Адсорбенты и их свойства
Адсорбенты, применяемые для очистки воды, представляют собой измельченные порошкообразные материалы или гранулы диаметром 0,5–1,0 мм. Порошкообразыне адсорбенты добавляют в воду, которая находится в осветлителе. Гранулированные адсорбенты используют в аппарате, имеющем устройство, подобное напорному фильтру.
В качестве сорбентов используют активные угли, отходы производства (золу, шлаки, опилки, бурый уголь, торф, коксовую мелочь). Отходы производства, используемые в качестве адсорбентов, обладают худшими характеристиками в сравнении с активным углем, но имеют меньшую стоимость. Кроме того, эти сорбенты не регенерируют, что дополнительно удешевляет процесс. Кроме того, применяются, но значительно реже, различные сорта глин, активированные оксиды железа и алюминия (гидраты окислов).
Для адсорбции органических веществ должны применяться, прежде всего, углеродистые пористые материалы (различные активные угли) или синтетические материалы. Полярные гидрофильные материалы (глины, силикагели, гидраты окислов) для этого непригодны, так как энергия взаимодействия с молекулами воды почти равна или выше энергии адсорбции молекул органических веществ.
Наиболее универсальными из адсорбентов являются активные угли.
Угли, используемые для очистки сточных вод, должны обладать определенными свойствами:
угли должны быстро смачиваться водой;
быть относительно крупнопористыми, чтобы их поверхность была доступна для больших и сложных органических молекул;
должны иметь высокую адсорбционную емкость при малом времени контакта с водой;
высокую селективность;
малую удерживающую способность при регенерации;
должны быть прочными, не подвергаться истиранию и быть инертными по отношению к адсорбату и растворителю (воде).
Количество извлекаемых из воды примесей зависит от природы сорбента и примесей, от площади поверхности сорбента, на которой идет сорбция, условий проведения процесса.
Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств адсорбента является изотерма адсорбции. Изотерма адсорбции характеризует зависимость количества адсорбированного вещества А от его равновесной концентрации в растворе Ср. Типы возможных изотерм адсорбции представлены на рисунке. Вещества, хорошо сорбируемые из водных растворов, имеют выпуклую изотерму адсорбции, а плохо сорбируемые – вогнутую.
Рисунок 5. – Изотермы адсорбции:
1 – резковыпуклая, 2 – выпуклая, 3 – линейная, 4 – S-образная, 5 – вогнутая
Величину адсорбции А (мг/г) рассчитываю по формуле:
,
где С0 – исходная концентрация извлекаемого вещества, мг/л;
Ср – равновесной концентрации извлекаемого вещества, мг/л;
V – объем обрабатываемого раствора, л;
m – масса активного угля, г.
Виды адсорбционной очистки
В зависимости от условий проведения процесса различают:
сорбцию в статических условиях;
сорбцию в динамических условиях.
Сорбция в статических условиях заключается в контактировании воды с определенным количеством адсорбента в течение некоторого времени и с последующим отделением отработанного сорбента путем фильтрования, отстаивания и т.д. Последовательным введением в отделяемую воду новых порций сорбента можно достичь практически любой заданной степени очистки или концентрации извлекаемого компонента. Для интенсификации процесса сорбции осуществляется интенсивное перемешивание адсорбента с водой.
Сорбция в статических условиях осуществляется периодически. Процесс проводят в одну или несколько ступеней.
Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства.
Многоступенчатая схема адсорбции позволяет проводить процесс очистки более эффективно. В такой схеме новая порция адсорбента приводится в контакт с уже частично очищенной водой. Многоступенчатая схема позволяет значительно сократить расход сорбента по сравнению с одноступенчатой адсорбцией при сохранении эффективности очистки. Чаще всего многоступенчатая схема очистки применяется в случаях, когда использованный адсорбент не регенерируется.
Сорбционная установка с последовательным введением сорбента:
1, 2 – подача соответственно сточной воды и сорбента; 3 – резервуары с перемешивающим устройством; 4 – отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 5 – выпуск обработанной сточной воды; 6 – выпуски отработанного сорбента
Существует схема многоступенчатой адсорбции с противоточным введением адсорбента. Адсорбент вводят однократно в последнюю ступень, и он движется навстречу сточной воде. По этой схеме процесс очистки ведут непрерывно, т.е. периодическая схема адсорбции превращается в схему многоступенчатой противоточной адсорбции. Такая схема позволяет проводить очистку воды при значительно меньшем расходе адсорбента, чем по схеме с последовательным введением сорбента. Однако, такая установка дороже и сложнее в эксплуатации.
