Процессы и аппараты адсорбционной очистки сточных вод

Адсорбцией называется поглощение веществ поверхностным слоем твердого сорбента. Адсорбция - это результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора (сточной воды) на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности сорбента (сил Ван-дер-Ваальса). При этом наблюдается два вида межмолекулярного взаимодействия: между молекулами ПК (поглощаемого компонента) и воды; между молекулами ПК и сорбента. Разность этих двух сил удерживает молекулы ПК на поверхности сорбента. При этом если ПК и сорбент химически взаимодействуют (реакция), процесс называется хемосорбцией, если нет - физической адсорбцией.

Адсорбция используется для глубокой очистки вод замкнутого водопотребления и доочистки сточных вод от органических веществ в целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности. Адсорбция позволяет эффективно очищать слабо концентрированные растворы, а также извлекать ценные компоненты после десорбции. В качестве сорбентов применяют пористые материалы: активные угли, селикагели, алюмогели, зола, кокс, торф и др. Поры подразделяют на три типа: 1) макропоры, размером 0,1-2мкм; 2) средние (переходные), размером 0,004-0,1 мкм; 3) микропоры, размером менее 0,004мкм. Макропоры и переходные поры играют роль транспортных каналов, а микропоры определяют сорбционную способность сорбента. Пористость активных углей составляет 60-75%, удельная площадь поверхности 400-900 м² /г, емкость 0,6-1,5 см³ /г, размер зерен 1-5мм, насыпная плотность 260-600кг/ м³. На табл. 11.3.1 приведены основные характеристики осветляющих древесных активных углей.

Таблица 11.3.1

Характеристика осветляющих древесных активных углей

Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств сорбента является изотерма сорбции (рис.11.3.1), который описывается уравнением:

а=kc_равн (11.3.1)

где а - удельная сорбция, кг/кг; к - коэффициент распределения, зависящая от температуры; с_равн -равновесная концентрация вещества в сорбенте, кг/кг.

Процесс адсорбции можно осуществить динамически, когда вода движется относительно сорбента (фильтры), или статически, когда жидкость движется вместе с частицами сорбента (перемешивающие аппараты). В промышленности процесс адсорбции осуществляют по периодической, полупериодической и непрерывной технологическим схемам. В качестве адсорбентов широко используют гранулированные (крупнозернистые), мелкозернистые и высокодисперсные (пылевидные) активные угли. Наиболее простой, с технологической точки зрения, является схема периодического процесса адсорбции. При периодической адсорбции в качестве адсорбента обычно используют высокодисперсные активные угли, причем адсорбцию проводят в одну или несколько ступеней. На рис. 11.3.2 приведена принципиальная схема установки трехступенчатой периодической адсорбции.

Остаточная концентрация адсорбата в воде С_п при многоступенчатой адсорбции определяется согласно соотношению

где V — объем сточных вод; n — число ступеней адсорбции; К_адс— константа адсорбционного равновесия; g — количество адсорбента; С₀ — концентрация вещества в исходной сточной воде.

Количество адсорбента, необходимое для достижения заданной концентрации адсорбата в воде, определяется из уравнения:

В производственных условиях адсорбционного равновесия, как правило, не достигается и степень использования активного угля обычно составляет:

где а_τ — фактическое значение адсорбции; а - теоретическое значение адсорбции; С_ост — остаточная концентрация вещества в очищенной воде.

Периодическую многоступенчатую адсорбцию можно осуществить в противоточном варианте (рис. 11.3.2).

Наиболее простым адсорбциионным аппаратом является насыпной фильтр (рис. 11.3.3). В колонне 1 на решетке 2 с отверстиями 5-10мм и шагом 10-20мм.

укладывают мелкий щебень 3 и крупный гравий 4 высотой 400-500мм, предохраняющие проваливания сорбента 5 и обеспечивающие равномерное распределение потока жидкости. На гравий укладывают слой сорбента 5 и в обратном порядке щебень, гравий и решетку (для предотвращения выноса сорбента). Сточная вода подается снизу. Десорбция осуществляется паром или химическими растворителями. Обычно установка состоит из 3-5 параллельных фильтров. В статических условиях адсорбция осуществляется путем интенсивного перемешивания сточной воды с сорбентом в течение определенного времени и последующего отделения сорбента осаждением. Количество сорбента определяется по формуле:

где М - количество сточной воды, кг; с_нач и с_равн - начальная и равновесная концентрация загрязняющего вещества в воде, мг/л; k- коэффициент расхода (˂1)