что такое сорбционная емкость сорбента

Сорбционная очистка

Сорбция и адсорбция

Процесс сорбции представляет собой поглощение одной средой — жидкостью или твердым телом других окружающих сред — веществ, газов или других жидкостей. То вещество, которое поглощает окружающую среду — сорбент. Вещество, газ, или жидкость, которые поглощаются сорбентом, называют сорбатом или сорбтивом.

Явление сорбции подразделяют в зависимости от механизма поглощения одних сред другими на адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.

Адсорбция и абсорбция различаются по тому, каким образом одно вещество распределяется в другом. При абсорбции поглощение и распределение вещества происходит по всему объему жидкого абсорбента. При адсорбции твердый, жидкий или газообразный сорбат скапливается на поверхности раздела фаз адсорбента (на поверхности твердого вещества или жидкости).

Понятия статической и динамической сорбции

При статической сорбции поглощаемое вещество в виде газа или жидкости контактирует или перемешивается с неподвижно расположенным сорбентом. Статическая сорбция реализуется в оборудовании с перемешивающими устройствами.

При динамической сорбции через слой сорбента пропускается поглощаемая подвижная жидкая или газообразная фаза. Динамическая сорбция реализуется в аппаратах с псевдоожиженным слоем и фильтрах разного типа.

В зависимости от вида сорбции можно выделить статическую и динамическую активность сорбента. Статическая активность сорбента — это количество поглощенного вещества, отнесенное к единице массы сорбента к моменту достижения равновесия. Условия, при которых достигается равновесие — постоянная температура жидкости и начальная концентрация вещества.

Динамическая активность сорбента определяется либо как время от начала пропускания поглощаемого вещества до его проскока, то есть выхода за слой сорбента, либо как предельное количество вещества, поглощенной на единицу объема или массы сорбента до момента проскока поглощаемого вещества через слой сорбента.

В адсорберах промышленного типа динамическая активность сорбента находится в диапазоне 45-90%.

В реальных условиях сорбционные процессы протекают по динамическому типу, так как это более приемлемо для автоматизации производственного процесса и его непрерывности.

Связь между количеством поглощенного сорбентом вещества и веществом, оставшимся в растворе в момент равновесия, подчиняется закону распределения.

Характеристики, которые влияют на скорость процесса адсорбции:

Процесс адсорбции состоит из трех этапов:

Внешняя и внутренняя диффузия

Считается, что адсорбция протекает с большой скоростью и стадия адсорбции не лимитирует скорость процесса. Поэтому в качестве лимитирующей стадии рассматривают либо внешнюю, либо внутреннюю диффузию. Могут быть случаи, когда процесс лимитируют обе диффузионные стадии.

В области внешней диффузии скорость переноса массы вещества зависит от величины турбулентности потока, то есть от скорости течения жидкости.

Интенсивность массопереноса во внутридиффузионной области во многом зависит от характеристик адсорбента — его вида, размера пор, формы и размера зерен, от размера молекул поглощаемого вещества, от коэффициента массопроводности.

Можно выявить условия, при которых очистка сточных вод адсорбцией идет с оптимальной скоростью.

Гидродинамический режим адсорбции должен лимитироваться в области внутренней диффузии. Сопротивление внутридиффузионной области уменьшается при подборе адсорбента с нужной структурой и с уменьшением размеров его зерен.

Приблизительные параметры скорости и диаметра зерна адсорбента принимаются равными 1,8 м/ч и d_з= 2,5 мм соответственно. Если диаметр зерен d_з меньше рекомендуемого, процесс лимитируется по области внешней диффузии, если больше — во внутридиффузионной области.

Источник

Что такое сорбционная емкость сорбента

Стандартный метод определения сорбционных характеристик адсорбентов

Activated carbon. Standard test method for determination of sorbent performance of adsorbents

Дата введения 2017-04-01

Предисловие

Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации материалов и технологий» (ФГУП «ВНИИ СМТ») на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 5

2 ВНЕСЕН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 27 октября 2015 г. N 81-П)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97

Сокращенное наименование национального органа по стандартизации

Госстандарт Республики Беларусь

Госстандарт Республики Казахстан

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 17 марта 2016 г. N 178-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 33627-2015 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 апреля 2017 г.

5 Настоящий стандарт идентичен стандарту ASTM F 726-12* «Стандартный метод определения сорбционных характеристик адсорбентов» («Standard Test Method for Sorbent Performance of Adsorbents», IDT).

Стандарт разработан комитетом ASTM F20 «Опасные вещества и ликвидация аварийных разливов нефти», и непосредственную ответственность за разработку метода несет подкомитет F20.22 «Меры по минимизации последствий».

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ 1.5 (подраздел 3.6).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных стандартов соответствующие им межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

7 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Август 2019 г.

Информация о введении в действие (прекращении действия) настоящего стандарта и изменений к нему на территории указанных выше государств публикуется в указателях национальных стандартов, издаваемых в этих государствах, а также в сети Интернет на сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации.

В случае пересмотра, изменения или отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации в каталоге «Межгосударственные стандарты»

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт устанавливает лабораторные методы определения характеристик адсорбентов, предназначенных для удаления с поверхности воды неэмульгированных масел и других не смешивающихся с водой и плавающих на ее поверхности жидкостей.

1.2 В настоящем стандарте все единицы измерения приведены в системе СИ.

1.3 В настоящем стандарте не предусмотрено рассмотрение всех вопросов обеспечения безопасности, связанных с его использованием. Пользователь стандарта несет ответственность за обеспечение соответствующих мер безопасности и охраны здоровья и определяет целесообразность применения законодательных ограничений перед его использованием. Специфические для данного стандарта меры предосторожности изложены в 8.3.1.

2 Нормативные ссылки

Для применения настоящего стандарта необходимы следующие ссылочные документы. Для недатированных ссылок применяют последнее издание ссылочного документа (включая все его изменения).

Уточнить ссылки на стандарты ASTM можно на сайте ASTM: www.astm.org или в службе поддержки клиентов ASTM: service@astm.org. В информационном томе ежегодного сборника стандартов (Annual Book of ASTM Standards) следует обращаться к сводке стандартов ежегодного сборника стандартов на странице сайта.

ASTM D 2859, Test Method for Ignition Characteristics of Finished Textile Floor Covering Materials (Метод определения характеристик материалов на основе текстиля для покрытия полов)

ASTM F 716, Test Methods for Sorbent Performance of Absorbents (Метод определения сорбционных характеристик абсорбентов)

2.2 Федеральный стандарт

Fed. Std. No. 141a, Paint, Varnish, Lacquer and Related Materials. Methods of Inspection, Sampling and Testing (Краски, олифы, лаки и родственные материалы. Методы проверки, отбора проб и испытаний)

Доступно в Бюро заказов стандартов, Bldg. 4 Section D, 700 Robbins Ave., Philadelphia, PA 19111-5098, Attn: NPODS.

2.3 Военная спецификация

MIL-I-631D, Insulation, Electric, Synthetic Resin Composition, Nonrigid (Изолирующие, электропроводные, синтетические смолы, эластичные материалы)

Доступен в Бюро заказов стандартов, Bldg. 4 Section D, 700 Robbins Ave., Philadelphia, PA 19111-5098, Attn: NPODS.

3 Термины и определения

3.1.1 гелеобразователь (gellant): Материал коллоидной или другой общей структуры, впитывающий и удерживающий жидкость, образующий при этом нестойкое соединение с большой вязкостью. Многие гели быстро разжижаются при нагревании или добавлении поляризованных веществ. В избытке жидкости эти материалы разжижаются и растворяются.

3.1.2 сорбент (sorbent): Нерастворимый материал или смесь материалов, используемых для извлечения жидкостей путем их абсорбции или адсорбции, или вследствие обоих процессов.

3.1.3 загуститель (thickener): Материал (обычно с более высоким молекулярным весом), растворимый в избытке жидкости. Эти материалы проходят стадии от безводного до смолистого (вязкоэластичного) и далее до текучего состояния, а затем растворяются. Конечная вязкость зависит только от соотношения жидкой и твердой фаз.

3.1.4 универсальный сорбент (universal sorbent): Нерастворимый материал или смесь материалов, поглощающие как гидрофобные, так и гидрофильные жидкости.

