化學吸附型袋式過濾器對氯氣的穿透時間與飽和特性研究 引言 氯氣（Cl₂）是一種廣泛應用於水處理、化工生產、消毒殺菌等領域的強氧化性有毒氣體。然而，由於其具有強烈的刺激性和腐蝕性，若在操作過程中...
化學吸附型袋式過濾器對氯氣的穿透時間與飽和特性研究
引言
氯氣（Cl₂）是一種廣泛應用於水處理、化工生產、消毒殺菌等領域的強氧化性有毒氣體。然而，由於其具有強烈的刺激性和腐蝕性，若在操作過程中發生泄漏，將對操作人員健康及環境安全構成嚴重威脅。因此，在涉及氯氣使用的工業係統中，高效、可靠的氣體淨化設備至關重要。化學吸附型袋式過濾器作為一類重要的氣體淨化裝置，因其具備高吸附容量、操作簡便、運行成本低等優點，被廣泛應用於氯氣的捕集與去除。
化學吸附型袋式過濾器通過在濾料表麵負載具有化學活性的吸附劑（如氫氧化鈉、活性炭浸漬堿液、金屬氧化物等），實現對氯氣的高效捕獲。其核心性能指標包括穿透時間（Breakthrough Time）和飽和特性（Saturation Characteristics），這兩者直接關係到過濾器的使用壽命、更換周期及安全防護能力。本文旨在係統研究化學吸附型袋式過濾器對氯氣的穿透行為與吸附飽和機製，結合國內外研究成果，分析影響因素，並提供典型產品參數與實驗數據支持。
一、化學吸附型袋式過濾器的工作原理
化學吸附型袋式過濾器主要由濾袋、支撐骨架、殼體及進出口法蘭等部件組成。其核心在於濾袋材料的選擇與改性處理。傳統物理吸附型過濾器（如普通活性炭）對氯氣的去除效率有限，且易受濕度影響；而化學吸附型過濾器通過在基材上負載堿性或還原性物質，使氯氣與其發生不可逆的化學反應，從而實現高效去除。
1.1 化學反應機製
氯氣在堿性介質中發生如下反應：
$$
mathrm{Cl_2 + 2NaOH rightarrow NaCl + NaClO + H_2O}
$$
該反應為放熱反應，生成次氯酸鈉和氯化鈉，實現氯氣的固定。此外，某些改性活性炭還可通過以下反應吸附氯氣：
$$
mathrm{Cl_2 + H_2O rightarrow HCl + HOCl}
$$
$$
mathrm{HOCl + C^ rightarrow C^-OCl + H^+}
$$
其中 $ C^* $ 表示活性炭表麵活性位點。
1.2 吸附過程階段劃分
化學吸附過程可分為三個階段：
- 初始吸附階段：氣體進入濾層，表麵活性位點充足，吸附速率快，出口濃度幾乎為零。
- 穿透階段：隨著吸附劑逐漸消耗，部分氯氣開始“突破”濾層，出口濃度緩慢上升。
- 飽和階段：吸附劑完全耗盡，出口濃度趨近於入口濃度，過濾器失效。
二、穿透時間的定義與測定方法
2.1 穿透時間的定義
穿透時間是指在標準測試條件下，從氣體開始通入至過濾器出口檢測到目標汙染物濃度達到某一預設閾值（通常為入口濃度的1%或5%）所經曆的時間。國際標準如ASTM D6197和EN 14387均對穿透時間的測試方法進行了規範。
根據美國國家職業安全衛生研究所（NiosesH）定義，氯氣的職業暴露限值（PEL）為0.5 ppm（約1.5 mg/m³），因此常將1%穿透點（即出口濃度達0.005 ppm）作為安全閾值。
2.2 實驗測定方法
典型的穿透時間測試係統包括：
- 氣體發生裝置（氯氣鋼瓶+質量流量控製器）
- 混合室（調節濕度與濃度）
- 測試艙（安裝過濾器）
- 在線檢測設備（如紫外可見分光光度計、電化學傳感器）
實驗條件通常設定為：
- 溫度：25 ± 2°C
- 相對濕度：50 ± 5%
- 氯氣濃度：10 ppm
- 氣流速度：1.0 m/s
三、影響穿透時間的關鍵因素
| 影響因素 | 影響機製 | 典型影響趨勢 |
|---|---|---|
| 吸附劑種類 | 不同化學活性決定反應速率與容量 | NaOH > KOH > Ca(OH)₂ |
| 負載量（wt%） | 負載越高，活性位點越多 | 負載量↑ → 穿透時間↑ |
| 氣體濃度 | 濃度越高，單位時間負荷越大 | 濃度↑ → 穿透時間↓ |
| 氣流速度 | 流速高則接觸時間短 | 流速↑ → 穿透時間↓ |
| 相對濕度 | 水分參與反應，但過高導致結塊 | RH 40–60% 佳 |
| 溫度 | 影響反應動力學與擴散速率 | 20–30°C 優 |
3.1 吸附劑類型對比
下表列出了常見化學吸附劑對氯氣的理論反應容量與實測穿透時間（測試條件：10 ppm Cl₂，1 L/min，25°C，50% RH）：
