸废水,城市污水处理厂的废水,啤酒废水,味精厂废水,制糖废水,有机含量高 废水、饲料废水,纺织印染废水等,用阳离子聚丙烯酰胺要比用阴离子、非离子聚丙烯酰胺或无机盐类效果要高数倍或数十倍,因为这类废水普遍带阴电荷。

3)用于以江河水作水源的自来水的处理絮凝剂,用量少,效果好,成本低,特别是和无机絮凝剂复合使用效果更好,它将成为治长江、黄河及其它流域的自来水厂的高效絮凝剂。

4)造纸用增强剂及其它助剂。提高填料、颜料等存留率、纸张的强度。

5)用于油田经学助剂,如粘土防膨剂,油田酸化用稠化剂。

6)用于纺织上浆剂、浆液性能稳定、落浆少、织物断头率低、布面光洁。

吸附剂的良好吸附性能是由于它具有密集的细孔构造。与吸附剂细孔有关的物理性能有:

a.孔容(VP):吸附剂中微孔的容积称为孔容,通常以单位重量吸附剂中吸附剂微孔的容积来表示(cm3/g).孔容是吸附剂的有效体积,它是用饱和吸附量推算出来的值,也就是吸附剂能容纳吸附质的体积,所以孔容以大为好。吸附剂的孔体积(Vk)不一定等于孔容(VP),吸附剂中的微孔才有吸附作用,所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的体积,一般要比VP大。

b.比表面积:即单位重量吸附剂所具有的表面积,常用单位是m2/g。吸附剂表面积每克有数百至千余平方米。吸附剂的表面积主要是微孔孔壁的表面,吸附剂外表面是很小的。

c.孔径与孔径分布:在吸附剂内,孔的形状极不规则,孔隙大小也各不相同。直径在数埃(A0)至数十埃的孔称为细孔,直径在数百埃以上的孔称为粗孔。细孔愈多,则孔容愈大,比表面也大,有利于吸附质的吸附。粗孔的作用是提供吸附质分子进入吸附剂的通路。粗孔和细孔的关系就象大街和小巷一样,外来分子通过粗孔才能迅速到达吸附剂的深处。所以粗孔也应占有适当的比例。活性炭和硅胶之类的吸附剂中粗孔和细孔是在制造过程中形成的。沸石分子筛在合成时形成直径为数微米的晶体,其中只有均匀的细孔,成型时才形成晶体与晶体之间的粗孔。

孔径分布是表示孔径大小与之对应的孔体积的关系。由此来表征吸附剂的孔特性。

d.表观重度(dl):又称视重度。

吸附剂颗粒的体积(Vl)由两部分组成:固体骨架的体积(Vg)和孔体积(Vk),即:

Vl= Vg+ Vk

表观重度就是吸附颗粒的本身重量(D)与其所占有的体积(Vl)之比。

吸附剂的孔体积(Vk)不一定等于孔容(VP),吸附剂中的微孔才有作用,所以VP中不包括粗孔。而Vk中包括了所有孔的体积,一般要比VP大。

e.真实重度(dg):又称真重度或吸附剂固体的重度,即吸附剂颗粒的重量(D)与固体骨架的体积Vg之比。

假设吸附颗粒重量以一克为基准,根据表观重度和真实重度的定义则:

dl==l/Vl ; dg=l/Vg

于是吸附剂的孔体积为:

Vk=l/dl l/dg

f.堆积重度(db):又称填充重度,即单位体积内所填充的吸附剂重量。此体积中还包括有吸附颗粒之间的空隙,堆积重度是计算吸附床容积的重要参数。

以上的重度单位常用g/cm3、kg/l、kg/m3表示。

g.孔隙率(εk):即吸附颗粒内的孔体积与颗粒体积之比。

εk=Vk/(Vg+Vk)=(dg-dl)/ dg=1-dl/dg

h.空隙率(ε):即吸附颗粒之间的空隙与整个吸附剂堆积体积之比。

ε=(Vb-Vl)/Vb=(dl-db)/dl=1-db/dl [5]

