密闭空间有害气体的吸附工艺研究

        0 　引言

        随着科学技术的发展及公众对密闭空间有害气体的重视,关于密闭空间有害气体的净化技术也得到了快速发展。目前比较有代表性的有:吸附法、低温等离子净化方法、催化净化法以及臭氧净化法[123 ] 。低温等离子空气净化技术是涉及高能物理、放电物理、放电化学、反应工程学和高压脉冲技术领域的一门交叉学科。与其他污染治理技术相比,等离子体法具有处理流程短、效率高、能耗低、适用范围广等特点,因而,在工程中得到广泛运用[426 ] 。赵雷等[6 ] 在研究运用低温等离子技术净化空气中甲苯中发现,在电压为9 kV ,甲苯含量小于12 g/m3 时,等离子反应器有较高的净化效率,尤其在低甲苯时,净化效率可接近于100 %。

        但是目前低温等离子体净化技术面临的最大问题是容易产生二次污染物——臭氧,为了避免二次污染物的产生,现在又发展了等离子- 光催化的净化技术, 但对于光源的严格要求又限制了这项技术的运用。催化净化法是利用催化剂的催化作用将空气中的污染物转化为无害物质,或者转化为比原来存在状态更易除去的物质的一种方法。按气态污染物在催化反应过程中的氧化还原性质,催化转化可分为催化氧化法和催化还原法。如:氮氧化物转化为氮气的反应属催化还原法,而二氧化硫转化为三氧化硫属催化氧化法。催化转化法净化技术原理在于:利用催化剂中的活化物质来改变正常化学反应的正逆反应速度, 以提高有害物质向无害物质的转变。

        但是目前催化转化法净化技术的局限性在于:只适用于单一成分的气态污染物的净化,由于每种气态污染物转化过程中所需要的催化剂不同,所以对于多种成分共存的空气净化不能使用这种方法。

        臭氧净化法是利用臭氧的强氧化性对细菌和病毒进行杀灭,同时它也能对部分VOCs 进行氧化分解。但是研究发现室内污染物间的化学反应都直接或间接与臭氧有关。臭氧能与不饱和烃及氮氧化物反应,并产生大量自由基和官能团,由此引发了多种反应过程,形成本来没有的污染物[5 ] 。所以在选择臭氧净化法要考虑由此可能产生的二次污染物。因此,目前对于室内空气的净化比较普遍的是采用吸附法。

        1 　吸附技术

        吸附技术使用多孔性固体处理气体混合物,使其中所含的一种或几种组分浓集在固体表面,而与其他组分分开。它具有效率高,能回收有用组分,设备简单,操作方便,易于实现自动控制。

        1.1 　吸附过程

        根据吸附剂和吸附质之间发生的作用力的性质, 通常将吸附分为物理吸附和化学吸附。

        1) 物理吸附:亦称范德华吸附,是由于吸附剂和吸附质之间的静电力或范德华引力产生的吸附。物理吸附是一种放热过程,其放热量相当于被吸附气体的升华热,一般为20 kJ/mol 左右。物理吸附是可逆的,当系统的温度升高或被吸附气体压力降低时,被吸附的气体将从固体表面逸出。在低压下,物理吸附一般为单分子层吸附,当吸附质的气压增大时,也会变为多分子层吸附。

        2) 化学吸附:亦称活性吸附,是由于吸附剂表面与吸附质分子间的化学反应力导致的吸附。化学吸附也是放热过程,但较物理吸附放热量大,其数量相当于化学反应热,一般为84～417 kJ/mol 。化学吸附的速率随温度升高而显著增加,宜在较高温度下进行。化学吸附有很强的选择性,仅能吸附参与化学反应的某些气体,吸附是不可逆过程,且总是单分子层或单原子层吸附。

        物理吸附与化学吸附之间没有严格的界限,同一物质在较低温度下可能发生物理吸附,而在较高温度下往往是化学吸附。

        吸附净化法的净化效率高,特别是对低浓度气体仍具有很强的净化能力。但是单纯使用吸附技术是很难起到理想的净化效果,因此,它常作为深度净化手段或联合应用几种方法时的最终控制手段。

        1.2 　吸附剂

        吸附剂是吸附技术的关键,目前常用的吸附剂有:活性炭、活性氧化铝、硅胶以及沸石分子筛等。这些吸附材料对于一些有害气体能够起到很好的吸附净化作用,但是对于密闭空间中的有害气体如二氧化碳,氨等的吸附效果较差。另外,研究发现传统的活性炭对于室内有害气体的物理吸附稳定性比较差,在温度压力等条件变化时容易脱附而造成二次污染[6 ] 。所以目前制约吸附技术在密闭环境中的净化效果主要是吸附材料的发展。课题组经过大量的试验,研制了一种新型的吸附材料,并实现了工业化的制备方法,目前已运用于国防工程之中,取得了很好的效果。