Использование дешевых сорбентов и отходов

 

Идея о применении дешевых углеродных, органических и минеральных сорбентов, а также различного типа отходов для очистки воды всегда актуальна из-за низкой рентабельности систем очистки сточных вод.

Небольшие количества углеродных сорбентов изготавливают из бытовых и промышленных отходов. Метод их получения, в общем, аналогичен производству крупносерийных сорбентов и включает карбонизацию и активацию сырья, хотя технология значительно упрощена. Чрезвычайно дешевое сырье (старые шины, сельскохозяйственные отходы, глина) позволяет получать сорбенты для однократного применения. Резину карбонизуют, измельчают, смешивают с гипсом, растворимым стеклом и водой, гранулируют и сушат, а карбонизованные кочерыжки измельчают и добавляют при флотационной очистке стоков от СПАВ.

Своеобразное решение проблемы сорбционной предочистки высоко концентрированных сточных вод — использование АУ уже отработанных в основном производстве. В фармацевтической промышленности отработанный уголь ОУ-А (0,2 – 1 т/сут) способен извлекать 60 – 82% органических загрязнении из стоков.

Эффективными углеродными сорбентами являются кокс и отходы его производства (пыль, полукокс, некондиционный продукт, шлаки). Емкость таких сорбентов сравнительно невелика (0,1 – 10 мг/г), но низкая стоимость делает рентабельным использование их для очистки воды.

Некоторые виды буроугольного кокса (БК) крупностью 2 – 7 мм, являются высокоэффективными сорбентами для извлечения органических загрязнений из воды. Так, при очистке сточных вод обогатительной фабрики от катионного деэмульгатора (  и  мг/дм³) сорбционная способность БК угля АГ-3 совпадает. На БК также можно обесцвечивать сточные воды текстильных предприятий. В динамически условиях обесцвечивание воды дает в 3 – 6 раз больший эффект, чем в статических.

БК может очищать и обесцвечивать иловую воду, образующуюся при тепловой обработке осадков, ХПК которых 20 г/дм³, а темно-бурая окраска требует 1500 – 3000-кратного разбавления перед сбросом. Возврат этих вод на биологическую очистку увеличивает объем аэротенков на 15%. Сравнение адсорбционных характеристик БК и угля АГ-3 при очистке иловой воды показало, что с учетом низкой стоимости БК его применение целесообразно на небольших установках, где отработанный сорбент выгодно не регенерировать, а сжигать, так как емкость его в 3 – 5 раз ниже, чем АГ-3, но стоимость ниже в 10 – 15 раз.

Топливные шлаки без какой-либо дополнительной обработки можно применять в качестве сорбентов. Фильтрование сточных вод через загрузку из шлаков позволяет снижать ХПК промышленных стоков после БХО от 90 – 100 до 18 – 20 мг/дм³.

В доочистке сточных вод можно непосредственно использовать ископаемые угли без какой-либо обработки. Сорбционная способность ископаемых углеродсодержащих материалов падает с увеличением степени их метаморфизма. Поэтому обычно сорбционная способность уменьшается в последовательности: торф – бурый уголь – каменный уголь – антрацит. В районах добычи торфа его можно с успехом использовать для удаления красителей и СПАВ из сточных вод предприятий текстильной промышленности. Сорбционная емкость его по СПАВ типа НП-1 и ОП-10 достигает 70 – 150 мг/г.

С развитием нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности возникла проблема защиты рек, озер и морей от загрязнения нефтепродуктами. В результате аварий и мойки танкеров, а также при перегрузке и очистке их в моря и океаны попадает примерно 2 млн. т нефти в год. Поэтому задача очистки природных и сточных вод от нефтепродуктов приобрела большое значение и выделилась в особую проблему. Только отработанный моющий раствор на танкере после его предварительной очистки содержит 20 – 100 мг/л нефтепродуктов, а при нарушении технологического режима – значительно больше. При аварийных загрязнениях нефтью больших акваторий Мирового океана ликвидация их невозможна без применения дешевых сорбентов.

