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 С_р. Хорошо адсорбируемые органические соединения обычно имеют выпуклую изотерму адсорбции на АУ (Рис.1).

Величину адсорбции А рассчитывают по формуле:

, (1)

где С_о - 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 С_о и конечная его концентрация в очищенной воде С_к определяют по формуле:

, (4)

где, А_о - величина адсорбции, рассчитанная из изотермы адсорбции при равновесной концентрации С_к.

Очевидно, что чем больше разность (С_о-С_к) и меньше величина адсорбции А_о, 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 (А_о), 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,…С_к 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,…С_k 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 (С_ПР). 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