4.2. Сорбция

Сорбция – это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Различают три вида сорбции:

- абсорбция – объемное поглощение вещества всей массой жидкого или газообразного сорбента;

- адсорбция – поверхностное поглощение вещества поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента;

- хемосорбция – сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом.

Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий различных отраслей промышленности: целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других.

Метод сорбции применяется для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ (фенол, мышьяк, сероводород) с их последующей утилизацией и использованием очищенных сточных вод в системах оборотного водоснабжения.

Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической очисткой. Преимуществами метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей, а также высокая эффективность очистки, особенно слабоконцентрированных сточных вод.

Адсорбция – процесс физического сцепления молекул с поверхностью твердого тела (адсорбента) без протекания химической реакции. Адсорбция используется для глубокой очистки вод замкнутого водопотребления и доочистки сточных вод от органических веществ, в том числе и от биологически жестких.

Адсорбционные методы широко применяют 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 сильно токсичными.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ красителей и др. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.

Адсорбцию осуществляют следующими способами:

- к сточной воде добавляют сорбент в размельченном виде, полученную смесь перемешивают, затем отстаивают и фильтруют;

- сточные воды непрерывно пропускают через фильтр, загруженный сорбентом.

Адсорбенты, применяемые для очистки воды, представляют собой измельченные порошкообразные материалы или гранулы диаметром 0,5 – 1 мм. Их добавляют в воду, которая находится в осветлителе – в этом случае коагуляцию совмещают с адсорбцией. Гранулированные адсорбенты используют в аппарате, имеющем устройство, подобное напорному фильтру.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: активированные угли, цеолиты (алюмосиликаты), золу, шлак, коксовую мелочь, торф, опилки.

Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м³, кг/кг). Адсорбционные свойства активированных углей в значительной мере зависят от структуры пор, их величины, распределения по размерам.

Макропоры (0,1 – 0,2 мкм) и переходные поры (0,004 – 0,1) играют, как правило, роль транспортирующих каналов, а сорбционная способность активированных углей определяется в основном микропористой структурой (микропоры имеют размер менее 0,004 мкм).

Наиболее эффективными сорбентами для извлечения органических веществ из водных растворов являются активные угли угли различных марок. Пористость углей составляет 60 – 75%, а удельная площадь поверхности – 400 – 900 м²/г.

Активированный уголь представляет собой пористое вещество, состоящее из углерода с небольшим количеством примесей, которые играют очень важную роль при адсорбции. Уголь, образующийся в результате нагревания разнообразных органических веществ без доступа воздуха, содержит примеси смол, которые закупоривают его поры. Для удаления смол и увеличения пористости уголь подвергается обработке, получившей название активирования.

В зависимости от условий этой обработки активированный уголь может адсорбировать преимущественно кислоты или, наоборот, основания. Свойством адсорбировать кислоты обладает уголь, активированный при температуре 900^оС. Уголь, нагретый до 450 – 500^оС, наоборот, хорошо адсорбирует основания и не адсорбирует кислоты. Это объясняется тем, что на поверхности угля при обработке образуются поверхностные соединения оксидов, имеющих основных или кислый характер.

Активированный уголь имеет ряд преимуществ перед другими сорбентами:

- жесткая пористая структура;

- достаточная механическая прочность;

- химическая и термическая стойкость;

- гидрофобность;

- способность адсорбировать многие органические вещества, которые не удаляются при биологической очистке. Такие вещества содержатся, например, в сточных водах нефтеперерабатывающих заводов. В этом случае метод адсорбции на активированном угле является наиболее надежным и дешевым.

Исследования, проводимые по очистке сточных вод методами адсорбции с использованием активных углей, показывают высокую эффективность очистки сточных вод. Доза угля зависит от его адсорбционной способности, вида загрязняющих веществ в поступающих сточных водах и требуемого эффекта очистки.

Очистка сточных вод на активированном угле имеет свои особенности. Концентрация органических веществ в сточных водах может быть очень высокой. В такой системе уголь адсорбирует от 0,2 до 0,4 кг вещества на 1 кг собственной массы. После завершения процесса адсорбции органические вещества выжигают в регенеративной печи. Уголь восстанавливают и направляют вновь на адсорбцию. При этом потери угольного адсорбента составляют примерно 5%.

На заводах компонуют большие установки, состоящие из фильтров для очистки сточных вод и аппаратов для проведения регенерации.

Для очистки производственных сточных вод все большее применение находят неуглеродные сорбенты естественного и искусственного происхождения. Использование сорбентов на основе природных материалов (глинистые породы, цеолиты и другие материалы) обусловлено сравнительно низкой стоимостью, доступностью, высокой сорбционной емкостью, а также ионообменными свойствами некоторых из них.

В адсорбционной технике кроме угля широко применяется так называемый силикагель – обезвоженный гель кремниевой кислоты, он адсорбирует преимущественно основания.

Среди минеральных сорбентов природного происхождения наибольшее распространение получили глинистые породы, в состав которых обычно входят материалы с регулярной структурой. В последнее время большое внимание уделяется цеолитам.

Для получения прочных и водостойких фильтрующих материалов из природных цеолитов их прогревают в печах при температуре 1000^оС с хлоридом и карбонатом натрия. При быстром нагреве цеолиты вспениваются, в результате чего их объем и пористость увеличиваются в 5…20 раз. Природные цеолиты используются в виде порошков и фильтрующих материалов для очистки воды от ПАВ, ароматических соединений, красителей, пестицидов, коллоидных и бактериальных примесей.

Стоимость естественных сорбентов в десятки раз ниже, чем искусственных, поэтому их, как правило, не регенерируют. Предварительная обработка может существенно увеличить стоимость природных сорбентов. Поэтому целесообразность их использования определяется с учетом технологических, экологических, экономических и других факторов.

В настоящее время существует промышленное производство синтетических пористых материалов, часть которых по физико-химическим свойствам отнесена к адсорбентам. Пористая структура полимеров достигается введением в смесь реагентов при полимеризации инертного растворителя, после удаления которого образуется сложная система пор.

Адсорбционная очистка 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. Регенерацию сорбентов – восстановление адсорбционной способности чаще применяют для гранулированных активных углей вследствие их высокой стоимости. При этом некоторая часть адсорбированных веществ (до 20%) необратимо удерживается в его порах. Активность углей от цикла к циклу постепенно уменьшается.

В тех случаях, когда адсорбированные вещества не представляют утилитарной ценности, или затраты на их утилизацию превосходят их стоимость, применяют деструктивные технологии регенерации сорбентов. Деструктивная регенерация сорбента обычно осуществляется термическими или химическими методами. При выборе технологии использования сорбентов необходимо учитывать, что в структуре затрат на сорбционную очистку стоимость сорбентов составляет 30…35%.

Наиболее простым адсорбером является насыпной фильтр. Обычно сорбционная установка состоит из нескольких параллельно работающих секций, состоящих из трех-пяти последовательно расположенных фильтров.

Адсорберы с неподвижным слоем сорбента (сорбционные фильтры) конструктивно выполняются открытыми (безнапорными) и закрытыми (напорными). Обычно устанавливают не менее трех адсорбционных аппаратов, соединенных так, чтобы два работали последовательно, а третий можно было отключать на промывку или регенерацию.

Аппараты непрерывного действия позволяют существенно уменьшить объем активного угля. Принцип действия аппаратов заключается в том, что очищаемая жидкость движется снизу вверх, а плотный слой реагента перемещается ей навстречу под действием силы тяжести или с помощью различных механических устройств.

Для адсорбционного удаления растворенных органических загрязнений из воды на очистных станциях большой производительности используются аппараты со взвешенным (псевдоожиженным) слоем активного угля. Это дает возможность использовать зерна адсорбента относительно малых размеров (0,2 – 1 мм) с развитой внешней поверхностью. В аппаратах присутствует противоточное движение взаимодействующих фаз.

Эффективность адсорбционной очистки достигает 80 – 95%.