Сорбционные методы очистки воды от нефтепродуктов в данном случае развиваются в трех направлениях:

- распределение тонкодисперсных материалов на большой поверхности воды (моря) с последующим их сбором;

- обработка загрязненных поверхностей воды фиксированными сорбционными материалами вне судна или установки;

- очистка в специальных установках (судах) поверхностных трюмных и сточных вод.

Тонкодисперсный плавающий сорбент равномерно распределяют по поверхности воды с судов и самолетов. По истечении времени, необходимо для насыщения сорбента нефтепродуктами (0,1 – 0,3 г/г), его собирают специально приспособленными судами. Повторно использовать сорбент, как правило, не удается, поэтому применяют только дешевые материалы: цементный порошок с объемной массой ~1 г/см³ и пористостью 30 – 90%, сорбирующий нефть от 100 до 300 мг/г; предварительно вспененные порошкообразные перлит и вермикулит, пропитанные при 90ºС катионными СПАВ (с галогенными и фосфатными группами; тонкоразмолотые древесные опилки, пропитанные парафинами; кусочки гидрофобных пористых синтетических полимеров; тонкодисперсные отходы горнодобывающей промышленности и переработки минерального сырья, связанные глиной или жидким стеклом в частицы с пористостью до 70%.

При очистке от нефтепродуктов ограниченной водной поверхности изготавливают крупные блоки или маты, содержащие сорбент, и специально крепят их вне судна. Обычно в качестве сорбента используют волокнистые материалы с развитой поверхностью, способные вызвать коалесценцию мелких капель нефти. Маты из сухой травы и соломы, пряжи, тканей, пропитанных для придания механической прочности и гидрофобности расплавом синтетических смол или эмульсиями латекса, пригодны для однократной очистки поверхности воды.

Природные материалы (глины, цеолиты) также используют для очистки сточных вод от СПАВ, красителей, ядохимикатов и других органических примесей. Кинетика сорбции СПАВ на природных цеолитах и глинах требует длительного (до 30 мин) контакта их с водой.

Наибольшее распространение природные неуглеродные сорбенты получили для обесцвечивания воды. Катионные красители, широко применяемые для окраски текстиля, как правило, биохимически неокисляемы и присутствуют в стоках в концентрации до 30 – 50 мг/дм³.

Природные материалы и взвешенные в воде вещества (торф, глины, гумус, бентониты, почва) часто независимо от состава представляют собой хорошие сорбенты для труднорастворимых хлорорганических ядохимикатов. В частности, почва с размером частиц 50 – 80 мм сорбирует до 70% пестицидов любого состава. Гранулированные суглинки, используемые для доочистки сточных вод (Э = 90 – 99%), способны восстанавливать свою сорбционную способность при длительном (~ 120 сут) отстаивании. [6]

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Органические вещества, образующиеся в водоемах или попадающие в них из окружающей следы, ухудшают ее органолептические показатели – цветность, запах, вкус. Поэтому проблема полной очистки воды от растворенных в ней органических веществ является одной из наиболее важных и одновременно трудно решаемых. Несмотря на огромное число отечественных и зарубежных разработок, данную проблему нельзя считать решенной. Причин этому несколько. Во-первых, многообразие систем по химическому составу и условиям образования и существования требует проведения индивидуальных исследований для каждого конкретного случая, что не всегда возможно. Во-вторых, технология достаточно полной очистки воды, как правило, диктует соблюдение особых условий, которые трудно выполнимы на практике. В-третьих, многие эффективные способы глубокой очистки сопряжены с большими экономическими и ресурсными затратами, использованием дефицитных реагентов с последующей их регенерацией, утилизацией или захоронением отходов. Для очистки больших объемов воды эффективнее используется адсорбционный метод.

Адсорбционная очистка эффективна во всем диапазоне концентраций растворенной примеси, однако ее преимущества проявляются наиболее полно по сравнению с другими методами очистки при низких концентрациях загрязнений. Преимущества адсорбционной очистки воды следующие: простота реагентного хозяйства, сохранение постоянства состава воды, высокий эффект дезодорации воды, возможность улавливания нежелательных органических примесей и снижение бактериального загрязнения.

Широкое внедрение метода адсорбции на наших водопроводах требует решения ряда вопросов, главными из которых являются:

- выбор места ввода адсорбента;

- способ его дозирования;

- обеспечение условий безопасности труда.

