8.1. Використання методу адсорбції для вловлювання газоподібних сполук

Фізична основа процесу адсорбції – здатність деяких твердих тіл з ультрамікроскопічною структурою (адсорбентів) вибірково відділяти та концентрувати на своїй поверхні окремі компоненти газової, пароповітряної суміші або розчину. В пористих тілах з капілярною структурою поверхневе поглинання доповнюється капілярною конденсацією.

Адсорбція дозволяє майже повністю вилучити з газової суміші забруднюючі компоненти, дає можливість здійснювати глибоке очищення газів. Цим пояснюється все більше застосування в охороні навколишнього середовища адсорбційних методів розподілу і очищення там, де інші методи виявляються недостатньо ефективними.

Основний параметр, який характеризує процес адсорбції – адсорбційна здатність (ємність) адсорбенту стосовно компоненту, який вилучається. Адсорбційна ємність визначається відношенням ваги речовини, яка поглинута адсорбентом, до ваги адсорбенту (або площі його поверхні). Вона залежить від концентрації адсорбованої речовини біля поверхні адсорбенту, тиску, загальної площі поверхні адсорбенту, фізичних, хімічних та електричних властивостей адсорбованої речовини та адсорбенту, температурних умов та наявності домішок. Тому, адсорбенти, які використовуються в системах очищення відхідних газів, повинні задовольняти наступні вимоги: мати велику адсорбційну здатність при поглинанні компонентів у невисоких концентраціях їх в газових сумішах, володіти високою селективністю, мати високу механічну міцність, володіти здатністю до регенерації і мати низьку вартість.

На практиці знайшли застосування такі адсорбенти: активоване вугілля, силікагелі, алюмогелі і цеоліти. Характеристика і області застосування деякого активного вугілля представлені в табл. 8.1.

Таблиця 8.1

Характеристика і області застосування активного вугілля

Силікагелі використовують для осушення газів і поглинання пари полярних органічних речовин (наприклад, метилового спирту). Промисловість випускає кускові і гранульовані силікагелі із зернами розміром 0,2…7 мм, насипною густиною 400…900 кг/м³. Характеристика силікагелів дана в табл. 8.2.

В порівнянні з вугіллям силікагелі. негорючі і мають низьку температуру регенерації (100...200°С), низьку вартість і відносно високу механічну міцність до стирання.

Алюмогелі (активний оксид алюмінію) використовуються для осушення газів і поглинання полярних органічних речовин з газових сумішей. Промисловість випускає гранульовані алюмогелі циліндричної форми (діаметр гранул 2,5…5,0 мм, висота 3...7 мм, насипна густина 500...700 кг/м³, середній радіус пор 6∙10^-9...6∙10^-8 м), а також кулястої форми (діаметр частинок 3...4 мм, насипна густина 600...900 кг/м³, середній радіус пор 3∙10^-9...4∙10^-9 м).

Цеоліти − алюмосилікати, що містять оксиди лужних і лужноземельних металів. Вони поділяються на природні і синтетичні. З природних цеолітів використовуються на практиці кліноптілоліт, морденіт, шабазит, еріоніт. Кліноптілоліт має розмір пор до 3,5...4∙10^-10, а об’єм мікропор 0,15 см³/г.

Використовуються синтетичні цеоліти таких марок (перший індекс марки відповідає формі катіонів, а другий позначає тип кристалічної решітки):

Цеоліт КА NaA CaA CaX NaX

Розмір вхідних отворів, м 3∙10^-10 4∙10^-10 5∙10^-10 8∙10^-10 1∙10^-9

Синтетичні цеоліти випускаються у вигляді гранул кулястої форми (діаметр 2...5 мм) і циліндричної форми (d = 2...4 мм і довжина 2...4 мм).

Цеоліт КА використовується тільки для осушення газів; цеоліт NаA адсорбує гази, критичний розмір молекул яких не перевищує 4...10^-10 м (сірководень, сірковуглець, аміак, етан, пропілен, метан, оксид вуглецю і ін.), цеоліт CаA поглинає вуглеводні і спирти тільки нормальної будови. Цеоліти CаX і NаX мають великі вхідні отвори і сорбують всі молекули, адсорбовані цеолітами NаA і СаА, а також нафтенові і ароматичні вуглеводні, органічні сірчисті, азотисті і кисневі сполуки, галогенозаміщені вуглеводні з відкритим ланцюгом і ін.

Для очистки газових викидів від шкідливих домішок останнім часом досліджуються активовані вуглецеві волокна. Їх перевага в порівнянні з активованим вугіллям наступні: вони володіють фільтрувальними і адсорбційними властивостями, високою швидкістю процесів адсорбції-десорбції, а також високою хімічною, термічною і радіаційною стійкістю.