衡量吸附剂的主要指标有:对不同气体杂质的吸附容量、磨耗率、松装堆积密度、比表面积、抗压碎强度等。用于滤除毒气,精炼石油和植物油,防止病毒和霉菌,回收天然气中的汽油以及食糖和其他带色物质脱色等。

1)絮凝作用原理:PAM用于絮凝时,与被絮凝物种类表面性质,特别是动电位,粘度、浊度及悬浮液的PH值有关,颗粒表面的动电位,是颗粒阻聚的原因加入表面电荷相反的PAM,能使动电位降低而凝聚。

2)吸附架桥:PAM分子链固定在不同的颗粒表面上,各颗粒之间形成聚合物的桥,使颗粒形成聚集体而沉降。

3)表面吸附:PAM分子上的极性基团颗粒的各种吸附。

4)增强作用:PAM分子链与分散相通过种种机械、物理、化学等作用,将分散相牵连在一起形成网状。

本产品具有比表面积大、吸附力强、耐磨强度高、使用安全、简便经济、过滤速度快等特性,是各种含油污水处理的理想材料。

【产品性能及特点】

⑴产品性能表

型号

NUSL-1

形态

颗粒状

外观

深褐色

粒度(cm)

≤1

密度(g/cm)

0.28~0.30

400℃烧失率(%)

70~80

含水量(%)

≤10

⑵产品特点

1)除油效率高,吸附速率快;

2)对各种含油污水具有很强的适应性,耐冲击负荷能力强;

3)工艺简单,处理装置安装维护简便,材料更换简单易行;

4)与常规破乳气浮相比,无二次污染,投资和运行成本低;

5)吸附饱和后,材料后处理简便易行,可作为助燃剂或燃料使用。

【适用范围】

该产品可广泛应用于石油工业的采油、炼油、贮油运输产生的污水,另外油轮压舱水、洗舱水、机械工业的冷润滑液、轧钢水,电镀污水及粮油加工、皮革、造纸、纺织、食品加工等多行业污水均可应用。产品同时也可应用于膜法、树脂预处理除油、油田回注水除油和高温凝结水除油。

【工艺流程】

根据污水中含油量的高低采用多个吸附柱串联处理污水,在出水处监测油含量,若出水水质不达标则进入循环系统继续处理直至达标为止。产品使用工艺流程图如下图所示:若含油污水中COD、乳化物含量较高,在进入反应器前先进入COD去除装置和乳化物及溶解性物质去除装置等进行预处理。

该产品以植物为主要成分,通过一系列先进的工艺精制而成。该品能吸附多种重金属、适应浓度范围广泛。广泛适用于废水中Cr6+、Cu2+、Zn2+、Ni2+、Pb2+、Cd2+等重金属离子的去除,对重金属吸附容量大。同时,该系列产品对油也有很好的去除效果,吸附饱和后的材料易于燃烧,可采用热处理使其减容,并回收重金属,不会造成二次污染。

【产品性能及特点】

⑴产品性能表

型号

NUSL-2

形状

颗粒状

颜色

深褐色

粒度(cm)

≤1

堆密度(g/cm2)

0.98~1.02

400℃烧失率(%)

61.0~65.0

含水量(%)

13.4~15.0

⑵产品特点

1)吸附重金属离子能力强;

2)投资运行成本低;

3)与常规的化学沉淀法和吸附法相比,无二次污染产生;

4)吸附饱和后的材料易于燃烧且可回收重金属。

【适用范围】

适用于处理各种含重金属废水,如采矿、冶炼、电镀、电解、医药、油漆、合金、纺织、印染、农药、造纸、烟草、陶瓷与无机颜料制造等行业。

【工艺流程】

采用多个“易更换抽屉式反应器”串联处理污水,在出水处监测,若出水不达标进入循环系统继续处理直至达标。若污水中含有有机污染物,进入反应器前可加入COD去除装置作为预处理。产品使用工艺流程图如下图所示:处理效果】

项目

Cr6+(mg/L)

Cu2+(mg/L)

Ni2+(mg/L)

Zn2+(mg/L)

Pb2+(mg/L)

Cd2+(mg/L)

