Привет студент

Курсовая работа

Сорбционная очистка

 

Содержание

 

 

Введение …………………………………………………………………………	4
1 Основы теории сорбции ……………………………………………………….	5
2 Сорбционные установки ……………………………………………………...	10
3 Сорбционная очистка активным углем ………………………………………	17
4 Расчет адсорбционной установки ……………………………………………	29
4.1 Методика расчета ……………………………………………………………	29
4.2 Расчет адсорбционной установки ………………………………………….	31
Заключение ………………………………………………………………………..	32
Список использованных источников ……………………………………………	34

 

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.

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. 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 см² поверхности адсорбента или к 1 г адсорбента. В первом случае это количество обозначается Г (моль/ см²), 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).

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 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 м²/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, (см³/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/м³, 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 м²/(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 (О₂, СО₂, SO₂) и солями (ZnCl₂, K₂CO₃, K₂S и др.) при температуре 750-1000 °С. Чаще других применяют комбинированный парогазовый способ с использованием топочных газов состава Н₂О + СО₂ + О₂. 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 м²/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 м²/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 Al₂(SO₄)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. м³/сут), а затем в Финляндии для очистки балластных вод.

Действующие установки позволяют снижать для концентрированных стоков С₀ от 250-450 до 37 мг/дм³ (по ХПК); более разбавленные стоки очищаются на угле до С₀ = 7-13 мг/дм³ и содержания нефтепродуктов до          0,3 мг/дм³. 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 м³/сут (максимальная производительность 8800 м³/сут) обходится в 2 млн. долл., эксплуатационные затраты – 0,09 долл/м³, а себестоимость очистки –   0,20 долл/м³, 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/м³ при производительности 3,8-38 тыс. м³/сут.

Опыт показывает, что подача на уголь воды с высоким содержанием нефтепродуктов нецелесообразна, хотя, например, на нефтепромыслах оно достигает 450 мг/дм³. 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/дм³ при нагрузке 25-35 м³/(м²·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/дм³ при С_р =0,05 мг/г, а угля КАД-молотый – 160 мг/дм³. Интересно, что по финским данным в случае термической регенерации ГАУ оптимальное количество сорбата в нем ~ 200 мг/г

 

ГАУ.

Сорбционную очистку высококонцентрированных стоков (С₀ > 5-10 г/дм³ (по ХПК)) используют довольно редко. Очистка надиловой воды (С₀ > 15-20 г/дм³ (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                       С₀ = 20–70 г/дм³ (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/дм³.

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 С₀ этого стока от 7-10

до 2-6 г/дм³ (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/дм³ (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/дм³ 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/дм³), 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/дм³, но при увеличении Д_у до 6-18 г/дм³.

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 м² на 1 м³/сут производительности, а станции БХО – 0,15 м². 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       БПК₅ < 9 мг/дм³ и ХПК < 15 мг/дм³.

Ряд установок работали по схеме «Прогресс-3-М», особенность которой заключалась в предварительной коагуляции воды гидроокисью кальция           (0,6 – 0,8 г/дм³) 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, м², параллельно работающих адсорберов по формуле (1):

 

,                                                       (1)

 

где: Q – расход сточных вод, м³/ч.

 

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

 

,                                                       (2)

 

где: F_адс – площадь поперечного сечения одного адсорбера, м².

 

3. Общая высота угольной загрузки Н_общ, м, последовательно работающих адсорберов:

 

,                                                       (3)

 

где: Н_m – длина зоны массопередачи, заключенной между слоями с С₀ и С_пр,

       м;

       С₀ – 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 С₀ = 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.

4. 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):

 

 

 

 

,                                                       (4)

 

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

       С_пр), м/ч;

       t – продолжительность периода перегрузки адсорберов, ч.

 

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

 

,                                                      (5)

 

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

       а₀ – величина адсорбции, мг/л, равновесная С₀;

 

Величина а₀ принимается по экспериментальным данным. При отсутствии таких данных ориентировочно принимают u = 2-6 см/ч.

 

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

 

,                                                       (6)

 

где: Н_адс – высота угольной загрузки в одном адсорбере, м.

 

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

 

,                                                       (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 м³/ч, скорость потока           v = 10,0 м/ч, D = 3,5.

1. Определим общую площадь F_общ, м², параллельно работающих адсорберов по формуле (1):

 

м²

 

м²

 

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

 

 

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

 

=36 м

 

Величину Н_m принимаем равной 12 м.

 

4. Резервную высоту угольной загрузки Н_р определяем по формуле (4):

 

м

 

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

 

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

 

7. Вычисляем продолжительность фильтроцикла одного адсорбера Т_ф, ч, по формуле (7):

 

ч

 

 

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.

Список использованных источников

 

 

1. Смирнов, А.Д. Сорбционная очистка воды: учеб. пособие / А.Д. Смирнов. – Л.: Химия, 1982. – с.63-82.
2. Ефремов, И.В. Методы и технические средства защиты гидросферы: учеб. пособие / И.В. Ефремов. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005. – 259 с.
3. Яковлев, С.В. Водоотводящие системы промышленных предприятий: учеб. для вузов / С.В. Яковлев, Я.А. Карелин, Ю.М. Ласков, Ю.В. Воронов. – М.: Стройиздат, 1990. – с. 192-203.
4. Кульский, Л.А. Технология очистки природных вод: учеб. пособие / Л.А. Кульский, П.П. Строкач. – Киев: Вища школа, 1981. – 328 с.

 

 

Скачать: sorbciya.doc