В России отсутствует производство специальных сортов активированных углей, обладающих высокой адсорбционной емкостью по отношению к органическим веществам, обусловливающим привкусы и запахи воды. Поэтому, несмотря на преимущества метода адсорбции, он мало используется в нашей стране.

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ЗАДАЧА 1

 

При адсорбции фенола С₆Н₅ОН на активном угле КАД при 25°С были получены следующие данные:

 

С, ммоль/л	0	4	8	16	24	32
А, ммоль/г	0,5	1,5	1,8	2	2,3	2,5

 

Определить значения констант в уравнениях Лэнгмюра и Фрейндлиха. Определить область применимости уравнения Фрейндлиха.

Решение:

1. Построим по исходным данным график  и проведем его линейную аппроксимацию:

 

Линейная форма уравнения Лэнгмюра имеет вид:

 

                   (2)

где  – удельная адсорбция, ммоль/г;

 – предельная адсорбция, ммоль/г

 – равновесная концентрация адсорбата, ммоль/л;

– адсорбционная константа.

Найдем константы уравнения Лэнгмюра:

А_пр = 2,554 мммоль/г

k = 0,4292

2. Для определения констант Фрейндлиха построим график функции

 

 

Из полученного уравнения найдем константы уравнения Фрейндлиха, имеющего вид:

где  и  – константы.

К = 1,3618

1/n = 0,1489

3. Найдем значения удельной адсорбции по выведенному уравнению Фрейндлиха А_ф (ммоль/г) и построим сводную таблицу:

 

4. Построим зависимости удельной адсорбции от равновесной концентрации сорбируемого компонента, построенные по выведенному уравнению Фрейндлиха и по экспериментальным данным:

 

 

Сопоставив диаграмму, построенную по экспериментальным точкам с графиком, построенным по уравнению Фрейндлиха, можно сказать, что данное уравнении адсорбции фенола на активном угле КАД применимо для концентраций С = 8 ÷ 24 ммоль/л.

 

ЗАДАЧА 2

 

Адсорбция фенола на активном угле в области равновесных концентраций 0,1 – 1 ммоль/л описывается уравнением Фрейндлиха . Используя эту информацию, определите константы в уравнении Лэнгмюра и постройте изотерму адсорбции для всей области равновесных концентраций

Решение:

1. Найдем значения  и , используя заданное уравнение Фрейндлиха:

 

2. Определим константы в уравнении Лэнгмюра. Для этого построим по найденным значения точечный график  и проведем его линейную аппроксимацию:

 

 

Найдено уравнение, характеризующее данную линию тренда:

Уравнение Лэнгмюра, преобразованное в линейную форму имеет вид:

 

 

где  – удельная адсорбция, ммоль/г;

– предельная адсорбция, ммоль/г;

– равновесная концентрация адсорбата, ммоль/л;

 – адсорбционная константа.

Исходя из полученного уравнения определяем константы Лэнгмюра:

3. Построим график уравнения адсорбции для всей области равновесных концентраций :

 

 

ЗАДАЧА 3

 

Изотерма адсорбции бензойной кислоты на активном угле БАУ при 25°С описывается уравнением Лэнгмюра . Рассчитать массу активного угля, обеспечивающего очистку 0,25м³ раствора от бензойной кислоты до ее остаточной концентрации 0,01 ммоль/л, если исходная концентрация бензойной кислоты составляет 0,25 ммоль/л. Какова остаточная концентрация (мг/л) бензойной кислоты в растворе после его адсорбционной очистки?

Решение:

1. Найдем значение адсорбции, соответствующее необходимому значению остаточной концентрации бензойной кислоты в растворе:

2. Найдем массу необходимого адсорбента:

 

 

3. Найдем остаточную концентрацию бензойной кислоты (мг/л):

 

ЗАДАЧА 4

 

Адсорбция нитробензола и анилина на древесном угле описывается уравнениями Фрейндлиха соответственно  и . Используя эту информацию, определите, как изменится величина адсорбции ЗВ, если весь нитробензол будет восстановлен до анилина.

