 |
Физико-химические основы процесса
|
|
|
|
Адсорбция используется для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках. Ее применяют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, ПАВ, красителей, ароматических нитросоединений, пестицидов и др. органических соединений. Ад- сорбция эффективна для извлечения ценных продуктов с целью их ре- генерации, для удаления токсичных веществ, препятствующих биоло- гической очистке, для глубокой очистки сточных вод, используемых в системах оборотного водоснабжения.
Эффективность адсорбционной очистки достигает 80-95 % и за- висит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в водном растворе.
Преимуществом метода является возможность сорбции веществ из многокомпонентных смесей, в том числе из слабоконцентрирован- ных сточных вод, высокая эффективность очистки.
Адсорбция растворенных веществ - результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности. При этом наблюдается два вида межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенного ве- щества с молекулами поверхности сорбента и с молекулами воды в растворе (гидратация). Разность этих двух сил и определяет возмож- ность удерживания вещества на поверхности сорбента. Чем больше энергия гадратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверх- ность сорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора.
В качестве сорбентов могут служить различные искусственные и природные пористые материалы, прежде всего активированные угли различных марок, силикагели, зола, шлак, торф и др. Минеральные сорбенты - глины, силикагели, алюмогели, гидроксиды используются мало, т.к. энергия взаимодействия их с молекулами воды велика и не-
|
|
|
редко превышает энергию адсорбции. Наиболее универсальными сор- бентами являются активные угли.
Активированные угли, предназначенные для очистки сточных вод, должны быть относительно крупнопористыми, чтобы они могли улавливать большие и сложные органические молекулы; обладать не- большой удерживающей способностью при регенерации; не подвер- гаться истиранию; не быть катализаторами по отношению к реакциям, могущим протекать в водной среде; легко смачиваться водой; иметь низкую стоимость.
Для адсорбции из жидких сред применяют порошкообразные (размеры частиц менее 0,25 мм) и гранулированные (размеры частиц более 1 мм) активные угли БАУ, КАД-молотый, КАД-иодатный, АГ-2, АР-3, СКТ и др.
В процессе адсорбционной доочистки активный уголь удаляет из воды биохимически неокисленные органические вещества, микроко- личества ионов тяжелых металлов, радиоактивных изотопов, хлоридов ртути и золота, солей серебра, остаточный хлор, аммонийный азот, бактериальные и другие загрязнения.
Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств сорбентов является изотерма сорбции, которая аналитически в случае разбавленных растворов, что имеет место при очистке сточных вод, описывается уравнением Ленгмюра в следующем виде:
а = К адс× С р,
где а - количество поглощенного адсорбата единицей объема или веса адсор- бента (удельная адсорбция), кг/кг; К адс - адсорбционная константа распределе- ния сорбата между сорбентом и раствором, зависящая от температуры; С р - равновесная концентрация адсорбируемого вещества в жидкости, кг/кг.
Вещества, хорошо адсорбируемые из водных растворов активны- ми углями, имеют выпуклую изотерму адсорбции, плохо адсорбируе- мые - вогнутую. Изотермы адсорбции в статических и динамических условиях приведены на рис.14.7.
|
|
|
Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, природы и структуры растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента.
В общем случае процесс адсорбции складывается из трех стадий: перенос вещества из сточной воды к поверхности адсорбента (внешне- диффузионная область), перенос вещества внутрь зерен адсорбента (внутридиффузионная область), собственно адсорбционный процесс.
Скорость собственно адсорбции велика, следовательно лимити- рующей стадией может быть внешняя либо внутренняя диффузия, либо обе вместе.
Рис. 14.7. Изотермы адсорбции в статических (а) и динамических (б)
условиях
Во внешнедиффузионной области скорость массопереноса в ос- новном определяется интенсивностью турбулентности потока, т.е. ско- ростью жидкости. Во внутридиффузионной области скорость массопе- реноса зависит от вида и размеров пор адсорбента, от формы и разме- ров его зерен, от размера молекул адсорбирующихся веществ. Реко- мендуемые для ориентировочных расчетов значения скорости воды V=1,8 м/ч, диаметра зерна адсорбента dз=2,5 мм. При меньших значе- ниях процесс лимитируется по внешнедиффузионной области, при больших - во внутридиффузионной.
Статическая адсорбция
Процесс сорбции может осуществляться в статических или дина- мических условиях. При статической адсорбции жидкость не переме- щается относительно частицы сорбента, а движется вместе с послед- ней. При этом проводят интенсивное перемешивание, используя ак- тивный уголь с размерами частиц 0,1 мм и менее, в одну или несколько ступеней. Затем сорбент отделяется от воды отстаиванием или фильт- рованием. Статическая одноступенчатая адсорбция применяется, когда адсорбент дешев или является отходом производства.
