Адсорбционная очистка

Адсорбция используется для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках. Ее применяют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, ПАВ, красителей, ароматических нитросоединений, пестицидов и других органических соединений. Адсорбция эффективна для извлечения ценных продуктов с целью их регенерации, для удаления токсичных веществ, препятствующих биологической очистке, для глубокой очистки сточных вод, используемых в системах оборотного водоснабжения.

Эффективность адсорбцонной очистки достигает 80-90 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в водном растворе.

Адсорбция растворенных веществ — результат перехода молекулы расширенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности, при этом наблюдаются два вида межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенного вещества с молекулами поверхности сорбента и с молекулами воды в растворе (гидратация). Разность этих двух сил и определяет возможность удерживания вещества на поверхности сорбента.

В качестве сорбентов могут служить различные искусственные и природные пористые материалы, прежде всего активированые угли различных марок, силикагели, зола, шлак, торф и др. Минеральные сорбенты — глины, силикагели, алюмогели, гидроксилы используются мало, т.к. энергия взаимодействия их с молекулами золы велика, нередко превышает энергию адсорбции.

Наиболее универсальными сорбентами являются активные угли.

В общем случае процесс адсорбции складывается из трех стадий: перенос вещества из сточной воды к поверхности адсорбента (внешнедиффузионная область), перенос вещества внутри зерен адсорбента (внутридиффузионная область), собственно адсорбционный процесс.

Процесс сорбции может осуществляться в стaтических или динамических условиях. При статической адсорбции жидкость не перемещается относительно частицы сорбента, а движется вместе с последней. При этом проводят интенсивное пермешивание, используя активный уголь с размерами частиц 0,1 мм и менее, в одну или несколько ступеней. Статическая одноступенчатая используется, когда адсорбент дешев или является отходом производства.

Более эффективно процесс протекает при использовании многоступенчатых установок, осуществляемых в прямоточном и противоточном вариантах.

Схема прямоточной установки с последовательным введением сорбента приведена на рисунке 40 а.

Рисунок 40 — Схемы адсорбционных установок
а – с последовательным введением сорбента;
б – с противоточным введением сорбента;
в – непрерывного действия;
1 — смеситель; 2 — отстойник; 3 — усреднитель; 4 — насос;
5 — фильтр; 6 — адсорбционные колонны; 7 — емкость

В противоточной схеме адсорбент вводят однократно в последнюю ступень и он движется навстречу воде.

Наибольшее практическое применение до настоящего времени получили установки полупериодического действия (непрерывного по воде и периодического по углю), в которых осуществляется процесс адсорбции в динамических условиях. Вода фильтруется через слой сорбента со скоростью от 2 — 4 до 12 м/ч, двигаясь снизу вверх. Размеры частиц адсорбента 0,8-5 мм, его слои отрабатываются постепенно. В одной колонне процесс ведут до проскока, затем адсорбент выгружают на регенерацию. При непрерывной организации процесса используют несколько колонн (рисунок 40 в), в такой схеме две колонны работают последовательно, третья находится на регенерации.

По мере насыщения адсорбента первый по ходу движения воды адсорбер отключается на регенерацию, а прошедший регенерацию включается последним по ходу движения воды.
При относительно высоком содержании в сточной воде мелкодиспергированных взвешенных частиц, заиливающих сорбенты, а также в случае, если равновесие устанавливается медленно, рационально применять процесс с псевдоожиженым слоем сорбента. При этом размеры частиц активированного угля составляют 0,25-1 мм, а скорость потока воды — 10-20 м/ч.

Гидравлическое сопротивление в кипящем слое по сравнению с неподвижным меньше, а скорость массообмена выше в результате использования более метких частиц адсорбента.
Если из колонны с неподвижным слоем сорбента отводить отработанной, или так называемый, «мертвый» слой и одновременно вводить в нее такое же количество свежего сорбента, то колонна будет работать непрерывно. Это установки с движущимся слоем адсорбента, когда процесс адсорбции и регенерации адсорбента идет непрерывно, что позволяет значительно интенсифицировать процесс очистки.

Наиболее просты по аппаратурному оформлению аппараты с неподвижным слоем сорбента — сорбционные фильтры (колонны). Различают горизонтальные и вертикальные фильтры, последние могут быть кольцевыми. Вода в таких аппаратах движется снизу вверх, заполняя все сечение. В них осуществляется собственно адсорбция, десорбция (чаще всего водяным паром) и охлаждение.
В установках с движущимся слоем адсорбента снизу вверх идет очищаемая вода, сверху вниз под действием силы тяжести – адсорбент. При этом колонна делится на несколько зон: адсорбционную, ректификационную, десорбционную. В адсорбционной зоне сточная вода взаимодействует со слоем активного угля, при этом поглощаемые компоненты извлекаются, а очищенная вода отводится из установки. В ректификационной и десорбциоионной зонах происходит соответственно выделение поглощенных компонентов и регенерация адсорбента.

Установки с псевдоожиженным слоем могут быть периодического и непрерывного действия. В промышленности обычно применяются непрерывно действующие многокамерные адсорберы с кипящим слоем.

Простейший однокамерный адсорбер представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, в котором жидкость движется снизу вверх, поддерживая, слой адсорбента во взвешенном состоянии. Очищенная вода уделяется через циклонное устройство, служащее для выделения из жидкости захваченных ею мелких частиц адсорбента.
Схемы адсорберов непрерывного действия с кипящим слоем адсорбента приведены на рисунке 41.

Рисунок 41 — Схемы адсорберов непрерывного действия с кипящим слоем адсорбента
а-цилиндрический одноярусный; б-многоступенчатый
1 — корпус аппарата; 2 — решетка; 3 — отстойная зона; 4 — сборник отработанного сорбента; 5 — тарелки

Активированный уголь подается в адсорбера в виде 15 — 20 % суспензии с водой, в одноярусном адсорбере под решетку, в многоступенчатом — на тарелки. Ступени (ярусы) соединены между собой переточными коническими трубками, по которым избыток угля с вышележащего яруса перетекает на нижележащий. Отработанный уголь отводится на регенерацию, которая осуществляется в отдельном аппарате. Применяют деструктивные и регенеративные методы регенерации. К первым относятся термические и химические окислительный методы, ко вторым — десорбция насыщенным или перегретым водяным паром, нагретым инертным газом, экстракция органическими растворителями. Разрабатываются биологические методы регенерации углей.

Чаще всего для десорбции активных углей применяют насыщенный или перегретый водяной пар; с температурой 200-300°С при избыточном давлении 0,3-0,6 МПа. После десорбции пары конденсируются и вещество извлекается из конденсата, объем которого составляет 5 -7,5 % объема сточных вод.

При использовании воздуха или инертных газов их нагревает до температуры 120 -140°С и пропускают через насыщенный летучими соединениями активный уголь с последующим резким охлаждением газа в теплообменнике. Сконденсированный продукт направляют на утилизацию, а десорбирующий газ вновь используют для очистки активированного угля.