https://doi.org/10.1539/joh1959.25.356

Published by Japan Society for Occupational Health

Provider: Japan Science and Technology Agency

Japan Journal of Industrial Health

産業医学

1983, Vol. 25(5), pp. 356-366

Оригинальное исследование

原著

Очистка воздуха от паров органических растворителей с помощью неподвижного слоя сорбента — активированного угля

Adsorption characteristics of organic solvent vapors on the fixed bed of activated carbon

活性炭固定層による有機溶剤蒸気の吸着特性

Авторы*: Hajime Hori, Isamu Tanaka & Takashi Akiyama

*Department of Occupational Health Engineering, Occupational Medical and Health Sciences,

University of Occupational and Environmental Health, Japan

Статья получена для публикации 27 мая 1982 г.

---- стр. 356.

Реферат

Для улавливания паров органических соединений и (других) токсичных газообразных веществ, с помощью газоочистного оборудования, средств индивидуальной защиты органов дыхания, пробоотборников (трубок с сорбентом), широко используется сорбент, активированный уголь, размещаемый в виде неподвижного слоя. Толщина и площадь поперечного сечения этого слоя могут быть очень разными. Однако опубликовано мало информации о том, как влияют на очистку воздуха параметры слоя сорбента, количество активированного угля, расход воздуха, концентрация вредного вещества, и диаметр слоя сорбента.

Мы экспериментально изучили влияние этих факторов на длину зоны адсорбции, эффективную сорбционную ёмкость, и время проскока. Получены следующие результаты:

1. При постоянном диаметре слоя сорбента, длина зоны адсорбции практически не зависит от количества сорбента. Поэтому при увеличении количества сорбента эффективная сорбционная ёмкость растёт. Время проскока примерно пропорционально количеству сорбента.
2. При увеличении расхода воздуха длина зоны адсорбции увеличивается, а эффективная сорбционная ёмкость сокращается.
3. Длина зоны адсорбции слабо зависит от концентрации токсичных газов; а эффективная сорбционная ёмкость возрастает с ростом концентрации.
4. При постоянном количестве активированного угля, и увеличении диаметра слоя сорбента, снижаются время проскока, эффективная сорбционная ёмкость, и длина зоны адсорбции.

1. Введение

緒言

Для очистки воздуха, в системах местных вентиляционных отсосов, в фильтрах средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД), в пробоотборных устройствах, широко используется активированный уголь. На работу таких воздухоочистительных устройств влияет ряд факторов (толщина слоя сорбента; концентрация газа, расход воздуха), которые зависят назначения и условий применения устройства. Хотя было проведено много научных исследований, но точной информации о свойствах слоёв сорбента — мало.

有機溶剤を取扱う作業現場に設置されている局所排気 装置に付属する空気清浄装置，防毒マスクの吸収缶，さ らに環境濃度測定のためのガス捕集管などには，活性炭 を充塡した固定層が広く用いられている•これらの固定 層吸着装置は，目的や用途により，層の大きさ，被吸着 ガス体の濃度，流量等の要因が著しく異なっているため に，個々の装置についての研究は数多くなされているも のの¹~⁵⁾包括的な吸着特性の検討はほとんどなされてい ない.

Если удастся выяснить общие закономерности очистки воздуха в слое сорбента, то можно будет использовать их в конкретных случаях. Это позволит определить оптимальные параметры (газоочистных устройств), улучшить их качество. Мы считаем, что этот подход позволит получить крайне полезную информацию, необходимую для проектирования различных устройств, очищающих воздух от газов.

しかしながら，吸着特性に影響する諸要因について基 礎的知見を把握することができれば，いろいろな目的に利用する固定層吸着装置に応用でき，また，より効率的 な吸着条件を見い出すことも可能になると思われる•し たがって装置設計上きわめて有用な知見を与えるものと 考える.

В этой статье описано изучение влияния на очистку воздуха количества сорбента, концентрации газа, расхода воздуха, и поперечного сечения слоя сорбента. Подробно экспериментально изучено влияние этих параметров на длину зоны адсорбции, эффективную сорбционную ёмкость и время проскока. Дополнительно изучено влияние этих параметров на сопротивление движению воздуха, что имеет большое значение для проектирования газоочистных устройств, использующих сорбент - активированный уголь.

この報告では，労働衛生工学の立場から有用な活性炭 固定層吸着装置を設計する際に入用となる，吸着特性に ついての基礎的知見を得るため，活性炭量，蒸気濃度， ガス流量および層径等の要因が，吸着特性の指標と考え られる吸着帯長さ，有効吸着量および破過時間に及ぼす 影響について実験的に詳しく検討を行なった.さらに， 固定層の圧力損失をも考慮し，活性炭固定層吸着装置の 設計指針を明確にした.

2. Математическая модель адсорбции газа из потока воздуха, проходящего через слой неподвижного сорбента

固定層の吸着モデル

На Фиг. 1 показано, как происходит очистка воздуха слоем неподвижного активированного угля, при протекании через него воздуха, загрязнённого парами органических растворителей. Рассматривается случай, когда воздух загрязнён органическим растворителем при концентрации Co′ (грамм/см³). Он движется через слой неподвижного сорбента диаметром D (см) и толщиной Z (см). Скорость движения воздуха через слой сорбента U (см/с).

Fig.1に活性炭を充塡した固定層の破過曲線および有 機溶剤蒸気の層内での吸着の様子を模式的に示す. 層径 D (cm), 層高Z (cm) の固定層内に，濃度Co'(g/cm3) の有機溶剤蒸気が流速U (cm/s) で層の下部から流入す る場合を考える.

--- стр. 357.

Фиг. 1. Схема изменения концентрации газа в очищенном воздухе, и перемещения зоны адсорбции.

В таких условиях улавливание загрязнений происходит в одном из слоёв сорбента. Эту часть сорбента называют зоной адсорбции, её длина Za (см). Часть сорбента, находящаяся перед этим слоем (по ходу воздуха) насыщена растворителем; а находящаяся после — не насыщена (примечание 1).

このとき，実際に吸着が行なわれてい る部分を吸着帯とよび，その長さをZa〔cm〕で表わす. この部分より上部は未吸着の領域，下部は溶剤蒸気を 飽和吸着した領域と考える (注1).

