化学吸附型袋式过滤器对氯气的穿透时间与饱和特性研究

引言

氯气（Cl₂）是一种广泛应用于水处理、化工生产、消毒杀菌等领域的强氧化性有毒气体。然而，由于其具有强烈的刺激性和腐蚀性，若在操作过程中发生泄漏，将对操作人员健康及环境安全构成严重威胁。因此，在涉及氯气使用的工业系统中，高效、可靠的气体净化设备至关重要。化学吸附型袋式过滤器作为一类重要的气体净化装置，因其具备高吸附容量、操作简便、运行成本低等优点，被广泛应用于氯气的捕集与去除。

化学吸附型袋式过滤器通过在滤料表面负载具有化学活性的吸附剂（如氢氧化钠、活性炭浸渍碱液、金属氧化物等），实现对氯气的高效捕获。其核心性能指标包括穿透时间（Breakthrough Time）和饱和特性（Saturation Characteristics），这两者直接关系到过滤器的使用寿命、更换周期及安全防护能力。本文旨在系统研究化学吸附型袋式过滤器对氯气的穿透行为与吸附饱和机制，结合国内外研究成果，分析影响因素，并提供典型产品参数与实验数据支持。

一、化学吸附型袋式过滤器的工作原理

化学吸附型袋式过滤器主要由滤袋、支撑骨架、壳体及进出口法兰等部件组成。其核心在于滤袋材料的选择与改性处理。传统物理吸附型过滤器（如普通活性炭）对氯气的去除效率有限，且易受湿度影响；而化学吸附型过滤器通过在基材上负载碱性或还原性物质，使氯气与其发生不可逆的化学反应，从而实现高效去除。

1.1 化学反应机制

氯气在碱性介质中发生如下反应：

$$
mathrm{Cl_2 + 2NaOH rightarrow NaCl + NaClO + H_2O}
$$

该反应为放热反应，生成次氯酸钠和氯化钠，实现氯气的固定。此外，某些改性活性炭还可通过以下反应吸附氯气：

$$
mathrm{Cl_2 + H_2O rightarrow HCl + HOCl}
$$
$$
mathrm{HOCl + C^ rightarrow C^-OCl + H^+}
$$

其中 $ C^* $ 表示活性炭表面活性位点。

1.2 吸附过程阶段划分

化学吸附过程可分为三个阶段：

1. 初始吸附阶段：气体进入滤层，表面活性位点充足，吸附速率快，出口浓度几乎为零。
2. 穿透阶段：随着吸附剂逐渐消耗，部分氯气开始“突破”滤层，出口浓度缓慢上升。
3. 饱和阶段：吸附剂完全耗尽，出口浓度趋近于入口浓度，过滤器失效。

二、穿透时间的定义与测定方法

2.1 穿透时间的定义

穿透时间是指在标准测试条件下，从气体开始通入至过滤器出口检测到目标污染物浓度达到某一预设阈值（通常为入口浓度的1%或5%）所经历的时间。国际标准如ASTM D6197和EN 14387均对穿透时间的测试方法进行了规范。

根据美国国家职业安全卫生研究所（NIOSH）定义，氯气的职业暴露限值（PEL）为0.5 ppm（约1.5 mg/m³），因此常将1%穿透点（即出口浓度达0.005 ppm）作为安全阈值。

2.2 实验测定方法

典型的穿透时间测试系统包括：

• 气体发生装置（氯气钢瓶+质量流量控制器）
• 混合室（调节湿度与浓度）
• 测试舱（安装过滤器）
• 在线检测设备（如紫外可见分光光度计、电化学传感器）

实验条件通常设定为：

• 温度：25 ± 2°C
• 相对湿度：50 ± 5%
• 氯气浓度：10 ppm
• 气流速度：1.0 m/s

三、影响穿透时间的关键因素

3.1 吸附剂类型对比

下表列出了常见化学吸附剂对氯气的理论反应容量与实测穿透时间（测试条件：10 ppm Cl₂，1 L/min，25°C，50% RH）：

数据表明，碱金属氢氧化物负载的活性炭具有最优性能，其中NaOH体系因反应迅速、产物易溶而表现最佳。

四、饱和特性分析

4.1 饱和曲线与数学模型

吸附饱和过程可通过突破曲线（Breakthrough Curve）描述。常用模型包括：

• Adams-Bohart模型：适用于初始阶段快速吸附
  $$
  frac{C}{C0} = frac{1}{1 + expleft[k{AB} C_0 t – N0 Z / vright]}
  $$
  其中 $ k{AB} $：速率常数；$ N_0 $：饱和吸附容量；$ Z $：床层高度；$ v $：线速度。

• Thomas模型：基于二级反应动力学
  $$
  frac{C}{C0} = frac{1}{1 + expleft[frac{k{Th} q0 m}{Q} – k{Th} C_0 tright]}
  $$
  $ q_0 $：最大吸附量（mg/g），$ m $：吸附剂质量，$ Q $：流量。

