Адсорбция как метод очистки сточных вод. Принцип работы и аппаратурное оформление

Адсорбционные методы применяются для очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика и они биохимически не разлагаются или являются сильнотоксичными. Применение локальных установок целесообразно, если вещество хорошо адсорбируется при не­большом-удельном расходе адсорбента.

Сущность метода. Адсорбция - это процесс поглощения вещества из раствора поверхностью твердого тела (адсорбента). Адсорбция может быть физическая и химическая (хемосорбция). При физической адсорбции взаимодействие между адсорбентом и сорбируемым веществом осуществляется за счет сил межмолеку­лярного взаимодействия (сил Ван-дер-Ваальса). При физической адсорбции возможен обратный процесс - десорбции. При хемо- сорбции происходит химическое взаимодействие между сорбентом и сорбируемым веществом.

Процесс адсорбции складывается из трех стадий: перенос вещества из раствора к поверхности зерен адсорбента (внешне- диффузионная область), перенос вещества внутри зерен адсор­бента (внутридиффузионная область).

Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, то есть с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбцион­ной очистки достигает 80-95% и зависит от химической природы ад­сорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе.

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

Адсорбенты. В качестве сорбентов используют активные угли, синтетические оорбент-м-некоторые отходы производства- (золу, шлаки, опилки и др.). Минеральные сорбенты - глины, сили- кагели, алюмогели и гидроксиды металлов для адсорбции различ­ных веществ из сточных вод используют мало, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика - иногда превышает энергию адсорбции. Наиболее универсальными из адсорбентов являются активные угли, однако, они должны обладать опреде­ленными свойствами.

Активные угли должны слабо взаимодействовать с молеку­лами воды и хорошо - с органическими веществами. При малом времени контакта с водой они должны иметь высокую адсорбцион­ную емкость, высокую селективность и малую удерживающую спо­собность при регенерации.

Адсорбционная способность активных углей является след­ствием сильно развитой поверхности и пористости. Угли должны обладать малой каталитической активностью по отношению к ре­акциям окисления, конденсации и др., так как некоторые органиче­ские вещества, находящиеся в сточных водах, способны окислять­ся в присутствии катализатора. Они должны иметь низкую стои­мость, не уменьшать адсорбционную емкость после регенерации и обеспечивать большое число циклов работы.

Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, при­роды и структуры растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента. В общем случае процесс адсорбции скла­дывается из трех стадий: переноса вещества из сточной воды к поверхности зерен адсорбента (внешнедиффузионная область), собственно адсорбционный процесс, перенос вещества внутри зе­рен адсорбента (внутридиффузионная область).

Адсорберы. Применяются адсорберы различных типов (рис. 5.1). В цилиндрическом одноярусном адсорбере (рис. 5.1, а) активный уголь через воронку по трубе непрерывно поступает под распределительную решетку, диаметр отверстий которой ра­вен 5-10 мм. Сточная вода захватывает зерна адсорбента и про­ходит вместе с ними через отверстия решетки. Над решеткой об­разуется псевдоожиженный слой, в котором идет процесс очист­ки. Избыток угля поступает в сборник и далее на регенерацию. Очищенную воду отводят через желоба в верхней части колонны. Уносимые частицы угля попадают в тот же сборник.

В одноярусном адсорбере с выносным смесителем (рис. 5.1, б) уголь поступает в смеситель, снабженный лопастной мешалкой, совершающей 40-60 об/мин. Туда же подают сточную воду. Из смесителя суспензию угля с водой Песковым насосом перекачива­ют в адсорбционную колонну.

Рис. 5.1. Схемы адсорберов: 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 - трехярусный: 1 - колонна; 2 - решетка; 3 - трубка для перемещения абсорбента; 4 - сборник

Адсорбер может представлять собой бак, внутри которого имеется усеченная пирамида квадратного сечения. Суспензию уг­ля с водой подают внутрь пирамиды, где возникает псевдоожи- женный слой. Избыток угля оседает в пространстве меяеду стенка­ми бака.

Более сложную конструкцию представляет собой трехъярус­ный адсорбер с переливными трубками (см. рис. 5.1, в). Псевдо- ожиженный слой возникает над тарелками (типа колпачковых). Ярусы соединены между собой коническими трубками. Широкая часть трубок выступает над тарелкой на высоту, соответствующую верхней границе псевдоожиженного слоя, а узкий конец трубок по­гружен в нижний псевдоожиженный слой. Сверху в колонну подают 15-20%-ю угольную суспензию, а снизу - сточную воду. Избыток угля отводят в сборник.

Адсорбционные установки. 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 (рис. 5.2).

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 сц затем адсорбент отделяют отстаиванием или фильтровани­ем, а сточную воду направляют во вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент.

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 м³/(м²-ч). Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размером в пределах 1,5-5 мм. При более мелких зернах возрас­тает сопротивление фильтрованию жидкости. Уголь укладывают на слой гравия, расположенного на решетке. Во избежание забив­ки адсорбента сточная вода не должна содержать твердых взве­шенных примесей.

В одной колонне при неподвижном слое угля процесс очист­ки ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн (рис. 5.2, в). По такой схеме две колонны работают после­довательно, а третья отключена на регенерацию. При проскоке в средней колонне на регенерацию отключают первую колонну.

В момент проскока в колонне появляется слой адсорбента высотой L₀, который не работает. Этот слой называют «мертвым» слоем. 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.

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 нагре­ вании 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 утя, откуда их вымывают горячей водой, раствором кислот (для удаления органических ос­нований) или раствором щелочей (для удаления кислот).

рисунок 5.2 схема адсорбционных установок:

а – с последовательным введением адсорбента. 2 – отстойники. б с противоточном введением адсорбента. 1- сместители. 2отстойники. 3- приемнике адсорбента. 4- насосы. в – непрерывного действия. 1 – усреднитель. 2- насос. 2- фильтр. 4- S- колонны 7 – емкость.