| 吸附劑類型 | 負載方式 | 理論容量 (mg Cl₂/g) | 實測穿透時間 (min) | 參考文獻 |
|---|---|---|---|---|
| NaOH/活性炭 | 浸漬法 | 320 | 185 | Zhang et al., 2020 [1] |
| KOH/椰殼炭 | 噴霧幹燥 | 290 | 168 | Liu & Wang, 2019 [2] |
| Ca(OH)₂/矽藻土 | 混合法 | 180 | 95 | Chen et al., 2021 [3] |
| MnO₂/氧化鋁纖維 | 溶膠-凝膠 | 210 | 120 | Kim et al., 2018 [4] |
| 普通活性炭 | 無改性 | 45 | 25 | US EPA, 2017 [5] |
數據表明，堿金屬氫氧化物負載的活性炭具有優性能，其中NaOH體係因反應迅速、產物易溶而表現佳。
四、飽和特性分析
4.1 飽和曲線與數學模型
吸附飽和過程可通過突破曲線（Breakthrough Curve）描述。常用模型包括：
-
Adams-Bohart模型：適用於初始階段快速吸附
$$
frac{C}{C0} = frac{1}{1 + expleft[k{AB} C_0 t – N0 Z / vright]}
$$
其中 $ k{AB} $：速率常數；$ N_0 $：飽和吸附容量；$ Z $：床層高度；$ v $：線速度。 -
Thomas模型：基於二級反應動力學
$$
frac{C}{C0} = frac{1}{1 + expleft[frac{k{Th} q0 m}{Q} – k{Th} C_0 tright]}
$$
$ q_0 $：大吸附量（mg/g），$ m $：吸附劑質量，$ Q $：流量。
研究表明，化學吸附過程更符合Thomas模型，R²常大於0.95 [6]。
4.2 飽和容量測定
飽和容量指單位質量吸附劑所能捕獲的氯氣總量，通常通過重量法或化學滴定法測定。
以NaOH/活性炭為例，反應後濾料經酸洗提取Cl⁻，采用硝酸銀滴定法測定總氯含量：
$$
mathrm{Ag^+ + Cl^- rightarrow AgCl downarrow}
$$
實驗測得典型飽和容量為280–320 mg Cl₂/g，接近理論值（322 mg/g，基於NaOH + Cl₂反應計量比）。
五、典型產品參數對比
下表匯總了國內外主流化學吸附型袋式過濾器的技術參數：
| 產品型號 | 製造商 | 濾料組成 | 過濾麵積 (m²) | 初始壓降 (Pa) | 10 ppm Cl₂穿透時間 (min) | 工作溫度範圍 (°C) | 參考標準 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ChemSorb-300 | 3M（美國） | NaOH/AC | 0.85 | 120 | 190 | -10~50 | NiosesH TEB-APR-STP-0059 |
| SafeAir BAG-Cl₂ | 霍尼韋爾（德國） | KOH/纖維素 | 0.78 | 110 | 170 | 0~45 | EN 14387:2004+A1:2008 |
| CL-FIL-200 | 格瑞德（中國） | NaOH+MnO₂/PP | 0.92 | 135 | 205 | -5~55 | GB/T 2892-2014 |
| AirClean 500-C | Camfil（瑞典） | 改性活性炭 | 0.80 | 105 | 150 | 5~40 | ISO 10857:2021 |
| Purafil Cl₂-X | Purafil（美國） | KI+NaOH/陶瓷纖維 | 0.75 | 140 | 220 | -10~60 | ASHRAE Standard 145.2 |
注：AC = 活性炭；PP = 聚丙烯；KI = 碘化鉀（增強氧化還原能力）
從表中可見，Purafil Cl₂-X因采用複合吸附體係（NaOH + KI），其穿透時間長，可達220分鍾，適用於高風險環境。而國產CL-FIL-200在成本與性能間取得良好平衡，穿透時間優於多數進口產品。
六、環境因素對性能的影響
6.1 濕度影響
濕度對化學吸附至關重要。適量水分可促進Cl₂水解，加速與堿的反應；但濕度過高會導致NaOH潮解、結塊，堵塞孔隙，降低有效比表麵積。
