Физико химические основы адсорбционной очистки воды от органических веществ

 

Физико химические основы адсорбционной очистки воды от органических веществ".

 

Содержание

 

 

 

Введение

 

Адсорбционное очистки вод бывает регенеративным (вытягивание веществ из адсорбента и их утилизация) и деструктивным (вытягивание вещества из адсорбента и его уничтожения вместе с адсорбентом).

В инженерной практике применяют адсорбционные установки с последовательным и противоточным введением адсорбента. Процесс адсорбционной очистки сточных вод происходит при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, а также фильтровании воды через слой адсорбента. При смешивании адсорбента с водой используют активированный уголь. Процесс может иметь один или несколько ступеней. Экономически целесообразными являются многоступенчатые установки. При этом на первом этапе вводят столько адсорбента, сколько необходимо для уменьшения концентрации загрязняющих веществ от Сп к С1, после чего адсорбент выводят из цикла через отстаивания или фильтрования, а сточную воду направляют на второй этап очистки, где вводится свежий адсорбент.

После окончания процесса адсорбции на втором этапе концентрация загрязняющих веществ в воде уменьшается от С, С2 и т.д.

Очистка сточных вод — комплекс мероприятий по удалению загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах. Обычно осуществляется в КОС установках.

Адсорбция – процесс концентрирования растворенного вещества (адсорбата) или растворителя (адсорбтива) из объема фаз на поверхности раздела между ними (на поверхности твердого тела (адсорбента) или жидкости). [3]

В зависимости от характера сорбционного взаимодействия адсорбата и адсорбента различают физическую адсорбцию, активированную адсорбцию и хемосорбцию.

Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса, не избирательна, полностью необратима, протекает с высокой скоростью и имеет сравнительно низкую теплоту адсорбции – от нескольких килоджоулей до нескольких десятков килоджоулей на моль адсорбата. Адсорбция протекает молекулярно, т.е. преимущественно адсорбируются соединения в недиссоциированном состоянии. Физическая адсорбция характерна для веществ, адсорбируемых из парогазовой фазы, а при адсорбции из растворов осложнена физико-химическим взаимодействием адсорбата, адсорбтива и адсорбента.

 

 

1. Физико-химические методы очистки сточных вод

К физико-химическим методам очистки сточных вод относят коагуляцию, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и ультрафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных твердых и жидких частиц, растворимых газов, минеральных и органических веществ.

Использование физико-химических методов для очистки сточных вод по сравнению с биохимическим имеет ряд преимуществ:

1. возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимически неокисляемых органических загрязнений;
2. достижение более глубокой и стабильной степени очистки;
3. меньшие размеры сооружений;
4. меньшая чувствительность к изменениям нагрузок;
5. возможность полной автоматизации;
6. более глубокая изученность кинетики некоторых процессов, а также вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппаратуры;
7. методы не связаны с контролем за деятельностью живых организмов;
8. возможность рекуперации различных веществ.

Выбор того или иного метода очистки (или нескольких методов) производят с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемых к очищенным производственным сточным водам с целью дальнейшего их использования, а также с учетом количества сточных вод и концентрации загрязнений в них.

 

 

2. Очистка сточных вод  адсорбцией

 

Адсорбционные методы широко применяются для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.

Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки достигает 80.95 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности, от химического строения извлекаемого вещества и его состояния в растворе.

Адсорбенты. В качестве сорбентов используют активные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки). Наиболее универсальными из адсорбентов являются активные угли, но они должны обладать определенными свойствами. Активные угли должны слабо взаимодействовать с молекулами воды и хорошо - с органическими веществами, быть относительно крупнопористыми, чтобы их поверхность была доступна для органических молекул. При малом времени контакта с водой они должны иметь высокую адсорбционную емкость, высокую селективность и малую удерживающую способность при регенерации. Угли должны быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав. В процессе очистки используют мелкозернистые адсорбенты с частицами размером 0,25.0,5 мм и высокодисперсные угли с размером частиц менее 40 мкм.

Основы процесса адсорбции. Вещества, хорошо адсорбируемые из водных растворов активными углями, имеют выпуклую изотерму адсорбции, а плохо адсорбирующиеся - вогнутую. Изотерму адсорбции вещества, находящегося в сточной воде, определяют опытным путем.

Если в сточной воде присутствует несколько извлекаемых компонентов, то для определения возможности их совместной адсорбции для каждого вещества находят значение стандартной дифференциальной свободной энергии ΔF0 и определяют разность между максимальным и минимальным значением. При условии ΔГ° тах - ΔГ° тп < 10,5 кДж/моль совместная адсорбция всех компонентов возможна. Если это условие не соблюдается, то очистку проводят последовательно в несколько ступеней.

Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, физико-химической природы и структуры растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента. В общем случае процесс адсорбции складывается из 3-х стадий: переноса вещества из сточной воды к поверхности зерен адсорбента (внешнедиффузионная область), собственно адсорбционный процесс, перенос вещества внутри зерен адсорбента (внутридиффузионная область). Лимитирующими стадиями процесса может быть внешняя или внутренняя диффузия, либо обе эти стадии.

Во внешнедиффузионной области скорость массопереноса определяется турбулентностью потока жидкости, которая зависит от скорости жидкости. Во внутридиффузионной области интенсивность массопереноса зависит от вида и размеров пор адсорбента, от форм и размера его зерен, от размера молекул адсорбирующихся веществ, от коэффициента массопроводности.

Оптимальный процесс адсорбции целесообразно проводить при интенсивных гидродинамических режимах, чтобы он протекал во внутридиффузионной области, сопротивление которой можно снизить, изменяя структуру адсорбента, уменьшая размеры зерна.

Адсорбционные установки. Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или псевдоожиженном слое на установках периодического и непрерывного действия. При смешивании адсорбента с водой используют активный уголь в виде частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней.

Статическая одноступенчатая адсорбция находит применение в случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства. При использовании многоступенчатой установки процесс протекает при меньшем расходе адсорбента. При этом в первую ступень вводят столько адсорбента, сколько необходимо для снижения концентрации загрязнений от Сн до Сі, затем адсорбент отделяют отстаиванием или фильтрованием, а сточную воду направляют во вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент. По окончании процесса адсорбции во второй ступени концентрация загрязнений в воде уменьшается от С1 до С2 и т. д.

В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных веществ и колеблется от 2.4 до 5.6 м /(м-ч). Адсорбент применяют в виде частиц размером 1,5.5 мм. Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все сечение. В одной колонне при неподвижном слое угля процесс очистки ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн. По такой схеме две колонны работают последовательно, а третья отключена на регенерацию. При проскоке во второй (средней) колонне на регенерацию отключают первую колонну.

В момент проскока в колонне появляется слой адсорбента L0, который не работает. Этот слой называют «мертвым» слоем. Если одновременно выводить из колонны «мертвый» слой и вводить в нее такой же слой свежего адсорбента, то колонна будет работать непрерывно.

Установки с псевдоожиженным слоем целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в сточной воде. Размер частиц адсорбента должен быть равным 0,5.1 мм.

Регенерация адсорбента. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром, либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при избыточном давлении 0,3.0,6 МПа равна 200.300оС, а температура инертных газов 120.1400С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5.3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих - в 5.10 раз больше. После десорбции пары конденсируют и вещество извлекают из конденсата.

Адсорбция используется для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках. Ее применяют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, ПАВ, красителей, ароматических нитросоединений, пестицидов и других органических соединений. Адсорбция эффективна для извлечения ценных продуктов с целью их регенерации, для удаления токсичных веществ, препятствующих биологической очистке, для глубокой очистки сточных вод, используемых в системах оборотного водоснабжения.

Эффективность адсорбцонной очистки достигает 80-90 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в водном растворе.

Адсорбция растворенных веществ — результат перехода молекулы расширенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности, при этом наблюдаются два вида межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенного вещества с молекулами поверхности сорбента и с молекулами воды в растворе (гидратация). Разность этих двух сил и определяет возможность удерживания вещества на поверхности сорбента.

В качестве сорбентов могут служить различные искусственные и природные пористые материалы, прежде всего активированые угли различных марок, силикагели, зола, шлак, торф и др. Минеральные сорбенты — глины, силикагели, алюмогели, гидроксилы используются мало, т.к. энергия взаимодействия их с молекулами золы велика, нередко превышает энергию адсорбции.

Наиболее универсальными сорбентами являются активные угли.

В общем случае процесс адсорбции складывается из трех стадий: перенос вещества из сточной воды к поверхности адсорбента (внешнедиффузионная область), перенос вещества внутри зерен адсорбента (внутридиффузионная область), собственно адсорбционный процесс.

Процесс сорбции может осуществляться в стaтических или динамических условиях. При статической адсорбции жидкость не перемещается относительно частицы сорбента, а движется вместе с последней. При этом проводят интенсивное пермешивание, используя активный уголь с размерами частиц 0,1 мм и менее, в одну или несколько ступеней. Статическая одноступенчатая используется, когда адсорбент дешев или является отходом производства.

Более эффективно процесс протекает при использовании многоступенчатых установок, осуществляемых в прямоточном и противоточном вариантах.

Схема прямоточной установки с последовательным введением сорбента приведена на рисунке 1 а.

 

Рис. 1. Схемы адсорбционных установок

а – с последовательным введением сорбента;

б – с противоточным введением сорбента;

в – непрерывного действия;

1 — смеситель; 2 — отстойник; 3 —  усреднитель; 4 — насос; 5 — фильтр; 6 — адсорбционные колонны; 7 — емкость

 

В противоточной схеме адсорбент вводят однократно в последнюю ступень и он движется навстречу воде.

Наибольшее практическое применение до настоящего времени получили установки полупериодического действия (непрерывного по воде и периодического по углю), в которых осуществляется процесс адсорбции в динамических условиях. Вода фильтруется через слой сорбента со скоростью от 2 — 4 до 12 м/ч, двигаясь снизу вверх. Размеры частиц адсорбента 0,8-5 мм, его слои отрабатываются постепенно. В одной колонне процесс ведут до проскока, затем адсорбент выгружают на регенерацию. При непрерывной организации процесса используют несколько колонн (рисунок 40 в), в такой схеме две колонны работают последовательно, третья находится на регенерации.

По мере насыщения адсорбента первый по ходу движения воды адсорбер отключается на регенерацию, а прошедший регенерацию включается последним по ходу движения воды. 
При относительно высоком содержании в сточной воде мелкодиспергированных взвешенных частиц, заиливающих сорбенты, а также в случае, если равновесие устанавливается медленно, рационально применять процесс с псевдоожиженым слоем сорбента. При этом размеры частиц активированного угля составляют 0,25-1 мм, а скорость потока воды — 10-20 м/ч.