Adsorption af gasformige forurenende stoffer

Læs denne artikel for at lære om adsorption af gasformige forurenende stoffer med fast seng adsorber design tilgang.

Introduktion til adsorption af gasformige forurenende stoffer:

Når en væske indeholdende nogle dispergerede stoffer bringes i kontakt med nogle specielt behandlede / fremstillede faste partikler, kan molekylerne af de dispergerede stoffer opbevares på overfladerne af de faste partikler. Dette fænomen betegnes som adsorption.

Det faste materiale omtales som et adsorbent, og stoffet, som er tilbageholdt på et adsorbent, betegnes som adsorbat. Adsorption er ikke kun en effektiv metode til fjernelse af forurenende stoffer fra gasstrømme, men også til reduktion af vandbårne forurenende stoffer. Fænomenet adsorption er blevet undersøgt eksperimentelt og forskellige teorier er blevet foreslået for at forklare observationerne. Men en teori, som kan forklare de fleste af observationerne, er endnu ikke udviklet.

Det antages, at en interaktion mellem adsorbatmolekylerne og de aktive steder på adsorbentoverfladen bevirker retention af et adsorbat på et adsorbent. Den interaktive kraft, som medfører adsorption, er teoretiseret som enten fysisk eller kemisk af natur. Når et adsorbat holdes på grund af fysisk attraktiv kraft, betegnes processen som fysisk adsorption.

Mængden af ​​varme udviklet under denne proces er næsten den samme som den latente varme af kondensering af adsorbatet. Den attraktive kraft, der medfører fysisk adsorption, er svag af natur, derfor kan de adsorberede molekyler fjernes (desorberet) fra de faste partikler enten ved at hæve systemtemperaturen eller ved at reducere partikeltrykket af adsorbatet (ved evakuering eller ved at passere en inert gas) eller ved den kombinerede virkning af de to. Desorptionsprocessen er en endoterm.

I nogle tilfælde bevares et adsorbat på en adsorbentoverflade på grund af kemisk binding mellem de to. Det betyder ikke, at der dannes en ny kemisk forbindelse, men kraften af ​​adhæsion er ret stærk. En sådan proces betegnes som kemisorption. Den er karakteriseret ved udviklingen af ​​forholdsvis en stor mængde varme, som svarer til størrelsen af ​​den eksoterme kemiske reaktion. Kemisorption er næsten en irreversibel proces. Under fjernelse af et kemisorberet stof undergår adsorbatmolekylerne ofte kemiske ændringer.

Da både kemisorption og fysisk adsorption forekommer på adsorbentoverfladen, skal et godt adsorbent have et stort specifikt overfladeareal (overfladeareal pr. Masseværdi). Det specifikke overfladeareal stiger med faldet i partikelstørrelse og stigning i porøsiteten af ​​adsorbentpartiklerne. For at være en god adsorbent bør de faste partikler ikke kun have et højt specifikt område, men også have egnede interaktive kraft / aktive steder med hensyn til det specifikke adsorbat.

Massen af ​​adsorbat bibeholdt pr. Masse af en adsorbent ville være relateret til adsorbatkoncentrationen i fluidet ved ligevægt ved en given temperatur. Baseret på Langmuirs analyse af fænomenet kan ligevægtsrelationen udtrykkes som

X * _i = mY _i ^{1 / n} ...... ........................... (4, 54)

hvor X * _i = adsorbatmasse jeg beholder pr. masse af en adsorbent, og Yi = adsorbatmasse jeg til stede i en enhedsmasse af væsken (bæregas) ved ligevægt.

m og n er specifikke konstanter for et specifikt adsorbat-adsorbentsystem. De er temperaturafhængige.

For n ≤ 1 anses adsorptionsprocessen for at være gunstig, og for n> 1 er den u-gunstig. For et specifikt adsorbat-adsorbentsystem afhænger de numeriske værdier af m og n på adsorbents fremstillingsproces. Disse evalueres eksperimentelt.

Når først et adsorbent har opnået ligevægt med hensyn til et adsorbat, ville det ikke være i stand til at absorbere adsorbatet yderligere. Adsorbenten skal enten kasseres eller regenereres til genanvendelse. Til regenerering af et adsorbent og eller genopretning af adsorbatet opvarmes det anvendte adsorbent generelt, medens en strøm af en inert gas passeres over den.

I tilfælde af en fysisk adsorptionsproces anvendes damp eller luft ved en moderat temperatur (100 ° C eller mere) normalt. Det desorberede stof kan indsamles (hvis det er værdifuldt) eller yderligere behandles inden bortskaffelse. For regenerering af et adsorbent fra en kemisorptionsproces føres luft ved høj temperatur over det brugte adsorbent, hvorved det adsorberede stof bliver oxideret og fjernet.