3.2 Основные термины

3.2.1 абсорбент (absorbent): Материал, впитывающий и удерживающий жидкость путем распределения ее внутри собственной молекулярной структуры, следствием чего является набухание (на 50% и более). Абсорбент более чем на 70% нерастворим в избытке жидкости.

3.2.2 адсорбент (adsorbent): Нерастворимый материал, удерживающий жидкость на своей поверхности, включая поверхностные поры и капилляры, набухающий при этом в избытке жидкости не более чем на 50%.

3.2.3 фактор вместимости адсорбента «С» (adsorbent cubage factor «С»): Отношение объема сорбента к объему сорбированной им жидкости.

3.2.4 вместимость (cubage): Объем содержимого, объем или измещение.

3.3 Специальные термины, используемые в настоящем стандарте

3.3.1 Настоящий метод не применим к средствам очистки ленточного, канатного или сливного типа.

3.3.2 нефтепродукт (oil): Органическая жидкость, практически не смешивающаяся с водой и плавающая на ее поверхности (плотность менее 1 г/см ), с поверхностным натяжением, как правило, менее 40·10 Н/м.

3.3.3 адсорбент I типа (в виде рулона, пленки, листа, компактного блока, покрывала, сетки) [type I absorbent (roll, film, sheet, pad, blanket, web)]: Материал, длина и ширина которого значительно больше его толщины. Линейные размеры и прочная поверхность материала позволяют манипулировать материалом вручную до и после его использования.

3.3.4 адсорбент II типа (свободной формы) [type II absorbent (loose)]: Сыпучий материал в виде отдельных кусков, форма и размеры которых позволяют манипулировать материалом только с помощью черпака или аналогичного приспособления.

3.3.5 адсорбент III типа (ограничивающий) [type III absorbent (enclosed)]:

3.3.5.1 III a, подушки (III a, pillows): Адсорбирующий материал, заключенный в тканевую или сетчатую оболочку, проницаемую для нефтепродуктов и имеющую достаточно малые отверстия, чтобы хорошо удерживать сорбирующий материал.

3.3.5.2 III b, планки (III b, adsorbent booms): Адсорбирующий материал, заключенный в тканевую или сетчатую оболочку, проницаемую для нефтепродуктов и имеющую достаточно малые отверстия, чтобы хорошо удерживать сорбирующий материал. Размер такого блока в длину значительно превышает прочие размеры. По всей длине планки проложен элемент, укрепляющий конструкцию. Планки также имеют приспособления для связывания их попарно.

3.3.6 агломерирующее средство IV типа (type IV-agglomeration unit): Нити от канатов, распущенных сетей, соединенные в пучки или другие физические формы с рыхлой структурой, которая минимально препятствует проникновению в них нефтепродуктов с высокой вязкостью. Обычно используют для очистки от нефтепродуктов вязкостью более 10000 сП. Нефтепродукты удерживаются такими средствами, образуя агломераты, с которыми можно проводить дальнейшие действия (удалять).

3.3.7 повторное использование (reuse): Извлечение адсорбированных жидкостей из адсорбента путем отжимания или других процедур с применением давления, позволяющее использовать адсорбент повторно. При повторном использовании необходимо проверить наличие установленных законодательством или другими официальными документами ограничений.

4 Сущность метода

4.1 Адсорбент подвергают испытаниям стандартными методами, которые позволяют определить различные характеристики адсорбента, в том числе имеющие отношение к его хранению. В настоящем стандарте изложены методы определения адсорбционной способности по отношению к воде и нефтепродуктам, а также методы оценки плавучести адсорбентов и возможности их повторного использования.

5 Назначение и применение

5.1 Настоящие методы используют в качестве основных для сравнения разных адсорбентов в сопоставимых условиях.

5.2 Настоящие методы не применимы для испытания абсорбентов. Методы испытания абсорбентов регламентирует ASTM F 716.

6 Аппаратура

6.1 Установка для определения воздействия внешней среды, пригодная для использования в соответствии с Федеральным стандартом 141a, метод 6152, или в соответствии с 8.2.

6.2 Емкости для испытания

Размеры емкостей для проведения испытаний должны быть достаточными для того, чтобы адсорбент мог свободно плавать в них. Для испытаний адсорбентов типов I и II рекомендуется использовать кристаллизатор из боросиликатного стекла диаметром 19 см, глубиной 10 см, закрываемый часовым стеклом или стеклянной крышкой. Для проб большего размера используют пластиковые емкости диаметром 53-56 см (пластиковый таз или аналогичную емкость).

6.3 Сетчатые корзинки

6.4 Устройство для встряхивания, способное совершать движения амплитудой 2,5 см с частотой 150 циклов/мин.

6.5 Весы для измерения фиксированной массы

При испытании адсорбентов типов I и II используют весы, снабженные крюком или другим приспособлением, с пределом взвешивания 400 г и пределом допускаемой погрешности ±0,1 г.

6.6 Весы с непрерывной индикацией массы

Источник

сорбционная очистка сточных вод

Разработанное нашей компанией сорбционное оборудование, довольно резко контрастирует, с оборудованием предлагаемым многими фирмами. Удобство использования и долгий срок службы, мы поставили на первое место. Сорбционные фильтры нашего производства, всегда снабжены широкой горловиной для засыпки сорбента (кто засыпал и разгружал колонны Китайского производства, тот поймет…), диаметром 300 мм. Они так же оборудованы люком выгрузки отработанного сорбента, без отсоединения трубопроводов. Диаметр его 450 мм. Распределительное устройство в колонне выполнено из нержавеющей стали, верхнее в виде стакана, нижнее представляет собой колпачковые тарелки, с сеткой, для исключения уноса сорбента. Гидравлическое сопротивление колонны при такой компоновке оптимально.

Колонна (фильтр) может быть выполнена из стали с покрытием эпоксидной композицией изнутри, из нержавеющей стали, или футерована резиной (гуммирование). Последние, применяются для очистки кислот и щелочей, при температуре до 90С.

Цены на сорбционные колонны (фильтры) вы можете посмотреть, нажав на ссылку Прайс-лист

Ну а теперь, когда мы уже похвалились, собственно о самом процессе…

Сорбция – это процесс поглощения одного вещества из окружающей среды другим веществом, твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое – сорбатом. В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.
Поглощение вещества всей массой жидкого сорбента называется абсорбция, а поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента − адсорбция. Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.
Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической, как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность поглощения веществ из многокомпонентных смесей и высокая степень очистки, особенно слабо концентрированных сточных вод.
Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Адсорбция растворенных веществ – результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида сил межмолекулярного взаимодействия

Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с какой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности сорбента.
Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора.
Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, не электролиты 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 низких одноатомных спиртов этот метод не применим.
В качестве сорбентов применяют различные искусственные и пористые природные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные гели и др. Эффективными и наиболее универсальными сорбентами являются активированные угли различных марок.

Минеральные сорбенты используют мало, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика – иногда превышает энергию адсорбции. Пористость этих углей составляет 60 − 75 %, а удельная площадь поверхности 400 − 900 м2 на единицу веса сорбента. Адсорбционные свойства активированных углей в значительной мере зависит от структуры пор, их величины, распределения по размерам. В зависимости от преобладающего размера пор активированные угли делятся на крупно- и мелкопористые, и смешанные. Поры по своему размеру подразделяются на три вида:

Источник

Глава 1. Основы очистки сточных вод

5. Физико-химические процессы очистки сточных вод

5.3. Сорбция

Сорбция – это процесс поглощения одного вещества из окружающей среды другим веществом, твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое – сорбатом. В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию. Поглощение вещества всей массой жидкого сорбента называется абсорбция, а поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента – адсорбция. Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.

Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической, как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность поглощения веществ из многокомпонентных смесей и высокая степень очистки, особенно слабо концентрированных сточных вод.

Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Адсорбция растворенных веществ — результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида сил межмолекулярного взаимодействия:

— молекул растворенного вещества с молекулами (или атомами) поверхности сорбента;

— молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация).

Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с какой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности сорбента. Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора.

Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, не электролиты 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 низких одноатомных спиртов этот метод не применим.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и пористые природные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные гели и др. Эффективными и наиболее универсальными сорбентами являются активированные угли различных марок.

Минеральные сорбенты используют мало, т.к. энергия взаимодействия их с молекулами воды велика – иногда превышает энергию адсорбции. Пористость этих углей составляет 60-75 %, а удельная площадь поверхности 400-900 м 2 на единицу веса сорбента. Адсорбционные свойства активированных углей в значительной мере зависит от структуры пор, их величины, распределения по размерам. В зависимости от преобладающего размера пор активированные угли делятся на крупно- и мелкопористые, и смешанные. Поры по своему размеру подразделяются на три вида:

— макропоры – 0,1-2 мкм;

— переходные – 0,004-0,1 мкм;

— микропоры – 0,004 мкм.

Активные угли должны слабо взаимодействовать с молекулами воды и хорошо – с органическими веществами, быть относительно крупнопористыми (с эффективным радиусом адсорбционных пор в пределах 0,8-5,0 нм), чтобы их поверхность была доступна для больших и сложных органических молекул. При малом времени контакта с водой они должны иметь высокую адсорбционную емкость, высокую селективность и малую удерживающую способность при регенерации. При соблюдении последнего условия затраты на реагенты для регенерации угля будут небольшими. Угли должны быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав. В процессе очистки используют мелкозернистые адсорбенты с частицами размерами 0,25-0,5 мм и высокодисперсные угли с частицами размером менее 40 мкм.

Важно, чтобы угли обладали малой каталитической активностью по отношению к реакциям окисления, конденсации и др., т.к. некоторые органические вещества, находящиеся в сточных водах, способны окисляться и осмоляться. Эти процессы ускоряются катализаторами. Осмелившиеся вещества забивают поры адсорбента, что затрудняет его низкотемпературную регенерацию. Наконец, они должны иметь низкую стоимость, не уменьшать адсорбционную емкость после регенерации и обеспечивать большое число циклов работы.

Сырьем для активных углей может быть практически любой углеродсодержащий материал: уголь, древесина, полимеры, отходы пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности. В табл. 1.2 представлены характеристики активированных углей.

Емкость микропор, см 3 /г

Основной размер зерен, мм

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или в псевдоожиженном слое на установках периодического и непрерывного действия. При смешивании адсорбента с водой используют активный уголь в виде частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней.

Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно работающих секций, состоящих из 3-5 последовательно расположенных фильтров. При достижении предельного насыщения головной фильтр отключается на регенерацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени.

Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства. Более эффективно (при меньшем расходе адсорбента) процесс протекает при использовании многоступенчатой установки. При этом в первую ступень вводят столько адсорбента, сколько необходимо для снижения концентрации загрязнений от С_н до С_к, затем адсорбент отделяют отстаиванием или фильтрованием, а сточную воду направляют на вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент.

Процесс сорбции в статических условиях осуществляется путем интенсивного перемешивания обрабатываемой воды с сорбентом в течение определенного времени и последующего отделения сорбента от воды отстаиванием или фильтрованием. При последовательном введении (рис. 1.33) новых порций сорбента в очищаемую воду можно очистить ее от загрязняющих веществ до любой концентрации. В основе расчета таких адсорбционных аппаратов с перемешивающими устройствами лежит уравнение материального баланса

Решая это уравнение относительно m и учитывая зависимость (1.8), можно записать

Если процесс сорбции осуществляется по одноступенчатой схеме, то концентрация сорбата в сточной воде

Для расчета сорбционных установок необходимо иметь изотерму сорбции, знать константу адсорбции и задаваться требуемой степенью очистки, иначе говоря, величиной сорбата в обрабатываемой сточной воде.

Рис. 1.33. Схема сорбции с последовательным введением сорбента:

1, 2 – подача соответственно сточной воды и сорбента; 3 – резервуары с перемешивающим устройством; 4 – отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 5 – выпуск обработанной сточной воды; 6 – выпуск отработанного сорбента

Если расчет величин ведется для технологической схемы с последовательным введением сорбента, то при двухступенчатой очистке

где С_2к – концентрация сорбата после второй ступени, кг/м 3 ; m₂ – количество вводимого сорбента, кг.

При числе ступеней n концентрацию сорбента после очистки определяют по формуле

Дозу сорбента, вводимого в каждую ступень m_n, подсчитывают по уравнению:

При проектировании сорбционных установок с противоточным введением сорбента концентрацию вещества в обработанной сточной воде после n ступеней находят по выражению

Здесь k_адс ≈ 0,7 — 0,8 – коэффициент распределения.

Расход сорбента, вводимого при использовании противоточной технологической схемы только в последнюю ступень установки, определяют по уравнению:

где

Число ступеней устанавливают по зависимости n = К – 1, где

Противоточные сорбционные установки (рис. 1.34) применяют значительно шире благодаря более экономичному расходованию сорбента.

Рис. 1.34. Схема сорбционной установки с противоточным введением сорбента:

1 – подача сточной воды; 2 – резервуар с перемешивающим устройством; 3 – отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 4 – подача сорбента; 5 – выпуск отработанной сточной воды; 6 – резервуар для сбора сорбента; 7 – насосы для перекачки сорбента; 8 – выпуск отработанного сорбента

В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных веществ и колеблется от 2-4 до 5-6 м/ч через 1 м поперечного сечения колонны. Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все ее сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размерами 1,5-5 мм. При более мелких зернах возрастает сопротивление фильтрованию жидкости. Уголь укладывают на слой гравия, уложенного на решетке. Во избежание забивки адсорбента сточная вода не должна содержать твердых взвешенных примесей.

В одной колонне при неподвижном слое сорбента процесс очистки ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн (рис. 1.35). По такой схеме две колонны работают последовательно, а третья отключена на регенерацию. При проскоке в средней колонне на регенерацию отключают первую.

Рис. 1.35. Схема сорбционной установки непрерывного действия:

I – подача сточной воды; II – отвод очищенной воды; III – подача пара;

1 – усреднитель; 2 – насос; 3 – фильтр; 4 – колонна; 5 – емкость

В момент проскока в колонне появляется слой адсорбента высотой L_c, который не работает. Этот слой называют «мертвым». Если одновременно выводить из колонны «мертвый» слой и вводить в нее такой же слой свежего адсорбента, то колонна будет работать непрерывно. Для подачи адсорбента имеются специальные дозаторы.

Скорость перемещения работающего слоя

где – скорость воды в колонне; a_ад – динамическая емкость адсорбента.

Длина работающего слоя

где μ – количество поглощенного вещества; S – площадь поперечного сечения слоя; β – коэффициент массопередачи; С_ср – средняя движущая сила адсорбции.

При небольших концентрациях загрязнений в сточной воде средняя движущая сила процесса может быть вычислена как средняя логарифмическая из движущих сил на концах адсорбера.

При относительно высоком содержании в сточной воде мелкодиспергированных взвешенных частиц, заиливающих сорбентов, а также в случае, если равновесие устанавливается медленно, рационально применять процесс с псевдоожиженным слоем сорбента. Псевдоожижение слоя возникает при повышение скорости потока сточной воды, проходящей снизу вверх, до такой величины, при которой зерна увеличившегося в объеме слоя начинают интенсивно и беспорядочно перемещаться в объеме слоя, сохраняющего постоянную для данной скорости высоту. Важнейшими показателями работы установки с псевдоожиженным слоем сорбента является относительная пористость

где W_сорб – объем частиц сорбента, образующих псевдоожиженный слой; W_п.сл – объем псевдоожиженного слоя.

В цилиндрических колоннах вместо показателя «относительная пористость» используется показатель «относительное расширение слоя», равный отношению высот псевдоожиженного и неподвижного слоев: Н_п.сл./Н_неп.сл., оптимальная величина которого равна 1,5. При этом размеры частиц активированного угля составляют 0,25-1,0мм, что отвечает скорости потока сточной воды 7-10 м/ч.

