![]() КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Адсорбция в процессах очистки воды14. 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
Для многоступенчатой адсорбционной установки периодического действия с последовательным введением свежего адсорбента в воду на каждой ступени расчет проводят по формулам:
где m – масса адсорбента, вводимого в воду на каждой из ступеней; V – объем сточной воды в смесителе n-ой ступени; С0 и Сn – 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 Cn 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 Сn 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:
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:
Каждой концентрации адсорбата в растворе соответствует при равновесии определенная концентрация адсорбата в фазе адсорбента:
При t → ∞ в системе устанавливается равновесие:
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
Рис.14.1. Выходная кинетическая кривая. Зависимость концентрации адсорбата в сточной воде от времени после введения в нее зерен свежего адсорбента.
Рис.14.2. Линия равновесия – изотерма адсорбции (экспериментальные данные по зависимости а* от С*) и рабочая линия процесса (график уравнения (7)).
|