Решение:

Уравнение Фрейндлиха имеет вид:

 

 

График зависимости имеет степенной вид. И значения адсорбции А тем больше, чем больше К. Следовательно, величина адсорбции анилина будет меньше, чем нитробензола. Таким образом, если весь нитробензол будет восстановлен до анилина, что величина адсорбции уменьшится.

Чтобы представить это наглядно, возьмем область равновесных концентраций в пределах 0,1 – 1,0 ммоль/л и построим изотермы адсорбции:

 

 

ЗАДАЧА 5

 

Используя справочные данные, расположите в ряд по мере уменьшения сорбционной способности на активных углях следующие соединения: а) хлорбензол, толуол, анилин, бензойная кислота, фенол, нитробензол; б) метанол, этанол, изопропанол, н-пропанол, н-бутанол; в) н-пентан, н-гексан, н-гептан, н-октан, н-декан.

Решение:

Так как , то чем меньше значение , тем лучше сорбируется вещество.

а) хлорбензол С₆Н₅Cl       

толуол            C₆H₅CH₃          

анилин            C₆H₅NH₂          

бензойная кислота      C₆H₅COOH

фенол              C₆H₅OH     

нитробензол   C₆H₅NO₂   

Ответ: фенол, толуол, анилин, хлорбензол, бензойная кислота, нитробензол.

б) метанол СН₃ОН                    

этанол   СН₃-СН₂-ОН           

изопропанол    СН₃-СН(СН₃)-СН₂ОН

н-пропанол                                  СН₃-СН₂-СН₂-ОН                       

н-бутанол СН₃-СН₂-СН₂-СН₂ОН

Ответ: метанол, этанол, н-пропанол, н-бутанол, изопропанол.

в) н-пентан        С₅Н₁₂              

н-гексан             С₆Н₁₄              

н-гептан             С₇Н₁₆              

н-октан              С₈Н₁₈              

н-декан              С₁₀Н₂₂             

Ответ: н-пентан, н-гексан, н-гептан, н-октан, н-декан.

 

ЗАДАЧА 6

 

Активная поверхность активированного древесного угля достигает 1000 м² на 1 г угля. Рассчитать, сколько мг фосгена (СОCl₂) поглотится поверхностью 10 м² угля, если 1 г угля адсорбирует 440 см³ газа (н. у.)?

Решение:

1. По условию 1 г угля = 1000 м².

Составим пропорцию:

 

1000 м² АУ– 440 см³ фосгена

10 м² – х см³

 - объем фосгена, поглощенный 10 м² угля.

 

2. Найдем число молей фосгена в полученном объеме:

 

 

Найдем массу фосгена, адсорбированного древесным углем:

 

 

ЗАДАЧА 7

 

1 г Силикагеля имеет активную поверхность, равную 465 м². Рассчитать, сколько молекул брома поглощается 1 см² поверхности адсорбента при адсорбции на 10 г силикагеля 5 мг Br₂?

Решение:

1. По условию 1 г силикагеля = 465 м². Найдем массу адсорбента, с активной поверхностью 1 см²:

 

1 г – 465·10⁴ см²

х – 1 см²

 

2. Найдем массу брома, поглощаемого 1 см² поверхности силикагеля:

 

10 г силикагеля – 5 мг Br₂

2·10^{-7 г – х}

 

3. Найдем число молей брома в найденной массе:

 

 

Найдем число молекул брома:

 

 

Список используемой литературы

 

1. Ахманов М. "Вода, которую мы пьем" С-Пб.: Невский проспект, 2002

2. Когановский А.М., Клименко Н.А и др. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. – М.: Химия, 1983. – 288 с., ил.

3. Мешалкин А.В., Дмитриева Т.В., Стрижко Л.С. Экохимический практикум/Под общей ред. А.П. Коржавого. – М.: «САЙНС-ПРЕСС», 2002. – 240 с.: ил.

4. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. Л., Химия, 1977. 464 с.

5. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. Л., Химия, 1982, 168 с.

6. "Физическая химия" т.1, М.: Высшая школа, 2001 под редакцией Краснова К.С.

7. Фрог Б.Н., Левченко А.П. "Водоподготовка" М.: ИМГУ, 1996

8. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М.: Альянс, 2004

9. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М. Высшая школа, 2004.

Предыдущая12345678Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: