Сорбционный метод. Что такое сорбционная очистка воды? Сорбционная очистка сточных вод схема

Процесс сорбции представляет собой поглощение одной средой - жидкостью или твердым телом других окружающих сред - веществ, газов или других жидкостей. То вещество, которое поглощает окружающую среду - сорбент . Вещество, газ, или жидкость, которые поглощаются сорбентом, называют сорбатом или сорбтивом.

Явление сорбции подразделяют в зависимости от механизма поглощения одних сред другими на адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.

Адсорбция и абсорбция различаются по тому, каким образом одно вещество распределяется в другом. При абсорбции поглощение и распределение вещества происходит по всему объему жидкого абсорбента. При адсорбции твердый, жидкий или газообразный сорбат скапливается на поверхности раздела фаз адсорбента (на поверхности твердого вещества или жидкости).

1. Выделяют физическую адсорбцию, при которой скопление веществ на поверхности адсорбента происходит вследствие неспецифических межмолекулярных сил, не зависящих от природы веществ.
2. Хемосорбция (или химическая адсорбция) - это сорбционные процессы, при которых происходят химические превращения между сорбентом и поглощаемым веществом.
3. Адсорбция растворенных в жидкости веществ на поверхности твердого сорбента происходит по причине разности межмолекулярных сил на поверхности раздела фаз. При адсорбции выделяют два вида взаимодействия между молекулами :
   • молекулы растворенного вещества взаимодействуют с молекулами или атомами поверхности адсорбента;
   • молекулы растворенного вещества взаимодействуют с водой в процессе гидратации.
   Конечная сила удержания вещества на поверхности адсорбента складывается из разности указанных выше сил межмолекулярного взаимодействия. При повышении энергии гидратации молекул растворенного вещества ослабляется адсорбция вещества из раствора, поскольку в этом случае молекулы растворенного вещества испытывают более сильное противодействие.

Понятия статической и динамической сорбции

При статической сорбции поглощаемое вещество в виде газа или жидкости контактирует или перемешивается с неподвижно расположенным сорбентом. Статическая сорбция реализуется в оборудовании с перемешивающими устройствами.

При динамической сорбции через слой сорбента пропускается поглощаемая подвижная жидкая или газообразная фаза. Динамическая сорбция реализуется в аппаратах с псевдоожиженным слоем и фильтрах разного типа.

В зависимости от вида сорбции можно выделить статическую и динамическую активность сорбента. Статическая активность сорбента - это количество поглощенного вещества, отнесенное к единице массы сорбента к моменту достижения равновесия. Условия, при которых достигается равновесие - постоянная температура жидкости и начальная концентрация вещества.

Динамическая активность сорбента определяется либо как время от начала пропускания поглощаемого вещества до его проскока, то есть выхода за слой сорбента, либо как предельное количество вещества, поглощенной на единицу объема или массы сорбента до момента проскока поглощаемого вещества через слой сорбента.

В адсорберах промышленного типа динамическая активность сорбента находится в диапазоне 45-90% .

В реальных условиях сорбционные процессы протекают по динамическому типу, так как это более приемлемо для автоматизации производственного процесса и его непрерывности.

Связь между количеством поглощенного сорбентом вещества и веществом, оставшимся в растворе в момент равновесия, подчиняется закону распределения.

Характеристики, которые влияют на скорость процесса адсорбции :

• концентрация сорбата;
• природа и химическое строение растворенного вещества;
• температура воды;
• вид и свойства адсорбента.

Процесс адсорбции состоит из трех этапов :

• перенос содержащихся в растворе веществ к поверхности зерен адсорбента (к внешнедиффузионной области);
• процесс адсорбции;
• перенос вещества внутри зерен адсорбента (к внутридиффузионной области).

Считается, что адсорбция протекает с большой скоростью и стадия адсорбции не лимитирует скорость процесса. Поэтому в качестве лимитирующей стадии рассматривают либо внешнюю, либо внутреннюю диффузию. Могут быть случаи, когда процесс лимитируют обе диффузионные стадии.

В области внешней диффузии скорость переноса массы вещества зависит от величины турбулентности потока, то есть от скорости течения жидкости.

Интенсивность массопереноса во внутридиффузионной области во многом зависит от характеристик адсорбента - его вида, размера пор, формы и размера зерен, от размера молекул поглощаемого вещества, от коэффициента массопроводности.

Можно выявить условия, при которых очистка сточных вод адсорбцией идет с оптимальной скоростью.

Гидродинамический режим адсорбции должен лимитироваться в области внутренней диффузии. Сопротивление внутридиффузионной области уменьшается при подборе адсорбента с нужной структурой и с уменьшением размеров его зерен.

Приблизительные параметры скорости и диаметра зерна адсорбента принимаются равными 1,8 м/ч и d з = 2,5 мм соответственно. Если диаметр зерен d з меньше рекомендуемого, процесс лимитируется по области внешней диффузии, если больше - во внутридиффузионной области.

Argel

Февраль 3, 2005

В настоящее время для очистки промышленных сточных вод используются различные технологии. В наиболее распространенной является реагентная, при которой ионы тяжелых металлов (Cr 3+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ , Fe 3+ и др.) с помощью щелочного реагента переводятся в практически нерастворимые гид­роксиды этих металлов и выделяются из водной среды отстаиванием и фильтрованием. В качестве щелочных реагентов, вво­димых в очищаемый сток, ис­пользуются сода (кальцинированная или каустическая) или гашеная известь Са(ОН) 2 (известковое молоко).

Реагентный метод очистки сточных вод имеет ряд недостатков.

Во-первых, кон­центрация ионов тяжелых металлов и водородный показатель (рН) в сточных водах постоянно изменяются. Технология корректировки рН весьма инерционна и не может обеспечить своевременное изменение требуемой дозы щелочного реагента. Это обстоятельство приводит к неполному переводу ионов тяжелых металлов в их гидроксиды и проскоку этих ионов за пределы очистных сооружений в составе очищенных сточных вод. Причем концентрации тяжелых металлов при их проскоках в виде ионов могут в десятки раз превышать ПДК. Во-вторых, при применении реагентов возрастает и без того высокое солесодержание очищенных сточных вод, что может служить дополнительным препятствием при повторном их использовании в технологических операциях.

Перевод ионов тяжелых металлов в их гидроксиды сам по себе хороший технологический способ, но реализация его посредством добавления щелочного реагента с последующим отстаиванием и фильтрованием через обычные песчаные фильтры значительно снижает эффективность и надежность Как правило, очищенные сточные воды повторно использоваться не могут из-за низкого их качества.

Проблема обеспечения высококачественной очистки загрязненных сточных вод должна решаться путем упрощения технологической схемы, конструктивного оформления и эксплуатации водоочистных сооружений при одновременном повышении степени очистки, универсальности, надежности, а также экологической безопасности технологического процесса, возможности максимальной и даже полной автоматизации его.

В свете изложенных требований среди известных методов очистки сточных вод гальванических цехов до заданных нормативов (ионообменный, мембранный, сорбционный) наи­более перспективным представляется сорбционный при условии, что применяемый в технологическом процессе очистки адсорбент способен длительное время (месяцами и даже годами) выполнять свои функции водоочистителя, т. е. очищать фильтруемую через него воду от всего комплекса находящихся в ней вредных примесей при восстановлении сорбционной активности адсорбента посредством регенерации, осуществляемой непосредственно в фильтровальном сооружении.

Сорбционный метод очистки природных и сточных вод с использованием активированных углей и цеолитов известен давно. Однако широкого распространения он не нашел вследствие того, что данные адсорбенты являются фильтрующими материалами разового использования. Регенерация активированных углей и цеолитов дорогостоящая и трудоемкая операция и в условиях действующих водоочистных сооружений практически не осуществима, потому что требуются выгрузка материала из фильтра, активация его за пределами водоочистной станции на специальной установке, доставка отрегенерированного материала обратно на водоочистную станцию и загрузка его в фильтровальное сооружение. Если пойти по пути разового использования адсорбентов, то кроме колоссальных затрат на замену материала возникает вероятность экологической опасности, так как для надежного захоронения отработанного загрязненного адсорбента в огромном количестве требуются большие экономические затраты.

Недостатки сорбционного метода очистки сточных вод

Эксплуатационные и экономические недостатки сорбционного метода очистки природных и сточных вод традиционными адсорбентами устраняются при использовании в технологическом процессе водоочистки адсорбента, обладающего высокой поверхностной активностью зерен, позволяющего восстанавливать сорбционную способность посредством технологически не­сложной, непродолжительной по времени регенерации, проводимой непосредственно в фильтровальном сооружении. Наиболее эффективной основой для получения адсорбентов с целенаправленно ре­гулированными свойствами могут служить алюмосиликатные минералы, так как в их структуру можно вводить практически любые добавки органического и минерального происхождения, которые будут придавать поверхности зерен требуемые свойства.

Отличительным и положительным свойством этих минералов является «дефектность» их кристаллической решетки и способность к катионному замещению. Слоистая тетраэдооктаэдрическая структура алюмосиликатов позволяет принимать катионы не только в свою кристаллическую решетку, но и в межслоевые и межплоскостные пространства, а также на базальные плоскости частиц минерала. В качестве таких обменных ка­тионов могут служить магний и кальций, которые имеют слабые связи с поверхностью частиц ми­нерала и в водной среде достаточно легко переходят в раствор.

Катионы магния и кальция, как показали многолетние иссле­дования на кафедре «Водоснабжение и водоотведение» Пе­тербургского государственного университета путей сообщения, выполняют основную роль в ходе процесса сорбционного извлечения загрязнений сточных вод, участвуя вначале (посредством химического воздействия) в образовании новых соединений, а затем в создании коллоидных структур этих соединений на по­верхности зерен адсорбента и в межзерновом поровом пространстве. Поэтому при изготовлении алюмосиликатного адсорбента в сырье в качестве активирующей добавки вводят соединения магния и кальция.

Важными технологическими особенностями активированного алюмосиликатного адсорбента являются:

• способность к ионному обмену щелочноземельных и щелочных металлов (Mg 2+ , Ca 2+ , Na +) благодаря «дефектности» кристаллической решетки катионита, из которого изготавливается адсорбент;
• увеличение водородного показателя до 9 в профильтрованной через адсорбент воде;
• возникновение положительного ζ -потенциала на границе раздела «зерно адсорбента – жидкость» при фильтровании воды через слой адсорбента;
• восстановление сорбционной активности активированного алюмосиликатного адсорбента по отношению к ионам тяжелых металлов путем регенерации, проводимой непосредственно в фильтровальном сооружении.

При изготовлении активированного алюмосиликатного адсорбента благодаря природной ионообменной способности алю­мосиликатной основы происходит замещение части трехвалентного алюминия катионами магния и кальция, входящими в состав активатора, а также заполнение «вакансий» в узлах кристаллической решетки и в межслоевом пространстве выше­указанными катионами. В результате такого целенаправленного модифицирования и активирования алюмосиликатного сырья получается гранулированный материал, который при фильтровании воды через зернистый слой образует слабощелочную среду и положительный электрокинетический потенциал. Предпосылкой для создания щелочной среды являются оксиды магния и кальция, образующиеся в структуре адсорбента в процессе его изготовления. Оксиды магния и кальция образуют в воде гидроксиды, повышая таким образом рН за счет избытка анионов ОН – . Катионы тяжелых металлов, попадая в щелочную среду, вступают в реакцию и образуют труднорастворимые гидроксиды по схеме:

Ме 2+ + 2ОН – ® Ме(ОН) 2 ¯;

Ме 3+ + 3ОН – ® Ме(ОН) 3 ¯.

Произведение растворимости гидроксидов тяжелых металлов значительно меньше (в десятки и в сотни раз) произведения растворимости гидроксидов магния и кальция, поэтому равновесие химического взаимодействия смещается в сторону образования труднорастворимых гидроксидов тяжелых металлов. Кроме того из адсорбента в воду диффундируют обменные катионы Mg 2+ и Ca 2+ , также способствующие повышению рН среды за счет избыточных анионов ОН – , связываемых в дальнейшем в гидроксиды тяжелых металлов. Диффузия катионов Mg 2+ и Ca 2+ возможна благодаря непрочности связей с кристаллической решеткой катионита. Таким образом, формируются мицеллы гидроксидов тяжелых металлов с дальнейшим укрупнением их в агрегаты, образованием и ростом коллоидной структуры за счет сил электростатического взаимодействия между положительно заряженной поверхностью зерен адсорбента и отрицательно заряженными мицеллами гидроксидов тяжелых металлов.

В процессе фильтрационного извлечения из воды ионов тяжелых металлов активная часть адсорбента, состоящая из катионов магния и кальция, продуцируя в водную среду, постепенно уносится вместе с фильтратом. Наступает момент, когда очистительные (защитные) функции адсорбента становятся недостаточными, и концентрация выносимых с фильтратом ионов тяжелых металлов превышает установленные ПДК. Требуется активация адсорбента, т. е. восполнение ушедших вместе с водой обменных катионов.

При выборе активатора для восстановления сорбционных свойств адсорбента учитывались три наиболее важных фактора:

1. во-первых, активатор должен растворяться в воде, чтобы активацию проводить раствором непосредственно в фильтровальном сооружении;
2. во-вторых, ионообменный катион в ряду активности катионов должен быть расположен выше, чем кальций и магний;
3. в-третьих, этот катион должен обладать щелочными свойствами и быть легко доступным для практического использования. Всем этим условиям в наибольшей степени отвечает катион натрия Na + в составе кальцинированной соды.

Как показала практика эксплуатации, обработка активированного алюмосиликатного адсорбента 3−4-процентным раствором кальцинированной соды в циркуляционном режиме в течение 30-35 мин восстанавливает защитные свойства адсорбента независимо от количества проведенных циклов регенерации, т. е. в течение длительного срока эксплуатации. Восстановление сорбционной активности фильтрующей загрузки осуществляется обработкой 3−4-процент­ным раствором кальцинированной соды в режиме циркуляции с интенсивностью 3 л×с/м 2 . Регенерационный раствор используется многократно. Перед восстановлением необходимо промыть фильтрующую загрузку водой с интенсивностью 14 л×с/м 2 .

В 2004 г. в ГУ «Городской ла­бораторный центр государствен­ного санитарно-эпидемиологиче­ского надзора» (С.-Петербург) были проведены исследования (торговая марка «Глинт»). Для исследования эффективности работы адсорбента «Глинт» в качестве исходной пробы использовалась дистиллированная вода, приготовленная с добавлением реактивов, содержащих металлы: сульфаты никеля, кадмия, марганца, цинка, меди и хрома, железо треххлористое, свинец азотнокис­лый. Как показывают результаты исследований, адсорбент «Глинт» обладает способностью значительно снижать концентрации ионов тяжелых металлов в водных растворах (таблица).

Технология очистки промыш­ленных сточных вод с использованием активированного алюмосиликатного адсорбента реализо­вана:

• для гальванического производства на ФГУП «Рязанский приборный завод»,
• для аккумуляторного завода в ЗАО «Электро­тяга» (С.-Петербург),
• ОАО «Завод по выпуску алмазного инструмента» (г. Томилино Московской обл.),
• АО «Муромский радиозавод» (г. Муром),
• ОАО «Ступинский металлургический комбинат» (г. Ступино Московской обл.),
• ОАО «Измеритель» (г. Смоленск)
• и на ряде других предприятий.

Например, в ОАО «Ступинская металлургическая компания» (г. Ступино Московской обл.) с 2000 г. эксплуатируются напорные фильтры производительностью 3500 м 3 /сут, загруженные активированным алюмосиликатным адсорбентом (пять фильтров по 16 м 2). Состав загрязнений, поступающих на фильтры, мг/л: нефтепродуктыдо 20, Cr 3+ до 10, Cu 2+ до 5, Fe 3+ до 10, Al 3+ до 5, Ni 2+ до 10, Zn 2+ до 5, рН 6-7,5. Состав фильтрата соответствует значениям ПДК вредных веществ для водоемов рыбохозяйственного назначения. Регенерация адсорбента производится через 5-7 суток 3-про­центным раствором кальцинированной соды. Износ адсорбента составляет около 5 %в год. Себестоимость очистки 1 м 3 сточных вод (по данным предприя­тия) – 4,5 руб.

На этом и других предприя­тиях используется активированный алюмосиликатный адсорбент со следующими характеристиками (по ГОСТ 51641−2000 «Материалы фильтрующие зернистые. Общие технические указания»): размер зерна 0,63–2 мм, объемная масса 0,95–1 г/см 3 , измельчаемость до 0,5, истираемость до 5, удельная рабочая по­верхность9-12 м 2 /г, минимальное значение рН фильтруемой воды6.

Выводы

Опыт промышленной эксплуатации указанных объектов показывает, что технологический процесс сорбционной очистки сточных вод отличается надежностью и экономичностью при высоком качестве. Как правило, очищенные сточные воды повторно используются на технологические нужды. Переход предприятий на замкнутый цикл водоснабжения улучшит экологическую обстановку в регионе, обеспечит рациональное использование водных ресурсов.

Е. Г. ПЕТРОВ, профессор (Петербургский государственный университет путей сообщения);
Д. С. КИРИЧЕВСКИЙ, директор ЗАО «Квант Минерал» (С.-Петербург)

Сорбционные фильтры — достаточно востребованные изделия для удаления разнообразных механических и хлорорганических примесей путём поглощения загрязнителя внутренней поверхностью зерна загрузки.

О выборе и установке сорбционных фильтров пойдет речь в этой статье.

Что такое адсорбция

Термином «адсорбция» именуется процесс поглощения загрязнения жидкости поверхностным слоем твёрдого тела. Он основан на диффузии молекул загрязняющих веществ через специальную жидкостную плёнку, которая окружает частицы адсорбента, к поверхности последнего, которая происходит при перемешивании очищаемой жидкости.

Затем диффузия продолжается со скоростью, определяемой строением применяемого адсорбента и величинами молекул собираемых веществ.

Данный процесс наиболее эффективен в тех случаях, когда жидкость имеет низкую концентрацию загрязняющих веществ (на стадии глубокой очистки). В таких случаях эффективность процесса позволяет получить на выходе практически нулевую концентрацию загрязняющих веществ.

Эффективность и скорость адсорбции прямо зависит от:

• структуры сорбента;
• концентрации загрязняющих веществ и их химической природы;
• активной реакции среды;
• температуры.

На сегодняшний день лучшими сорбентами, предназначенными для очистки воды, считаются активированные угли разных марок. Эффективность последних определяется наличием микропор. Суммарный их объём является основной характеристикой и указывается для каждой марки.

При сорбционном процессе должно быть исключено попадание на уголь воды, в которой растворены коллоидные и взвешенные вещества, т.к. они экранируют поры активированного угля. Уголь, потерявший способность к сорбции, заменяют, либо регенерируют.

Добавление озона или хлора (окислителя) до того, как вода поступит на фильтр, увеличивает срок эксплуатации активированного угля до замены, улучшает качество воды на выходе и очищает её от имевшихся соединений азота.

Совместное выполнение озонирования и сорбции позволяет добиться синергетического эффекта, что почти в 3 раза повышает возможности активированного угля.

Если сорбция происходит после предварительно выполненного хлорирования, то из очищаемой жидкости удаляется аммонийный азот.

Если в качестве сорбентов применяются содержащие Mg и Са минералы природного происхождения, либо оксиды алюминия, из воды весьма эффективно удаляются соединения фосфора.

Назначение и область применения

Сорбционные фильтры различных марок используются для осуществления глубокой очистки воды в системах замкнутого водоснабжения, а также для очистки от органических загрязнителей (включая биологически жёсткие) сточных вод.

Очистка с использованием процесса сорбции считается одним из самых эффективных методов проведения тонкой очистки этих вод от загрязнений органического происхождения.

Наиболее эффективна технология при выполнении очистки стоков от красителей, гидрофобных и ароматических соединений группы алифатических, слабых электролитов и т.п.

Метод сорбции не используется для очистки стоков, загрязнённых исключительно веществами неорганического происхождения, либо органическими низкомолекулярными (альдегиды, спирты).

Технологии сорбционной очистки используются как самостоятельно, таки и в блоке с очисткой биологической на этапе глубокой предварительной доочистки.

Классификация установок сорбционной очистки

По типу процесса:

• периодический;

• непрерывный.

По гидродинамическому режиму:

• установки вытеснения;

• установки смешения;

• установки промежуточного типа.

По состоянию слоёв сорбента:

• движущийся;

• неподвижный.

По направлению фильтрации:

• противоточная;

• прямоточная;

• смешенного движения.

По контакту взаимодействующих фаз:

• ступенчатый;

• непрерывный.

По конструкции фильтра:

• колонная;

• емкостная.

Конструкция сорбционного фильтра

Сорбционный фильтр состоит из:

• корпуса, представляющего собой баллон из стеклопластика необходимых размеров;
• неподвижного слоя из активированного угля, имеющего гравийную подсыпку;
• управляющего клапана разных типов (вариант – задвижки механической);
• трубопровода, по которому подаётся сточная вода;
• трубопровода, по которому отводится вода очищенная;
• трубопровода, по которому подаётся вода взрыхляющая;
• дренажно-распределительной системы.

Линейная скорость выполнения фильтрации зависит во многом от степени загрязнения воды, подаваемой на очистку. Её значение может составлять от 1 до 10 м3/час. Размеры зерна сорбента колеблются от 1 до 5 мм.

Наиболее оптимальным вариантом очистки считается фильтрация, в процессе проведения которой жидкость подаётся снизу вверх. При этом равномерно заполняется вся площадь сечения фильтра, а поступившие с водой пузырьки воздуха вытесняются достаточно легко.

Фильтры, имеющие неподвижный слой сорбентов, применяются для регенеративной очистки стоков с одновременным решением задач утилизации имеющихся в них ценных компонентов. Десорбция выполняется с использованием химических растворителей либо водяного пара.

Принцип работы

Рассмотрим принцип работы сорбционного фильтра на примере модели серии ФСБ, используемого в технологических схемах ливневой канализации. Непосредственно на его входе монтируется пескоулавливатель и нефтеулавливатель, что позволяет снизить показатели по указанным типам загрязнений до разрешённых концентраций.

Вода, пройдя описанный выше предфильтр, поступает по подводящей трубе в сорбционный блок. Отсюда, через распределительно-разгрузочную трубу, вода перемещается в нижнюю распределительную зону.

Здесь она равномерно распределяется по всей площади заложенного сорбента, марка и объёмы которого зависят от начальной и конечной концентрации загрязняющих веществ и требуемой производительности. П

осле этого вода восходящим потоком направляется в сборный круговой лоток, а оттуда отводится через патрубок.

Монтаж сорбционного фильтра

Процесс монтажа:

• выкапывается котлован требуемых размеров;
• дно просыпается песком, слой которого достигает толщины 300мм, затем тщательно трамбуется;
• по этой подушке заливается железобетонная плита (300мм и более), геометрические размеры которой определяются величиной «диаметр корпуса фильтра + 1000мм»;
• на плиту строго вертикально монтируется корпус сорбционного блока доочистки;
• для устойчивости в корпус предварительно заливается вода примерно до уровня перфорированного днища;
• чтобы избежать сдвига корпуса при обратной засыпке, его предварительно крепят анкерами;
• слоями по 300мм котлован засыпается песком без камней, с тщательной трамбовкой каждого слоя. Подсыпка завершается после достижения уровня выходного и входного патрубков;
• подключаются трубопроводы (переливной, отводящий, подводящий). Далее процесс засыпки продолжается до верха корпуса фильтра. Необходимо контролировать работу вибратором в местах подсоединения трубопроводов, упомянутых выше, чтобы не повредить их;
• загрузка подаётся внутрь корпуса мешками. Причём следующий подаётся после равномерного распределения содержимого предыдущего по всей поверхности перфорированного днища;
• до момента ввода в эксплуатацию уложенную загрузку требуется тщательно отмыть.

Корпус в обязательном порядке необходимо заполнить загрузкой и чистой водой.

Чтобы выбранный вами сорбционный фильтр удалял максимально возможное количество типов загрязняющих веществ, к угольному фильтру в обязательном порядке следует добавлять различные ионообменные вещества, перечень которых определяется с учётом приоритетных загрязнителей на вашем предприятии (участке).

Выбор сорбентов . Ассортимент сорбентов для предварительной очистки воды, выпускаемых промышленностью, весьма разнообразен. Для очистки воды от органических веществ используют активированные угли, гелевые и макропористые аниониты и др. Активированные угли обладают замедленной кинетикой сорбции из растворов, что требует больших площадей фильтрации, плохой регенерируем остью с помощью реагентов (остаточная емкость после первой регенерации значительно меньше половины исходной), механической непрочностью, высокой зольностью.

Аниониты, особенно макропористые, свободны от многих перечисленных недостатков. Первичный выбор лучших из них проводят в статических условиях при контакте сорбентов с модельными растворами или с данной водой в течение часа.

После отбора лучших образцов (в данном случае ими оказались отечественные сорбенты полимеризационного типа АВ-171 и конденсационного типа ИА-1) проводят кинетические исследования. Их целью является определение характера стадии, лимитирующей процесс, нахождение коэффициентов диффузии и времени установления равновесия. Стадию, лимитирующую процесс, определяют по следующему признаку: если перемешивание раствора способствует ускорению сорбции, это свидетельствует о преимущественном влиянии внешней диффузии; прямое доказательство внутридиффузионного механизма дает опыт с «прерыванием». Если после перерыва возобновить сорбционный процесс и сорбционная активность твердой фазы возрастет, можно с уверенностью говорить о внутридиффузионном характере процесса.

Сорбция гумусовых веществ . Внутридиффузионная кинетика, по данным, лимитирует сорбцию гумусовых веществ, т. е. сорбционную предварительную очистку воды.

Анализ этого уравнения показывает, что потеря защитного действия, выраженная в линейных или объемных единицах сорбента, тем больше (а рабочий период колонки тем меньше), чем больше скорость потока, радиус зерен сорбента и заданная глубина очистки.

Из кинетических опытов определяют коэффициенты диффузии и время установления равновесия в системах ионит-раствор и строят изотермы сорбции. Изотермы сорбции гуминовых и фульвокислот анионитами ИА-1 и АВ-171 описываются уравнением Ленгмюра.

В работах сопоставлены результаты экспериментального определения сорбционнои емкости до проскока гумусовых веществ с сорбционной ёмкостью, рассчитанной по уравнениям; расхождения не превышают 10-15%. Изменяя скорость потока, глубину очистки, радиус зерна сорбента и сам сорбент, можно определить потерю времени защитного действия колонны для каждого варианта. В то же время следует помнить, что это возлагает очень большую ответственность на точность определения коэффициентов диффузии и равновесия в системах сорбент - раствор, дающих исходные данные для расчета динамики сорбции.

Итак, наилучшим сорбентом для предварительной очистки воды оказался макропористый анионит ИА-1, работающий в хлор-форме, при рН очищаемого раствора, равном 3,0-3,5. Что касается размера зерен, его выбор ограничен характером дренажной системы и желательной скоростью пропускания воды.

В природных водах присутствуют гуминовые и фульвокислоты. Первые сорбируются хуже, и их «проскок» практически лимитирует процесс очистки. Поэтому величину следует рассчитывать по содержанию в очищаемой воде гуминовых кислот. Если после коагуляционной очистки они отсутствуют, рабочий период сорбционной колонны рассчитывают по содержанию в воде фульвокислот.

То обстоятельство, что сорбция слабодиссоциирующих гуминовой и фульвокислот идет лучше в кислой среде и на анионите в солевой форме, указывает на неионообменный механизм поглощения этих веществ и подсказывает экономически и технологически выгодную схему предварительной очистки воды. Сорбционную колонну с ионитом ИА-1 следует устанавливать после катионита в Н-форме и следующего за ним декарбонизатора. Это освобождает от необходимости подкислять воду, так как она подкисляется самопроизвольно при катионировании. Таким образом, сорбционная колонна становится составной частью обессоливающей установки. При совмещении коагуляционной очистки с сорбционной вода на 80-85% освобождается от органических примесей. Дальнейшая, более глубокая очистка воды от органических примесей проводится на ионитах обессоливающей части установки.

Извлечение других органических веществ . Поверхностные и артезианские воды содержат органические вещества, относящиеся к различным классам соединений. Установлено, что такие вещества, как сахара, белковоподобные вещества, аминокислоты проходят через систему ионитовых колонн и попадают в глубокообессоленную воду. Причем их количество зависит от состава исходной воды и значительно превышает содержание минеральных примесей. Максимальное извлечение этих веществ из воды в ходе ее предварительной очистки сорбционным методом является необходимым.

В работе сопоставлена способность некоторых активированных углей и макропористых анионитов сорбировать различные аналитически определяемые органические соединения, растворенные в природных водах. Для этого через слой сорбента высотой 60 см со скоростью 7 м/ч пропускали по 100 объемов речных вод после их Н-катионирования, создающего наиболее благоприятные условия для сорбции.

Фульвокислоты извлекаются лучше смолами, чем углями, причем емкости ионообменников по фульвокислотам практически одинаковы. Но и в этом случае применение ионита ИА-1 целесообразнее, так как он регенерируется легче и с меньшими расходами реагентов.

Второй очень значительной группой соединений, которые, попадая в глубокообессоленную воду, могут влиять на ее удельное электрическое сопротивление, являются карбоновые кислоты. Для их сорбции наиболее пригодны уголь СКТ-ВТУ-2 и анионит АВ-171. Из этих двух сорбентов предпочтение, безусловно, следует отдать иониту, так как его емкость может быть восстановлена химическими реагентами. Для удаления простых и сложных аминокислот также следует применять анионит АВ-171.

Простые и сложные сахара, не влияющие на удельное электрическое сопротивление, обессоленной воды, в значительной степени сорбируются только углем БАУ. Поэтому при выборе сорбентов для очистки воды следует руководствоваться не только величиной их емкости и возможностью ее восстановления, но и необходимостью удаления из воды того или иного соединения.

Для ориентировочной оценки распределения органических веществ в слоях указанных сорбентов были сняты соответствующие выходные кривые. Загрузка ионитов в хлор-форме равнялась 1 л при высоте слоя 60 см; скорость протекания раствора 10 м/ч.

Фильтрат для анализа отбирали непрерывно фракциями по 10 л каждая. Продолжительность рабочего периода колонны выбрана равной 200 приведенным объемам; рН пропускаемой воды создавали предварительным катионироваиием исходной воды. Применяя различные сорбенты и их сочетания, можно удалить значительную часть органических веществ, растворенных в воде. Однако получить воду, полностью освобожденную от органических веществ с помощью перечисленного набора средств, вряд ли возможно.

Содержание и соотношение таких органических неэлектролитов, как сахара, белки, эфиры и т. п., изменяются не только от одной географической зоны к другой, но и в пределах одного региона. Поэтому нельзя ожидать, что при одинаковых технологических схемах и режимах деминерализации обессоленные воды будут совпадать по количественному и качественному содержанию органических веществ. В связи с этим следует относиться с осторожностью к попыткам нормирования сухого остатка высокоомной воды без учета состава исходной.

Удаление железа (обезжелезивание) . Железистыми называют воды, содержащие более 1 мг/л железа. Катионит сорбирует ионы двухвалентного железа примерно так же, как и ионы кальция, а ионы трехвалентного железа - еще более эффективно. Можно было ожидать, что при ионообменном обессоливании вода будет одновременно и «обезжелезиваться». Этому процессу мешают, однако, некоторые физико-химические особенности соединении железа, присутствующих в природных водах.

В открытых водоемах, хорошо аэрируемых, значительная часть железа находится в виде соединений Fe разной степени гидролизованности.

При коагуляционной и последующей сорбционной очистках вода освобождается не только от окрашенных (главным образом, гумусовых соединений), но и от коллоидных и комплексных форм железа. Таким образом, очистка от органических веществ является одновременно актом обезжелезивания воды.

Предприятиям, потребляющим особо чистую обессоленную воду, рекомендуется всюду (где возможно) получать ее из подземных вод, свободных, как правило, от органических загрязнений. Известно, что более 25% всех водопроводов получают подземную воду с содержанием железа от 1 до 5 мг/л.

В подземных водах, лишенных кислорода, железо большей частью находится в форме раствора бикарбоната частично гидролизованного. Если бы это вещество поступало на катионит в неокисленном и негидролизованном виде или не окислялось бы в самом катионитовом фильтре, можно было бы ожидать практически полного обмена ионов железа на ионы водорода. Однако наряду с реакцией ионного обмена, скорость которой определяется диффузионными процессами, идут реакции гидролиза солей железа, окисления и перехода в слабодиссоциирующие и практически нерастворимые соединения, способные к образованию коллоидов. Совокупность таких процессов приводит к тому, что вода, содержащая, например, в равновесном состоянии 0,16 мг/л железа в ионной форме, может характеризоваться общим содержанием железа на уровне 2 мг/л. Катионит же поглотит только ионную форму железа и растворит с поглощением часть наименее стойких продуктов гидролиза.

Выделение ионов водорода при работе катионита могло бы сдерживать реакцию и даже сдвигать ее влево, тем более, что количество ионов водорода в Н-катионированной воде определяется общим содержанием солей, которое практически на два порядка больше количества ионов железа в воде.

По мере срабатывания верхних слоев катионита два обстоятельства будут способствовать сдвигу реакции вправо: наличие в слое ионов Fe(II), каталитически ускоряющих их превращение в ионы Fe(III), и частичное поглощение катионитом ионов водорода, обменивающихся на ионы натрия и кальция, которыми заполнен отработанный слой смолы. Образующиеся в этих условиях гидроксид Fe(III) и другие продукты гидролиза уже не будут участвовать в ионном обмене и транзитом пройдут в Н-катионированную воду, так же, как и та часть подобных соединений железа, которая присутствовала в исходной воде.

Количественное описание этих процессов пока затруднительно. В то же время присутствие железа в неионной форме в Н-катионированной и обессоленной водах удовлетворительно объясняется предложенной концепцией и свидетельствует о необходимости удаления железа из железистых подземных вод перед их подачей на обессоливающую ионообменную установку. Приведенное выше уравнение подсказывает основные пути удаления железа из воды. Это аэрация (насыщение кислородом) и подщелачивание (связывание ионов водорода). В бикарбонатных водах последнее проходит самопроизвольно с выделением стехиометрического количества диоксида углерода. Аэрацию можно проводить продувкой воздухом, разбрызгиванием воды в воздухе или подачей озона; в качестве других окислителей можно использовать активный хлор, перманганат калия. Под действием окислителей иониты «стареют», поэтому желательно проводить обезжелезивание безреагентным методом.

Удалению железа из подземных вод посвящена монография, в которой обобщены как теоретические, так и технологические аспекты проблемы. Учитывая специфику получения сравнительно небольших объемов особо чистой обессоленной воды для производственных иужд и специфику самих производств, потребляющих такую воду, следует остановиться на методе упрощенной аэрации с последующим фильтрованием.

Над открытым фильтром через отверстия в подающих трубах разбрызгивается вода. Толщина слоя песка в фильтре обычно не менее 1,2 м, а размер зерен от 0,8 до 1,6 мм. Большей грязеемкостью отличаются фильтры с двухслойной загрузкой общей толщиной 1,2-1,5 м и толщиной верхнего слоя 0,5 м. Для нижнего слоя используют кварцевый песок размером зерен 0,8-1,2 мм, а для верхнего - антрацитовую крошку размером 0,9-2,4 мм. Скорость фильтрования иа открытых фильтрах достигает 10 м/ч. Как правило, с уменьшением скорости пропускания воды грязеемкость фильтров повышается, и поэтому открытые фильтры надо рассчитывать на скорость, не превышающую 5-7 м/ч.

В зависимости от принятой скорости фильтрования, исходного содержания железа в воде и других факторов, продолжительность работы фильтров, естественно, различна. При скорости фильтрования 5-7 м/ч и исходном содержании железа в воде 3-4 мг/л цикл работы установки 60-100 ч. После этого фильтры промывают противотоком интенсивностью 15-18 л/(с-м2) в течение 10-15 мин.

Объем промывных вод для фильтров на участке обезжелезивания воды достигает 4% от объема очищенной воды. Когда работа обезжелезивающей установки данного типа хорошо отлажена, содержание железа в фильтрате составляет 0,05-0,1 мг/л.

В отличие от дистиллята, содержащего до 5 мкг/л железа, технический конденсат бывает обогащен продуктами коррозии. При получении из такого конденсата особо чистой обессоленной воды необходимо предварительное обезжелезивание. Для этого используют сульфоугольные фильтры, работающие с эффективностью 25-50%, или более эффективные магнетитовые фильтры, намывные целлюлозные фильтры, намывные ионитовые фильтры (носящие за рубежом название powdex). Предложены анионитовые фильтры, где удаление железа основано на коагулирующем действии анионита в ОН-форме. Намывные ионитовые фильтры работают с эффективностью, приближающейся к 100% за счет практически мгновенной кинетики процесса. Здесь наряду с сорбцией ионов из жидкой фазы происходит механическое задержание частиц твердой фазы, коагуляция и образование комплексов с анионитом, если для намывного слоя берут смесь катионов и анионообменников.

Опыты показали пригодность намывных ионитовых фильтров для извлечения из воды гумусовых веществ, комплексующих железо и другие металлы.

Острота проблемы обезжелезивания как этапа предварительной очистки воды особенно выявилась в связи с необходимостью использования ультрачистой воды для производств микроэлектроники. Для финишной очистки воды перед ее подачей на отмывку деталей приборов используют микрофильтр с порами 0,2 мкм, задерживающий микробные тела. Если из обессоленной воды недостаточно удалено железо на предшествующих этапах, то микрофильтры быстро забиваются.

Умягчение воды. При частичном обессоливании воды электродиализным методом или с помощью обратного осмоса в ряде случаев необходимо предварительно умягчить воду, т. е. освободить ее от катионов кальция и магния, способных при соответствующем анионном составе воды образовывать осадки на ионитных мембранах или на мембранах (волокнах), используемых в аппаратах обратного осмоса.

Умягчение как этап предварительной очистки при обессоливании относительно небольших масс воды целесообразно проводить ионообменным способом. Регенерация катионита, т. е. перевод его в натриевую форму, проводится пропусканием через отработавший слой сорбента 6-10%-ного раствора хлорида натрия и последующей отмывкой водой.

По причинам, которые будут рассмотрены ниже, расход поваренной соли для регенерации превышает стехиометрический в 2,5-5 раз. При работе с водой, имеющей высокое содержание солей, для умягчения целесообразно использовать сильнокислотный катионит типа КУ-2. При этом по сравнению с такими катионнообменниками, как сульфоуголь или КУ-1, довольно значительно сокращается расход соли на регенерацию.

0

Курсовая работа

Сорбционная очистка

Введение …………………………………………………………………………
1 Основы теории сорбции ……………………………………………………….
2 Сорбционные установки ……………………………………………………...
3 Сорбционная очистка активным углем ………………………………………
4 Расчет адсорбционной установки ……………………………………………
4.1 Методика расчета ……………………………………………………………
4.2 Расчет адсорбционной установки ………………………………………….
Заключение ………………………………………………………………………..
Список использованных источников ……………………………………………

Введение

Неуклонный рост водопотребления, связанный с увеличением численности населения и развитием промышленности, вызывает необходимость использования воды из источников, содержащей повышенное количество примесей, что сопряжено с обязательной глубокой предварительной очисткой ее. Особое внимание уделяется подготовке питьевой воды, так как обязательное высокое качество питьевой воды не ставится в зависимость от методов ее обработки. Сорбционную обработку природной воды используют для удаления окрашенных, летучих и токсичных соединений, высокомолекулярных органических веществ естественного и искусственного происхождения.

На сегодняшний день идентифицировано более 700 органических соединений в природных водах, но они составляют лишь 10-20 % от общего количества примесей. Изменение органолептических свойств природных вод возникает и в результате их загрязнения недостаточно очищенными бытовыми и особенно производственными сточными водами, поступающими в поверхностные водоисточники и реже в подземные горизонты. Обработка воды сорбентами из-за универсальности действия является одним из наиболее перспективных методов дезодорации и обесцвечивания воды /1/.

1 Основы теории сорбции

Сорбционная очистка представляет собой процесс поглощения загрязняющих веществ из воды твердыми веществами - сорбентами. Поверхность частиц дисперсной фазы обладает свободной энергией, существование которой можно объяснить следующим образом. Молекулы, атомы или ионы, находящиеся на поверхности раздела фаз, не равноценны тем же молекулам, атомам и ионам, находящимся внутри каждой фазы. Внутри фазы молекулы окружены себе подобными и их силовое поле насыщено симметрично. Поле молекул, лежащих на поверхности, асимметрично: часть его находится вне фазы и не насыщена. Эта ненасыщенность и является источником свободной энергии /2/.

Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.

Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической очисткой как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей, и, кроме того, высокая эффективность очистки, особенно слабоконцентрированных сточных вод. Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий /3/.

Под действием поверхностных сил происходит изменение концентрации компонентов в поверхностном слое по сравнению с объемной фазой, т.е. протекает процесс адсорбции (сорбции). Адсорбция может быть положительной, если энергия взаимодействия растворенного вещества с молекулами, находящимися на поверхности адсорбента, выше, чем с молекулами растворителя, и отрицательной, когда наблюдается обратное явление. В случае неэлектролитов сорбируются молекулы вещества, в случае электролитов - их ионы. В процессах очистки природных вод важное значение имеют молекулярная, и ионная сорбции.

Помимо своей главной задачи - извлечения из воды нежелательных примесей - адсорбирующее вещество (адсорбент) выполняет функции катализатора, так как молекулярные и ионные реакции на поверхности раздела протекают обычно значительно быстрее, чем в объеме среды. Это объясняется увеличением концентраций молекул и ионов, их ориентацией, ослаблением связей между отдельными атомами /2/.

Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, неэлектролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например, содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов этот метод не применим /3/.

Различают два основных вида адсорбции: физическую и химическую. К силам, обусловливающим физическую адсорбцию, относят молекулярные взаимодействия:

Молекул с постоянным диполем (ориентационный эффект);

Молекул с индуцированным диполем (индукционный эффект);

Неполярных молекул (дисперсионный эффект);

Силы, обусловливающие водородную связь.

Физическая адсорбция протекает самопроизвольно и всегда обратима. Количество вещества, адсорбированного на данном участке поверхности в данный момент времени, определяется не только перечисленными силами взаимодействия, но и силами десорбции, возникающими в результате теплового движения частиц. Причем для каждой концентрации адсорбирующего вещества (адсорбтива) и для каждой температуры среды существует состояние адсорбционного равновесия.

Силы, обусловливающие химическую адсорбцию (хемосорбцию), - специфически валентные. В отличие от физической адсорбции хемосорбция обычно необратима. С повышением температуры среды хемосорбция, требующая значительной энергии активации, возрастает. Соединения, образующиеся при хемосорбции на поверхности раздела фаз, нельзя рассматривать как новое вещество, так как, несмотря на возникновение химических связей, поверхностные атомы адсорбента продолжают сохранять связь с остальными его атомами.

Провести резкую границу между физической и химической адсорбцией во многих случаях довольно трудно: адсорбция одних и тех же веществ на одном и том же адсорбенте в одних условиях может иметь физический, в других - химический характер. В частности, повышение температуры снижает физическую, но увеличивает химическую адсорбцию.

Количество адсорбированного вещества выражают по отношению к 1 см 2 поверхности адсорбента или к 1 г адсорбента. В первом случае это количество обозначается Г (моль/ см 2), во втором - Г (моль/г).

К настоящему времени предложено множество различных теорий адсорбции. Отметим лишь, что ни одна из существующих теорий не является универсальной вследствие специфического характера адсорбции в разных условиях. Для решения практических задач, связанных с очисткой воды от дисперсных и истинно растворенных примесей, вполне достаточно воспользоваться представлениями Лэнгмюра о мономолекулярной адсорбции, сохраняющими свое значение до настоящего времени.

В своей теории, развитой еще в 1915 г., Лэнгмюр исходил из следующих предположений:

Адсорбция происходит не на всей поверхности сорбента, а лишь на отдельных ее активных участках-ребрах, выступах;

Каждый активный участок, адсорбируя молекулу адсорбтива, становится уже не способным к дальнейшей адсорбции. Таким образом, на поверхности адсорбента образуется лишь мономолекулярный слой адсорбтива;

Адсорбированные молекулы удерживаются на активных участках только в течение определенного времени. В результате флуктуации (непрерывного колебания) энергии молекулы могут оторваться от этих участков, и их место занимают новые молекулы;

Взаимодействием между адсорбированными молекулами можно пренебречь.

На степень адсорбции сильное влияние оказывают свойства адсорбента, адсорбтива и среды и, в частности, интенсивность поля действующих молекулярных сил - полярность. В качестве количественной характеристики полярности твердых частиц, погруженных в жидкость, используют величину удельной свободной энергии на поверхности частиц - поверхностное натяжение.

В соответствии с правилом Ребиндера адсорбция вещества будет происходить, если полярность их лежит между полярностью среды и адсорбента. Следовательно, чем больше разность полярностей между растворяемым веществом и раствором, т.е. чем менее растворимо вещество, тем лучше оно будет адсорбироваться. Действительно, неполярные гидрофобные вещества (в частности, активный уголь) хорошо адсорбируют поверхностноактивные вещества, что широко используется в водоподготовке. С увеличением молекулярного веса адсорбтива адсорбция возрастает. Этим объясняется в частности, хорошая адсорбция красителей.

Вещества пористые и с шероховатой поверхностью адсорбируют сильнее. Поэтому аморфные адсорбенты всегда эффективнее кристаллических. Чем уже поры адсорбента и чем крупнее молекулы адсорбтива, тем меньше и медленнее адсорбция. Для компенсации недостаточной скорости диффузии и ускорения наступления адсорбционного равновесия часто применяют перемешивание жидкости. Адсорбция электролитов, имеющая наиболее важное значение в водных растворах, резко отличается от молекулярной адсорбции. Участки поверхности адсорбента, несущие заряд, как правило, адсорбируют противоположно заряженные ионы, а из ионов разной валентности сильнее адсорбируются многовалентные. Сказывается и влияние природы ионов. Так, из ионов одинаковой валентности лучше адсорбируются ионы большего радиуса: они сильнее поляризуются и обладают меньшей гидратацией, что увеличивает силы их притяжения к поверхности. По способности адсорбироваться ионы могут быть расположены в следующие ряды, называемые лиотропными:

Анионы < < < < < < … <

Катионы < < < < < < < … <

Первостепенное практическое значение при коагулировании водных примесей, умягчения и обессоливании воды имеет обменная адсорбция, в ходе которой адсорбент, поглощая определенное количество каких-либо ионов, выделяет одновременно в раствор эквивалентное количество других ионов того же знака, вытесненных с поверхности. Происходит обмен ионов.

