Физико-химические методы защиты биосферы. Очистка фильтрационных вод

Исследования по извлечению из водных растворов на различных марках АУ красителей метиленового голубого и конго красного, ван-дер- ваальсовый размер молекул которых составляет 1,42 и 1,6 нм соответст­ венно, показали, что микропоры углей с полушириной щели меньше 0,5 нм недоступны для молекул этих соединений. В этом случае сорбция в основ­ номпротекает в объеме супермикропор и переходных пор.

Исследования по очистке ливневых вод машиностроительных пред­ приятий, где основным загрязняющим компонентом являются углеводоро­ ды нефти (Cg-C23), путем сорбции на АУ - АГ-3, АГ-5, БАУ, а также мезопористом активированном отходе сажевого производства - САУ, буро­ угольном полукоксе - БКЗ и мезопористом ископаемым угле МИУ, пока­ зали; что наиболее эффективными сорбентами являются АУ с наибольшим объемом мезопор (САУ, МИУ).

На примере исследования адсорбции полиэтиленгликолей (ПЭГ) с различной молярной массой (400, 2000 и 4000 г/моль) было показано, что выбор АУ для их извлечения определяется средним размером макромоле­ кул и их геометрической структурой в растворе и адсорбированном со­ стоянии (цепь, статистический клубок, меандровая конфигурация, мицел­ лярное состояние). При адсорбции соединений с молярной массой более 1000 г/моль наибольшую роль в процессе адсорбции играют супермикропоры и узкие мезопоры.

Работы, посвященные адсорбции ПАВ, нефтепродуктов, показыва­ ют, что существенная роль при адсорбции этих соединений на АУ при­ надлежит мезо- и макропорам. Например, сорбция смолистых веществ осуществляется в основном в макропорах АУ.

Таким образом, при адсорбции растворенных веществ эффектив­ ность очистки зависит от природы растворенных в воде веществ и пара­ метров пористой структуры сорбента.

4.2.3. Технологические схемы адсорбционной очистки сточных вод

В практике очистки сточных вод путем адсорбции используют по­ рошкообразные сорбенты (ПАУ), гранулированные (ГАУ) или дроблен­ ные. ПАУ получают из отсевов при производстве гранулированных или дробленых АУ.

При использовании ПАУ процесс адсорбции осуществляют в стати­ ческом режиме в аппаратах с перемешивающим устройством. Удельный расход адсорбента при одноступенчатой схеме очистки воды в условиях, когда исходная концентрация извлекаемого вещества С0 и конечная его концентрация в очищенной воде Ск, определяют по формуле

При использовании гранулированных или дробленых сорбентов ад­ сорбцию проводят в динамическом режиме в фильтрах с неподвижным слоем сорбента, движущимся слоем, псевдоожиженным слоем (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Адсорберы: а -с неподвижным слоем; б - с движущимся сло­ ем; в - с псевдоожиженным слоем: У- сточная вода; 2 - очищенная во­ да; 3 - адсорбент, загрузка адсорбента; 4- острый водяной пардля ре­ генерации адсорбента; 5- продукты регенерации

Целесообразно многократное использование сорбентов, в частности дорогостоящих АУ. В зависимости от природы извлекаемых веществ реге­ нерацию сорбента можно осуществлять непосредственно в фильтре, на­ пример острым паром, или заменять загрузку, а отработанный материал подвергать термической регенерации. При термической регенерации в инертной атмосфере происходит разложение и частичная карбонизация ор­ ганических примесей.

В практике водоочистки наибольшее распространение получили фильтры с неподвижным слоем сорбента. Механизм процесса представля­ ется следующим образом. Поток жидкости, содержащий растворенное ве­ щество с концентрацией CQ, поступает в слой пористых зерен. В результа­ те массопереноса растворенного вещества к внешней границе зерен адсор­ бента и от внешней границы зерна по системе пор к его центру молекулы растворенных веществ адсорбируются и концентрация раствора по мере его продвижения вдоль слоя снижается с Со до О или до предельно допус­ тимой концентрации в фильтрате (Спр). После того, как концентрация из­ влекаемого из раствора вещества в фильтрате превышает предельно допус­ тимое значение, адсорбционный фильтр останавливают на регенерацию.

Эффективность работы фильтра зависит от многих факторов: приро­ ды адсорбируемого вещества и адсорбента (адсорбционной статической емкости сорбента), диаметра зерна адсорбента, правильного выбора длины слоя фильтрующего материала и др.

