Лабораторная работа № Сорбционная очистка сточных вод, содержащих органические примеси

Многообразие химических производств, огромное число химических продуктов, применяемых и получаемых в технологических процессах, обуславливает образование различных количеств , загрязненных всевозможными органическими и неорганическими примесями. Очистку сточных вод химических производств производят механическими, физико-химическими и биологическими методами.

Одним из наиболее эффективных физико-химческих методов очистки промышленных сточных вод, содержащих органические примеси, является адсорбция, которая позволяет добиться глубокой очистки воды до норм содержания в водах промышленного, оборотного, санитарно-бытового и рыбохозяйственного назначения. Адсорбция применяется также на локальных установках при необходимости рекуперации адсорбированных веществ и для извлечения биологически неразлагаемых и сильно токсичных соединений.

На практике сорбция используется для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, поверхностно-активных веществ (ПАВ), красителей и др. В качестве сорбентов могут служить практически все мелкодисперсные вещества, обладающие развитой поверхностью – опилки, торф, различные глины, коксовая мелочь, зола и др. материал. Однако наиболее эффективными и универсальными сорбентами являются активные угли различных марок (АГ-3, БАУ, АР-3, СКТ, КАД-иодный, КАД- молотый).

Активные угли – это пористые материалы, поры которых по своему размеру могут быть подразделены на 4 типа: макропоры размером 1000-2000 А, переходные поры –40-1000 А, супермикропоры- 16-40 А и микропоры – не более 16 А. Эффективность активных углей обуславливается, главным образом, наличием в их структуре микро- и супермикропор. Основными характеристиками активных углей, определяющими их практическое применение, является объем микропор (см³/г), насыпная плотность (г/см³), механическая прочность (%), диметр зерен (мм), цена за 1 тонну и др.

Теоретические основы процесса сорбции

Адсорбция- это самопроизвольно протекающий диффузионный процесс, который складывается из 3-х стадий: 1 –перенос вещества из сточной воды к поверхности зерен адсорбента – внешнедиффузионная область; 2 – процесс адсорбции; 3 – перенос вещества внутри зерен адсорбента – внутридиффузионная область. Как правило, лимитирующими стадиями являются 1 и 3 , однако в некоторых случаях процесс может лимитироваться сразу двумя стадиями, т.е. 1 и 3 .

В зависимости от характера сорбционного взаимодействия адсорбента и адсорбата различают физическую, активированную адсорбцию и хемосорбцию.

Одним из критериев оценки адсорбционных свойств сорбента является изотерма адсорбции, определяющая зависимость активности адсорбента (а) от концентрации адсорбата в условиях равновесия при Т=Const:

а = f(c*)

Весьма важным, особенно с практической точки зрения, при адсорбционной очистке промышленных сточных вод является кинетика процесса адсорбции, т.е. скорость адсорбции, определяющая выбор технологической схемы, габариты аппаратов и другие технологические параметр.

Процесс адсорбционной очистки сточных вод может осуществляться при интенсивном перемешивании адсорбента с очищаемой водой, при фильтровании сточной воды через слой адсорбента и в псевдоожиженном слое. Процесс проводится в периодическом или непрерывном режимах, в одну или несколько ступеней. Статическая одноступенчатая адсорбция на практике нашла довольно широкое применение, когда адсорбент дешев или является отходом производства. Более эффективно и при меньшем расходе адсорбента процесс протекает при использовании многоступенчатой сорбции.

Расход адсорбента для одноступенчатого процесса определяется из уравнения материального баланса:

M=V(C_н-С_к)/a, (1)

где : m- расход адсорбента; V – расход сточной воды; С_н и С_к –начальная и конечная концентрации сточной воды; a - адcорбция.

Для многоступенчатой сорбционной установки с последовательным введением сорбента в очищаемую воду расчет выполняется по формулам:

Концентрация адсорбата после n-ой ступени введения сорбента

С_n =(V/V+km₁)ⁿ * C₀ (2)

В этом случае задаются дозой сорбента m1 , водимой в воду на каждой ступени, и числом ступеней n

m₁ = V / k (n C/C₀- 1) (3)

Здесь задаются концентрацией адсорбата Сn после n-ой ступени и числом ступеней n.

Число ступеней n =(lgC₀ - lgC_n ) / lg(V+km₁) – lgV (4)

В данном случае задаются концентрацией адсорбата C_n в очищенной воде и дозой сорбента m₁, вводимого на каждой ступени очистки.

В формулах (2) - (4):

С₀- начальная концентрация сточной воды

К – коэффициент распределения (к =а / С)

Для исследования динамики сорбции используются выходные кривые,

которые описываются экспонентой следующего вида:

С = С_р exp{ln C₀/C_p exp( -ατ )} (5)

Рис.5 Кинетическая кривая

Опытные точки, получаемые при снятии кинетических кривых, описываются уравнением (5).

α =ln[(ln C₀/C_p) / ln C/C_p]/ τ (6)

где С – любое текущее значение концентрации сточной воды.

Каждой концентрации в растворе соответствует определенная концентрация в фазе сорбента:

а = (С₀ – С ) V / 1000 m (7)

где: V –объем раствора, мл; С₀ – исходная концентрация раствора, мг/л; С – концентрация раствора к моменту времени τ ,мг/л; m – масса сорбента, г; а – сорбция – мг/г.

При τ ∞ в системе достигаются условия равновесия :

а_р = (С₀ – С_р) V/ 1000 m , (8)

где а_р – равновесная сорбция, мг/г; С_р – равновесная концентрация сточной воды, мг/л

Для определения числа ступеней в многоступенчатой сорбционной установке можно использовать графический метод путем построения в координатах а =f (С) линии равновесия и рабочих линий для каждой ступени (рис.6).

С₃ С₂ С₁ С₀

Рис. 6. Определение числа ступеней в многоступенчатой сорбционной установке с последовательным введением сорбента для случая достижения равновесия на каждой ступени.

Цель работы – Исследование периодического процесса адсорбционной очистки сточных вод от органических примесей различными адсорбентами в одну или несколько ступеней при различных технологических условиях.

Ход работы

Для проведения процесса сорбционной очистки заданный объем модельной или реальной сточной воды, содержащей органические примеси, помещается в стакан, снабженный мешалкой с электродвигателем для перемешивания воды с адсорбентом с заданной интенсивностью путем регулирования числа оборотов мешалки. Затем в стакан добавляется заданная преподавателем навеска соответствующего сорбента, которыми могут быть, активный уголь различных марок, клиноптилолит, бентонит или др. материалы из расчета дозы 0,2 - 0,5 г на 1 л сточной воды. После добавления адсорбента включают перемешивание с заданной скоростью вращения мешалки и проводят процесс сорбции в течение 2 часов, периодически (через 15 минут) отбирая в небольшие колбочки по 5 мл пробы СВ, которые затем фильтруют через бумажный фильтр «белая» лента. Отфильтрованные пробы анализируют на содержание общего и органического углерода. По окончании анализа строят зависимость содержания общего и органического углерода (степени очистки сточных вод) от времени контакта фаз.

По заданию преподавателя на той же установке может быть также рассмотрен ряд других процессов:

• по изучению влияния типа адсорбента, дозы адсорбента на степень очистки воды,

• выбор из различных адсорбентов наиболее эффективного при одинаковой их дозе,

• по изучению влияние рН сточных вод на эффективность очистки от органических примесей,

• оценка влияния интенсивности перемешивания на степень очистки воды различными адсорбентами и др. варианты