Обменная адсорбция обладает следующими особенностями:

К обмену способны только определенные ионы;

Адсорбция не всегда обратима;

Адсорбция протекает медленнее, чем адсорбция неэлектролитов;

При обменной адсорбции может происходить изменение рН среды, когда обмениваемыми ионами являются Н + или ОН - .

Скорость адсорбции практически всегда определяется скоростью диффузии, и часто 90-95% адсорбтива связывается адсорбентом в течение первых двух-трех секунд.

Говоря о свойствах активного угля как сорбента, употребляется термин «гидрофобное вещество». По степени прочности связи между дисперсной фазой и дисперсионной средой все дисперсные системы делят на лиофобные и лиофильные или для случая, когда дисперсионной средой является вода, - на гидрофобные и гидрофильные.

На гидрофильных поверхностях преобладают ненасыщенные атомные, ионные или полярные связи, что и обусловливает взаимодействие поверхностей с молекулами воды или их ассоциатами. На гидрофобных поверхностях преобладают насыщенные связи, поэтому они слабо взаимодействуют с водой.

Гидрофобные системы характеризуются высоким поверхностным натяжением (σ>σ m), а потому мало гидратированы и обладают резко выраженной границей раздела фаз. Степень их дисперсности зависит от условий образования и стабилизации. Гидрофильные системы, напротив, обладают малым поверхностным натяжением (σ<σ m) и проявляют сродство с водой. Четкая граница раздела фаз отсутствует, а дисперсность частиц не является случайной величиной, зависящей от условий образования и стабилизации, а определяется природой обеих фаз.

К гидрофобным системам относят золи металлов, к гидрофильным - желатин, агар-агар, крахмал. Промежуточный тип систем составляют золи кремнекислоты, гидроокиси железа, алюминия, хрома и других металлов. Степень гидрофильности этих систем зависит от рН среды.

Важнейшая особенность лиофобных золей и суспензий, определяющая всю сумму наблюдаемых поверхностных явлений, состоит в существовании двойного электрического слоя ионов и скачка потенциала на границе раздела фаз. Причинами возникновения двойного электрического слоя являются разница в диэлектрических свойствах материала среды и дисперсной фазы, специфические молекулярные силы, обусловливающие избирательную адсорбцию ионов из раствора, или ионизации поверхностных молекул вещества самой дисперной фазы.

Распределение ионов вблизи поверхности раздела определяется действием противоположно направленных сил: сил молекулярного притяжения, удерживающих ионы у поверхности, сил электростатического притяжения или отталкивания и диффузионных сил, стремящихся выровнять концентрацию ионов в объеме среды.

Частицу с окружающим ее плотным слоем ионов называют гранулой, а с двойным слоем - мицеллой. Построение мицеллы представляют следующим образом (рисунок 1):

На поверхности Fe(OH) 3 адсорбируются ионы Н + ;

Противоионы Cl - , связанные в плотном слое, уменьшают заряд частицы, но не нейтрализуют его полностью. Знак заряда гранулы определяется ионами Н + , находящимися в избытке;

Противоионы Cl - , имеющиеся в диффузном слое, нейтрализуют положительный заряд гранулы и делают мицеллу нейтральной.

В действительности строение гранул гораздо сложнее. Из-за неоднородности материала самого ядра, шероховатости поверхности, неравномерности распределения адсорбционных центров и наличия дефектов и микропримесей в кристаллах поверхность раздела электрически неоднородна /2/.

2 Сорбционные установки

Процессы сорбции избирательны и обычно обратимы. Благодаря их обратимости становится возможным выделение поглощенных веществ (десорбция).

В качестве сорбентов практически могут служить все мелкодисперсные твердые вещества, имеющие развитую поверхность, - активный уголь, зола, торф, опилки, разные глины, доменные шлаки и др.

Наиболее эффективными сорбентами являются активные угли (АУ) различных марок /2/. Пористость этих углей составляет составляет 60-75 %, а удельная площадь поверхности 400-900 м 2 /г. Адсорбционные свойства активированных углей в значительной мере зависят от структуры пор, их величины, распределения по размерам /3/. Активные угли являются пористыми материалами, поры которых по своему размеру могут быть подразделены на четыре вида: макропоры размером 1000-20000 Å, переходные поры 40-1000 Å, супермикропоры - 16-40 Å и микропоры - не более 16 Å. Эффективность АУ обусловливается наличием в них микропор, а также в определенной степени супермикропор /2/. Макропоры и переходные поры играют, как правило, роль транспортирующих каналов, а сорбционная способность активированных углей определяется в основном микропористой структурой. Распространенные органические вещества, имеющие размеры частиц менее 0,001 мкм, заполняют объем микропор сорбента, полная емкость которых соответствует поглощающей способности сорбента /3/.

В настоящее время синтезировано достаточно много полимерных пористых материалов. В процессе производства структура их пор может направленно изменяться в очень широких пределах. Для адсорбционных процессов в водной среде синтезированы полимерные пористые материалы на основе стирола и дивинилбензола - полисорбы. Технологические свойства

Растворенные органические вещества заполняют объем микропор сорбента, полная удельная вместимость, (см 3 /г), которых соответствует поглощающей способности сорбента, поэтому объем микропор является одной из важнейших характеристик и проводится для соответствующих марок активных углей /2/.

Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м 3 , кг/кг) /3/.

Сорбция может проходить в статических либо динамических условиях. Сорбция в статических условиях осуществляется интенсивным перемешиванием обрабатываемой воды с сорбентом в течение определенного времени и последующего отделения сорбента от воды в результате отстаивания или фильтрования и т.п.

Процесс проводится в одну, но чаще в несколько ступеней. Одноступенчатую очистку применяют при небольших исходных концентрациях загрязнений, когда требуется мало сорбента, либо в тех случаях, когда сорбент дешев и легко доступен.

При многоступенчатой сорбции за счет введения новых порций сорбента постоянно поддерживается определенная разность концентраций извлекаемого вещества в воде и сорбенте, что увеличивает скорость сорбции и требует меньшего расхода сорбента, чем при очистке в одну ступень.

Многоступенчатая сорбция осуществляется с последовательным или противоточным введением сорбента. В первом случае сорбент вводится отдельными порциями на каждой ступени обработки, во втором чистый сорбент вводится только раз на последней ступени и затем перекачивается из каждой последующей ступени на предыдущую.

1 - подача сточной воды; 2 - ввод сорбента; 3 - смесители; 4 - отстойники; 5 - отвод отработанного сорбента.

Рисунок 1 - Трехступенчатая сорбционная установка с последовательным введением сорбента

Сорбция в динамических условиях осуществляется фильтрованием сточных вод через загрузку сорбента. Такой способ имеет большие технологические, эксплуатационные и экономические преимущества по сравнению с сорбцией в статических условиях. Сорбция в динамических условиях позволяет более полно использовать емкость сорбента. По мере прохождения очищаемой сточной воды через загрузку концентрация вещества в ней снижается. Так же постепенно, начиная от входного сечения, увеличивается насыщенность сорбента. Через некоторое время сначала первый слой, а затем и последующие слои загрузки будут полностью насыщены и перестанут извлекать из воды загрязняющие вещества. Таким образом, возникает фронт отработки угля, который постепенно смещается вглубь загрузки /2/.

В соответствии с этим различают статическую и динамическую активность сорбента. Статическая активность сорбента характеризуется максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента к моменту достижения равновесия при постоянных температуре жидкости и начальной концентрации вещества; динамическая активность сорбента - максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропуске сточной воды через слой сорбента. Динамическая активность в промышленных адсорберах составляет 45-90 % статической.

В зависимости от области применения метода сорбционной очистки, места расположения адсорберов в общем комплексе очистных сооружений, состава сточных вод, вида и крупности сорбента и др. назначают ту или иную схему сорбционной очистки и тип адсорбера. Так, перед сооружениями биологической очистки применяют насыпные фильтры с диаметром зерен сорбента 3-5 мм или адсорбер с псевдоожиженным слоем сорбента с диаметром зерен 0,5-1 мм. При глубокой очистке производственных сточных вод и возврате их в систему оборотного водоснабжения применяют аппараты с мешалкой и намывные фильтры с крупностью зерен сорбента 0,1 мм и менее.

Наиболее простым является насыпной фильтр, представляющий собой колонну с неподвижным слоем сорбента, через который фильтруется сточная вода. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных в сточных водах веществ и составляет 1-12 м/ч; крупность зерен сорбента - 0,8-5 мм. Наиболее рациональное направление фильтрования жидкости - снизу вверх, так

как 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 колонне слой зерен сорбента укладывают на беспровальную решетку. Обычно используют решетки с отверстиями диаметром 5-10 мм и шагом 10-20 мм, на которые укладывают поддерживающий слой мелкого щебня и крупного гравия высотой 400-500 мм, предохраняющий зерна сорбента от проваливания в подрешеточное пространство и обеспечивающий равномерное распределение потока жидкости по всему сечению. Сверху слой сорбента для предотвращения выноса закрывают сначала слоем гравия, затем слоем щебня и покрывают решеткой (т.е. в обратном порядке).

Фильтры с неподвижным слоем сорбента применяют при регенеративной очистке цеховых сточных вод с целью утилизации выделенных относительно чистых продуктов. Процесс десорбции осуществляется с помощью химических растворителей или пара /3/.

Обычно сорбционная установка включает несколько (3-5) последовательно расположенных фильтров, что позволяет выключать на регенерацию головной фильтр лишь после того, как его загрузка достигнет предельного насыщения, и он перестанет извлекать из воды загрязняющее вещество. Это обстоятельство имеет большое экономическое значение, поскольку можно реже регенерировать сорбент. После загрузки фильтра свежим сорбентом он переключается в конец установки.

Рассмотрим в качестве примера адсорбционную установку для очистки сточных вод от нитропродуктов. Эта установка (рисунок 2) состоит из двух

адсорбционных колонн, работающих попеременно. Активированный уголь марки КАД загружен на подстилающий слой из кокса, уложенного на деревянную решетку: сверху уголь покрыт слоем кокса и закрыт второй деревянной решеткой. Высота слоя угля около 5 м. сточные воды с содержанием 100-400 мг/л нитропродуктов поступает в емкость, из которой их подают в напорный бак, а затем через регулятор потока в нижнюю часть одной из колонн. Нагрузка составляет 3 м 2 /(м·ч). Первые порции очищенной воды содержат 2-4 мг/л нитропродуктов, затем концентрация начинает постепенно повышаться. После повышения концентрации нитропродуктов в сточных водах до 20 мг/л колонну останавливают на регенерацию.

1 - сборник сточных вод; 2 - напорная емкость; 3 - очищенная вода; 4 - колонна; 5 - конденсатор; 6 - сборник экстракта; 7 - конденсат; 8 - острый пар.

Рисунок 2 - Схема установки для сорбции из воды нитропродуктов активированным углем

Отработанный уголь регенерируют растворителями с последующей отгонкой следов растворителя острым паром. Регенерацию растворителя осуществляют до тех пор, пока концентрация нитропродуктов в нем не составит 20-50 г/л. Затем его заменяют свежей порцией; объем первой порции растворителя равен 3-4 объемам активированного угля в колонне. В качестве растворителей применяют бензол, метанол, этанол, метиленхлорид. Отработанный растворитель (экстракт) направляют на перегонку.

Регенерированный растворитель возвращают в цикл очистки, а нитропродукты - на использование в основном технологическом процессе /2/.

Отработавший сорбент выгружают из адсорбера насосом, гидроэлеватором, эрлифтом и шнеком при относительном расширении загрузки на 20-25 %,

создаваемом потоком воды со скоростью 40-45 м/ч. В напорных адсорберах допускается предусматривать выгрузку сорбента под давлением не менее 0,3 МПа. Металлические конструкции, трубопроводы, арматура и емкости, соприкасающиеся с влажным сорбентом, должны быть защищены от коррозии.

При относительно высоком содержании в сточной воде мелкодиспергированных взвешенных частиц, заиливающих сорбенты (не более 1 г/л при гидравлической крупности не более 0,3 мм/с), а также в случае, если

равновесие устанавливается медленно, рационально применять процесс с псевдоожиженным слоем сорбента. 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.

В настоящее время в основном применяют цилиндрические одноярусные адсорберы. Такой аппарат представляет собой колонну высотой около 4 м. Верхняя часть ее соединена с царгой, имеющей диаметр, в 1,5-2 раза больший диаметра основной колонны. В зависимости от диаметра колонны коническое днище имеет центральный угол 30-60°. Непосредственно над коническим днищем устанавливается распределительная решетка с отверстиями 5-10 мм и шагом отверстий около 10 мм, на которую загружается активированный уголь с размером частиц 0,25-1 мм и преимущественным содержанием фракции 0,5-0,75 мм. Высота неподвижного слоя угля составляет 2,5-2,7 м.

1 - трубопровод для подачи сточной воды; 2 - цилиндрическая колонна; 3 - центральная труба с диффузором; 4 - царга; 5 - трубопровод для подачи сорбента; 6 - трубопровод для выпуска обработанной сточной воды; 7 - сгуститель сорбента; 8 - трубопровод для выпуска отработанного сорбента; 9 - распределительная решетка.

Рисунок 3 - Цилиндрический одноярусный адсорбер

В нижнюю часть аппарата через центральную трубу, заканчивающуюся диффузором под решеткой, либо через боковой патрубок тройника, подсоединенного к конусному днищу, поступает сточная вода со скоростью, обеспечивающей относительное расширение слоя 1,5-1,6. Уголь равномерно подается в аппарат из бункера с автоматическим дозатором. Сорбент в виде 5-20 %-ной суспензии поступает в верхнюю расширенную часть той же центральной трубы, по которой в колонну адсорбера подается сточная вода. В

трубе эта 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 кольцевой желоб верхней части царги.

При высоте адсорберов 0,5-1 м следует устанавливать секционирующие решетки с круглой перфорацией 10-20 мм и долей живого сечения 10-15 %, оптимальное число секций три-четыре. Скорость восходящего потока воды в адсорберах надлежит принимать 30-40 м/ч при крупности частиц сорбента 1-2,5 мм и 10-20 м/ч при крупности частиц 0,25-1 мм.

Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные вещества утилизируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожаются. В зависимости от назначения сорбционной очистки применяются различные методы регенерации сорбента или его уничтожения.

Для извлечения сорбированных веществ могут быть применены экстрагирование органическим растворителем, изменение степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе, отгонка адсорбированного

вещества с водяным паром, испарение адсорбированного вещества током инертного газообразного теплоносителя. В отдельных случаях осуществляют химические превращения сорбированных веществ с последующей десорбцией.

Легколетучие органические вещества (бензол, нитробензол, толуол, этиловый спирт) десорбируют воздухом, инертными газами, перегретым паром. При этом температура воздуха должна быть 120-140 °С, перегретого пара - 200-300 °С, а дымовых или инертных газов - 300-500 °С. Расход пара на отгонку легколетучих веществ из активированного угля составляет 3-12 кг на 1 кг сорбированного вещества. В качестве десорбентов могут использоваться низкокипящие, легко перегоняющиеся с водяным паром органические растворители: бензол, бутилацетат, дихлорэтан, толуол и др. Процесс десорбции осуществляется при нагревании или на холоде, затем растворитель отгоняется из сорбента острым водяным паром или другим теплоносителем.

При деструктивной очистке обычно применяют термические или окислительные методы. При применении термического метода (рисунок 4) следует учитывать потери сорбента (так, потери активированного угля составляют 5-10 %).

I-IV - трубопроводы для подачи воздуха, пара, воды и природного газа; V - трубопровод для выпуска отходов; 1 - сборник отработанного угля; 2 - дозатор; 3 - регенератор; 4 - камера сгорания; 5 - сепаратор; 6 - шнек; 7 - фильтр; 8 - пневматический транспортер; 9 - сборник регенерированного угля.

Рисунок 4 - Установка термической регенерации высокодисперсного активированного угля /3/

3 Сорбционная очистка активным углем

Для адсорбционной очистки воды от примесей, ухудшающих органолептические показатели, применяются порошкообразный и гранулированный активированный уголь, углеродные волокнистые материалы, активированный антрацит и неуглеродные адсорбенты (глинистые породы, цеолиты и др.).

Наиболее перспективным адсорбентом является активированный уголь. Первые попытки использования его на отечественных водопроводах относятся к 1930-1940 гг. Так, на Рублевском водопроводе в 1936-1939 гг. был применен торфяной активированный уголь для устранения из воды землистого запаха. Доза составляла 10-15 мг/л. Однако из-за низкого качества угля результаты опытов были неудовлетворительными. Применение активированного угля позволяет устранить почти все привкусы и запахи из природной и обессоленной воды, значительно улучшить технологические показатели обработки воды другими реагентами и, наконец, идентифицировать обеззараживание в результате сорбции простейших, бактерий, вирусов и других микроорганизмов /4/.

Сорбционная доочистка биологически очищенных сточных вод активным углем применяется перед повторным их использованием для ирригационных, технологических и прочих нужд, перед узлом обессоливания или деаммонизации, а также при сбросе стоков в водоемы. В процессе адсорбционной доочистки активный уголь удаляет из воды биохимически неокисленные органические вещества, микроколичества ионов тяжелых металлов, радиоактивных изотопов, хлорида ртути, солей серебра, хлорида золота, остаточный хлор, бактериальные и другие загрязнения /2/.

Активированный уголь изготовляют из углеродсодержащих материалов: угля, антрацита, древесины, торфа, полимеров, отходов пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности /4/.

Марку активного угля выбирают с учетом структуры пор, прочности, зольности, рН водной вытяжки, насыпной плотности и фракционного состава. По фракционному составу угли промышленного изготовления классифицируются на два типа: гранулированные (размеры частиц более 1 мм) и порошковые (размеры частиц менее 0,25 мм) /2/.

Размолотое до размеров 10-100 мкм и отсортированное сырье карбонизируют обычно в барабанных печах без доступа воздуха при температуре 700-800 °С, в результате чего из угля выделяются летучие соединения, он уплотняется, приобретает прочность и макропористую структуру.

Активируют уголь газами (О 2 , СО 2 , SO 2) и солями (ZnCl 2 , K 2 CO 3 , K 2 S и др.) при температуре 750-1000 °С. Чаще других применяют комбинированный парогазовый способ с использованием топочных газов состава Н 2 О + СО 2 + О 2 . Неорганические активирующие добавки из угля вымывают.

Размеры частичек гранулированного активированного угля составляют 0,07-7,0, порошкообразного - 0,07-0,12 мм. Площадь их поверхности колеблется в пределах 450-1800 м 2 /г. По способу производства активированные угли делятся на дробленые (БАУ, ДАК, КАД) и собственно гранулированные (АГ-3, АГ-М, СКТ) /4/.

При доочистке от нефтепродуктов, ПАВ, детергентов, красителей и других веществ с крупными молекулами рекомендуется применять угли марок БАУ, ДАК, ОУ; для снижения общего содержания органических веществ используют микропористые угли марок АГ-3, АГ-5, КАД /2/.

Высокой сорбционной емкостью и повышенной по сравнению с активированнм углем удельной поверхностью (до 2000 м 2 /г) обладают разрабатываемые новые сорбенты - углеродные волокнистые материалы. Их получают из полимерных гидрацеллюлозных и полиакрилонитриловых волокон термообработкой в потоке благородных газов при 600-1050 °С. Для увеличения сорбционной емкости в процессе обработки сырья к нему добавляют соли тяжелых и редкоземельных металлов.

Все шире применяются для обесцвечивания воды, удаления из нее неорганических примесей и особо токсичных хлорорганических примесей и гербицидов неуглеродные сорбенты - глинистые породы, цеолиты и др. Увеличить пористость, улучшить прочность и водостойкость этих материалов можно прокаливанием их с хлоридом и карбонатом натрия при 1000 °С.

Для дезодорации и обесцвечивания питьевой воды на водонапорных очистных станциях применяется в основном активированный уголь, сорбционные свойства которого зависят от его пористости. Адсорбционные свойства углей в основном обусловлены микропорами, составляющими примерно 90 % всей удельной поверхности активированного угля. На ней и протекают процессы адсорбции, в основе которых лежит взаимодействие энергетически ненасыщенных атомов углерода с молекулами адсорбируемых веществ. Лучше сорбируются вещества в молекулярной форме, хуже в ионной. Способность органических веществ к сорбции возрастает в ряду: гликоли < спирты < кетоны < сложные эфиры < альдегиды < недиссоциированные кислоты < ароматические соединения. Способность к сорбции возрастает с ростом молекулярной массы органических веществ, мицеллярной массы коллоидов и температуры сорбатов.

В присутствии механических примесей сорбционная емкость активированного угля снижается. Поэтому поступающая на обработку активированным углем вода должна содержать не более 10 мг/л взвешенных веществ.

Аналогично влияют продукты гидролиза Al 2 (SO 4) 3 . В концентрации 10-50 мг/л они уменьшают сорбционную емкость гранулированного активированного угля на 20-35 %. Ухудшается кинетика сорбции и снижается динамическая емкость также при насыщении активированного угля солями и оксидами железа. Последние, осаждаясь на угле, закрывают поры и затрудняют процесс регенерации. По этой причине часто при добавлении угольной суспензии совместно с коагулянтом до отстойников ее требуется несколько больше, чем при добавлении перед фильтрами.

Успешность применения адсорбционных методов зависит не только от соблюдения оптимальных условий процесса, но и от наличия экономически выгодных адсорбентов, обеспечивающих преимущественное извлечение из воды нежелательных органических веществ.

В связи с широким внедрением комбинированных методов дезодорации воды кроме активированного угля используют различные окислители (озон, хлор, оксид хлора (IV), перманганат калия), что позволяет повысить эффект очистки воды и сократить расход сорбентов и реагентов.

Порошкообразный активированный уголь применяют при углевании воды, гранулированный - при фильтровании через угольные фильтры.

Углевание воды не требует больших капитальных затрат, но характеризуется повышенным расходом угля.

Применение угольных фильтров позволяет снизить дозу расходуемого угля, саморегулировать процесс, улучшить условия труда, однако требует высоких капитальных затрат, тщательного осветления воды, большого ее расхода на промывку и громоздкого реагентного хозяйства для регенерации угля.

Для подготовки хозяйственно-питьевой воды углеванием используют в основном древесные угли марок БАУ, ДАК, ОУ, а также уголь АГ-3. Угольные фильтры чаще всего загружают углем марки КАД, АГ-3 и АГ-М.

Доза порошкообразного активированного угля для углевания воды зависит от местных условий, времени года, веществ, обусловливающих запахи и привкусы воды, качества угля, способа его приготовления и может колебаться от 0,1 до 200 мг/л. Дозу порошкообразного активированного угля перед фильтрами для устранения из воды запахов и привкусов следует принимать в зависимости от их интенсивности до 5 мг/л.

Место ввода порошкообразного активированного угля в схеме обработки воды должно обеспечивать максимальную диффузию сорбируемых веществ к активной поверхности угля и необходимую длительность контакта.

Обработка воды порошкообразным активированным углем включает такие процессы, как приготовление угольной суспензии и ее дозирование, смешение отдозированной суспензии с обрабатываемой водой, поглощение из воды загрязнений, осаждение частичек угля в отстойнике.

Одним из основных этапов обработки воды углем является подготовка угольной суспезии необходимой концентрации. Подавать уголь в воду можно в виде сухого порошка (сухое дозирование) или в виде раствора или суспензии заданной концентрации (мокрое дозирование).

Сухое дозирование обладает преимуществами перед мокрым, это: отсутствие растворных и расходных баков, уменьшение производственных площадей, экономия реагентов, возможность улучшения условий автоматизации процесса, более высокие технико-экономические показатели. Недостатком способа является образование пыли и частое засорение дозирующих устройств.

Схема установки для сухого дозирования порошкообразного активированного угля приведена на рисунке 5.

1 - вакуум-насос; 2 - вакуум-линия; 3 - мешок с пылевидным АУ; 4 - гибкий шланг; 5 - вакуум-бункер; 6 - расходный бункер; 7 - дозатор АУ; 8 - водопровод; 9 - гидроэлеватор; 10 - подача угольной суспензии в воду.

Рисунок 5 - Схема установки для сухого дозирования порошкообразного активированного угля

Рисунок 6 - Схема дозатора активированного угля конструкции НИКТИ ГХ МКХ УССР

Дозатор порошкообразного активированного угля (рисунок 6) состоит из бункера 3, который во избежание сводообразования встряхивается эксцентриком с частотой 1000 колебаний в минуту. Приводом эксцентрика служит электродвигатель 14 с кривошипно-шатунным механизмом. Бункер смонтирован

на раме 10 с помощью пружин 2 и соединен с корпусом зубчатого барабанного питателя 6 брезентовым мехом 4, предотвращающим его вибрацию. Расходный бункер может соединяться с запасными емкостями соединительным патрубком 1.

Дозирование порошкообразного активированного угля регулируется изменением ширины щелей между корпусом и зубчатым барабанным питателем (в пределах 1-25 мм), перекрываемых заслонкой 5, и изменением количества оборотов барабанного питателя (в пределах 17,5-70 об/мин) с помощью цепного вариатора 13, соединенного с червячным редуктором 11. Приводом вариатора, редуктора и питателя служит электродвигатель 12.

Отдозированный уголь ссыпается в смывное устройство 7, где смачивается водой, поступающей из водопровода 9 через сопла под давлением 0,07-0,20 МПа, перемешивается, засыпается в гидроэлеватор 8, откуда подается в обрабатываемую воду. При давлении перед гидроэлеватором не менее 0,4 МПа угольная суспензия может подаваться на высоту до 6 м.

Расчетная производительность дозатора активированного угля составляет от 2,3 до 340 кг/ч.

При мокром дозировании активированного угля его предварительно смешивают с водой барботированием воздухом или механическими мешалками.

Дозируют суспензию угля насосами-дозаторами типа НД, дозаторами типа ДИМБА и др. Транспортируют угольную суспензию гидроэлеваторами (рисунок 7).

1 - гладкий резиновый рукав для подачи воды под напором в гидроэлеватор; 2 - приемное окно; 3 - сопло; 4 - смесительная камера; 5 - диффузор; 6 - гладкий резиновый армированный рукав для подачи угольной пульпы в баки.

Рисунок 7 - Схема гидроэлеватора

Основная масса введенного активированного угля осаждается совместно с коагулянтом в отстойниках, однако некоторая часть его поступает на фильтры, что приводит к сокращению межпромывочных периодов на 15-20 %.

Наиболее совершенная схема дозирования угольной суспензии представлена на рисунке 8.

1 - мешок с АУ; 2 - вакуум-насос; 3 - гибкий шланг; 4 - вакуум-линия; 5 - вакуум-бункер; 6 - расходный бункер; 7 - дозатор АУ; 8 - водопровод; 9 - гидроэлеватор; 10 - пульпопровод; 11 - бак угольной суспензии; 12 - подача воздуха; 13 - насос-дозатор; 14 - подача угольной суспензии в воду.

Рисунок 8 - Схема установки для мокрого дозирования порошкообразного активированного угля

Эффективным является применение адсорберов со взвешенным слоем непрерывно обновляющегося адсорбента.

Конструкция адсорбера со взвешенным слоем активированного угля (рисунок 9) принципиально не отличается от конструкции осветлителей. Установка снабжена выносным углеуплотнителем 1 с принудительным отсосом адсорбента. Последний подается в установку вместе со струей осветленной воды, поступающей на очистку через центральную трубу 2 и диффузор 5. Пройдя распределительные решетки 4, уголь задерживается взвешенным слоем, а очищенная вода отводится из верхней части установки через дырчатую затопленную кольцевую трубу 3.

Рисунок 9 - Схема адсорбера со взвешенным слоем активированного угля

Применение принципа взвешенного слоя для адсорбции загрязняющих воду органических веществ, имеющих запах, позволяет решить задачу непрерывной смены адсорбента в установке, упрощает регенерацию отработанного активированного угля. Кроме того, при этом можно избежать заиливания слоя адсорбента и применять мелкие фракции активированного угля (0,2-0,5 мм), что значительно сокращает время достижения адсорбционного равновесия.

Адсорбция может осуществляться как в одном адсорбере, так и в блоке, состоящем из двух или трех последовательно включенных аппаратов. В этом

случае активированный уголь переводится из одного адсорбера в другой против движения воды. Уголь, выгруженный из углеуплотнителя первого (по движению воды) адсорбера, подвергается термической регенерации.

Вместо блока адсорберов можно применять двухъярусный противоточный адсорбер (рисунок 10).

Рисунок 10 - Схема двухъярусного противоточного адсорбера системы Л.А. Кульского

Суспензия активированного угля через центральную трубу 5 подается под распределительную решетку второго яруса адсорбера, где смешивается с частично обработанной водой, выходящей из камеры первого яруса 2 через горловину 3. Над решеткой в камере 4 активированный уголь образует взвешенный слой. Очищенная вода отводится из верхней части адсорбера через кольцевой желоб. Неочищенная вода поступает в нижнюю часть адсорбера через эжектор 1, который подсасывает избыток активированного угля из камеры второго яруса по переливной трубе 6.

Вода, смешенная в эжекторе с частично насыщенным загрязнениями углем, проходит распределительную решетку и образует нижний слой в камере первого

яруса. Очистка воды в этом случае происходит за счет разности концентраций растворенных веществ в необработанной и очищенной воде. Избыток взвешенного слоя отработанного активированного угля попадает в выносной углеуплотнитель 9. Этот процесс усиливается эжектированием обработанной воды из углеуплотнителя через трубу 7, снабженную регулирующим вентилем 8, в переливную линию. Из углеуплотнителя отработанный активированный уголь направляется на регенерацию /4/.

Для доочистки больших объемов малоконцентрированных сточных вод применяют открытые фильтры с высотой угольной загрузки 1-2 м. Уголь укладывают на беспровальную решетку с колпачковым дренажным устройством или на слой гравия и мелкого щебня высотой 0,4-0,5 м, расположенный на обычной решетке с отверстиями 5-10 мм при шаге 10-20 мм. Для перегрузки фильтров используют гидротранспорт.

Сточные воды с ХПК более 150 мг/л очищаются в колонных адсорберах открытого или напорного типа диаметром не более 5 м, высотой не более 12 м. Для равномерного распределения сточной воды по сечению колонны используют различные устройства: трубчатую систему, лотки, конические вставки, щебеночный или гравийный слой высотой 0,5 м.

При доочистке сточных вод в адсорберах с неподвижным слоем загрузки скорость потока воды v принимается 4-10 м/ч, потери напора при этом составляют 40-60 % высоты загрузки. При доочистке сточных вод с концентрацией взвешенных веществ более 10 мг/л значительно возрастают потери напора и ухудшается качество доочистки. Для обеспечения глубокой доочистки при одновременном полном использовании адсорбционной емкости угля в адсорберах с неподвижной загрузкой, сточные воды пропускают последовательно через несколько групп параллельно работающих адсорберов. При полном использовании адсорбционной емкости угля в первых по ходу потока воды адсорберах их ставят на перегрузку и после заполнения чистым углем переключают в конец установки /2/.

Основным препятствием к широкому внедрению адсорберов с обновляющимся и кипящим слоем адсорбента является дефицит, а иногда и отсутствие дешевых монодисперсных сорбентов с высокой механической прочностью.

Подача неосветленной воды на угольные фильтры приводит к быстрой кольматации верхнего слоя загрузки, сокращению интервала защитного действия фильтра и необходимости частых промывок. Уголь при этом измельчается, истирается и выносится из фильтра при промывке или преждевременно засоряет дренажную систему при фильтровании /4/.

Очистка сточных вод от нефтепродуктов - одна из наиболее действенных мер защиты морей и внутренних водоемов от загрязнений. Хотя со временем эти вещества и подвергаются физическому и биологическому разрушению, тем не менее самые стойкие из них более токсичны в растворенном виде. Углеводороды нефти, в отличие от многих других веществ, способны проникать в жировую ткань водных организмов и накапливаться в ней без контакта с нефтеокисляющими бактериями, а затем попадать в продукты питания человека. Сорбция на активных углях - один из самых эффективных способов выделения из воды растворенных углеводородов нефти и защиты от них водоемов.

Первые сорбционные установки по очистке сточных вод нефтеперерабатывающих заводов от нефтепродуктов были построены в 1971-1972 гг. в Японии и США (16 тыс. м 3 /сут), а затем в Финляндии для очистки балластных вод.

Действующие установки позволяют снижать для концентрированных стоков С 0 от 250-450 до 37 мг/дм 3 (по ХПК); более разбавленные стоки очищаются на угле до С 0 = 7-13 мг/дм 3 и содержания нефтепродуктов до 0,3 мг/дм 3 . Как показывает опыт работы станции в г. Порвоо (Финляндия), лучшие результаты достигаются при обработке содержащих нефть стоков по схеме: накопитель - нефтеловушка - скорый фильтр - адсорбер.

Более глубокая очистка достигается увеличением времени контакта угля и воды до 30-50 мин. В Финляндии строительство станции производительностью 65000 м 3 /сут (максимальная производительность 8800 м 3 /сут) обходится в 2 млн. долл., эксплуатационные затраты - 0,09 долл/м 3 , а себестоимость очистки - 0,20 долл/м 3 , т.е. в 1,5 раза ниже, чем при комбинации химической и биологической очисток.

В Японии эксплуатационные расходы на очистку воды от нефти составляют 0,026-0,013 долл/м 3 при производительности 3,8-38 тыс. м 3 /сут.

Опыт показывает, что подача на уголь воды с высоким содержанием нефтепродуктов нецелесообразна, хотя, например, на нефтепромыслах оно достигает 450 мг/дм 3 . Целесообразно отделять от воды плавающие и эмульгированные нефтепродукты с тем, чтобы на сорбент подавалась вода, содержащая в основном растворенные нефтепродукты. Предварительно воду очищают в нефтеловушках и на фильтрах с пенополиуретановой загрузкой. Фильтры с загрузкой (Н р = 2 м) из дробленного пенополиуретана (d экв = 5-10 мм) позволяют непрерывно очищать воду до концентрации нефтепродуктов и взвешенных веществ 10-15 мг/дм 3 при нагрузке 25-35 м 3 /(м 2 ·ч) и потерях напора до 5-7 ПА (0,5-0,7 мм вод. ст). В этих высокопроизводительных аппаратах сорбент регенерируют простым механическим отжатием.

Плавающие и эмульгированные нефтепродукты могут быть удалены при коалесценции на загрузках из песка, антрацита, полипропилена и других. В качестве эталона сравнения эффективности задержания нефти на загрузке предложен «параметр смачиваемости». Он определяется как отношение времени защитного действия стандартного фильтра по гексану (8-167 мин) ко времени защитного действия этого фильтра по воде (7,5-32 мин).