进水

20~120

20~80

20~100

50~90

20~100

20~80

出水

≤0.2

≤0.5

≤0.5

≤2.0

≤0.5

≤0.1

注:对于进水浓度超过上述范围的污水,可采取多级串联的方式进行处理。

在再生水处理研究领域,目前采用较多的工艺方法是“老三段”法,即二级出水经混凝沉淀+砂滤+消毒;近年来也出现了“生物+臭氧”工艺,但是这些工艺方法均存在工艺流程长、占地面积大、设备投资大、成本较高、产生生物或化学污泥量大、氮磷和有害病菌无法同步去除的问题,难以广泛应用。本产品以天然矿物为基体,经过一系列改性工艺制备而成,它具有同步去除氮磷、有机物和抗菌能力,且易于再生,城市污水厂二级出水经该产品“一步法”处理后出水即达到再生水水质指标。

【产品性能及特点】

⑴产品性能表

型号

UERW-1

形状

颗粒状

颜色

肉红色

密度

1.9g/cm3

含水量(%)

<0.5

⑵产品特点

1)同步去除二级出水中磷酸盐、氨氮和硝态氮以及有害病菌;

2)运行成本低,是“老三段”处理方法成本的1/2左右;

3)工艺简单,占地面积小,无化学和生物污泥产生;

4)产品易于再生,可重复利用。

【适用范围】

适用于处理城市污水厂二级出水作为再生水,如景观水、土地回灌、道路冲洗水;也可用于生活小区中水回用处理、工业污水的三级处理以及氮、磷超标水的处理。

【主要污染物处理效果】

项目

COD(mg/L)

TP(mg/L)

TN(mg/L)

NH3-N(mg/L)

N-NO3-(mg/L)

大肠菌群(个/L)

进水

60

1.5

20

8

10

104

出水

≤15

≤0.2

≤1.5

≤1.0

≤0.5

≤3

注:上述效果为城市污水厂二级出水处理后主要水质指标

当吸附进行一定时间后吸附剂的表面就会被吸附物所覆盖,使吸附能力急剧下降,此时就需将被吸附物脱附,使吸附剂得到再生。通常工业上采用的再生方法有下列几种:

(1) 降低压力。吸附过程与气相的压力有关。压力高,吸附进行得快脱附进行得慢。当压力降低时,脱附现象开始显著。所以操作压力降低后,被吸附的物质就会脱离吸附剂表面返回气相。有时为了脱附彻底,甚至采用抽真空的办法。这种改变压力的再生操作,在变压吸附中广为应用。如吸附分离高纯度氢,先是在 1.37~4.12 MPa压力下吸附,然后在常压下脱附,从而可得到高纯度氢,吸附剂也得到再生。

(2) 升高温度。吸附为放热过程。从热力学观点可知,温度降低有利于吸附,温度升高有利于脱附。这是因为分子的动能随温度的升高而增加,使吸附在固体表面上的分子不稳定,不易被吸附剂表面的分子吸引力所控制,也就越容易逸入气相中去。工业上利用这一原理,提高吸附剂的温度,使被吸附物脱附。加热的方法有:一是用内盘管间接加热;一是用吸附质的热 蒸气返 回床层直接加热。两种方法也可联合使用。显然,吸附床层的传热速率也就决定了脱附速率。
  (3) 通气吹扫。将吸附剂所不吸附或基本不吸附的气体通入吸附剂床层,进行吹扫,以降低吸附剂上的吸附质分压,从而达到脱附。当吹扫气的量一定时,脱附物质的量取决于该操作温度和总压下的平衡关系。
  (4) 置换脱附。向床层中通入另一种流体,当该流体被吸附 剂吸附的程度较吸附质弱时,通入的流体就将吸附质置换与吹扫出来,这种流体称为脱附剂 。 脱附剂与吸附质的被吸附性能越接近,则脱附剂用量越省。如果通入的脱附剂,其被吸附程度比吸附质强时,则纯属置换脱附,否则就兼有吹扫作用。脱附剂被吸附的能力越强,则吸附质脱附就越彻底。这种脱附剂置换脱附的方法特别适用于热敏性物质。当然,采用置换脱 附时,还需将脱附剂进行脱附。 [6]


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