TECHN/CAL

JVOTE

吸着についてAdsorption

･!

山稽

I

和成

気熟装置事業部
大気環境部
工学博士

ま えがき

より多孔質の固体ほどよく気体を吸い,凝縮しや着色した水に木炭を入れ,振り混ぜながら見ると,すい気体ほどよく吸われる｡そして吸うという現象

水の色が次第に薄くなっていくのが分かる｡これはは,固体表面に気体が凝縮する現象であると考えら色が木炭に取り去られていくためである｡菓子缶のれている｡

中にシリカゲルが入った小さな袋が入れてあること

吸着法の計画時,基本的に必要なことは,吸着等がある｡これは缶内の湿気を取り去る役目をする｡

温線,破過曲線および混合系における相互影響を知取り去られた色素や水蒸気は,木炭ヤシリカゲルのることである｡

表面に付着している｡このように,液相や気相から1.1吸着等温線

溶質や気体分子が固体の表面に取り去られる現象を吸着等温線は,吸着塔の充填層長を算出するため吸着という｡の基礎となる平衡吸着量を表し,気体の圧力が変化し,温度が一定に保たれるとき,吸着量を圧力に対

本稿では,吸着の特性および各種吸着法についしてプロットしたもので,て述べる｡(2)式で表される｡

1.吸着の培性
吸着は発熱現象であり,吸着に伴う発熱量を吸着q(2)I(p)‑熱と呼ぶ｡吸着熟は,吸着量1モル当りの発熱量で表す｡(Ⅰ)

吸着等温線は,第1図のように分類される｡

時間が経てばそれ以上吸着しなくなり,一定の気相分圧に一定量の吸着量が存在する平衡状態に達す
モーlる｡温度を上げると脱離が起こって,時間が経てばまたその温度での平衡状態に達する｡このような平Lニュ:王∃55【=⊂)'DD.

e･⊂)

‑∽⊂)

‑1コ

｢:⊃く亡iの(1)‑f(P,i)

である｡すなわち,吸着量は分圧と温度の関数であConcentration

a(班)Linearequ山brium:コ⊂コー⊂コ⊂):こコ

吸着量をq,温度をt,分圧(濃度)をpとおけば,Concentration∬(II)Unfavorable equilibriuma(x)hTeVerSible equilibrium

古､る｡.≧‑'B‑a5

吸着熱が正であるから,温度が低いときほど吸着量が多く,温度が高いときほど吸着量が少ない｡すなわち,低温側の吸着はガス分子と固体表面との物

5=⊃⊂】一:コF⊂:⊂)
Lこコ【=⊂)

篭.

e･⊂)⊂〉∽■/つ｢コ｢コ<･∃二理的引力が原因,高温側の吸着は化学的引力が原因で起こるとされている｡前者を物理吸着,後者を化学吸着という｡
Vol.

a之‑

コJ

衡状態を吸着平衡という｡

q(I ) Favorable equilibritlm

a44No.

2

Concentra也on

第1図Fig.

(2001/2)

神鋼パンテツク技報

Concentrationx∬

吸着等温線の分類1Classificationofadsorption

isotherm

7jるため,favorableな平衡のように上向きに凸な場合には,Freundlichは,吸着点の指数分布を考え次式を提案した｡といわれ,充分長い充填層に対し,定形の破過曲線(Ⅱ)のように下向きに凸な場合はが得られる｡

unfavorableな平衡といわれ,破過曲線が充填層の長さにつれて長くなる｡(Ⅲ)の直線平衡は両者

q ‑A･xl/nの中間に位置するが,破過曲線は(Ⅱ)と同様の形A,を示すことが知られている｡(6):係数(‑)(Ⅳ)の平衡は直角平(Ⅰ)の平衡の限界と見なすことが活性炭による硫黄系の吸着,液相におけるp‑ニできる｡実際の吸着の多くは(Ⅰ)型の平衡を示すことが多く, Langmuir式あるいはFreundlich式

トロフェノールやDBSの吸着など幅広い物質の吸着に適合できることが知られている｡

として知られている｡次に代表的な吸着等温式の概1.2

衡ともいわれ,破過曲線

吸着質を含む液体を吸着層に流すと,ある液体量要を述べる｡(1) Henry式に達すると,吸着質が洗出してくる.一定時間後に直線平衡は気体の液体‑の溶解に対するHenryおける層出口の吸着量に対して,図示して得られる則と同じであるので,曲線を破過曲線という｡吸着装置の計画時に必要なHenry型の吸着という｡

平衡吸着量および吸着帯は,この破過曲線から算出する｡

q‑H･x

固定層吸着装置の吸着機構を第2図に示す｡入口(3)

H:係数(‑)x

濃度Coの吸着質を通すと,吸着剤は上部から飽和し,一定期間後は飽和帯,吸着帯および未吸着帯で:被吸着質の濃度(ppm)構成される｡吸着帯が固定層底部に達し,ガス濃度モレキュラーシープによるエタンの吸着,活性炭が急激に上昇し始める位置が破過点である｡破過曲による希薄なKrガスの吸着などがこれに該当する｡