Сорбционная емкость ГАУ по нефтепродуктам достаточно велика. При сорбции из промысловых сточных вод на углях АР-3, АГН, АГ-5, АГ-3, КАД и ОУ она достигает: 7,7; 7,5; 6,6; 8,0 и 14,2 мг/г, пичем некоторое количество (12,5 %) эфирорастворимых примесей сорбируется на АУ значительно хуже остальных загрязнений. При очистке стоков нефтебаз уголь ОУ-А также оказался эффективнее; его сорбционная емкость достигала 62,5 мг/дм 3 при С р =0,05 мг/г, а угля КАД-молотый - 160 мг/дм 3 . Интересно, что по финским данным в случае термической регенерации ГАУ оптимальное количество сорбата в нем ~ 200 мг/г

Сорбционную очистку высококонцентрированных стоков (С 0 > 5-10 г/дм 3 (по ХПК)) используют довольно редко. Очистка надиловой воды (С 0 > 15-20 г/дм 3 (по ХПК)) характеризуется нелинейными изотермами сорбции, т.е. можно говорить о достижении максимально возможной емкости сорбентов. Более того, при очистке сточных вод от высокомолекулярных соединений при С 0 = 20-70 г/дм 3 (по ХПК) увеличение дозы АУ не всегда приводит к повышению эффекта очистки воды сверх 50 %, хотя разбавление этих растворов в 10 раз увеличивают глубину извлечения этих же примесей до 82 %. Лишь некоторые ПАВ и полупродукты их синтеза из высококонцентрированных растворов, содержащие ароматические кольца, сорбируются на АУ в больших количествах. Так, керосин и бензол сорбируются на угле КАД-иодный в количестве 0,7-1,4 г/г при равновесных его концентрациях 2,1-15,1 г/дм 3 .

Сорбцию на АУ можно использовать в качестве предварительной обработки высококонцентрированных сточных вод перед дальнейшей их БХО и реже перед ФХО. В этом случае из сточных вод хотят выделить биологически неокисляемые или токсичные органические примеси. Сорбционная предочистка сточных вод на АА (после коагуляции) позволяет снизить С 0 этого стока от 7-10

до 2-6 г/дм 3 (по ХПК) за счет выделения ароматических хлор- и азотсодержащих углеводородов. Для очистки столь концентрированных стоков необходимо большое количество сорбента. В предочистке стоков производства изопрена доза АУ составляет 90 г/дм 3 (в сточных водах содержится 1 % несорбируемых примесей и 25 % хорошо сорбируемых). Но сорбционная обработка позволяет в дальнейшем повысить эффект БХО от 50-60 до 90 % и избавиться от дополнительного 5-15-суточного пребывания воды в аэрируемых прудах.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) и красители - типичные загрязнители сточных вод. Активные триазолоновые красители полностью сорбируются из воды на угле КАД-молотый, его максимальная статическая емкость достигает 24,5-54 мг/г. Сорбция из смеси красителей различного типа значительно хуже. Сложность очистки сточных вод текстильных предприятий обусловлена наличием в них разнотипных красителей, присадок и закрепителей с различными сорбционными характеристиками. При Д у = 0,5 - 5 г/дм 3 ряд красителей в статических условиях сорбируются на 40-50 %, в то время как прямые и сернистые - лишь на 10-20 %. Однако иные методы обесцвечивания этих стоков еще менее эффективны. Оптические отбеливатели сорбируются на АУ на 50-60 %.

Сорбционная емкость АУ по СПАВ сравнительно невелика, особенно в той области низких концентраций (менее 0,5 ммоль/дм 3), которая характерна для сточных вод. Тем не менее применение АУ целесообразно: другие методы не обеспечивают такого полного извлечения СПАВ из водных растворов. Емкость углей АГ-3, АГ-5 и БАУ по неионогенным ПАВ и угля КАД-иодный по анионным ПАВ достигает 1,5-20 мг/г, хотя часть объема пор остается недоступной для больших молекул СПАВ и их ассоциатов. В динамических условиях длина зоны массопередачи сорбции ионогенных ПАВ (ОП-7) невелика, поэтому ГАУ в адсорберах сорбционная емкость исчерпывается на 80-90 % до

проскока. ПАВ извлекают сорбцией и из пены флотационной очистки. Практически во всех случаях можно добиться снижения концентрации ПАВ до уровней ПДК.

Применяемые при обогащении полезных ископаемых катионные диэмульгаторы ПАВ также сорбируются ГАУ. Исследования ВНИИ ВОДГЕО показали, что деэмульгатор АНП сорбируется из сточных вод, содержащих другие органические и неорганические вещества, лигниновым АУ до С к = 0,06 мг/дм 3 , но при увеличении Д у до 6-18 г/дм 3 .

При общей очистке стоков с переменным составом неэффективно использовать специфические сорбенты, обладающие селективными свойствами. Так, если очистку общих стоков химического предприятия ведут на сугубо микропористом ГАУ, обладающем хорошей емкостью по ароматическим соединениям, то в первый период работы на АУ извлекается 70-80 % органических веществ, а при изменении состава сточных вод - лишь 20-40 % загрязнений.

С повышением эффекта очистки воды, особенно достижением низких ХПК очищенной воды, возрастает не столько расход сорбента, сколько размеры адсорберов.

В очистке бытовых сточных вод на АУ, возможно, нет столь обширной статистики, как в промышленности, но близость состава стоков городов и населенных пунктов позволяет непосредственно сравнивать полученные аналогичные результаты. С начала 70-х гг. в США строятся и работа.т экспериментальные станции по ФХО бытовых стоков; к 1975 г. Их было более 20. Везде проектированию и строительству крупных станций предшествуют натурные эксперименты.

В среднем, площадь станции ФХО бытовых стоков равна 0,05 м 2 на 1 м 3 /сут производительности, а станции БХО - 0,15 м 2 . Хотя для городских сточных вод себестоимость ФХО выше себестоимости БХО, качество получаемой воды удовлетворяет самым жестким нормам для семи длительно работающих установок: эффект удаления органических веществ 91-98 %.

Общее осложнение в работе всех адсорберов для очистки бытовых стоков - образование сероводорода. Бороться с этим явлением можно эффективно с помощью частых промывок угля и преаэрации воды.

Опытно-промышленные и пилотные установки по очистке бытовых вод на АУ с 1970-1972 гг. работали в различных штатах США. В Кливленде на установке по классической схеме: коагуляция - отстаивание - фильтрование - сорбция в течение нескольких месяцев была получена очищенная вода с БПК 5 < 9 мг/дм 3 и ХПК < 15 мг/дм 3 .

Ряд установок работали по схеме «Прогресс-3-М», особенность которой заключалась в предварительной коагуляции воды гидроокисью кальция (0,6 - 0,8 г/дм 3) при рН 11,8-12,0.

В нашей стране также разрабатываются и строятся станции ФХО бытовых стоков. В них предусмотрены не только классическая схема: коагуляция (сульфатом аммония) - флокуляция (полиэтиленимином) - отстаивание (1 ч) - фильтрование (8 - 9 м/ч) - сорбция, но и 10-минутное предсорбционное

аэрирование и постхлорирование.

Сорбционная очистка бытовых и промышленных сточных вод на ПАУ по технологии существенно отличается от сорбции на ГАУ. Обычно для получения идентичных эффектов очистки воды дозы ПАУ больше доз ГАУ. Кроме того, на ПАУ не всегда удается получить глубоко очищенную (более 95 %) воду. Сама схема обработки воды на ПАУ несколько иная, так как требования к грубодисперсным примесям в воде при работе ПАУ менее жесткие /1/.

4 Расчет адсорбционной установки

4.1 Методика расчета

Ориентировочный расчет адсорбционной установки ведется в следующей последовательности:

1. Определяют общую площадь F общ, м 2 , параллельно работающих адсорберов по формуле (1):

где: Q - расход сточных вод, м 3 /ч.

1. Число параллельно работающих адсорберов определяют по формуле (2):

где: F адс - площадь поперечного сечения одного адсорбера, м 2 .

1. Общая высота угольной загрузки Н общ, м, последовательно работающих адсорберов:

где: Н m - длина зоны массопередачи, заключенной между слоями с С 0 и С пр,

С 0 - концентрация загрязнений в воде, контактирующей с

отработавшим активным углем, мг/л;

С пр - максимально допустимая концентрация загрязнений в очищенной

воде, мг/л;

Величину Н m определяют экспериментально на модели адсорбера диаметром не менее 30 мм, высотой 6-12 м при v = 4-10 м/ч или принимают Н не более 12 м при v = 10 м/ч и при доочистке воды от С 0 = 250 мг/л до С пр = 30 мг/л, считая по ХПК. В тех же условиях при v = 4 м/ч ориентировочно можно принять Н = 5 м.

1. Резервную высоту угольной загрузки Н р, обеспечивающую требуемое качество доочистки в период выгрузки отработавшего угля и включения в работу чистого сорбента, принимают не менее 20 % Н m или определяют по формуле (4):

где: u - скорость перемещения фронта проскока (воды с концентрацией

С пр), м/ч;

t - продолжительность периода перегрузки адсорберов, ч.

1. Величину u определяют экспериментально по результатам динамических опытов или ориентировочно по формуле (5):

где: ξ - порозность угольной загрузки, равная примерно 0,5;

а 0 - величина адсорбции, мг/л, равновесная С 0 ;

Величина а 0 принимается по экспериментальным данным. При отсутствии таких данных ориентировочно принимают u = 2-6 см/ч.

1. Определяют число последовательно работающих адсорберов (обычно принимается не более 3):

где: Н адс - высота угольной загрузки в одном адсорбере, м.

1. Вычисляют продолжительность фильтроцикла одного адсорбера Т ф, ч, после окончания начального периода работы установки (1-3 сут) по формуле (7):

Для уменьшения общего количества сорбента, загружаемого в установку, и для наиболее полного использования адсорбционной емкости угля применяют адсорберы с противоточным движением воды и угольной загрузки в плотном или псевдоожиженном виде.

4.2 Расчет адсорбционной установки

Исходные данные: расход сточных вод Q = 417 м 3 /ч, скорость потока v = 10,0 м/ч, D = 3,5.

1. Определим общую площадь F общ, м 2 , параллельно работающих адсорберов по формуле (1):

1. Число параллельно работающих адсорберов определяем по формуле (2):

1. Общую высоту угольной загрузки Н общ, м, последовательно работающих адсорберов определяем по формуле (3):

Величину Н m принимаем равной 12 м.

1. Резервную высоту угольной загрузки Н р определяем по формуле (4):

Величину u принимаем равной 6 см/ч, t = 4 ч.

1. Определяем число последовательно работающих адсорберов по формуле (6):

1. Вычисляем продолжительность фильтроцикла одного адсорбера Т ф, ч, по формуле (7):

Заключение

Среди физико-химических методов очистки сточных вод от нефтепродуктов лучший эффект дает сорбция на углях.

Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности.

Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической очисткой как метод предварительной и глубокой очистки.

Таким образом, сорбционные методы относятся к наиболее эффективным для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ.

Преимуществами сорбционных методов являются:

Возможность адсорбции веществ из многокомпонентных смесей;

Высокая эффективность при малых концентрациях загрязнений сточных вод;

Эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использование очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

Применение технологических сточных вод в системе оборотного водоснабжения решает не только задачу экономии свежей воды, но и радикального оздоровления водоемов.

Недостатком сорбционной очистки сточной воды является:

Относительно высокая стоимость;

Малый срок службы;

Затраты на обслуживание.

Сорбенты способны извлекать из воды многие органические вещества, в том числе и биологически жесткие, не удаляемые из нее другими методами. При использовании высокоактивных сорбентов воду можно очистить от загрязнений до практически нулевых остаточных концентраций. Сорбцию применяют и при небольших концентрациях загрязнений, когда другие методы очистки оказываются неэффективными и требуется глубокая степень очистки. В тех случаях, когда концентрация сорбируемых веществ в исходных сточных водах велика, обычно выгоднее использовать другие методы очистки.

В качестве сорбентов применяют различные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины и др. Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок. В зависимости от области применения метода сорбционной очистки, места расположения адсорберов в общем комплексе очистных сооружений, состава сточных вод, вида и крупности сорбента и др. назначают ту или иную схему сорбционной очистки и тип адсорбера. Наиболее простым является насыпной фильтр, представляющий собой колонну с неподвижным слоем сорбента, через который фильтруется сточная вода. Наиболее рациональное направление фильтрования жидкости - снизу вверх, так как 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.