實驗數據顯示（Zhang et al., 2020）：
| 相對濕度 (%) | 穿透時間 (min) | 飽和容量 (mg/g) |
|---|---|---|
| 20 | 140 | 240 |
| 40 | 180 | 290 |
| 60 | 195 | 310 |
| 80 | 160 | 260 |
| 95 | 110 | 200 |
佳濕度區間為50–70%，過高或過低均不利。
6.2 溫度影響
溫度升高可加快反應速率，但可能導致吸附劑失水或分解。NaOH在>60°C時易失去結晶水，活性下降。
| 溫度 (°C) | 穿透時間 (min) |
|---|---|
| 10 | 150 |
| 25 | 195 |
| 40 | 210 |
| 55 | 200 |
| 70 | 140 |
峰值出現在40–50°C，之後性能下降。
七、再生與壽命評估
化學吸附為不可逆過程，大多數化學吸附型袋式過濾器為一次性使用。少數研究嚐試通過堿液衝洗再生，但存在以下問題：
- 反應產物（如NaClO）具有氧化性，難以徹底清除；
- 再生後機械強度下降，易破損；
- 成本高於更換新濾袋。
因此，工業實踐中普遍采用定期更換製度。壽命評估依據為：
- 累計處理氣體體積（m³）
- 總氯暴露量（ppm·h）
- 現場監測出口濃度
例如，某水廠使用CL-FIL-200過濾器，日均處理含氯廢氣120 m³（Cl₂濃度約5 ppm），實測更換周期為90天，累計處理氯氣約3.24 g。
八、國內外研究進展
8.1 國內研究
清華大學環境學院（Liu et al., 2022）開發了一種納米MgO/靜電紡絲纖維膜複合濾料，比表麵積達850 m²/g，在10 ppm Cl₂下穿透時間達240分鍾，較傳統產品提升25% [7]。
浙江大學團隊（Wang et al., 2021）采用響應麵法優化NaOH負載工藝，確定佳浸漬濃度為15 wt%，烘幹溫度105°C，產品飽和容量達338 mg/g [8]。
8.2 國外研究
美國Purdue大學（Zhang & Yang, 2019）利用原位紅外光譜（in-situ FTIR）實時監測吸附過程，發現Cl₂在NaOH表麵首先生成Cl⁻和ClO⁻，隨後ClO⁻緩慢分解，解釋了後期穿透加速現象 [9]。
德國Fraunhofer研究所（Müller et al., 2020）提出多層梯度吸附結構，前層為高通量活性炭，中層為NaOH，後層為MnO₂，實現長達300分鍾的防護時間 [10]。
九、應用場景與選型建議
| 應用場景 | 推薦產品類型 | 關鍵要求 |
|---|---|---|
| 自來水廠加氯間 | NaOH/活性炭袋式過濾器 | 高濕度耐受、長壽命 |
| 化工合成車間 | 複合型（NaOH+MnO₂） | 抗多種酸性氣體幹擾 |
| 實驗室通風櫃 | 小型化、低風阻 | 快速響應、易更換 |
| 應急救援裝備 | 輕質纖維基過濾器 | 便攜、高穿透時間 |
選型時應綜合考慮：
- 氯氣濃度範圍
- 日均運行時長
- 環境溫濕度
- 安全等級要求（如ATEX防爆）
十、標準化與檢測認證
國際上主要標準包括：
- NiosesH 42 CFR Part 84：美國呼吸防護設備認證
- EN 14387:2004：歐洲化學濾毒罐性能測試
- GB/T 2892-2014：中國《呼吸防護 化學過濾器》
國內檢測機構如國家勞動保護用品質量監督檢驗中心（北京）、上海市勞動安全衛生檢測站可提供穿透時間與飽和容量測試服務。
參考文獻
[1] Zhang, Y., Li, H., & Chen, X. (2020). Performance evalsuation of NaOH-impregnated activated carbon for chlorine removal. Journal of Hazardous Materials, 384, 121234. http://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121234
[2] Liu, J., & Wang, M. (2019). KOH-modified coconut shell carbon for Cl₂ adsorption: Mechanism and kinetics. Carbon, 145, 332–341. http://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.01.045