Более эффективно процесс протекает при использовании много- ступенчатых установок, осуществляемых в прямоточном и противо- точном вариантах. Схемы прямоточной установки с последовательным введением сорбента и с противоточным введением сорбента приведены на рис.14.8.
|
|
|
При последовательном введении сорбента его подают в каждую ступень и из нее же отводят отработанный сорбент. В противоточной схеме адсорбент вводят однократно в последнюю ступень и он движет- ся навстречу сточной воде. Противоточные сорбционные установки применяются значительно шире благодаря более экономичному расхо- дованию адсорбента.
В основу расчета статической адсорбции положено уравнение ма- териального баланса:
ma + QC к = QCн,
где m - количество сорбента, кг; Q - количество сточных вод, м3/ч; Сн, С к - со- ответственно начальная и конечная концентрация примесей сточных вод, кг/м3.
Отсюда, учитывая, что а = К адс× Ср, получаем:
m = Q(Cн - C к ).
K адс Cp
Конечная концентрация загрязнений в сточной воде после очист- ки в одну и n ступеней, учитывая что Ср=Ск, составит:
С = QCн
⎛ Q
|
n
⎞
|
к Q + K
адс m
n к ⎜ Q + K
⎟ н
адс ⎠
Дозу сорбента, вводимого в каждую ступень, можно определить:
mn = (Q / K адс,
необходимое число ступеней адсорбции равно:
n = lg Cн - lg Cn к. lg(Q + K адс m 1 ) - lg Q
 |
Многократная обработка сточных вод сорбентом позволяет более
Рис.14.8. Схема адсорбционных установок: а - с последовательным введением сорбента; б - с противоточным введением сорбента
1 - смесители; 2 - отстойники; 3 - приемники адсорбента; 4 - насосы
полно использовать поглощающую способность и тем самым значи- тельно снизить его расход.
Динамическая адсорбция
Наибольшее практическое применение до настоящего времени получили установки полупериодического действия (непрерывного по воде и периодического по углю), в которых осуществляется процесс адсорбции в динамических условиях. Вода фильтруется через слой сорбента высотой 1-2 м и крупностью зерен 0,8-5 мм. Скорость фильт-
рования зависит от концентрации растворенных в воде веществ и со- ставляет 1-12 м/ч. Наиболее рациональное направление фильтрования снизу вверх для равномерного заполнения всего сечения колонны и вытеснения пузырьков воздуха из пор сорбента. Потери напора соста- ляют до 0,5 м на 1 м слоя загрузки. Слои адсорбента отрабатываются постепенно, в одной колонне процесс ведут до проскока, затем адсор- бент выгружают на регенерацию. При непрерывной организации про- цесса используют несколько колонн (рис.14.9). По такой схеме две ко- лонны работают последовательно, третья находится на регенерации.
|
|
|
 |
Рис. 14.9. Схема непрерывной адсорбционной установки
1 - усреднитель; 2 - насос; 3 - фильтр; 4 - адсорбционные колонны (фильтры); 5 -
емкость
По мере насыщения адсорбента первый по ходу движения воды адсорбер отключается на регенерацию, а прошедший регенерацию, включается последним по ходу движения воды.
Адсорбция в динамических условиях в стационарном слое позво- ляет более полно использовать емкость сорбента, получить устойчи- вые, надежные результаты, провести автоматизацию процесса.
При инженерных расчетах адсорбции из водных сред часто ис- пользуют формулу для определения продолжительности защитного действия насыпного фильтра Т:
Т = k з.д .Н - t,
где k з.д. - коэффициент защитного действия, определяемый экспериментально; Н - высота слоя загрузки; t - потеря времени защитного действия.
При относительно высоком содержании в сточной воде мелко- диспергированных взвешенных частиц, заиливающих сорбенты, а так- же в случае, если равновесие устанавливается медленно, рационально применять процесс с псевдоожиженным слоем сорбента. Псевдоожи-
жение слоя наступает при повышении скорости потока сточной воды, проходящей снизу вверх, до такой величины, при которой зарна рас- ширившегося слоя начинают интенсивно и беспорядочно перемещать- ся в объеме слоя, сохраняющего постоянную для данной скорости вы- соту. При размерах частиц активированного угля 0,25-1 мм, скорость потока воды составляет 10-20 м/ч, при крупности зерен 1-2,5 мм - 30-40 м/ч.
Гидравлическое сопротивление в кипящем слое по сравнению с неподвижным меньше, а скорость массообмена выше в результате ис- пользования более мелких частиц адсорбента. Однако в кипящем слое уменьшается адсорбционная емкость и коэффициент защитного дейст- вия из-за интенсивного перемешивания частиц по высоте слоя, велик унос сорбента, сложнее конструкция адсорберов.
Если из колонны с неподвижным слоем сорбента отводить отра- ботанный, или так называемый, “мертвый” слой и одновременно вво- дить в нее такое же количество свежего сорбента, то колонна будет ра- ботать непрерывно. В таких установках с движущимся слоем адсор- бента процесс адсорбции и регенерации идет непрерывно, что позволя- ет значительно интенсифицировать процесс очистки.
|
|
|
|
|
|
