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. Ее можно приближенно вычислить по соотношению
a = a∞kwCp/( V*H2O Vi* + kwCp) (5.63)
где a - удельная адсорбция, ммоль/г; a∞ - максимальная удельная адсорбция вещества (адсорбционная емкость), ммоль/г; kw = ka / 55,5 - ионное произведение воды; ka - константа адсорбционного равновесия; V*H2Oи Vi* - молярные обьемы воды и адсорбируемого вещества; Cp - равновесная концентрация, ммоль/л.
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 ΔF0max − ΔF0min ≤ 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 лимитировался во внутридиффузионной области, сопротивление которой можно снизить, изменяя структуру адсорбента, уменьшая размеры зерна.
Для ориентировочных расчетов рекомендуется принимать значения скорости wж = 1,8 м/ч и диаметра зерна 2,5 мм. При значениях меньше указанных, процесс лимитируется во внешнедиффузионной области, при больших значениях - во внутридиффузионной области.
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 Cн до С1, 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 C1 до C2 и т.д.
Расход адсорбента для одноступенчатого процесса определяют из уравнения материального баланса:
m = Q(Cн − Ск ) / a (5.64)
где m - расход адсорбента; Q - объемный расход сточных вод; Cн и Ск - начальная и конечная концентрации загрязненной сточной воды; a - коэффициент адсорбции.
Конечная концентрация загрязнений в сточной воде после очистки в установке с n ступенями равна:
Cn = [Q/( Q + km)]n Cн (5.65)
где k - коэффициент распределения, равный
k = aτ / a = (Cн − Ск ) /(Сн − С р ) ≈ 0.7 ÷ 0.8 (5.66)
где aτ - значение удельной адсорбции за время τ; Cp - равновесная концентрация вещества.
Расход адсорбента на каждую ступень находят по формуле
m = Q/ k(√Cн /Cn −1) (5.67)
а необходимое число ступеней
n = lgCн − lgCn /[lg(Q + km) − lgQ] (5.68)
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 м3/(м2*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.
Скорость перемещения работающего слоя равна
U = Cнwср / a0д (5.69)
где wср - средняя скорость воды в колонне; a0д - динамическая емкость адсорбента.
Длина (высота) работающего слоя
Lp = M /(S β ΔCcp ) (5.70)
где M - количество поглощенного вещества; S - площадь поперечного сечения слоя; β - коэффициент массопередачи; ΔCcp - средняя движущая сила
адсорбции.
При небольших концентрациях загрязнений в сточной воде средняя движущая сила процесса может быть вычислена как средняя логарифмическая из движущих сил на концах адсорбера.
Установки с псевдоожиженным слоем целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в сточной воде. Размер частиц адсорбента должен быть равным 0,5…1 мм. Скорость потока при этом находится в пределах 8…12 м/ч.
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…3000С, 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.