2.7.3 Адсорбційне очищення

Адсорбційні методи широко застосовуються для глибокого очищення стічних вод від розчинених органічних речовин після біохімічного очищення, а також у локальних установках, якщо концентрація цих речовин у воді невелика і вони біологічно не розкладаються або є сильнотоксичними.

Адсорбцію використовують для знешкодження стічних вод від фенолів, гербіцидів, пестицидів, ароматичних нітросполук, ПАР, барвників. Перевагою методу є висока ефективність, можливість очищення стічних вод, що містять кілька речовин, а також рекуперації цих речовин. Адсорбційне очисщення вод може бути регенеративним, тобто з витяганням речовини з адсорбенту і його утилізацією, й деструктивним, при якій витягнуті зі стічних вод речовини знищуються разом з адсорбентом. Ефективність адсорбційної очищення досягає 80 ... 95% і залежить від хімічної природи адсорбенту, величини адсорбційної поверхні, від хімічної будови витягуваної речовини та її стану в розчині.

Адсорбенти. Як сорбенти використовують активне вугілля, синтетичні сорбенти і деякі відходи виробництва (золу, шлаки, тирсу). Найбільш універсальними з адсорбентів є активоване вугілля, але воно повинне мати певні властивості. Активоване вугілля має слабо взаємодіяти з молекулами води й добре – з органічними речовинами, бути відносно великопористим, щоб їх поверхня була доступна для органічних молекул. При малому часі контакту з водою воно повинно мати високу адсорбційну ємність, високу селективність та малу утримуючу здатність при регенерації. Вугілля повинне бути міцним, швидко змочуватися водою, мати певний гранулометричний склад. У процесі очищення використовують дрібнозернисті адсорбенти з частинками розміром 0,25 ... 0,5 мм і високодисперсне вугілля з розміром частинок менше ніж 40 мкм.

Основи процесу адсорбції. Одним з основних критеріїв оцінки адсорбційних властивостей сорбентів є ізотерма адсорбції, яка аналітична в разі розбавлення розчинів, що має місце при очищенні стічних вод, описується рівнянням Ленгмюра.

Речовини добре адсорбуються з водних розчинів активованим вугіллям, мають опуклу ізотерму адсорбції, а погано адсорбуючі – ввігнуту. Ізотерму адсорбції речовини, що знаходиться в стічній воді, визначають дослідним шляхом.

Якщо в стічній воді наявні кілька видобутих компонентів, то для визначення можливості їх спільної адсорбції для кожної речовини знаходять значення стандартної диференціальної вільної енергії ΔF₀ і визначають різницю між максимальним і мінімальним значенням. За умови 0ΔF_{max 0} - ΔF_min ≤ 10,5 кДж/моль спільна адсорбція всіх компонентів можлива. Якщо ця умова не дотримується, то очищення проводять послідовно в декілька етапів. Швидкість процесу адсорбції залежить від концентрації, фізико-хімічної природи й структури розчинених речовин, температури води, виду та властивостей адсорбенту. В загальному випадку процес адсорбції складається з 3-ох стадій: перенесення речовини зі стічної води до поверхні зерен адсорбенту (зовнішньодифузійна ділянка), власне адсорбційний процес, перенесення речовини всередину зерен адсорбенту (внутршньодифузійна ділянка). Лімітуючими стадіями процесу може бути зовнішня чи внутрішня дифузія або обидві ці стадії.

У зовнішньодифузійній ділянці швидкість масоперенесення визначається турбулентністю потоку рідини, яка залежить від швидкості рідини.

У внутрішньодифузійній ділянці інтенсивність масоперенесення залежить від виду та розмірів пор адсорбенту, від форм і розміру його зерен, від розміру молекули адсорбуючої речовини, від коефіцієнта масопровідності.

Оптимальний процес адсорбції доцільно проводити при інтенсивних гідродинамічних режимах, щоб він лімітував у внутрішньодифузійній області, опір якої можна знизити, змінюючи структуру адсорбенту, зменшуючи розміри зерна. Для орієнтовних розрахунків рекомендується приймати значення швидкості w_ж = 1,8 м / год і діаметра зерна 2,5 мм. При значеннях менше указаних, процес лімітується у зовнішньодифузійній області, при великих значеннях – у внутрішньодифузійній.

Адсорбційні установки. Процес адсорбційного очищення стічної води ведуть при інтенсивному перемішуванні адсорбенту з водою, при фільтруванні води через шар адсорбенту або в псевдозрідженому шарі на установках періодичної та безперервної дії. При змішуванні адсорбенту з водою використовують активне вугілля у вигляді часток 0,1 мм і менше. Процес проводять в один або декілька ступенів. Процес адсорбції може здійснюватися в статичних та динамічних умовах. За статичних умов рідина не переміщається щодо частки сорбенту, а рухається разом з останньою. Статична одноступінчаста адсорбція дістає застосування у випадках, коли адсорбент дуже дешевий або є відходом виробництва. При використанні багатоступінчастої установки процес проходить при меншій витраті адсорбенту. При цьому на перший щабель уводять стільки адсорбенту, скільки необхідно для зниження концентрації забруднень від С_Н до С₁, потім адсорбент відділяють відстоюванням або фільтруванням, а стічну воду направляють на другий щабель, куди вводять свіжий адсорбент (рис. 2.35, 2.36). Після закінчення процесу адсорбції на другому ступені концентрація забруднень у воді зменшується від C₁ до C₂ і т.д.

Рис. 2.35 Схема адсорбційних установок з протитечійним додаванням сорбенту: 1 – змішувач; 2 – відстійники; 3 – приймачи адсорбенту; 4 – насоси

Рис. 2.36 Схема адсорбційного очищення стічної вод з послідовним додаванням адсорбенту: 1, 2 – подача відповідного сорбенту і стічної води; 3 – резервуари з перемішуючим пристроєм; 4 – відстійники для відділення відпрацьованого сорбенту від стічної води; 5 – випуск відпрацьованої стічної води ; 6 – випуск відпрацьованого сорбенту

При послідовному введенні сорбенту його подають у кожний ступінь і з нього ж відводять відпрацьований сорбент. За протитечійною схемою адсорбент уводять одноразово на останньому щаблі, й він рухається протитечійно воді, яка надходить.

Витрати адсорбенту для одноступінчастого процесу визначають з рівняння матеріального балансу

m = Q(C_н −С_к ) / a, (2.32)

де m – витрата адсорбенту, Q – об’ємна витрата стічних вод; С_Н і С_к – початкова і кінцева концентрації забрудненої стічної води; а – коефіцієнт адсорбції. Кінцева концентрація забруднень у стічній воді після очищення в установці з n ступенями дорівнює

C_н=[Q(Q+Km)]ⁿC_н (2.33)

де k – коефіцієнт розподілу, що дорівнює

k = a_τ / a = (C_н −С_к ) /(С_н −С_р ) ≈ 0.7 ÷ 0.8 (2.34)

де a_τ – значення питомої адсорбції за час τ; С_р – рівноважна концентрація речовини формулою.

Витрати адсорбенту на кожний ступінь знаходять за формулою

m = Q/ k( Cн /Cn −1), (2.35)

а необхідне число ступенів

n = lgC_н − lgC_n /[lg(Q + km) − lgQ]. (2.36)

Найбільше практичне застосування до теперішнього часу дістали установки напівперіодичної дії (безперервної за водою і періодичної за вугіллям), у яких здійснюється процес адсорбції в динамічних умовах. У динамічних умовах процес очищення проводять при фільтруванні стічної води через шар адсорбенту. Швидкість фільтрування залежить від концентрації розчинених речовин і коливається від 2...4 до 5 ...6 м³ / (м² * год). Адсорбент застосовують у вигляді частинок розміром 1,5 ... 5 мм. Вода в колоні рухається знизу вгору, заповнюючи весь переріз. В одній колоні при нерухомому шарі вугілля процес очищення ведуть періодично до проскакування, а потім адсорбент вивантажують і регенерують. При безперервному процесі використовують кілька колон. За такою схемою дві колони працюють послідовно, а третя відключена на регенерацію (рис. 2.37). При проскоках у другій (середньій) колоні на регенерацію відключають першу колону.

Рис. 2.37 Схема безперервної адсорбційної установки: 1 – усереднювач; 2 – насос; 3 – фільтр; 4 – адсорбційні колони; 5 – ємність

У момент проскакування в колоні з'являється шар адсорбенту L₀, який не працює. Цей шар називають "мертвим" шаром. Якщо одночасно виводити з колони "мертвий" шар і вводити в неї такий же шар свіжого адсорбенту, то колона буде працювати безперервно. Швидкість переміщення працюючого шару дорівнює

U = C_нw_ср / a_0д , (2.37)

де w_ср– середня швидкість води в колоні; a_0д – динамічна ємність адсорбенту.

При невеликих концентраціях забруднень у стічній воді середня рушійна сила процесу може бути обчислена як середньологарифмічна з рушійних сил на кінцях адсорбера. Установки з псевдозрідженим шаром доцільно застосовувати при високому вмісті зважених речовин у стічній воді. Розмір частинок адсорбенту повинен дорівнювати 0,5 … 1 мм. Швидкість потоку при цьому знаходиться в межах 8 … 12 м / год.

Адсорбційні апарати. Найчастіше на практиці використовують апарати з нерухомим, щільнорухомим, псевдозрідженим шаром поглинача (сорбція в динамічних умовах), а також апарати, в якому забезпечується інтенсивне перемішування води з порошкоподібним сорбентом (сорбція в статичних умовах).

Як адсорбери застосовують конструкції безнапірних і напірних фільтрів із завантаженням у вигляді щільного шару активованого вугілля висотою до 2,5-2,7 м. Розрізняють горизонтальні й вертикальні фільтри, останні можуть бути кільцевими. Вода в таких апаратах рухається знизу вгору, заповнюючи весь переріз. Діаметри таких фільтрів від 1,0 до 3,4 м, висота приймається конструктивно. Умовою застосування таких апаратів є практично повна відсутність суспензій у очищуваній воді, не більше ніж 5 мг / л, щоб уникнути забивання адсорбента. В них здійснюється власне адсорбція, десорбція (частіше водяною парою) та охолодження.

В установках з рухомим шаром адсорбенту знизу вгору йде очищувана вода, зверху вниз під дією сили тяжкості – адсорбент. При цьому колона ділиться на кілька зон: адсорбційну, ректифікаційну, псевдоожижену. В адсорбційній зоні стічна вода взаємодіє з шаром активного вугілля, при цьому компоненти, що поглинаються, витягуються, а очищена вода відводиться з установки. У ректифікаційній і псевдозрідженій зонах відбувається виділення поглинених компонентів та регенерація адсорбенту.

Регенерація адсорбенту. Адсорбовані речовини з вугілля витягають десорбцією насиченим чи перегрітою водяною парою або нагрітим інертним газом. Температура перегрітої пари при надлишковому тиску 0,3 … 0,6 Мпа дорівнює 200 … 300⁰С, а температура інертних газів 120 … 140⁰С. Витрати пари при відгонці легколетких речовин дорівнює 2,5 … 3 кг на 1 кг відгонної речовини, для висококиплячих – у 5 … 10 разів більше. Після десорбції пари конденсують і речовину витягують із конденсату.