Kommercielt anvendte adsorbenter er aktiveret carbon, silica, silicagel, molekylsigter (aluminiumoxidsilicater), aluminiumoxid og nogle andre metaloxider. Det mest anvendte adsorbent er granulært aktiveret kulstof (GAC).

Almindeligt anvendte adsorbere er fast sengetype, som drives i cyklusser. En fast seng adsorber består af et hus indeholdende en seng af granulære absorberende partikler. Som en væskestrøm, der bærer h forurenende stof (adsorbat) strømmer gennem sengen, bliver forurenende stof adsorberet.

Efterhånden bliver adsorbentpartiklerne mættede. Når forurenende stof i den behandlede strøm nå et forudbestemt niveau som fastsat i forureningskontrolstandarderne, afbrydes adsorptionsprocessen og sengen regenereres. Efter regenerering af sengen bliver den sat på strøm igen.

Et adsorberingssystem kan have flere konfigurationer. Den enkleste ville være et to-sengs system, hvor en seng bliver regenereret, den anden ville være online. Et bedre arrangement ville være et tresengssystem, hvor to senge drives i serie, mens den tredje ville blive regenereret. I en sådan opsætning fungerer den anden seng som polerbunden. Når den volumetriske strømningshastighed af en fluidstrøm, der skal behandles, er temmelig stor, kan flere enheder betjenes parallelt.

Andet end fast seng, flydende leje og bevægelige leje adsorbere anvendes også. De drives uden afbrydelse for regenerering. Fra disse senge fjernes delvist brugte adsorbentpartikler, regenereres uden for sengene og returneres kontinuerligt. I sådanne enheder underkastes adsorbentpartiklerne afladning på grund af interpartikelskrævning såvel som på grund af vægnedbrydning.

Strømning af faste partikler i disse adsorbere kan ikke være glat. Imidlertid ville holdingen af ​​adsorbent være meget mindre sammenlignet med den i et fastlejersystem med samme kapacitet. Da regenerering foregår uden for adsorberingen, kan den udføres under drastiske forhold, hvis det er nødvendigt.

Fixed Bed Adsorber Design Approach:

Når en væskestrøm indeholdende et adsorbat indtræder i en adsorber med fast seng, finder det meste af adsorptionen sted på foderenden til at begynde med. Gradvist bliver adsorbenspartiklerne, som er til stede nær fødeendens, mættet med adsorbat, og den effektive adsorptionszone skifter mod udgangsenden. Den del af en adsorber, hvor størstedelen af ​​adsorption finder sted, betegnes som den effektive adsorptionszone. Figur 4.12 viser progressiv mætning af en adsorbensseng i en adsorber under processen. Det viser også, at den effektive adsorptionszone (Z _Q ) endelig når udgangsenden.

Figur 4.13 viser, at adsorbatkoncentrationen (Y) i den behandlede strøm øges efterhånden som operationen skrider frem og til sidst Θ = Θ _B bliver koncentrationen Y _B. Hvis adsorbatet er et forurenende stof, vil Y _B stå for sin maksimale tilladte emissionskoncentration ud fra miljøforurening. Tiden Θ _B betegnes som break-through tid.

Fortsættelse af adsorptionsprocessen ud over Θ _B ville resultere i yderligere forøgelse af forurenende koncentration ud over Y _B i den behandlede spildevandsstrøm. Ved Θ = Θ _B skal operationen afbrydes, og sengen skal regenereres.

Ved udformning af en fast seng adsorber til reduktion af gasbåren forurenende stof skal man estimere sit tværsnitsareal og dens pakkede højde for at have en forudbestemt "break-through time" Θ _B.

Følgende oplysninger ville være nødvendige for designformål:

1. Strømningshastigheden af ​​den indstrømmende strøm, G;

2. Forurenende koncentration i influenzaen,

3. Den maksimalt tilladte forurenende koncentration i det behandlede spildevand, Y _B ;

4. Forudvalgt 'break through time' Θ _B og

5. Karakteristik af den valgte adsorbent.

Kolonne tværsnitsarealet af en adsorber kan estimeres under anvendelse af følgende udtryk:

Normalt for kommercielle enheder er den anvendte overfladiske gashastighed i området fra 6 til 24 m / min. Hvis man kører med højere hastighed, vil trykfaldet over sengen være højere, og dermed vil driftsomkostningerne (energi) være mere. Til estimering af kolonnens indløbs- og udløbsrørdiameter vælges gashastigheden i området 600-900 m / min. Til estimering af den overdækkede senghøjde, L ₀, antager man en Θ _B. Baseret på dette og karakteristika for den valgte adsorbent kan den pakkede senghøjde LO beregnes ved anvendelse af enten en tommelfingerregeltilgang eller en analytisk tilgang.