1
Сорбционная установка с противоточным введением сорбента:
1 – подача сточной воды; 2 – резервуары с перемешивающим устройством; 3 – отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 4 – подача сорбента; 5 – выпуск обработанной сточной воды; 6 – резервуар для сбора сорбента; 7 – насосы для перекачки сорбента; 8 – выпуск отработанного сорбента
Сорбцию в статических условиях в аппаратах с псевдоожиженным слоем применяют при использовании мелкозернистого (0,25–0,3 мм) и пылевого (0,04 мм) адсорбента для сорбции из трудно фильтруемых сточных вод. В псевдоожиженном слое частицы сорбента в меньшей степени заиливаются взвешенными веществами, содержащимися в воде.
Псевдоожижение слоя наступает при повышении скорости потока сточной воды, проходящей снизу вверх, до такой величины, при которой зерна расширившегося слоя начинают интенсивно и беспорядочно перемещаться в объеме слоя, сохраняющего постоянную для данной скорости высоту.
На рисунке изображен одноступенчатый аппарат непрерывного действия со взвешенным слоем адсорбента. В нижнюю часть аппарата через центральную трубу либо через боковой патрубок, подсоединенный к конусному днищу, поступает сточная вода. Сорбент в виде 5–20%-ной суспензии поступает в верхнюю расширенную часть центральной трубы, где сточная вода смешивается с углем. Образовавшаяся суспензия поступает через диффузор под решетку, продавливается через ее отверстия и задерживается в нижней части псевдоожиженного слоя угля, который находится в колонне. Обработанная сточная вода отводится в верхний кольцевой желоб.
Адсорбер непрерывного действия со взвешенным слоем:
1 – подача сточной воды; 2 – подвод сорбента; 3 – вывод очищенной воды; 4 – вывод угольной суспензии; 5 – сборник отработанного сорбента; 6 – решетка; 7 – корпус; 8 – отстойная зона
Сорбция в динамических условиях заключается в фильтровании жидкости через слой адсорбента до проскока в фильтрат извлекаемых веществ в количестве, превышающем заданный по технологическим условиям предел, например, до появления в фильтрате концентрации вещества, превышающего его ПДК в водоеме, либо допустимый уровень содержания органических веществ в технической воде в случае возврата очищенных стоков на предприятии.
Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента являются достаточно простыми и надежными аппаратами, поэтому широко применяются в технологии очистки сточных вод. Такие аппараты используются на установках большой и малой производительности для очистки общезаводских промышленных сточных вод, а также для доочистки биологически очищенных стоков.
Сорбция в динамических условиях является более эффективной, так как при фильтровании воды через слой сорбента достигается практически полное извлечение примесей. С экономической точки зрения сорбция в динамических условиях предпочтительна потому, что позволяет более полно использовать сорбент и реже проводить его регенерацию.
Существует два типа аппаратов с неподвижным слоем адсорбента:
открытые (безнапорные) адсорберы, выполненные в виде резервуаров прямоугольного или круглого сечения (;
закрытые (напорные) адсорберы, представляющие собой стальные цилиндрические колонны.
Каждый аппарат оборудуется необходимым числом задвижек и вентилей для управления работой аппарата, отбора проб воды и выпуска воздуха или газов, попадающих в адсорбер вместе с очищаемой водой.
Безнапорный железобетонный адсорбер:
1 – корпус; 2 – активированный уголь; 3 – желоб для сбора очищенной воды; 4 – дренажная система; 5 – поддерживающие гравийные слои; 6 – трубопроводы поверхностной промывки слоя адсорбента; 7 – трубопровод подачи очищаемой сточной воды; 8 – трубопровод отвода очищенной воды; 9 – трубопровод подачи взрыхляющей воды
Схема вертикального напорного адсорбера:
1 – корпус; 2 – неподвижный слой активированного угля; 3 – отбойник; 4 – трубопровод подачи очищаемой сточной воды; 5 – трубка для сброса воздуха; 6 – люк; 7 – трубопровод гидровыгрузки активированного угля; 8 – трубопровод отвода очищенной воды; 9 – трубопровод подачи взрыхляющей воды; 10 – распределительная система труб
Направление движения жидкости в адсорберах с неподвижным слоем может быть как сверху вниз, так и снизу вверх:
при фильтровании воды сверху вниз верхний слой активированного угля наряду с поглощением растворенных органических загрязнений задерживает высокодисперсные взвеси, если предварительно они не были удалены из сточной воды. Накопление осадка в слое загрузки является крайне нежелательным явлением, т.к. вследствие этого уменьшается свободный объем межзернового пространства слоя угля и увеличивается гидравлическое сопротивление загрузки;
направление фильтрования снизу вверх является наиболее рациональным, т.к. в этом случае происходит равномерное заполнение всего сечения колонны и относительно легко вытесняются пузырьки воздуха или газов, попадающих в слой сорбента вместе со сточной водой. В адсорберах с движением очищаемой воды снизу вверх приходится производить отмывку всего неподвижного слоя в случае его загрязнения тонкодисперсной взвесью.
Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно работающих секций, состоящих из 3–5 последовательно расположенных фильтров. При достижении предельного насыщения головной фильтр отключается на регенерацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени.