4.4. Адсорбция

Адсорбция – это процесс поглощения вещества твердым телом. Поглощающее тело называется адсорбентом, а поглощаемое – адсорбатом.

Адсорбционная очистка может применяться как метод предварительной очистки и доочистки. Преимуществом этого метода является возможность адсорбции многокомпонентных смесей. Адсорбционный метод очистки сточных вод является эффективным методом.

Адсорбционная 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, как правило, этот метод неприменим.

В качестве адсорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф и др. Наиболее эффективным адсорбентом являются активированные угли (табл. 4.6).

Пористость активированных углей составляет 60-75 %, а удельная площадь поверхности 400-900 м²/г. Адсорбционные свойства активированных углей в значительной мере зависят от структуры пор, их размера, распределения пор по размерам.

Активность адсорбента характеризуется массой поглощаемого вещества на единицу объема или массы адсорбента (кг/м³; кг/кг).

Процесс адсорбции может осуществляться в статических условиях, при которых частица жидкости не перемещается относительно частицы адсорбента, т.е. движется вместе с последней (аппараты с перемешивающими устройствами), а также в динамических условиях, при которых частица жидкости перемещается относительно адсорбента (фильтры с неподвижной загрузкой, аппараты с псевдоожиженным слоем).

Таблица 4.6 Характеристика активированных углей, применяющиеся при очистке сточных вод	ОУ-Б влажный кислый		Порошок 4-6 1,8 0,15 0,35 - - 0,44
	ОУ-А сухой щелочной		Порошок 8 - - 0,20 0,26-0,38 138 - - 0,42
	АР		3,5 7-8 0,6-0,7 0,3-0,5 0,06-0,07 0,28-0,33 48 1,0 1,95 0,6
	БАУ		1,0-3,6 7-8 1,5-2,1 1,19-1,8 0,08-0,16 0,23-0,35 57 0,4-0,5 1,8 0,22-0,35
	КАД	молотый	0,04 7-8 0,09 0,11-0,23 64
		иодный	1,0-1,5 7-8 1,0-1,3 0,51-1,0 0,11-0,15 0,29-0,34 110 0,55-0,65 2,1 0,45
	АГ-5		1,0-1,5 7-8 0,8-1,0 0,46 0,18 0,43-0,46 - 0,8-0,9 2,0 0,45
	АГ-3		1,5-2,5 7-8 0,8-1,0 0,41-0,52 0,12-0,16 0,32-0,42 - 0,8-0,9 2,0 0,45
	ДАК		1,0-3,6 7-8 1,45 1,23 0,04 0,17 - 0,4-0,5 1,8 0,23
	Характеристика активированного угля		Основной размер зерен (более 90 %), мм рН водной вытяжки Удельный объем пор, см3/г: общий макропор (0,1-0,004 мкм) мезопор (0,0015-0,004 мкм) микропор (менее 0,0015 мкм) Удельная поверхность мезопор, м2/г Плотность, г/см3: кажущаяся истинная насыпная

В соответствии с этим различают статическую и динамическую активность адсорбента. Статическая активность адсорбента характеризуется максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы адсорбента к моменту достижения равновесия при постоянных температуре жидкости и начальной концентрации вещества; динамическая активность адсорбента – максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы адсорбента до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропускании сточной воды через слой адсорбента. Динамическая активность в промышленных адсорберах составляет 45-90 % статической.

Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств адсорбента является изотерма адсорбции (рис. 4.22). Она выражает связь между концентрацией адсорбата в воде C, кг/кг, кг/м³, и адсорбционной концентрацией а, кг/кг, кг/м³.

Рис. 4.22. Изотерма сорбции органических загрязнений сточных вод на активном угле: C – концентрация адсорбата в растворе

В инженерной практике адсорбции применяют уравнение

a_равн = K_адс , (4.44)

где a_равн – удельная адсорбция, кг/кг; K_адс – адсорбционная константа распределения адсорбата между адсорбентом и раствором, значение ее при прочих равных условиях зависит от температуры; C_равн – равновесная концентрация адсорбата в сточной воде, кг/кг.

В зависимости от дисперсного состава адсорбента принципиальные конструкции адсорберов можно подразделить на следующие типы:

I – адсорбер с неподвижной или движущейся загрузкой, через которую водный поток фильтруется или нисходящим потоком со скоростью до 20 м/ч, или восходящим – со скоростью до 12 м/ч, применяется для фракции 0,8-5 мм;

II – адсорбер с псевдоожиженной загрузкой при восходящем потоке воды со скоростью 10-40 м/ч, применяется для фракций 0,25-2,5 мм;

III – адсорберы-смесители применяются для фракций 0,05-0,5 мм в аппаратах с мешалками.

Адсорберы I типа (марки ФСУ) могут применяться для очистки любых объемов сточных вод самого широкого спектра концентраций и химического строения извлекаемых примесей (табл. 4.7 и рис. 4.23). Однако концентрация взвешенных веществ должна быть не более 5 мг/л.

Таблица 4.7

Конструктивные и технологические показатели адсорбционных фильтров с активированным углем

Марка фильтра	Диаметр, мм	Площадь, м2	Высота слоя сорбента, м	Вместимость
				фильтра общий, м3	сорбционного слоя, м3
ФСУ-2-0,6 ФСУ-2,6-0,6 ФСУ-3-0,6	2000 2600 3000	3,14 5,3 2,5	2,5 2,5 2,5	10,7 19,0 26,0	7,85 13,2 17,8

Рис. 4.23. Схема насыпного сорбционного фильтра (типа ФСУ): 1 – вход обрабатываемой воды (конденсата); 2 – выход обрабатываемой воды (конденсата); 3 – подача промывочной-взрыхляющей воды; 4 – сброс промывочной воды; 05 – спуск первого фильтрата и опорожнение фильтрата; 6, 7 – штуцера для гидрозагрузки и гидровыгрузки активированного угля; 8 – воздушник; А – корпус; Б – активированный уголь; В – нижнее днище; Г – нижний дренаж (копирующий); Е – лаз; ВРП – верхнее распределительное устройство

Адсорберы II типа (рис. 4.24) наиболее целесообразно применять для очистки небольших объемов сточных вод с хорошо сорбируемыми загрязнениями. В них содержание взвешенных частиц должно быть не более 1,0 г/л, гидравлическая крупность не более 0,3 мм/с.

Рис. 4.24. Адсорберы : а – цилиндрический одноярусный: 1 – колонна; 2 – воронка; 3 – труба; 4 – решетка; 5 – сборник; б – одноярусный с выносным смесителем: 1 – смеситель; 2 – насос; 3 – колонна; 4 – сборник; в – трехъярусный: 1 – колонна; 2 – решетки; 3 – трубка для перемещения адсорбента; 4 – сборник

В цилиндрических колоннах используется показатель «относительное расширение слоя», равный отношению высот псевдоожиженного и неподвижного слоев Н_п.сл /Н_неп.сл , оптимальное значение которого равно 1,5. При этом размеры частиц активированного угля составляют 0,25-1 мм, что отвечает скорости потока воды 7-10 м/ч.

Во многих случаях в основном применяются цилиндрические одноярусные адсорберы (рис. 4.24, а). Одноярусный цилиндрический 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 угол от 30^о до 60^о. Непосредственно над коническим днищем устанавливается распределительная решетка с отверстиями 5-10 мм и шагом отверстий около 10 мм, на которую загружается активированный уголь высотой неподвижного слоя угля 2,5-2,7 м.

Адсорбенты с насыпной плотностью свыше 0,7 т/м³ допускается дозировать в мокром или сухом виде, а менее 0,7 т/м³ – только в мокром виде.

В адсорберах с псевдоожиженным слоем по высоте 0,5-1,0 м следует устанавливать секционирующие решетки с круглой перфорацией диаметром 10-20 мм и долей живого сечения 10-15 %. Оптимальное число секций – три-четыре. Между секциями имеется переточная труба.

Скорость восходящего потока воды в адсорбере принимают 30-40 м/ч с размерами частиц 1-2,5 мм для активных углей и 10-20 м/ч – для углей с размерами частиц 0,25-1 мм.

Адсорберы III типа эффективно используют для очистки небольших объемов высококонцентрированных сточных вод. Для перемешивания сточных вод с активным углем рекомендуется использовать лопастные, турбинные или пропеллерные мешалки в аппаратах, изготавливаемых отечественной промышленностью.