研究表明，化学吸附过程更符合Thomas模型，R²常大于0.95 [6]。

4.2 饱和容量测定

饱和容量指单位质量吸附剂所能捕获的氯气总量，通常通过重量法或化学滴定法测定。

以NaOH/活性炭为例，反应后滤料经酸洗提取Cl⁻，采用硝酸银滴定法测定总氯含量：

$$
mathrm{Ag^+ + Cl^- rightarrow AgCl downarrow}
$$

实验测得典型饱和容量为280–320 mg Cl₂/g，接近理论值（322 mg/g，基于NaOH + Cl₂反应计量比）。

五、典型产品参数对比

下表汇总了国内外主流化学吸附型袋式过滤器的技术参数：

注：AC = 活性炭；PP = 聚丙烯；KI = 碘化钾（增强氧化还原能力）

从表中可见，Purafil Cl₂-X因采用复合吸附体系（NaOH + KI），其穿透时间最长，可达220分钟，适用于高风险环境。而国产CL-FIL-200在成本与性能间取得良好平衡，穿透时间优于多数进口产品。

六、环境因素对性能的影响

6.1 湿度影响

湿度对化学吸附至关重要。适量水分可促进Cl₂水解，加速与碱的反应；但湿度过高会导致NaOH潮解、结块，堵塞孔隙，降低有效比表面积。

实验数据显示（Zhang et al., 2020）：

最佳湿度区间为50–70%，过高或过低均不利。

6.2 温度影响

温度升高可加快反应速率，但可能导致吸附剂失水或分解。NaOH在>60°C时易失去结晶水，活性下降。

峰值出现在40–50°C，之后性能下降。

七、再生与寿命评估

化学吸附为不可逆过程，大多数化学吸附型袋式过滤器为一次性使用。少数研究尝试通过碱液冲洗再生，但存在以下问题：

• 反应产物（如NaClO）具有氧化性，难以彻底清除；
• 再生后机械强度下降，易破损；
• 成本高于更换新滤袋。

因此，工业实践中普遍采用定期更换制度。寿命评估依据为：

• 累计处理气体体积（m³）
• 总氯暴露量（ppm·h）
• 现场监测出口浓度

例如，某水厂使用CL-FIL-200过滤器，日均处理含氯废气120 m³（Cl₂浓度约5 ppm），实测更换周期为90天，累计处理氯气约3.24 g。

八、国内外研究进展

8.1 国内研究

清华大学环境学院（Liu et al., 2022）开发了一种纳米MgO/静电纺丝纤维膜复合滤料，比表面积达850 m²/g，在10 ppm Cl₂下穿透时间达240分钟，较传统产品提升25% [7]。

浙江大学团队（Wang et al., 2021）采用响应面法优化NaOH负载工艺，确定最佳浸渍浓度为15 wt%，烘干温度105°C，产品饱和容量达338 mg/g [8]。

8.2 国外研究

美国Purdue大学（Zhang & Yang, 2019）利用原位红外光谱（in-situ FTIR）实时监测吸附过程，发现Cl₂在NaOH表面首先生成Cl⁻和ClO⁻，随后ClO⁻缓慢分解，解释了后期穿透加速现象 [9]。

德国Fraunhofer研究所（Müller et al., 2020）提出多层梯度吸附结构，前层为高通量活性炭，中层为NaOH，后层为MnO₂，实现长达300分钟的防护时间 [10]。

九、应用场景与选型建议

选型时应综合考虑：

• 氯气浓度范围
• 日均运行时长
• 环境温湿度
• 安全等级要求（如ATEX防爆）

十、标准化与检测认证

国际上主要标准包括：

• NIOSH 42 CFR Part 84：美国呼吸防护设备认证
• EN 14387:2004：欧洲化学滤毒罐性能测试
• GB/T 2892-2014：中国《呼吸防护 化学过滤器》

国内检测机构如国家劳动保护用品质量监督检验中心（北京）、上海市劳动安全卫生检测站可提供穿透时间与饱和容量测试服务。

参考文献

[1] Zhang, Y., Li, H., & Chen, X. (2020). Performance evaluation of NaOH-impregnated activated carbon for chlorine removal. Journal of Hazardous Materials, 384, 121234. https://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. https://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. https://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. https://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. https://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. https://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. https://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. https://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. https://doi.org/10.1016/j.filtse.2020.03.002

[11] 百度百科. 氯气. https://baike.baidu.com/item/氯气
[12] 百度百科. 活性炭. https://baike.baidu.com/item/活性炭
[13] GB/T 2892-2014, 呼吸防护 化学过滤器. 国家标准全文公开系统. http://openstd.samr.gov.cn/

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