線は物質収支式,吸着速度式および吸着等温式から(2) Langmuir式

数値計算により求め得る｡吸着速度式が直線で破過吸着速度は,被吸着質の濃度(∫)に比例し,敬曲線が定形であるとの近似ができれば,比較的簡単着剤表面のまだ吸着されていない点の数に比例すると考えた｡それゆえ,すでに吸着されている点の割合を0とすれば,

k･x)
concentration

CD

吸着速度はすでに吸着されている点の数に比例する

したがって,

CoC8Cot￠【:⊂)と考えられるので,者が等しいから,(d)Inlet(l‑8)で表される｡一方,

Nk'‑0で表されるo平衡では両k･x(I‑0)t=⊂):コel‑k'‑0が成立する｡

q)

⊂)⊂:
く⊃■1⊃

<:b‑k/k'とおけば,

G⊂)①

コt=
⊂)Nel

くp;=00‑i(4)b･x/(l＋b･x)

O⊂(⊃'5｢コNG(⊃=コe･(⊃

濃度xにおける吸着量をq,すべての点が被吸着e･'l⊃Outlet⊂)<●▲lコ<

concentratioll

Ca

CbC(:Cd

質で満たされたときの飽和吸着量をqmとすれば,Co0‑q/qmであるから,(4)式は次のようになる｡

CdFinalpoin【=(⊃'=(寸q‑土コb･qm･x/(l＋b･x)【=くじU

Breakthrought=Curve⊂)U⊂)

活性炭による炭化水素の吸着,モレキュラーシー

｢コ:⊃⊂)

Cc

プによる水蒸気やCO2の吸着などが知られている｡(3) Freundlich式

72pointTime

表面が不均一で,位置によって異なる吸着エネル
ギーをもつ場合には,Breakthrough

CbCa

Langmuir式は不適切であ

第2回
Fig.

神鋼パンテツク技報

国走層吸着機構
2Mechanismof fixed

bedVol.

adsorption
44No.

2(2001/2)

1.00

垂o18⊂:○:己Ejrロ

貫o普:ロbd∈コbq)
U‑￣q)

C:
O.〇
○0 4

岩0USq)q)U

ざ+U〜

普…ぜ･Ll;コILjq,qレ)＋･+てコ q)
コ0 2∃○(⊃5EL?/L<fV〔:⊃▼･･{

l.rつ∞

y･<

▼‑･イ

50150
Time

第3園ug]
200

250

100

50

150

[b】

250200

Time

300

350

[h】

吸着剤に及ぼす共存物質の影響

Fig.

3Influenceon

第1表

吸着剤の種類

TablelKindofcoexistencegas

adsorbent
Adsorbent
Activatedcarbon
Silicagel
Aluminagel

Physicaladsorbent

Molecularsieve
Activatedclay
ZeoliteIonexchangeresinAcidmaterialadsorbent
Alkalinematerialadsorbent
Netltralmaterialadsorbent

Chemicaladsorbent

Gasol止1etに求めることができる｡破過曲線を求める式としては,Bohart‑Adams式,Eaglton式およびKyte式などが知られているがここでは割愛する｡
1. 3

混合系における相互影響

各種発生源から排出される物質は酸性,塩基性おGas

inlet

よび中性に分類される｡
単一系と混合系の破過曲線例を第3図に示す.醍
性物質吸着剤の場合,入口濃度30ppmでアンモニFan

第4国

一般的な吸着装置

ア共存下および単一系での硫化水素の破過曲線を,中性物質吸着剤の場合,入口濃度2.3ppmでアンモFig･ニア共存下および単一系での硫化メチルの破過曲線

2.各種吸着法を示す｡第3図から,硫化水素はアンモニアの共存により破過時間がのびること,硫化メチルはアンモニア共存下では破過時間が短かくなることが分かる｡

Adsorber

4Generaladsorption

apparatus

吸着法には,物理的吸着と化学的吸着があり,倭用される吸着剤は第1表に示すとおりである｡
各種の吸着装置があるが,代表的なものとして,このようなことから,吸着装置の計画にあたり,共吸着寿命に達したら吸着剤を取り出して交換する形存物質の影響を考慮することが重要となる｡

式を第4図に示す｡この形式は比較的低濃度ガスに適している｡

Vol.

44

No.

2

(2001/2)

神鋼パンテツク技報

73

Gas

Adsorption
drum
A
Fabricactivated

otltletAdsorption
drしIm B

carbonDesorptioll
Adsorption
Corldensor

Steam⊥+

Cooling
water

Recoveryliquid
Gas冒

inlet

Air

filterFan
Decanter

Recovery

Aeration

Pumptanktarlk

第5図
Fig.

吸･脱着型装置
Adsorption/desorption

5

B lower

type

apparatus再生を吸着塔内で蒸気または熱風で行う形式のものを第5図に示す｡この形式は比較的高濃度ガスにており,今後においては飛躍的に吸着容量の高い吸着剤の開発が切望されている｡

適している｡
むすび[参考文献]

吸着現象と装置計画の基礎的要素となる吸着等温線および破過曲線等に触れ,最後にガスに対する代

1)北川浩ほか,吸着の基礎と設計,積善店(1977)(1972)
2)慶伊富表,吸着,共立出版㈱

表的な吸着法を紹介した｡

3)柳井弘,吸着工学概論,共立出版㈱(1977)

4)櫓山和成,実例にみる脱臭技術,㈱工業調査会

吸着技術は,気体および液体から吸着質の分離に簡便さと維持管理の容易なことから数多く採用され74(1999)

神鋼パンテツク技報vol.

44 No.

2(2001/2)