Примечание 1. В реальности очистка воздуха слоем активированного угля гораздо сложнее, чем это показано на Фиг. 1. Это связано с неравномерностью распределения гранул сорбента в слое; отличиями в сорбционных свойствах между гранулами сорбента; отличиями в их форме и т. п.; а также тем, что движение потока в слое носит очень сложный характер. Показанное выше — лишь приближенная модель, упрощающая сложное явление адсорбции. Но мы считаем, что информация об очистке воздуха, полученная с помощью такой модели, будет полезна для проектирования газоочистных устройств. Поэтому мы (использовали) показанную модель, и попытались проанализировать (полученные результаты) с её помощью.

注1)実際の固定層内でおこっている吸着現象は，粒子層中の 粒子の充塡状態，各粒子の活性の程度，粒子の形状等の 不均一性や，粒子層を流れる蒸気の流動状態の複雑さな どのために，ここに示したように単純なものではないと 考えられる.この図は，複雑な吸着現象を単純化して表 わした 一3の近似的なモデルにすぎない.しかしなが ら，このようなモデルによって，吸着特性の知見が得ら れれぱ，装置設計上有用になると考え，図に示すような 簡単なモデルを提示し，これに基づいて解析を試みた.

Как показано на Фиг. 1, с течением времени зона адсорбции перемещается в сторону движения воздуха. Когда она достигает конца слоя сорбента (см. (d) на Фиг. 1), газ появляется в очищенном воздухе. Время появления газа в очищенном воздухе называют временем проскока tb (минуты). А удельное количество растворителя, уловленное одним граммом активированного угля на момент проскока, называют эффективной сорбционной ёмкостью qe (грамм/грамм). Количество растворителя, уловленное одним граммом сорбента при его полном насыщении (см. (g) на Фиг. 1), называют равновесной сорбционной ёмкостью q0 (грамм/грамм). Значения длины зоны адсорбции Za эффективной сорбционной ёмкости Qe можно вычислить по формулам из [6]:

図に示すように，吸着 帯は時間とともに下流侧へ移動し，層の上端まで移動 (図中 d) すると溶剤蒸気が漏れ始める.この漏れ開 始までの時間を破過時間と呼び tb (min) で表わす. ま た，破過を始めるまでに活性炭単位重量当りに吸着され た溶剤蒸気の量を有効吸着量 qe〔g/g〕，完全に破過が終 わった状態（図中（g))における活性炭単位重量当りの 蒸気の吸着量を平衡吸着量q0 (g/g) という. Zaおよび 恥は，実験によってそれぞれ次式から求められる[6].

Za = { Z×( tE - tB ) } / { tB + f×( tE - tB ) } (1)

qe = q0×( 1 - f×Za / Z) (2)

где tB - время проскока, и tE — время, необходимое для достижения равновесного (полного) насыщения сорбента, минуты. f — доля зоны адсорбции, где нет полного насыщения.

ただし, tBおよびtEは破過時間および平衡到達時間 (min), fは吸着帯中の未吸着部分の割合(一)である. tBとZa, q0との関係は次式で表わされる.

Взаимосвязь между tB, Za и q0 можно описать с помощью уравнения:

ただし,tBとZa, q0との関係は次式で表わされる.

tB = q0×( Z - f×Za ) / (U×Co′ ) = ρb×qe×Z / ( U×Co′ ) (3)

Так как Z и W связаны друг с другом (уравнение 4 ниже), уравнение 3 можно изменить, получив уравнение 5:

また，ZとWは (4) 式の関係があるので, (3)式は (5) 式のようにも表わせる.

Z = W / ( ρb×π×D² / 4 ) (4)

tB = ( qe×W ) / (Q×Co′ ) (5)

где ρb - насыпная плотность (или плотность гранул) (грамм/см³), Q - расход воздуха (л/мин), и W - масса активированного угля (грамм).

ただし, ρb は充塡密度 (g/cm3), Qは蒸気流量 (l/min), W は活性炭量 (g) である.

Значение f обычно равно 0,4-0,6 [7], и оно равно 0,5 тогда, когда график кривой проскока симметричен относительно точки где концентрация равна половине концентрации в загрязнённом воздухе (С = 50% Со). Пусть f=0,5 {cм. примечание 2, и согласно уравнению (2)}, тогда при постоянной равновесной сорбционной ёмкости q0, увеличение отношения Za/Z (длины зоны адсорбции к толщине слоя сорбента Z) уменьшает эффективную сорбционную ёмкость qe.

fの値は，一般に0.4~0.6程度の値をとる[7]が, 破過曲線が 50% 破過の点に対して対称な場合は f=0.5 となる. f=0.5と仮定する (注2)と, [2]式から, 平衡吸 着量仇が同一の場合，層高Zに対する,吸着帯長さの比 Za/Zが大きいほど有効吸着量qeは小さくなることが わかる. またq0 は次式から算出できる.

Примечание 2. Графики проскока, полученные при проведении описанных в этой статье экспериментов, были почти симметричны относительно точки проскока 50%.

注2)本実験範囲において得られた破過曲線は50%破過の点 に対してほぼ対称であった.

Значение равновесной сорбционной ёмкости q0 можно вычислить с помощью уравнения:

またq0は次式から算出できる.

q0 = ( Q×Co′×th ) / ( 1000×W ) = ( U×Co′×th ) / ( ρb×Z) (6)

где th — время проскока 50% (мин).

ただし, thは50% 破過した時間〔min〕である.

С другой стороны, уравнение (3) показывает, что - при одинаковых свойствах активированного угля (ρb и q0), и одинаковых условиях проведения эксперимента (U, Co′, Z) - чем больше отношение Za/Z, тем меньше время проскока. Поэтому при проектировании газоочистного оборудования следует стараться найти способ уменьшить отношение Za/Z.

一方, (3)式から, 活性炭の物性（ρb, q0) および実 験条件 (U, Co′, Z) が同一の場合, Za/Z が大きいほ ど破過時間 tbは短くなることがわかる. したがって固 定層吸着装置の設計に際しては, Za/Zが小さくなるよ うな条件を求めることが重要と考えられる.

