Адсорбция в процессах очистки воды

14. Общие сведения

Процесс поглощения какого-либо вещества поверхностью другого называют адсорбцией. Адсорбция является одним из наиболее эффективных физико-химических ме­тодов очистки промышленных сточных вод от вредных органических примесей до норм ПДК. На практике адсорбция используется для очистки сточных вод от фенолов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и т.д. В качестве адсорбентов могут служить все мелкодисперсные пористые материалы, обладающие развитой удельной поверхностью: древесные опилки, зола, торф, глины, коксовая мелочь и т.д. Од­нако наиболее эффективными адсорбентами являются изготавливаемые по особой технологии активные угли разных марок (АГ-3, БАУ, АР-3, СКТ, КАЛ-йодный, КАЛ-молотый). Активные угли являются пористыми материалами, поры которых по своему размеру могут быть подразде­лены на четыре вида: макропоры размером от 1000 до 20 000 Å, переходные поры – от 40 до 1000 Å, супермикропоры – от 16 до 40 Å и микропоры – не более 16 Å. Эффективность активных углей обусловливается, главным образом, наличием в них супермикро- и микро- пор.

Характеристиками активных углей являются объем микропор, см³/г; насыпная плотность, кг/м³; механи­ческая прочность (устойчивость к истиранию), %; диаметр зерен, мм; изотерма адсорбции данного вещества, цена и т.д.

Справка: 1 Å = 10^{-10 м = 10-4} мкм. Размер молекул воды 3.1 Å.

Теоретические основы процесса адсорбции. Адсорбция – самопроизвольно протекающий экзотермический процесс, складывающийся из трех стадий:

1) перенос вещества из сточной воды к поверхности зерен адсорбента путем конвекции и диффузии – внешняя диффузионная область,

2) процесс адсорбции на внешней поверхности зерен,

3) перенос вещества внутрь зерен по порам – внутридиффузионная область.

Как правило, лимитирующими (ограничивающими скорость процесса адсорбции) стадиями являются первая или третья, хотя в некоторых случаях процесс может лимитироваться одновременно этими двумя стадиями.

В зависимости от характера взаимодействия адсорбата и адсорбента различают физическую адсорбцию и хемосорбцию. Одной из характеристик адсорбента является изотерма адсорбции, определяющая зависимость удельной адсорбции адсорбента а(Х) от концентрации С(Х) адсорбата Х в условиях равновесия при Т = const: a(X)= f(С(Х)|Т). При адсорбционной очистке сточных вод является важной также кинетика процесса, т.е. скорость адсорбции, от которой производительность адсорберов.

Процесс адсорбционной очистки сточных вод проводят или при интенсивном перемешивании зерен адсорбента с водой, или при фильтровании сточной воды через неподвижный слой зерен адсорбента. Процесс проводят или периодически, или непрерывно в одну или в несколько ступеней. На практике наиболее широкое применение нашла периодическая одноступенчатая ад­сорбция. Более эффективно и при меньшем расходе адсорбента процесс протекает при использовании многоступенчатой адсорбции.

Расход адсорбента при периодическом одноступенчатом процессе определяется уравнением материального баланса

, (1)

Для многоступенчатой адсорбционной установки периодического действия с последовательным введением свежего адсорбента в воду на каждой ступени расчет проводят по формулам:

, (2)

,(3)

, (4)

где m – масса адсорбента, вводимого в воду на каждой из ступеней; V – объем сточной воды в смесителе n-ой ступени; С₀ и С_n – концентрации адсорбируемого вещества в сточной воде перед очисткой и после очистки в n-ой ступени; а – статическая удельная адсорбция; k – коэффициент распределения, определенный из изотермы адсорбции, k = а/С; n – число ступеней (или номер ступени).

При выводе формул (1) – (4) предполагается, что

- на каждой ступени адсорбции достигается равновесие;

- изотерма адсорбции линейна (a = k× C).

Последнее предположение выполняется для приближенно линейного начального участка любой изотермы.

При расчете по формуле (2) определяется концентрация вредного вещества в воде после n-ой ступени. Задаются масса адсорбента m, объем V сточной воды в емкости каждой ступени и число ступеней n, а также С₀ и k.

При расчете по формуле (3) определяется масса m адсорбента, которую нужно вводить в смеситель каждой из n ступеней. Задаются концентрация вредного вещества C_n после последней n-ой ступени, объем сточной воды V смесителя каждой ступени, число n ступеней, а также С₀ и k.

При расчете по формуле (4) определяется число ступеней n. Задаются кон­центрация адсорбата С_n в очищенной воде после последней n-ой ступени очистки, доза адсорбента m, вводимого в смеситель каждой ступени установки, а также С₀ и k.

Формулы (2), (3) и (4) обращаются в формулу (1) при n = 1.

Для исследования динамики адсорбции используются «выходные кинетические кривые» (рис.14.1), которые апроксимируются экспонентой вида:

, (5)

где С(t) – концентрация загрязняющего вещества в растворе к моменту време­ни t при контакте раствора с адсорбентом; С* – концентрация загрязняющего вещества в растворе, равновесная с загрязняющим веществом в фазе адсорбента при t ® ¥; a – кинетический коэффициент, 1/с:

, (6)

Каждой концентрации адсорбата в растворе соответствует при равновесии определенная концентрация адсорбата в фазе адсорбента:

. (7)

При t → ∞ в системе устанавливается равновесие:

, (8)

Для приближенного определения числа ступеней в многоступенчатой адсорб­ционной установке периодического действия можно использовать графический метод (рис.14.2). Он заключается в построении в координатах (а, С) линии равновесия и рабочих линий для каждой ступени. Линией равновесия является изотерма адсорбции. Рабочие линии строятся по уравнению (7) и показывают зависимость между параметрами а и С на каждой ступени.

На рис.14.3 показана схема адсорбционной установки непрерывного действия. Схема установки периодического действия такая же, но тогда при расчетах величина скорости подачи угля в смеситель заменятся на m, а объемный расходсточной жидкости L – наобъем смесителя V.

Рис.14.2. Линия равновесия – изотерма адсорбции (экспериментальные данные по зависимости а^* от С^*) и рабочая линия процесса (график уравнения (7)).

Рис.14.3. Схема многоступенчатой адсорбционной установки непрерывного действия с последовательным введением свежего адсорбента в воду на каждой ступени.