В настоящее время применяют цилиндрические одноярусные адсорберы (рис. 1.36). Такой аппарат представляет собой колонну высотой около 4 м. Верхняя часть ее соединена с царгой, имеющей диаметр, в 2-2,5 раза больше диаметра основной колонны. В зависимости от диаметра колонны коническое днище имеет центральный угол 30°-60°. Непосредственно под коническим днищем устанавливается распределительная решетка с отверстиями 5-10 мм и шагом отверстий около 10 мм, на которую загружается активированный уголь с размером частиц 0,25-1 мм и преимущественным содержанием фракции 0,5-0,75 мм. Высота неподвижного слоя составляет 2,5-2,7 м.

Рис. 1.36. Цилиндрический одноярусный адсорбер:

1 – подача воды; 2 – цилиндрическая колонна; 3 – центральная труба с диффузором; 4 – царга; 5 – подача сорбента; 6 – выпуск обработанной сточной воды; 7 – сгуститель сорбента; 8 – выпуск отработанного сорбента;

9 – распределительная решетка

В нижнюю часть аппарата через центральную трубу, заканчивающуюся диффузором под решеткой, либо через боковой патрубок тройника, подсоединенного к конусному днищу, поступает сточная вода со скоростью, обеспечивающей относительное расширение слоя 1,5-1,6.Уголь равномерно подается в аппарат из бункера с автоматическим дозатором. Сорбент в виде 5-20 % суспензии поступает в верхнюю расширенную часть той же центральной трубы, по которой в колонну адсорбера подается сточная вода. В трубе эта вода смешивается с углем. Образовавшаяся суспензия поступает через диффузор под решетку, продавливается через ее отверстия и задерживается части псевдоожиженного слоя угля, который находится в колонне. Обработанная сточная вода отводится в кольцевой желоб верхней части царги.

Установки с псевдоожиженным слоем (периодического или непрерывного действия) целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в сточной воде. Размер частиц адсорбента при этом должен быть равным 0,5-1 мм. Скорости потока для частиц указанных размеров находится в пределах 8-12 м/с.

Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3-0,6 МПа) равна 200-300°С, а инертных газов – 120-140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5-3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих – в 5-10 раз больше. После десорбции пары конденсируют, и вещество извлекают из конденсата. Для регенерации углей может быть использована и экстракция (жидкофазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с водяным паром растворителями. При регенерации органическими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей из угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбированных слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную форму. При этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда их вымывают горячей водой, раствором кислот (для удаления органических оснований) или раствором щелочей (для удаления кислот).

В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем). Термическую регенерацию проводят в печах различной конструкции при температуре 700-800 °С в бескислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горения газа или жидкого топлива и водяного пара. Она связана с потерей части адсорбента (15-20 %). Разрабатываются биологические методы регенерации углей, при которых адсорбированные вещества биохимически окисляются. Этот способ регенерации значительно удлиняет срок использования сорбента.

Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные вещества утилизируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожаются. В зависимости от вида сорбционной очистки применяются различные методы регенерации сорбента или его уничтожения.

Для извлечения сорбированных веществ могут быть использованы:

— экстрагирование органическим растворителем;

— изменение степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе;

— отгонка адсорбированного вещества с водяным паром;

— испарение адсорбированного вещества током инертного газообразного теплоносителя.

В отдельных случаях осуществляют химическое превращение сорбированных веществ с последующей десорбцией.

Легколетучие органические вещества (бензол, нитробензол, толуол, этиловый спирт) десорбируют воздухом, инертными газами, перегретым паром. При этом температура воздуха должна быть 120-140 0 С, перегретого пара – 200-300 0 С, а дымовых или инертных газов 300-500 0 С. Расход пара на отгонку легколетучих веществ из активированного угля составляет 3-12 кг на 1 кг сорбированного вещества. В качестве десорбентов могут быть использованы низкокипящие легко перегоняющиеся с водяным паром органические растворители: бензол, бутилацетат, дихлорэтан, толуол и другие. Процесс десорбции осуществляется при нагревании или на холоде, затем растворитель отгоняется из сорбента острым водяным паром или теплоносителями.

При деструктивной очистке обычно применяют термические или окислительные методы. При применении термического метода следует учитывать потери сорбента (потери активированного угля составляют 5-10 %). Из затрат на сорбционную очистку 30-35 % составляют расходы на активированный уголь.

Источник