3. Экспериментальное оборудование и методы

実験装置および方法

3.1. Оборудование

実験装置

На Фиг. 2 показана схема экспериментальной установки. Она состоит из генератора паров органического растворителя, устройства с неподвижным слоем активированного угля, и измерительной части, определяющей концентрацию растворителя.

Fig. 2に実験装置の概略を示す. 装置は, 有機溶劑蒸 気の発生装置, 固定層吸着装置および分析装置とから構成されている.

Генератор (№ 5) сделан в виде стеклянной ёмкости диаметром 60 мм и длиной 250 мм. В ней находится подвешенный шар (№ 4) из спечённых стеклянных шариков диаметром 200 мкм [8]. Они насыщены используемым при эксперименте растворителем. Чтобы концентрация растворителя поддерживается постоянной в течение длительное время, растворитель непрерывно добавляется в генератор из ёмкости (№ 8) в таком количестве, в котором он испаряется.

発生装置は内径60mm, 高さ250mmのガラス製の 容器(5)中に粒径200 μm のガラスビーズを焼結した多孔質(4)球を懸吊したもの[8]で，この球に目的とする溶剤を 含浸させ, その溶剤の恒率乾燥期間を利用して一定濃度 の溶剤蒸気を発生させた.また，発生蒸気濃度を長時間 一定に保つため，溶剤は蒸発した量だけ連続的に溶剤槽(8)から供給されるように工夫されている.

Для очистки воздуха использовалась (модель фильтра), стеклянная цилиндрическая трубка (№ 6), наполненная активированным углём. С помощью манометра (№ 10) измерялось создаваемое моделью, и измерялась температура воздуха с помощью термопары (№ 9).

吸着装置はб ガラス円筒容器(6)に活性炭を充塡したも ので, 温度測定用熱電対(9)と圧力測定周マノ メータ(10)が とりつけられている.

Для определения концентрации растворителя использовался пламенный ионизационный детектор и газовый хроматограф. Для того, чтобы определять концентрацию и до, и после модели фильтра (Со и С), использовался трёхходовой клапан (№ 11).

溶剤蒸気の分析にはFID-ガスクロマトグラフを用い, (11) の三方コックを操作して吸着管の入口濃度Coおよび 出口濃度Cを測定した.

Фиг. 2. Схема экспериментальной установки. 1 - расходомер, 2 - манометр, 3 — ёмкость термостата, 4 — шар из спечённых стеклянных шариков, 5 — стеклянная трубка, 6 — слой неподвижного сорбента, 7 — пламенный ионизационный детектор и газовый хроматограф, 8 — ёмкость с растворителем, 9 - термопара, 10 - манометр, 11 — трёхходовой клапан.

3.2. Проведение экспериментов

実験方法

Азот подавался в стеклянную ёмкость (№ 5), в которой был подвешен шар из спечённых стеклянных шариков (№ 4), пропитанных растворителем. Расход газа и температура контролировались расходомером (№ 1) и термостатической камерой (№ 3).

溶剤を含浸させた焼結球(4)が懸吊されたガラス容器(5)内に, フローメータ(1)および恒温槽(3)で所定の流量およ び温度に調節された N2 ガスを導入した.

--- стр. 358.

После того, как устанавливались требуемые концентрация и расход, загрязнённый растворителем газ разбавлялся до требуемой концентрации, и поступал в ёмкость (№ 6) - модель фильтра. Для разбавления загрязнённого растворителем азота использовали воздух от компрессора, и его осушали с помощью силикагеля перед смешиванием. Отбор проб загрязнённого газа на входе в модель фильтра проводился автоматически, через постоянные интервалы (от 3 до 5 минут). Для измерения концентрации использовали пламенный ионизационный детектор и газовый хроматограф (№ 7).

発生した溶剤 蒸気は希釈され, 所定の濃度. 流量に設定された後吸着 のテストセクションである固定層(6)内に導入された. 希 釈ガスには，コンプレッサーで得られた空気を, シリカ ゲル層を通し水分を除去した後用いた. 層出口の溶剤蒸 気は一定時間間隔 (約3 ~ 5分) で自動サンプリングさ れ, FID-ガスクロマトグラフ(7)で濃度Cが測定された.

Анализ проводился в следующих условиях.

分析条件は下記のとおりである.

Газовый хроматограф: Shimadzu GC-6 A

Колонна; длина 2 м, внутренний диаметр 3 мм, стеклянная, 15% TCEP

Температура колонны: 100°C.

Входная температура: 150°C.

Несущий газ: азот, расход 60 мл/мин.

Детектор: пламенный ионизационный детектор (FID).

Автоматическое проботборное устройство: GS-5000, изготовитель Gas Chloe Industry

。ガスクロマトグラフ：島津製GC-6 A

カラム：2 m X 3 mm i.d. ガラスカラム 15% TCEP

カラム温度: 100°C

注入口温度：150°C

キャリヤーガス：窒素，60ml/min

検出器：FID

。自動サンプリング装置：ガスクロエ業製GS-5000

3.3. Условия проведения экспериментов

実験条件

Чтобы получить результаты для разных условий очистки воздуха, мы проводили эксперименты при относительно небольшой концентрации растворителя при большом расходе воздуха; и при большой концентрации при маленьком расходе воздухе, как показано ниже.

広範囲のデータを得るため，下記に示すように比較的 低濃度で大流量の場合と，高濃度で小流量の場合につい て検討した.

3.3.1. Эксперименты при низкой концентрации и большом расходе воздуха

低濃度大流量の場合

Концентрация газа в загрязнённом воздухе Со: около 700; 1000 и 1500 ppm¹.

Расход воздуха Q: примерно 2,5; 5; 7; 10 и 15 л/мин.

Диаметр слоя сорбента D: 10, 20 и 30 мм.

Масса активированного угля: 1; 2; 3; 4 грамма.

層入口蒸気濃度 Со: 約 700, 1,000, 1,500 ppm

流量 Q: 2.5, 5, 7, 15 l/min

層内径 D:10, 20, 30 mm

活性炭量 W: 1, 2, 3, 4 g

3.3.2. Эксперименты при большой концентрации и маленьком расходе воздуха.

高濃度小流量の場合

Концентрация в загрязнённом воздухе Со: 2,7; 3,2; 4,0 и 4,5 ×10⁴ ppm. (прим. 3)

Со: 約 2.7, 3. 2，4.0，4.5 ×10⁴ ppm注3

Примечание 3. Для преобразования концентрации из массовой Co′ в объёмную Co (т. е. из грамм/см³ в части на миллион по объёму, ppm), использовали уравнение

Co = Co′ × ( 22,4 / M ) × ( 1 + T / 273 ) × ( 760 / P ) × 10⁹

где М - молярная масса; Т - температура (град. С); Р - давление (мм. ртутного столба).

注3: Co′ (грамм/см³ と Co (ppm) の間の換算は次式によった.

Co = Co′×(22,4/M)×(1+T/273)×(760/P)×10⁹

^{ただし，M: 分子量, T: 温度 (°C), P: 圧力 (mm Hg)}

Расход воздуха Q: примерно 0,2; 0,4 и 0,6 л/мин.

Диаметр слоя сорбента D: 10; 20 и 30 мм.

Масса сорбента в фильтре W: 1; 2; 3 и 4 грамма.

Q: 0.2, 0.4, 0.6 l/min

D: 10, 20, 30 mm

W: 1, 2, 3, 4 g

Для очистки воздуха мы использовали активированный уголь марки «Питтсбург» (Pittsburgh) (размер гранул от 1,4-1,68 мм (12 меш)² до 0,6 мм (28 меш), насыпная плотность 0,445 г/см³, пористость 0,475). Воздух загрязняли типичным неполярным растворителем, бензолом.

なお，実験に用いた粒子はピッツバーグ活性炭（12〜 28 Mesh, 充塡密度 ρb: 0.445 g/cm³, 空隙率 εb: 0.475) で，溶剤蒸気としては，非極性の代表溶剤であ るベンゼンを用いた.

4. Результаты экспериментов и их обсуждение

実験結果および考察

4.1. Результаты экспериментов

実験結果

В таблицах 1 и 2 показано, в каких условиях проводились эксперименты; а также длина зоны адсорбции Za, полная и эффективная сорбционные ёмкости q0 и qe (три этих параметра были вычислены с помощью уравнений 1 и 2). Проскоком считали момент, когда концентрация газа в очищенном воздухе достигала 10% от концентрации в загрязнённом (т. е. времени tb соответствовало С/Co = 0,1). А моментом времени, когда достигалось полное (равновесное) насыщение сорбента, te, мы считали момент, когда концентрация газа в очищенном воздухе достигала 90% от концентрации в загрязнённом (т. е. te соответствовало С/Co = 0,9).

Table 1, 2に本実験の条件およびtb, teの測定値と, (1), (2) 式とから算出されたZa, q0, qe, の値を 示す. ただし, にはC/Co=0.1となる10%破過時 間teにはC/Co=0.9となる90%破過時間を用い た.

4.2. Параметры адсорбции

吸着特性

Как упоминалось ранее, чем меньше отношение длины зоны адсорбции к толщине слоя сорбента (Za/Z), тем больше эффективная сорбционная ёмкость. Поэтому мы изучили то, как на отношение Za/Z и на время проскока tb влияют: масса активированного угля W, концентрация газа в загрязнённом воздухе Со, расход воздуха Q, и диаметр слоя сорбента D.

前述したように，Za/Zが小さいほど有効吸着量は大 きくなる.そこで，吸着特性に影響を及ぼすと考えられ る活性炭量W, 蒸気濃度Co, 流量Qぉよび層径Dと， Za/Zあるいは tb との関係について検討した.

4.2.1. Влияние количества активированного угля

活性炭量の影響

На Фиг. 3 показано, как количество активированного угля W влияет на время проскока tb. Поскольку при постоянном диаметре фильтра D толщина слоя сорбента Z и его масса W пропорциональны (см. уравнение 4), можно считать, что также показано влияние толщины слоя на время проскока.

Fig.3に. 活性炭量Wと破過時間tbとの関係を示 す. ただし, (4)式から，同一層径ではWと層高Zは 比例するので, 図は層高の影響とも見ることができる.

Графики показывают, что время проскока tb при увеличении массы сорбента W линейно возрастает. Также видно, что при некоторой минимальной массе сорбента время проскока становится равным нулю.

図から, tbはWが増大すると直線的に増加すること, さらに tb=0 すなわち横軸上である有限の値Wをもつことがわかる

Также на графиках показано влияние количества сорбента на время проскока, полученное в исследовании Danby et al. [3-1] и Jonas et al. [4-1] при очистке воздуха от четырёххлористого углерода. Видно, что и эти графики схожи с полученными в нашем исследовании.

図中に Danby et al. [3] および Jonas et al. [4] の活性炭による四塩化炭素吸着の実験結果をそれぞれ破線ぉょ び一点鎖線で示す. いずれも本実験結果と同様の傾向が 見られる.

Сопоставив результаты экспериментов, показавших линейную зависимость времени проскока tb от массы сорбента W, с уравнением 3, можно сказать, что длина зоны адсорбции Za не зависит от толщины слоя сорбента Z, или от массы сорбента W. Это согласуется с результатами экспереиментов Mecklenburg [2-1].

このように，tbとWが直線関係で示される実験結果 と, (3)式とを比較すると，ZaはZすなわちWに依 存していないと推定される. このことはMecklenburg [2] の実験結果とも一致している.

Фиг. 3. Влияние количества активированного угля на время проскока. Слева: концентрация газа Со = 1000 ppm, диаметр модели фильтра D = 20 мм, расход воздуха Q = 7, 10 и 15 л/мин. Справа: концентрация газа Со = 40 000 ppm, диаметр модели фильтра D = 20 мм, расход воздуха Q = 0,2, 0,4 и 0,6 л/мин. Штриховыми линиями показаны результаты, полученные для четырёххлористого углерода (в других исследованиях).

--- стр. 359.

Таблица 1. Условия проведения экспериментов и параметры адсорбции (низкая концентрация).

Если длина зоны адсорбции Za изменяется при изменении массы сорбента W, то зависимость времени проскока tb от массы сорбента W будет или прямой линией, проходящей через начало координат; или прямой, наклон которой не равен отношению (полная сорбционная ёмкость q0 / (расход воздуха Q × концентрация газа в очищаемом воздухе Со); или будет не прямой, а кривой.

もし, ZaがWによつ て変化するならば, tbとWとの関係は，原点を通る直 線, 傾きが q0/QCo′ でない直線, あるいは曲線のいずれ かとなるからである.

Уравнение 3 и графики на Фиг. 3 показывают, что длина зоны адсорбции Za соответствует времени проскока tb = 0; то есть той массе сорбента, при которой графики пересекают горизонтальную ось. При изменении массы сорбента W полученная длина зоны адсорбции будет являться средним значением Za.

また, (3)式とFig.3との結果から, Za は tb=0 すなわち横軸上のWの値に相当する値となることがわかる. これから求められた Za は, W を変化させた場合の 平均値となっている.

С другой стороны, длину зоны адсорбции Za можно вычислить с помощью уравнения 1 напрямую; и её зависимость от массы сорбента W показана на Фиг. 4. Как и на Фиг. 3, никаких существенных изменений длины зоны адсорбции Za при изменении массы сорбента W не наблюдается. Из этого следует, что (согласно используемой нами математической модели) зона адсорбции перемещается в слое сорбента, не меняя ни длину, ни форму. Но, как показывают результаты исследования Mecklenburg [2-2], если толщина слоя сорбента Z равна или меньше, чем длина зоны адсорбции Za, то появляется тенденция к увеличению Za с ростом W. Это объясняется тем, что вредное вещество попадает в очищенный воздух до того, как сформируется (характерная, стабильная) зона адсорбции в (слишком тонком) слое сорбента. Поскольку в обычных газоочистных устройствах толщина слоя сорбента Z значительно больше длины зоны адсорбции Za, то можно считать, что последняя не зависит от первой.

一方，Zaを (1)式から直接計算し，Wとの対応を調 ベた結果をFig.4に示す. Fig.3のtbとWとの関係 から予測されたように, ZaはWに依存して増加あるい は減少するという関係は顕著には見られない. このこと から，先に示したモデル中の吸着帯は近似的にその長 さ，形を変えずに層内を移動していると考えることがで きる. しかし，Mecklenburg [2] のデータにも見られるよ うに，Zの長さが，Za と同程度かそれ以下の場食には， 吸着帯が層内に完全に形成される前に破過が始まるた め，Wが増加するとZaが大きくなる傾向も見られる. しかし，通常の装置では，ZはZaに比較して十分大き く設計されており, Za は Zには依存しないと考えてよいと思われる.

--- стр. 360.

Таблица 2. Условия проведения экспериментов и параметры адсорбции (высокая концентрация).

Так как при постоянном диаметре фильтра D толщина слоя сорбента Z пропорциональна его массе W то, если длина зоны адсорбции Za не зависит от массы сорбента W, отношение Za/Z будет уменьшаться с ростом массы сорбента W — обратно пропорционально. Из этой взаимосвязи, и из уравнения 2 следует, что эффективная сорбционная ёмкость qe будет возрастать с ростом массы сорбента W.

また，同一層径では，ZはWに比例するので, Za が Wに依存しなければ，Za/ZはWの増加に反比例して減 少する. この関係と (2) 式とから, Wが大きくなるほど 有効吸着量 qeは増大すると予測される.

4.2.2. Влияние расхода воздуха (скорости воздуха)

流量（流速）の影響

На Фиг. 5 показано, как расход воздуха Q (или скорость воздуха U) влияет на отношение длины зоны адсорбции к толщине слоя сорбента Za/Z. Так как при изменении расхода толщина слоя Z не меняется, на графике показано, как расход Q влияет на длину зоны адсорбции Za. Видно, что с ростом Q длина Za немного увеличивается. Это показывает, что с ростом скорости воздуха U эффективная скорость адсорбции снижается. На Фиг. 6. показано, как расход воздуха Q влияет на отношение эффективной сорбционной ёмкости qe к полной сорбционной ёмкости q0, т. е. qe/q0 (= 1 — 0,5×Za/Z). Видно, что с ростом расхода воздуха Q отношение qe/q0 немного уменьшается.

Fig.5に流量Q (流速U）と Za/Z との関係を示す. Zは流量によって変化しないので, 図はQのZaへの影 響を示している. 図から, QすなわちU が増加すると Za もやや増加する傾向が見られる. このことから, U の増加に伴い有効吸着量が減少することが推察される. そこで qe/q0 ( = 1 - 0.5 Za/Z ) とQとの関係を調べてみ るとFig.6となる. 図から, qe/q0 はQの増加に伴って やや減少することがわかる.

Согласно уравнению 3, время проскока tb уменьшается обратно пропорционально росту расхода воздуха Q. Но, поскольку эффективная сорбционная ёмкость qe тоже уменьшится, то время проскока tb снизится в большей степени. На Фиг. 7 показан пример такой взаимосвязи. Данные, использованные при построении графиков показывают, что снижение времени проскока tb пропорционально росту Q примерно в степени 1,1. Это подтверждает сделанные выше оценки.

したがって, (3)式においてQが増大するとtbは反 比例して減少するが，qe も減少するため，tbの減少割 合はより大きなものになると推定される. その関係を表 わす一例をFig.7 に示す. この図において，如はQの約1.1乗に反比例しており, 上記の推算が妥当であることが認められる.

--- стр. 361.

Таблица 2 (продолжение).

Условия проведения экспериментов и параметры адсорбции (высокая концентрация).

--- стр. 362.

Таблица 2 (окончание).

Условия проведения экспериментов и параметры адсорбции (высокая концентрация).

--- стр. 363.

На Фиг. 5-7 также показаны результаты, полученные при проведении других исследований (пересчитанные) [3-2,4-2]. Это позволяет сравнить их с результатами наших экспериментов. Зависимости параметров от скорости воздуха через фильтр, полученные другими авторами, схожи с нашими результатами.

Fig.5〜7には，既往の文献の整理図 [3,4] から，本実験 結果と比較できるように再計算して求めた値をも図示し ている. いずれも本実験結果と同じような流量による依 存関係が見られる.

4.2.3. Влияние концентрации газа на очистку воздуха

濃度の影響

На Фиг. 8 показано, как концентрация газа Co влияет на отношение длины зоны адсорбции к толщине слоя сорбента Za/Z. С ростом концентрации Со отношение длины к толщине немного возрастает. Известно, что с изменением концентрации Co изменяется полная сорбционная ёмкость q0 [9]. На Фиг. 9 показана взаимосвязь между концентрацией Со и полной сорбционной ёмкостью q0, полученная при проведении экспериментов. С ростом концентрации Co её влияние на полную сорбционную ёмкость q0 уменьшается, при концентрации около 1000 ppm полная сорбционная ёмкость растёт пропорционально концентрации в степени 0,2. Эти результаты и уравнение 3 показывают, что время проскока при большой концентрации будет примерно пропорционально последней; а при концентрации 1000 ppm будет снижаться обратно пропорционально концентрации Сo в степени 0,8.

Fig. 8に濃度CoのZa/Zに及ぼす影響を調べた結果 を示す. Coが増加すると, Za/Zはやや増加する傾向も 見られるが, それほど顕著には現われていない. しかしながら, q0 は Coによって変化することが知られてい る[9]. 本実験におけるCoと q0 との関係をFig.9に示す. 高濃度になると q0 に及ぼす Co の影響は顕著には 見られなくなるが, 1,000 ppm 前後の濃度では, q0 は Coのほぼ0.2 乗で増加している. これらの結果と (3) 式とから, 高濃度では tb はCo にほぼ比例するように なるが, 1,000 ppm前後では tb は Co の約 0.8 乗に反比例して減少すると考えられる.

На Фиг. 10 показана взаимосвязь между временем проскока tb и концентрацией газа Co, полученная экспериментально. Графики подтверждают сделанные выше заключения.

Fig.10に tb の実験値と Co との関係を示す. 図から, 前述の推定は妥当であることが認められる.

Другие опубликованные результаты [3-3,4-3] не показаны, т. к. (там) недостаточно информации для оценки влияния именно одной концентрации.

なお, 他の文献値 [3,4] は, 濃度のみの影響のデータが 少ないため, 図示できなかった.

4.2.4. Влияние диаметра слоя сорбента

層径の影響

На Фиг. 11 показано, как диаметр D влияет на длину зоны адсорбции Za. С ростом диаметра D (при постоянной массе сорбента W) длина зоны адсорбции Za уменьшается.

Fig.llにZaとDとの関係を示す. Dが大となるとZaは小となる傾向が見られる.

Фиг. 4. Влияние массы активированного угля на длину зоны адсорбции.

Фиг. 5. Влияние расхода воздуха на безразмерную длину зоны адсорбции.

Фиг. 6. Влияние расхода воздуха на безразмерную эффективную сорбционную ёмкость.

Фиг. 7. Влияние расхода воздуха на время проскока.

Фиг. 8. Влияние концентрации загрязнений на безразмерную длину зоны адсорбции.

--- стр. 364.

Фиг. 9. Взаимосвязь между концентрацией газа и сорбционной ёмкостью.

Фиг. 10. Влияние концентрации газа на время проскока.

Фиг. 11. Влияние диаметра фильтра на длину зоны адсорбции.

При постоянных значениях концентрации газа в загрязнённом воздухе Со, массе сорбента W, и расходе воздуха Q, изменение диаметра меняет скорость воздуха через слой U и толщину слоя Z. Полученные результаты показывают, что длина зоны адсорбции Za сильно изменяется при изменении толщины слоя сорбента Z. Поэтому уменьшение длины зоны адсорбции вызвано уменьшением скорости газа через фильтр U. Другими словами, скорость U обратно пропорциональна квадрату диаметра D, и длина зоны адсорбции уменьшается с ростом диаметра, как обсуждалось в разделе 2. Но, как показано на Фиг. 11, длина Za уменьшается примерно обратно пропорционально диаметру. С другой стороны, т. к. толщина слоя Z, обратно пропорциональна квадрату диаметра (см. уравнение 5), то отношение длины зоны адсорбции к толщине слоя сорбента Za/Z растёт пропорционально диаметру. Поэтому, как показывает уравнение 3, с увеличением диаметра время проскока tb уменьшится.

Co, QおよびWが一 定の場合に, Dを変化させるこどによりUおよびZが変 化する. しかしながら, 1) の結果からZが変化しても Zaはほとんど変化しない. したがってZa が減少するのはUの影響と考えられる. すなわち, Dの2乗に反比 例してUは減少するために, 2) で考察したようにZa はDの増加につれて減少するものと考えられる. ただし, Fig.11からわかるようにZaはほぼ D に反比例して減少している. 一方(5)式の関係からZはDの2乗に反比例するため, Za/Z の値は Dにほぼ比例して増加することがわかる. したがって, (3) 式から tb は D が増 加するにつれて減少すると考えられる.

На Фиг. 12 показано, как в проведённых экспериментах время проскока tb зависело от диаметра D. С ростом диаметра время проскока уменьшается, что подтверждает вышеприведённые рассуждения.

Fig.12 は実験で得られたtbとDとの関係を示して いる. Dが増加すると tb は減少しており'前述の推定が妥当であることが認められる.

Фиг. 12. Влияние диаметра фильтра на время проскока (результаты измерений).

Примечание: в оригинале — не соответствие обозначений на рисунке и

данных в таблицах. Это изображение сделано по данным в таблицах.

5. Проектирование фильтров с сорбентом для очистки воздуха

V.吸着装置の設計指針

При проектировании фильтров, помимо результатов, приведённых в разделе 4, необходимо учитывать сопротивление движению воздуха, и то, где и для какой цели будет использоваться фильтр, определить наиболее эффективный режим работы.

吸着装置を設計する際には, IV章で示した結果の他に 圧力損失についての検討を加え, 目的に合った最も効果 的な操作条件を見い出すことが必要である.

