1.3.4. Адсорбция

Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Процессы абсорбции и адсорбции внешне схожи. Разница между ними заключается в том, что в одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом – только поверхностью твердого поглотителя – адсорбента.

Равновесие при адсорбции. Количество вещества, поглощенного сорбентом, зависит от концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе, а также от температуры, при которой осуществляется процесс адсорбции. Для изотермических процессов условие равновесия для адсорбции принимает вид уравнения Френдлиха

xⁿ= C y^1/n, (1.42)

где С и n – константы для данных веществ, зависящие от температуры.

Линии равновесия, соответствующие уравнению (1.42) получили название изотерм сорбции (рис. 1.8). Их строят по опытным данным, а затем используют для расчетов адсорбентов.

Рис. 1.8. Характерные формы кривых изотерм сорбции

различных веществ на разных адсорбентах

В процессе адсорбции происходит выделение теплоты, что ведет к повышению температуры в системе и снижению активности адсорбентов. Поэтому для поддержания скорости процессов в промышленных адсорберах предусматривают охлаждение адсорбентов.

Адсорбенты. Количество поглощаемого вещества зависит от площади поверхности поглотителя, поэтому адсорбенты обладают чрезвычайно развитой поверхностью, что достигается за счет образования большого количества пор в твердом теле. К наиболее распространенным адсорбентам относятся:

Активированный уголь. Это самый распространенный адсорбент. Его получают сухой перегонкой дерева с последующей активизацией – прокаливанием при температуре около 900^оС. Суммарная поверхность 1 г активированного угля – 600-1700 м². Размеры кусков его в зависимости от марки – от 1 до 5 мм. Недостатком этого адсорбента является его небольшая механическая прочность.

Силикагели. Этот адсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами. Размер гранул – от 0,2 до 7 мм. Суммарная поверхность 1 г силикагеля – 400-770 м².

Цеолиты. Это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп Периодической системы Д.И.Менделеева. Встречаются в природе и добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой.

К этой же группе адсорбентов относятся опоки и клиноптилолит.

В качестве естественных адсорбентов для доочистки сточных вод используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин.

1.3.5. Ионный обмен

Ионный обмен – разновидность процессов сорбции, основанная на химическом взаимодействии адсорбентов, называемых ионитами, с очищаемыми растворами. Иониты могут избирательно извлекать из раствора ионы. Этот процесс следует отнести к хемосорбции – процессу, сопровождающемуся химическими реакциями.

Очистка сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси, ПАВ, радиоактивные вещества, очищать сточную воду до ПДК с последующим использованием ее в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.

По знаку обменивающихся ионов иониты делятся на катиониты и аниониты. Ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам – ионообменным смолам, которые подразделяются на следующие виды:

- сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы SO₃H, и сильноосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые основания;

- слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные СООН и фенольные группы, диссоциирующие при рН>7, а также слабоосновные аниониты, содержащие первичные NH₂ и вторичные NН аминогруппы, диссоциирующие при рН <7;

- иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильных и слабых кислот или оснований.

Иониты характеризуются полной и рабочей емкостью. Полная емкость – количество ионов, которое может поглотить 1 кг ионита до полного насыщения, а рабочая емкость – количество находящихся в воде ионов, которое может поглотить 1 кг ионита до начала проскока в фильтрат.

Если катиониты находятся в Н- или Na-форме, обмен катионов будет проходить по реакциям:

Ме⁺ + Н(К) = Ме(К) + Н⁺ (1.43)

Ме⁺ + Na(К) = Ме(К) + Na⁺ (1.44)

где Ме⁺ – катион, находящийся в сточной воде,

(К) – сложный комплекс катионита.

Регенерация катионитов осуществляется промывкой кислотой (при Н-катионите) или раствором хлористого натрия (при Na-катионите)

2Ме(К) + Н₂SО₄ = 2Н(К) + МеSО₄ (1.45)

Ме(К) + NaCl = Na(K) + MeCl. (1.46)

Поскольку в сточных водах, как правило, содержится несколько катионов, большое значение имеет селективность их поглощения. Для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вытеснения.

Слабоосновные аниониты поглощают анионы сильных кислот

2(А)ОН + Н₂SО₄ = (А)₂SО₄ + 2Н₂О (1.47)

Для большинства анионитов справедлив следующий ряд по поглощающей способности: SO₄ >NO₃>Cl

Регенерация слабоосновных анионитов достигается фильтрованием через слой анионита 2-4%-ных водных растворов NaOH, Na₂CO₃, NH₄OH:

(A)₂SO₄ + 2NaOH + Na₂SO₄ (1.48)

Процессы ионообменной очистки сточных вод осуществляются в аппаратах периодического и непрерывного действия (адсорберах), примерно таких же, как при сорбционной очистке.