Скорость адсорбции растворенного вещества определяется скоро­ стью массопереноса, поэтому процесс поглощения вещества из потока рас­ твора протекает не мгновенно, а требует времени, в течение которого кон­ центрация в потоке снижается с Со до 0. При этом сам элемент потока пе­ ремещается на расстояние LQ. Участок слоя адсорбента, на котором кон­ центрация извлекаемого вещества в потоке снижается с Со до 0, получил название работающего слоя или фронта массопереноса.

В первоначальный период работы фильтра происходит формирова­ ние зоны массопереноса, при этом длина работающего слоя изменяется до тех пор, пока начальный участок слоя адсорбента (лобовой слой) не насы­ тится адсорбируемым веществом до равновесия с его концентрацией в по­ токе CQ.

Далее длина работающего слоя остается постоянной, но он переме­ щается по высоте фильтра в направлении потока. Этот процесс наглядно иллюстрируется графиком зависимости количества поглощаемого вещест­ ва от длины слоя сорбента (рис. 4.6).

L

Рис. 4.6. Кривая распределения поглощенного вещества по высоте слоя адсорбента: слой ОА полностью насыщен, слой АВ - рабо­ тающий слой, слой ВС еще не вступил в работу; /, 2,3 - формиро­ вание зоны массопереноса

Высота слоя сорбента в фильтре - не менее 1,5 м. Время контакта сточной воды с сорбентом при извлечении низкомолекулярных ароматиче­ ских соединений должно составлять не менее 15 мин, при извлечении вы­ сокомолекулярных соединений - 20-30 мин.

4.2.4. Закономерности сорбционной очистки фильтрационных вод

Анализ химического состава фильтрационных вод показал, что сорб­ ция может иметь решающее значение при очистке ФВ, образующихся на стадиях активного и стабильного метаногенеза, когда в них накапливаются биорезистентные, хлорсодержащие ароматические соединения, гуминовые и фульвокислоты. Особенностью химического состава ФВ полигона ТБО является их многокомпонентный состав, наличие как высоко-, так и низ­ комолекулярных растворенных органических веществ. В этом случае эф­ фективность очистки, экономическая целесообразность применения мето­ да будут определяться правильным выбором сорбента.

В ФВ низкомолекулярные органические вещества в основном пред­ ставлены ароматическими соединениями - фенолами, крезолами. Высоко­ молекулярные соединения - гуминовые соединения и их производные находятся в ФВ в истинно растворимом или коллоидном состояниях.

При адсорбционной технологии очистки ФВ целесообразно исполь­ зование недорогих АУ или углеродсодержащих отходов, например недо­ жога, образующегося при сжигании окорки древесины на целлюлознобумажных предприятиях (сорбент-Н). Для очистки ФВ можно также ис­ пользовать золу и шламы ТЭЦ, металлургические шлаки. Выбор сорбентов для очистки может быть осуществлен на основе анализа изотерм адсорб­ ции соединений, типичных для ФВ.

Адсорбция фенолов и крезолов на углеродсодержащих материалах.

Изотермы адсорбции фенола и я-крезола из водных растворов с концен­ трацией 50 мг/дм3 на углеродсодержащих сорбентах представлены на рис. 4.9.

При адсорбции ароматических соединений из низкоконцентрирован­ ных растворов эффективность и селективность процесса определяется не только объемом, но и размером микропор. Установлена зависимость ста­ тической емкости углеродных сорбентов, рассчитанная на единицу объема микропор, от размера микропор (рис. 4.10).

KbuEKipauw, мг/л

Рис. 4.9. Изотермы адсорбции фенола (а) и л-крезола (б) на углеродных сорбентах

Полуширина щ с лс а н д н о й мнкроооры Л”, нм

аЛКД, 4 - BAY, • - АА, ♦ - ЬЗОО. о - ДАУ, о - АГМ

Рис, 4,Ц), Зависимость адсорбционной емкости углеродных материалов пофенолу и крезолу отразмера мнкропор

Изотермы адсорбции гуминовых веществ на исследуемых образцах были представлены в координатах уравнения Ленгмюра (рис. 4.12):

АЛшх-^ Апах

где /1тахемкость монослоя, мг/г;

К- константа равновесия адсорбции;

С- равновесная концентрация адсорбата, °Ц.

Рис. 4.12. Изотермы адсорбции гуминовых соединений, представленные в координатах уравнения Ленгмюра

Как видно из представленных данных, адсорбция гуминовых ве­ ществ на образцах АБД, БАУ, сорбента-Н с достаточно высоким коэффи­ циентом корреляции описывается уравнением Ленгмюра.

По полученным данным определены емкости монослоя сорбентов и константы адсорбционного равновесия, представленные в табл. 4.6.