2. Адсорбция

   1. 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 d_з=2,5 мм. При меньших значе- ниях процесс лимитируется по внешнедиффузионной области, при больших - во внутридиффузионной.