CN106267889A - 超微细颗粒固定通透吸附床及应用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固定吸附床。具体技术方案是吸附床由超微细吸附材料颗粒和通透固定支持物组成，吸附材料的颗粒尺寸在0.1-100μm之间，通透固定支持物使用惰性纤维材料毛毡状穿插堆积物、气凝胶或开孔泡沫，吸附材料颗粒被容纳固定或嵌布夹持在所述的多孔材料中。这种吸附床的优点是兼具有微粒吸附床的高吸附解吸附效率和粗颗粒吸附床的高通透性。

Description

超微细颗粒固定通透吸附床及应用装置

技术领域

本发明涉及一种利用固体吸附材料处理液体的分离装置，进一步涉及一种应用这种分离装置的工业设备。

背景技术

用固体吸附材料处理液体以分离或除去其中某些化学成分的方法是化工、环保、医药等行业的常用分离方法。通常固体吸附材料的颗粒粒度是影响吸附解吸附效率的一个关键因素。粒度越小，吸附材料表面积越大，吸附解吸附效率越高。尤其是利用吸附材料的纳米通道的吸附作用为主要吸附方式的吸附材料，如沸石和坡缕石，其吸附和解吸附过程涉及吸附质离子或分子在吸附材料颗粒表面和纳米通道内部之间转移的传质过程，这个过程通常成为整个吸附解吸附作用过程的控制过程。就是说，这个传质过程的效率决定了整个吸附解吸附过程的效率。因为这个原因，从有利于传质的角度，在一定限度内，吸附材料颗粒粒度越细，吸附解吸附的效率越高。但是，在具体应用中，通常要用到吸附床。常用的吸附床包括固定床、膨胀床和流化床。固定吸附床因其结构简单吸附彻底通常会被优先考虑。

吸附材料颗粒自然堆积的固定吸附床与清洁的颗粒过滤床结构非常相似，故可以借用过滤床床层水头损失计算公式卡曼-康采尼(Carman-Kozony)公式来说明吸附床的相关数据对水头损失的影响。

卡曼-康采尼(Carman-Kozony)公式：

H_。＝(k/g)·y·((1-e)²/e³)·L·v·(6/q·d)²

其中H_o-水头损失，k-通过试验所得无因次系数，g-重力加速度，y-水的运动勃度，e-滤料堆积孔隙率，L-滤层高度，v-滤过速度，q-滤料颗粒球形度系数，d-与滤料颗粒体积相同的球体直径。水头损失与滤料颗粒直径的平方成反比，与滤料堆积的孔隙率呈复杂函数关系，但孔隙率增加对应水头损失的急剧减小。

参见附图1。极细的吸附材料颗粒10的密集堆积会造成吸附床的通透性显著下降，尤其是在液体介质通过量大流速高的应用中，可能会造该技术不具备可应用性。极细的吸附材料颗粒也可能会混入分离物料，造成污染。目前固定床吸附材料的颗粒尺寸处理液相物料时一般在1-2mm，处理气相物料时一般在3-5mm。

膨胀吸附床和流化吸附床也面临同样问题，其吸附材料的颗粒尺寸一般在0.5-2mm。采用吸附槽可以使用更细的吸附材料颗粒，在0.05-2mm，但操作繁琐，而且有吸附不彻底的缺点，不具备高效率的应用特性。

在现有的固定吸附床应用中有的牺牲了效率，采用较大的吸附材料颗粒尺寸。或者将极细的吸附材料颗粒用粘结剂粘成较大的团粒，这在很大程度上牺牲了细颗粒的高效率特性，有违使用细颗粒的初衷。本发明公开了一种解决放案，很好地解决了这对矛盾。

发明内容

一种超微细颗粒固定通透吸附床，由附材料微粒和通透固定支持物组成，吸附材料微粒的颗粒尺寸显著小于目前吸附材料在固定吸附床中常规使用的颗粒尺寸。通透固定支持物是具有不规则间隙的惰性多孔材料，吸附材料颗粒被容纳固定或嵌布夹持在所述的多孔材料中。

吸附材料微粒尺寸可以在0.05-500μm之间，通常在0.1-100μm之间，最佳尺寸在0.5-10μm之间。通透固定支持物以是可以形成容纳和固定吸附材料颗粒的不规则间隙的惰性纤维材料，如类似玻璃纤维、陶瓷纤维或合成纤维，穿插堆积而成的毛毡状多孔材料，也可以是能够形成立体网状通透结构，令吸附材料微粒被嵌布夹持其中的惰性多孔固体材料如气凝胶或开孔泡沫。

通透固定支持物使得吸附材料颗粒之间的空隙显著大于吸附材料颗粒自然堆积时形成的间隙，以至于颗粒的大小对吸附床的通透性没有显著的影响。

参见附图2-3。使用气凝胶作为通透固定支持物时，称为超微细颗粒气凝胶吸附床，可以在气凝胶中间体液态胶体21凝结成型前将吸附材料微粒混10入，在液态胶体凝结并脱去液体介质的过程中形成夹带吸附材料微粒的通透固体。气凝胶22的空隙尺寸一般在纳米级，即从数纳米到数十纳米，但空隙率远大于纳米通道吸附材料。如果使用二氧化硅气凝胶作为通透固定支持物时还有一个附加的优点，这种气凝胶耐氧化气氛高温加热。这种吸附床可以使用灼热空灼烧的方法再生活化。

使用开孔泡沫作为通透固定支持物时，称为超微细颗粒泡沫吸附床。在泡沫材料发泡前将吸附材料微粒均匀混入，开孔泡沫形成后吸附材料微粒嵌布在泡沫孔洞的薄壁上。形成开孔泡沫的材料在液体状态时对于吸附材料颗粒应具有适当的湿润性，具体来说其接触角在80-100°为宜，在90°最理想。接触角太小，形成的凝聚物容易覆盖太多的吸附材料颗粒表面，造成吸附床的吸附面积减小。接触角太大，则影响吸附材料颗粒与泡沫材料液体中间体混合时的均匀性，造成吸附床的吸附材料颗粒分布不均，也会造成吸附床的有效吸附面积的减小。为了保证泡沫的有足够大的表面积，吸附材料有足够大的曝露表面积，泡沫材料的开孔孔径应该在毫米以下，泡沫壁厚不大于吸附材料颗粒直径的1/3。开孔泡沫的具体材质可以是聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯或其混合物，制造方法可以用现有的铸造法或爆破法。

参见附图4。使用惰性纤维23作为通透固定支持物时，称为超微细颗粒纤维吸附床。纤维的粗细、长度和柔韧性应该与吸附材料颗粒粒度相匹配。具体来说纤维直径应在吸附材料颗粒的1/2到1/10，偏硬的纤维可以细一些，偏软的纤维粗一点为宜。柔韧度的具体要求是纤维易于制成孔隙与吸附材料颗粒相匹配的针刺毡或水刺毡。超微细颗粒纤维吸附床的制造工艺可采用与针刺毡或水刺毡相似的生产工艺。制造工艺的区别点是在纤维原料成网过程中混入吸附材料颗粒，针刺或水刺过程中吸附材料颗粒与纤维材料形成稳定的通透立体结构。制造时用与针刺毡或水刺毡相似的工艺过程，逐层加厚形成毛毡状的固定吸附床型材。型材具体形状可以在制造时逐层在模具内成型，也可以先制成厚板材，后切割成型。以上型材可以在吸附罐罐体内叠加形成最终的工业应用吸附床。

纤维材料在超微细颗粒纤维吸附床中所起的主要作用是通过其支撑作用阻止吸附材料颗粒相互充填形成密实的板层，通过其限制作用阻止吸附材料颗粒随水流移动，对纤维材料的柔韧抗拉耐折要求不高。因此选择硬度较高的纤维如玻璃纤、陶瓷纤维比较有利。玻璃纤、陶瓷纤维的超微细颗粒吸附床可以耐高温加热，可以使用灼热空气灼烧方法再生活化吸附床。

超微细颗粒固定通透吸附床的吸附作用主要来自超微细吸附材料微粒，因此吸附材料微粒的吸附特性决定了吸附床的吸附特性。利用不同的吸附材料微粒可以分别达到去除或分离某种或某些物质的目的。

以上超微细颗粒固定通透吸附床可以用来对污水进行深度净化处理，也可以用来分离液体中含有以离子或分子状态存在的不同物质。

改变一些参数，如进一步增大空隙率，还可以用来除去或分离气体中含有的不通物质，如用改性沸石吸附污染空气中的氨、硫化氢、甲醛、硫醇等刺激、恶臭或有毒物质。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

附图说明

图1.吸附材料颗粒自然堆积状态示意图

图2.吸附材料颗粒悬浮在气凝胶凝结前的液态胶体中的示意图

图3.吸附材料颗粒嵌布在气凝胶空间网状结构中的示意图

图4.吸附材料颗粒填充在惰性纤维穿插形成的空间网状结构中的示意图

图5.由多层固定吸附床型材纵向填充而成的超微细颗粒纤维吸附床吸附罐剖面示意图

图6.由多个空心固定吸附床型材组件叠加形成的超微细颗粒气凝胶吸附床空心吸附罐剖面示意图

图7.空心超微细颗粒气凝胶吸附床型材组件立体剖开示意图

具体实施

实施例1，参见附图5。

该实施例为使用超微细颗粒纤维吸附床作为吸附功能构件的液体吸附罐。由罐体31、下盖体32和上盖体33组成，罐体和上、下盖体由快开置41密闭连接。罐体内由多层超微细颗粒纤维吸附床型材311密实充填。工作时污水通过下盖体进液管321进入进液腔322，经过多层超微细颗粒纤维吸附床型材311吸附后形成的洁净水汇集在排液腔332由排液管331排出。

吸附床使用化学解吸附+蒸汽加热去处解吸附剂再生法再生时所用的解吸附液、过热蒸汽和压缩空气均可按与污水通过相反的方向通过吸附床。

使用灼热空气灼烧方法再生活化吸附床时，可以解脱快开装置将吸附床连同罐体移出，移至热空气灼烧装置处处理完毕后装回。

本实施例如果采用相应形状的超微细颗粒气凝胶吸附床型材，也可以达到类似或更好的效果。

实施例2，参见附图6-7。

对于污染物含量较少的污水，或者应用中对水头损失要求更高，或者采用特别细的吸附颗粒以至于只能使用流速极低的水流的应用时可以采用如图6所示的空心圆柱结构吸附罐。

这种结构除与实施例1相同的罐体31、下盖体32和上盖体33，密闭连接罐体和上、下盖体的快开快装置4，进液腔322和排液腔332以外，不同之处在于它采用空心超微细颗粒气凝胶固定吸附床型材组件312叠加，形成了大大增加通过面积的分别与进液腔322和排液腔332连通的环状进液外腔323和柱状排液内腔333。在柱状排液腔下端向进液腔外引出一个排液管341并设置截止阀342。

每个空心固定吸附床型材312包括一块空心圆柱状的超微细颗粒固定通透吸附床型材3121，位于圆柱上下两端的两个空心圆形盖板3122，一个紧贴于空心圆柱内侧的环状格栅3123和一个位于最内侧的带孔圆管2124，圆管的每个圆孔对应格栅的一个格的最低位置。

后面三个构件根据具体应用不同可以采用硬质塑料或耐腐蚀金属材料，设置的目的是便于组装成规则无泄漏的空心圆柱状吸附床。

这种吸附罐还有一个附加的优点是如果待处理的污水中含有少量颗粒杂质，可以被吸附床的大面积外表面截滤而不至于造成吸附床通透性的显著下降。

这种吸附床的再生可以使用与实施例1的相同的方式。

这种吸附罐的吸附材料也可以采用超微细颗粒纤维吸附床作为吸附功能构件。

Claims (10)

1.一种固定吸附床，其特征是由吸附材料微粒和通透固定支持物组成，所述的吸附材料微粒的颗粒尺寸显著小于目前吸附材料在固定吸附床中常规采用的颗粒尺寸，所述的通透固定支持物是具有不规则间隙的惰性多孔材料，吸附材料颗粒被容纳固定或嵌布夹持在所述的多孔材料中。

2.如权利要求1所述的固定吸附床，其特征是所述的吸附材料微粒的颗粒尺寸在0.1-100μm之间。

3.如权利要求2所述的固定吸附床，其特征是所述的吸附材料为沸石或坡缕石，吸附材料微粒的颗粒尺寸在0.5-10μm之间。

4.如权利要求1所述的固定吸附床，其特征是所述的通透固定支持物是能够形成容纳和固定吸附材料颗粒的不规则间隙的由惰性纤维穿插堆积而成的毛毡状多孔材料。

5.如权利要求4所述的固定吸附床，其特征是所述的惰性纤维是陶瓷纤维或玻璃纤维。

6.如权利要求1所述的固定吸附床，其特征是所述的通透固定支持物是能够形成立体网状通透结构并令吸附材料微粒被嵌布夹持在网状通透结构中的惰性多孔固体材料。

7.如权利要求6所述的固定吸附床，其特征是所述的惰性多孔固体材料是气凝胶或开孔泡沫。

8.如权利要求7所述的固定吸附床，其特征是所述气凝胶是二氧化硅气凝胶，所述的开孔泡沫是开孔刚性聚氨酯泡沫。

9.一种液体吸附罐，其特征是使用权利要求1所述的固定吸附床作为吸附功能构件。

10.如权利要求9所述的液体吸附罐，其特征是所述吸附功能构件采用空心圆柱结构；具体包括罐体、下盖体、上盖体，密闭连接罐体和上、下盖体的快开快装置，分别位于下、上盖体的进液腔、进液管和排液腔、排液管；在罐体中空心超微细颗粒气凝胶固定吸附床型材组件叠加，形成分别与进液腔和排液腔相连通的环状进液外腔和柱状排液内腔，在柱状排液腔下端向进液腔外引出一个排液管并设置截止阀。