[3] Chen, L., Zhao, Y., & Sun, Q. (2021). Calcium hydroxide based sorbents for chlorine capture: A comparative study. Chemical Engineering Journal, 405, 126678. http://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126678
[4] Kim, S. H., Park, D. W., & Lee, J. W. (2018). Manganese oxide-coated alumina fibers for low-concentration Cl₂ removal. Industrial & Engineering Chemistry Research, 57(12), 4321–4328. http://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b05123
[5] US Environmental Protection Agency (EPA). (2017). Activated Carbon Adsorption for Hazardous Air Pollutants. EPA/600/R-17/123.
[6] Thomas, H. C. (1944). Heterogeneous ion exchange in flowing systems. Journal of the American Chemical Society, 66(5), 845–848. http://doi.org/10.1021/ja01233a034
[7] Liu, Z., Xu, R., & Gao, F. (2022). Nanoscale MgO embedded electrospun fibers for chlorine gas filtration. ACS Applied Materials & Interfaces, 14(8), 10234–10243. http://doi.org/10.1021/acsami.1c22345
[8] Wang, Y., Li, T., & Zhou, H. (2021). Optimization of NaOH loading on activated carbon for Cl₂ adsorption using RSM. Adsorption Science & Technology, 2021, 1–12. http://doi.org/10.1177/02636174211023456
[9] Zhang, L., & Yang, R. T. (2019). In-situ FTIR study of chlorine adsorption on NaOH/γ-Al₂O₃. Langmuir, 35(15), 5123–5130. http://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b04123
[10] Müller, A., Schmidt, K., & Becker, G. (2020). Multilayered filter media for extended breakthrough time in Cl₂ environments. Filtration & Separation, 57(3), 44–50. http://doi.org/10.1016/j.filtse.2020.03.002
[11] 百度百科. 氯氣. http://baike.baidu.com/item/氯氣
[12] 百度百科. 活性炭. http://baike.baidu.com/item/活性炭
[13] GB/T 2892-2014, 呼吸防護 化學過濾器. 國家標準全文公開係統. http://openstd.samr.gov.cn/
（全文約3,680字）
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