рус | укр

Главная

Контакты

Навигация:
Арсенал
Болезни
Витамины
Вода
Вредители
Декор
Другое
Животные
Защита
Комнатные растения
Кулинария
Мода
Народная медицина
Огород
Полесадник
Почва
Растения
Садоводство
Строительство
Теплицы
Термины
Участок
Фото и дизайн
Хранение урожая









Адсорбционная очистка сточных вод

Теоретические сведения

Адсорбция является одним из наиболее эффективных методов глубокой очистки сточных вод от растворенных органических соединений (фенолов, пестицидов, ароматических красителей, поверхностно-активных веществ и др.).

Адсорбция – самопроизвольный процесс поглощения (концентрирования) органических веществ из воды или газовой фазы поверхностью твердого поглотителя (адсорбента). Различают физическую и активированную (химическую) адсорбцию.

Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия адсорбируемых молекул с поверхностью адсорбента. Этот процесс полностью обратим.

Активированная адсорбция сопровождается образованием поверхностных соединений молекул поглощаемых веществ с адсорбентом. Отдельные виды адсорбции на практике часто протекают одновременно.

В качестве адсорбентов в технологии очистки сточных вод можно использовать любые мелкодисперсные твердые вещества, обладающие развитой поверхностью: опилки, зола, торф, глины, коксовая мелочь. Однако наиболее эффективными адсорбентами являются гидрофобные пористые материалы - активные угли (АУ) различных марок.

АУ принадлежат к группе графитовых тел и представляют собой разновидность микрокристаллического углерода. Графитовые кристаллы состоят из плоскостей, образованных конденсированными ароматическими кольцами, но типичная для графита ориентация отдельных плоскостей нарушена, часть слоев беспорядочно сдвинуты относительно друг друга. Кроме того, АУ содержит до 2/3 аморфного углерода и гетероатомы, например кислород. Неоднородная масса, состоящая из кристаллитов графита и аморфного углерода, обуславливает необычную пористую структуру АУ.

Поры АУ классифицируют по эквивалентному радиусу пор (r), и разделяют на:

- микропоры r = 0,6-0,7нм;

- супермикропоры r = 0,7-1,6нм;

- мезопоры r = 1,6-100нм;

- макропоры с r 100нм.

Определяющая роль в процессах адсорбции активными углями растворенных органических веществ принадлежит микропорам, размеры которых соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул. Характерной чертой адсорбции в микропорах является существенное повышение энергии адсорбции по сравнению с другими видами пор, что связано с наложением адсорбционных полей противоположных стенок пор. При этом заполнение адсорбционного пространства протекает по объемному механизму, что приводит к значительному повышению адсорбционной ёмкости АУ. Однако адсорбция крупных молекул ПАВ, высокомолекулярных соединений может осуществляться в супермикро- и мезопорах.

Основными характеристиками АУ являются параметры пористой структуры (объемы микро-, мезо- и макропор, см3/г), распределение объема пор по размерам, насыпная плотность г/см3, механическая прочность, диаметр зерен, которые зависят главным образом от свойств исходного сырья, условий карбонизации и активации.

В настоящее время АУ получают из всех видов углеродсодержащего сырья: каменный и бурый угли, древесина, торф, лигнин, отходы полимерных материалов, фруктовые косточки и скорлупа орехов.

Промышленность выпускает гранулированные (ГАУ) и порошкообразные активные угли (ПАУ).

В практике очистки сточных вод АУ применяются в статическом и динамическом режиме адсорбции.

 

Адсорбции в статическом режиме

В статических условиях процесс проводят в аппарате – смесителе или нескольких последовательно соединенных блоках, в которых очищаемая вода перемешивается с порошкообразным адсорбентом в течение времени необходимого для установления равновесия, с последующим разделением суспензии в проточных отстойниках.

Удельный расход сорбента при заданной степени очистки воды зависит от начальной концентрации примеси, сорбционных свойств АУ и может быть рассчитан из изотерм адсорбции.

Изотерма характеризует зависимость количества адсорбированного вещества А (ммоль/г, мг/г или усл.ед. ХПК/г) от его равновесной концентрации в растворе Ср. Хорошо адсорбируемые органические соединения обычно имеют выпуклую изотерму адсорбции на АУ (Рис.1).

Величину адсорбции А рассчитывают по формуле:

, (1)

где Со - исходная концентрация извлекаемого вещества,

V - объем обрабатываемого раствора, (л);

m- масса АУ, (г)

А

 
 

 


0 С

 

Рис.1. Изотерма адсорбции.

 

В инженерных расчетах изотерму адсорбцию описывают эмпирическим уравнением Фрейндлиха:

, (2)

где К и n – коэффициенты, определяемые экспериментально.

Для определения коэффициентов К и n уравнение Фрейндлиха логарифмируют и представляют в виде:

(3)

Затем строят зависимость lg A= f(C) и графически определяют коэффициенты в уравнении (3).

Удельный расход адсорбента при одноступенчатой схеме очистки воды в условиях, когда исходная концентрация извлекаемого вещества составляет Со и конечная его концентрация в очищенной воде Ск определяют по формуле:

, (4)

где, Ао - величина адсорбции, рассчитанная из изотермы адсорбции при равновесной концентрации Ск.

Очевидно, что чем больше разность (Сок) и меньше величина адсорбции Ао, тем большая доза сорбента необходима для очистки.

Как правило, конечные концентрации органических веществ в очищенной воде должны быть низкими, на уровне ПДК. При таких концентрациях величины адсорбции этих веществ также малы (Ао), и соответственно доза ПАУ для достижения заданной степени очистки в одну стадию возрастает. Поэтому для более эффективного использования ПАУ в практике водоочистки обычно применяют 2-ух или 3-ех ступенчатую схему, при этом на каждой ступени очистки, концентрация примесей в очищаемой воде снижается до С1, С2,…Ск соответственно.

Удельный расход сорбента в 3-ёх ступенчатой схеме очистки воды может быть рассчитан по формуле:

(5)

где: m1, m2, m3 – удельный расход сорбента на 1, 2 ,3 ступенях соответственно;

С1, С2, С3 – концентрация органических веществ в очищенной воде после 1, 2, 3 ступени соответственно;

А1, А2, А3 – величины адсорбции, рассчитанные из изотермы адсорбции при равновесной концентрации С1, С2,…Сk соответственно.

 

Адсорбция в динамических условиях

Адсорбция растворенных веществ при фильтровании очищаемой воды через плотный слой зерен адсорбента, загруженных в колонну, представляет собой один из наиболее распространенных методов извлечения веществ из растворов. Этот метод широко используется в технологии глубокой очистки промышленных сточных вод от органических загрязнений.

Механизм процесса представляется следующим образом.

Поток жидкости, содержащий растворенное вещество с концентрацией С0, поступает в слой пористых зерен. В результате масса переноса растворенного вещества к внешней границе зерен адсорбента и от внешней границы зерна по системе пор к его центру молекулы растворенных веществ адсорбируются и концентрация раствора по мере его продвижения вдоль слоя падает от С0 до 0, или до предельно допустимой концентрации в фильтрате (СПР). После того, как концентрация извлекаемого из раствора вещества в фильтрате превышает предельно допустимое значение, адсорбционный фильтр останавливают на регенерацию.

Эффективность работы фильтра зависит от многих факторов: природы адсорбируемого вещества и адсорбента, (адсорбционной статической емкостью сорбента), диаметра зерна адсорбента, правильного выбора длины слоя фильтрующего материала и другие.

Скорость адсорбции растворенного вещества определяется скоростью массопереноса, поэтому процесс поглощения вещества из потока раствора протекает не мгновенно, а требует времени, в течение которого концентрация в потоке падает от С0 до 0. При этом сам элемент потока перемещается на расстояние L0. Участок слоя адсорбента, на котором концентрация извлекаемого вещества в потоке падает от С0 до 0 получил название "работающего слоя" или фронта массопереноса.

В первоначальный период работы фильтра происходит формирование зоны массопереноса, при этом длина работающего слоя изменяется до тех пор, пока начальный участок слоя адсорбента (лобовой слой) не насытится адсорбируемым веществом до равновесия с его концентрацией в потоке С0.

Далее длина работающего слоя остается постоянной, но он перемещается по высоте фильтра в направлении потока. Этот процесс наглядно иллюстрируется графиком зависимости количества поглощаемого вещества от длины слоя сорбента (рис.2.).

 

Слой ОА полностью насыщен, слой АВ – работающий слой, слой ВС ещё не вступил в работу, 1,2,3 – формирование зоны массопереноса.

 

Рис.3. Кривая распределения поглощенного вещества

по высоте слоя адсорбента

 

Как видно из рисунка, часть слоя сорбента остается практически ненасыщенным адсорбируемым веществом – так называемый "мертвый слой".

В практике очистки сточных вод для более полного использования сорбционной емкости фильтра высота слоя сорбента должна в 4-5 раз превышать длину работающего слоя.

Длину работающего слоя адсорбента можно рассчитать по выходной кривой адсорбции – зависимости остаточной концентрации вещества в потоке (С/С0) от времени работы фильтра (τ) (рис. 4) на основе уравнения Шилова:

τ = kH – τ0 , (6)

где: τ- время защитного действия слоя;

τ0 - потеря времени защитного действия слоя;

Н - высота слоя адсорбента;

k - коэффициент защитного действия слоя (мин/см)

Значение k определяется по формуле:

, (7)

где: А0 – равновесная статическая емкость адсорбента, при концентрации С0, определяемая из изотермы адсорбции (мг/см3 или г/м3 );

ω – линейная скорость фильтрации (см/мин или м/мин);

С0 – исходная концентрация (мг/см3), г/м3;

Коэффициент защитного действия слоя характеризует время перемещения зоны массопереноса на единицу длины слоя сорбента.

u = 1/k отражает скорость движения зоны массопереноса.

Длину работающего слоя рассчитывают по формуле:

, (8)

где: τРАВН – время работы фильтра, до появления за слоем концентрации равной исходной С0.

τ – время работы фильтра до проскока извлекаемого вещества в фильтрат

φ – фактор симметричности выходной кривой, φ = SABC/SABCD ,(рис 4);

 

 

 


.

t

Рис. 4. Выходная кривая адсорбции

 

Уравнение Шилова позволяет определить время работы слоя адсорбента любой длины L>L0 по экспериментально установленным величинам k0 и τ0.

В практике сорбционной очистки сточных вод для более полного использования сорбционной емкости АУ используют блок сорбционной очистки, состоящий из трех фильтров, соединенных таким образом, что два из них могут работать в любом сочетании последовательно, а третий отключаться на регенерацию (рис.5). Регенерацию можно проводить непосредственно в фильтре паром или горячим воздухом.

Высота слоя сорбента в фильтре – не менее 1,5 м. Время контакта сточной воды с сорбентом при извлечении низкомолекулярных ароматических соединений должно составлять не менее 15 мин, при извлечении высокомолекулярных соединений – 20-30 мин.

 

Рис.5. Технологическая схема адсорбционной очистки сточных вод

с применением фильтров с неподвижным слоем сорбента: 1– фильтр

 

Просмотров: 491

Вернуться в категорию: Участок

© 2013-2017 cozyhomestead.ru - При использовании материала "Удобная усадьба", должна быть "живая" ссылка на cozyhomestead.ru.