5.1. Влияние диаметра слоя сорбента на очистку воздуха

処理量と層径の関係

Результаты, описанные выше в разделе 4 показывают, что при постоянных толщине слоя сорбента, его диаметре, и концентрации газа в загрязнённом воздухе, уменьшение скорости воздуха уменьшает отношение Za/Z, и увеличивает эффективную сорбционную ёмкость. Но при этом уменьшается объём (расход) очищаемого воздуха, и для фильтров, используемых в газоочистном оборудовании (которое очищают большие объёмы воздуха), и в СИЗ органов дыхания (где расход воздуха определяется физической нагрузкой на работника), такое уменьшение расхода не применимо. Увеличение диаметра фильтра позволяет уменьшить скорость воздуха через фильтр без увеличения времени проскока. Но результаты, приведённые в разделе 4, параграф 4.2.4 показывают, что при постоянной массе активированного угля увеличение диаметра слоя сорбента уменьшает время проскока. Это показывает, что в газоочистном оборудовании, или в фильтрах СИЗ органов дыхания, при постоянных расходе воздуха и массе сорбента, для увеличения эффективной сорбционной ёмкости желательно в максимально возможной степени уменьшать диаметр фильтра и увеличивать скорость движения воздуха через фильтр.

IV章で示した結果から，層径, 層高および入口蒸気濃 度が一定の場合, 流速が低いほうがZa/Z は小さくなり, 有効吸着量は大きくなることが認められた. しかし, 流 速を低くすると, 単位時間に処理できる蒸気量が少なく なるために, 局所排気装置のように大量の蒸気を処理す る場合, あるいは防毒マスク吸収缶のように呼吸量によ って流量すなわち流速が決定される場合には適用できな い. 処理量を変えずに流速を低くするには層径を大きく する方法があるが, IV章2.4) の結果から, 同一活性炭 量では層径を大きくすると破過時間は逆に短くなる. こ のことは,局所排気装置や, 防毒マスクの吸収街等に活 性炭固定層の吸着装置を用いる場合には, 処理量および 活性炭量が同じであれば, できるだけ層径を小さくして 流速を増したほうが有効吸着量の面からは有利になるこ とを示している.

5.2. Сопротивление движению воздуха через слой сорбента

固定層の圧力損失

В целом, это сопротивление уменьшается при увеличении диаметра, а при увеличении расхода воздуха оно возрастает. При проектировании газоочистного оборудования вентиляционных систем и фильтров противогазов учёт сопротивления движению воздуха имеет большое значение.

一般に, 層径が小, 流速が大となるほど層の圧力損失 は増大する. したがって, 局所排気装置や防毒マスク吸 収缶の設計には, 圧力損失の推算が重要になる.

Для оценки сопротивления движению воздуха через слой сорбента предлагалось несколько (разных) уравнений. Для условий тех экспериментов, которые проводились в этом исследовании, можно использовать уравнение Ergun [10]:

固定層の圧力損失を表わす式としては, 数種類提案さ れているが, 本実験範囲では, 次式で示されるErgun [10] の式が適用できる.

ΔP = (Z/gc)×{ 150×(1-ε)²/(ε³)×(μ×U/dp²) + 1,75×(1-ε)/(ε³)×(ρf×U²/dp) } (7)

--- стр. 365.

Фиг. 13. Зависимость сопротивления движению воздуха через слой сорбента от его диаметра.

где ΔP: сопротивление движению воздуха (G/cm²), gc: коэффициент для преобразования массы в силу (g*cm/G*s²), ε: пористость слоя сорбента (ref.1), dp: диаметр гранул сорбента (см), μ: (динамическая) вязкость воздуха (грамм/см×с)³, ρf: плотность воздуха (грамм/см³).

ここで,DP: 圧力損失 (G/cm2), gc: 重力換算係数 (g*cm/G*s2), ε: 層内空隙率(ref.1), dp:粒子径(cm), μ: 流体の粘度 (g/cm*s), ρf: 流体の密度 (g/cm3)で ある.

Подставив условия проведения этого эксперимента в уравнение 7, получим:

本実験の条件を（7 )式に代入して整理すると次式を得 る.

ΔP = Z×(7,3×U + 0,1×U²)×10^-3 = W×(Q/D⁴)×(4,5 + 1,3×Q/D²) [мм водяного столба] (8)

Таким образом, при постоянных массе сорбента и расходе воздуха через фильтр, сопротивление движению воздуха через слой сорбента обратно пропорционально диаметру слоя, в степени от 4 до 6. На Фиг. 13 показан результат вычислений с помощью уравнения 8. В условиях, в которых проводились эксперименты в этом исследовании, сопротивление уменьшается с увеличением диаметра пропорционально 5 степени.

したがって, 流量および活性炭量が同一の場合, 圧力 損失は層径の4乗〜6乗に反比例して増大することがわ かる. Fig.13に (8)式の計算結果を示すが, 本実験範 囲では約5乗に反比例している.

Фиг. 13 позволяет определить диаметр фильтра для известного количества активированного угля W и известного максимально допустимого сопротивления дыханию (движения воздуха) ΔP. Таким образом, если можно оценить Za с помощью уравнения 2, то можно вычислить время проскока tb с помощью уравнения 3.

Fig.13 から, 活性炭量Wおよび許容圧力損失 ΔPが 与えられれば, 層径を求めることができる. したがっ て, Zaが推算できれば, (2)式から qe が計算でき, (3)式からそのときの tb が推算できる.

Трубки с активированным углём, используемые при отборе проб воздуха для определения концентрации загрязнений в нём, используются по-другому. Количество улавливаемого ими вредного вещества не фиксировано. Поэтому описанные выше критерии при их проектировании — не применимы. И при их проектировании можно увеличивать отношение длины трубки к её диаметру (Z/D) в максимальной степени, насколько возможно; и прокачивать через них воздух при маленьком расходе. В то же время при их проектировании необходимо учитывать размер гранул активированного угля.

活性炭チューブは，環境濃度測定が目的であり，単位 時間に吸着すべき蒸気量は定まっていないため, 上述の ような設計基準は適用されない•ただし, 同一活性炭量 では，層径が小さく, またガス流速が低い方が有効吸着 量は大きくなることから, 活性炭粒子径とのかねあいも あるが，できるだけ Z/Dを大きく設計し，低流速で吸 引して用いたほうが長時間の測定には有利であると考え られる.

6. Выводы

結 論

Проведено экспериментальное исследование влияния количества активированного угля, расхода воздуха, концентрации паров органических растворителей, и поперечного сечения слоя сорбента на очистку воздуха в (модели) фильтра, подобного тем, которые используют для очистки воздуха в вентиляционных системах, в средствах индивидуальной защиты органов дыхания, и пробоотборниках (при измерении концентрации загрязнений). Систематичное экспериментальное изучение влияния изменения перечисленных параметров на очистку воздуха позволяет сделать следующие выводы:

局所排気における有機溶剤蒸気の除去装置，防毒マス クの吸収缶および環境測定におけるガス捕集管等に共通 に'用いられている活性炭固定層について, 包括的に吸着 特性を調べ, それら装置の設計の指針を得るため，活性 炭量, ガス流量（流速), 蒸気濃度および層径を系統的に 変化させ, 実験的に検討した. その結果次の結論を得 た.

1) Можно считать, что зона адсорбции перемещается в слое сорбента, не меняя ни длину, ни форму.

2) Увеличение скорости воздуха через слой сорбента увеличивает длину зоны адсорбции, и уменьшает эффективную сорбционную ёмкость

3) Увеличение концентрации паров (органических растворителей) уменьшает время проскока. Взаимосвязь - обратно пропорциональная в степени 0,8. При увеличении концентрации эффективная сорбционная ёмкость немного возрастает.

4) При постоянной массе активированного угля, уменьшение диаметра фильтра увеличивает эффективную сорбционную ёмкость.

1) 吸着帯は近似的にその長さ，形を変えずに層内を 移動すると考えることができる.

2) ガス流速が速くなると，吸着帯長さは長くなり， 有効吸着量も減少する.

3) 蒸気濃度が高くなると，破過時間はその約〇.8乗 に反比例して減少し，有効吸着量はやや増大する傾向が 見られる.

4) 同一活性炭量では，層径が小さくなるほど有効吸 着量は大きくなる.

На основе полученных результатов были уточнены рекомендации по проектированию газоочистных устройств, использующих активированный уголь в виде неподвижного слоя, с учётом создаваемое этим слоем сопротивления движению воздуха.

以上の結論をもとに，固定層の圧力損失を考慮し，活 性炭固定層吸着装置の設計指針を明らかにした.

Литература

文 献

1. Bohart, G.S. and Adams, E.Q. Some aspects oi the behavior of charcoal with respect to chlorine. Journal of the American Chemical Society. 42(3): 523-544. 1920. https://doi.org/10.1021/ja01448a018

2. ↑ 1 2 Mecklenburg, W. Ueber Schichtenfiltration, ein Beitrag zur Theorie der Gasmaske, II. Kolloid-Zeitschrift (Colloid and Polymer Science – Kolloid-Zeitschrift und Zeitschrift für Polymere) 52, 88–103. 1930. https://doi.org/10.1007/BF01474700

3. ↑ 1 2 3 C.J. Danby, J.G. Davoud, D.H. Everett, C.N. Hinshelwood and R.M. Lodge. The kinetics of absorption of gases from an air stream by granular reagents. Journal of The Chemical Society. 1946.918-934. https://doi.org/10.1039/JR9460000918

4. ↑ 1 2 3 L.A. Jonas, W.J. Svirbely. The kinetics of adsorption of carbon tetrachloride and chloroform from air mixtures by activated carbon, Journal of Catalysis. 24(3): 446-459, 1972. https://doi.org/10.1016/0021-9517%2872%2990128-5

5. Nelson, G.O. and Correia, A.N. Respirator cartridge efficiency studies: VIII. Summary and conclusions, American Industrial Hygiene Association Journal. 37(9): 514-525, 1976. https://doi.org/10.1080/0002889768507509

6. ↑ 化学工学協会(編）：悪臭•炭化水素排出防止技術（2)， 111，技術書院，東京，1977.                                                                Chemical Engineering Association (ed.): Odor and Carbonized Hydrophobic Emission Prevention Technology (2), 111, Technical College, Tokyo, 1

7. ↑ Hashimoto, K. and Miura, K. A simplified method to design fixed bed adsorbers for the Freundlich isotherm. Journal of Chemical Engineering of Japan. 9(5): 388-392. 1976. https://doi.org/10.1252/jcej.9.388

8. ↑ 田中勇武，保利一，古賀実，秋山高：多孔質球を 利用した有機溶剤ガス発生装置の試作，作業環境，2:53-58, 1981.                  Tanaka, K. Tamotsu, M. Koga, and T. Akiyama: Trial manufacture of an organic solvent gas generator using porous spheres, Working Environment, 2:53-58, 1981.

9. ↑ Perry, R.H. and Chilton, C.H. Chemical engineering handbook. 5th edition, Section 16, p. 13, McGraw-Hill, New York, 1973.

----- стр. 366.

10. ↑ Ergun S. Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress. 48(2): 89-94. 1952.

1  Объёмная концентрация, частей на миллион по объёму (parts per million). Концентрации 10 000 ppm соответствует 1% по объёму. Для перевода из объёмной концентрации (Соб) в концентрацию по массе (См) можно использовать формулу:

Соб [%] = См [грамм/м³] × 22,4 × (температура [град. К] / 273,15 К) × ( 101325 Па / давление [Па] )

/ (молярная масса [грамм/моль])

2Таблицы перевода размеров из меш (mesh) в миллиметры:

https://www.ecovita.ru/blog/sovety-pokupatelyam/tablitsa-perevoda-mesh-mesh-v-millimetry-konvertatsii-razmerov/

https://www.silcarbon.ru/articles-carbon-activated/15-tablitsa-konvertatsii-razmerov-granul-iz-us-mesh-v-mm-i-drugie-edinitsy

https://infotables.ru/promyshlennost-i-mashinostroenie/1221-pereschet-mesh-v-mikrony

3 1 грамм/см×с равен 100 сантипуаз, см. конвертор величин: https://www.translatorscafe.com/unit-converter/ru-RU/viscosity-dynamic/26-16/грамм на сантиметр в секунду-сантипуаз/