For at finde den hævede senghøjde ved hjælp af en tommelfingerregel, er de krævede oplysninger: (i) adsorptionskapaciteten (Xc) af det valgte adsorbent og (ii) adsorbens bulkdensitet (pb). Adsorptionskapaciteten Xc er defineret som massen af ​​adsorbat, hvor en enhedsmasse af et adsorbent kan adsorbere under behandling af en indstrømmende gasstrøm, der har en forurenende koncentration YO og derved reducere forurenende koncentrationen til den tilladte begrænsningsværdi Y _B i den behandlede gas .

Xc og pb kan enten opnås fra en adsorbentproducent / leverandør eller estimeres eksperimentelt i et laboratorium. Laboratoriebaserede data ville være mere pålidelige til designformål. Når disse data er tilgængelige, kan den samlede masse af adsorbent, der kræves, beregnes ved anvendelse af Eq. (4, 55).

Den tilsvarende senghøjde (L0) kan opnås ved anvendelse af Eq. (4, 56)

Senghøjden L0 kan beregnes i overensstemmelse med den analytiske fremgangsmåde ved anvendelse af Eq. (4, 57)

hvor Θ = grad af mætning af den totale adsorbenslejet ved tidspunkt dB, udtrykt som en fraktion,

og X _s = forurenende koncentration på adsorbent i ligevægt med gasfase koncentration Y ₀ udtrykt som et vægtforhold.

X _x kan estimeres enten ved anvendelse af Eq. (4.54) eller udnytte eksperimentelt opnåede ligevægtsdata.

Det skal her bemærkes, at ved tidspunktet Θ _B fra starten af ​​processen ville den største del af sengen (undtagen adsorptionszonen Z _a nær udgangssiden af ​​søjlen) være mættet. Zone Z _a ville være delvist mættet. Derfor kan Θ udtrykkes som

Det er nu tydeligt, at man for første gang skal estimere f og z _a for at finde L ₀ .

Gasfasematerialets ligningsligning for et adsorbat over en elemental senghøjde dZ i adsorptionszonen _ZQ over et tidsinterval dΘ kan skrives som

Hvor ɛ = ugyldig fraktion og a = overfladeareal pr. Enhed pakket volumen.

Det sidste udtryk på højre side af Eq. (4, 60), som er lille i forhold til de andre udtryk, kan forsømmes, og ligningen kan omskrives som

Den integrerede form af Eq. (4.61) kan skrives som

og Y * = ligevægtsgasfaseforurenende koncentration, der svarer til den adsorberede forurenende koncentration X på adsorbentoverfladen.

kan vurderes numerisk eller grafisk ved hjælp af et plot svarende til fig. 4.14. Et problem opstår imidlertid som svarende til Y = YO, y * = Y ₀ og derfor vil N _OG være uendelig. For at omgå dette problem er N _OG tilnærmet som

hvor Ye er tildelt en numerisk værdi lidt mindre end K ₀

For at estimere H _{OG er} det nødvendigt at kende de numeriske værdier af K _y og a. I fravær af sådanne oplysninger kan man have et skøn over H _oc ved hjælp af figur 4.15, for hvilken de krævede oplysninger er ɛ og d _p .

hvor ɛ = seng void fraktion,

og d _p = gennemsnitlig adsorbentpartikeldiameter

Efter evaluering af Z _a ved anvendelse af Eq. (4, 62), f skal beregnes numerisk ved anvendelse af Eq. (4, 59). Endelig evalueres Θ og LO ved anvendelse af Eq. (4.58) og Eq. (4, 57).

Eksempel 4.4:

En fast seng adsorber skal konstrueres til adsorption af acetone fra luft med en initialkoncentration, Y0 = 0, 024 kg acetone / kg luft ved 30 ° C under anvendelse af granuleret aktivt kul (GAC). Den volumetriske gasstrømningshastighed er 12000 m3 / time. Den tilladte acetonkoncentration (YB) i den behandlede gas kan tages som 0, 001 kg acetone / kg luft og bulkdensitet af GAC (pb) som 400 kg / m3. Ligevægtsdataene er som angivet nedenfor.

Opløsning:

I mangel af andre specifikke oplysninger vedrørende dette designproblem antages følgende:

Ved hjælp af de antagne værdier af Θ _B, den overfladiske hastighed og H _QG og informationen specificeret i problemet estimeres den pakkede adsorberingshøjde L ₀ ved hjælp af tommelfingerreguleringsmetoden ved anvendelse af følgende ligninger / relationer:

Til sidst accepterer adsorber-pakket højde L0 som beregnet ved anvendelse af Eq. (4.56), Θ _B genberegnes efter den analytiske tilgang.

Plotting af de medfølgende ligevægtsdata og tegning af en passende driftslinie resulterede i en figur svarende til den i figur 4.14. Fra dette tal er værdien af ​​X _s fundet at være 0, 177. For estimering N _OG og f ved numerisk integration læses de krævede værdier af Y, X og Y * fra figuren og de beregnede værdier af