сорбционные свойства что это

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

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

Сорбционные свойства что это

В настоящее время одними из наиболее эффективных методов очистки сточных вод от специфических загрязнений признаны физико-химические методы, а именно процессы сорбции.

Вопросами изучения сорбционных качеств материалов естественного и искусственного происхождения занимаются ученые многих стран, в том числе и нашей.

Сорбционные явления основаны на физическом и химическом взаимодействии сорбата и сорбента. Материал, на поверхности или в объеме пор которого происходит концентрирование поглощаемого вещества, называют сорбентом, а само вещество – сорбатом [5].

Адсорбция из водных растворов – процесс сложный, и поэтому, несмотря на многовековое практическое использование, пока отсутствуют универсальные расчетные зависимости, описывающие процесс очистки от разного вида загрязнений. Основную информацию о сорбционных свойствах материала и характере адсорбции на нем определенных веществ содержат изотермы адсорбции – зависимости концентраций сорбата на сорбенте, или адсорбционной емкости (А, мг/л), от концентрации сорбируемого вещества в растворе (С, мг/л) при постоянной температуре: Л = /(С)Т.

В качестве адсорбентов применяют природные и искусственные материалы. Выпускаемые промышленностью адсорбенты должны удовлетворять определенным стандартным показателям, в числе которых прочность на истирание, сорбционная емкость и др.

Сорбционные установки, как правило, устраивают в виде фильтров, которые могут быть вертикальные или горизонтальные, напорные или безнапорные (рис. 1). Скорость фильтрации зависит от крупности фильтрующего материала, принимается в среднем 2 м/ч [7, 8].

Рис. 1. Сорбционная установка

Как уже отмечалось ранее, для сорбционной очистки воды используют множество материалов естественного и искусственного происхождения, однако чаще других применяют активированный уголь АУ (рис. 2).

Несмотря на интенсивные поиски заменителей, пока не удалось найти иного материала, который был бы столь эффективен в качестве сорбента, как АУ [9]. В настоящее время для сорбции из водных растворов используют гранулированные (ГАУ) и порошкообразные (ПАУ) угли, а также углеродные волокна.

В МИСИ имени В.В. Куйбышева разработан способ сорбционной очистки сточных вод фильтрованием через тонкодисперсный активированный уголь [9]. Способ базируется на использовании в качестве адсорберов намывных фильтров. Технологическая схема представлена несколькими намывными фильтрами. Первый из них с загрузкой вспомогательного фильтрующего порошка (диатомита, перлита и др.) устанавливается для задержания взвешенных загрязнений. Последующие фильтры представляют собой адсорберы с развитой поверхностью фазового контакта за счет того, что тонкодисперсный активированный уголь располагается на значительной поверхности намывных фильтров. Противоток в схеме организован переключением аппаратов с недонасыщенным углем навстречу сточной воде. Фильтрующий слой на внутреннюю поверхность фильтра намывается из бака-суспензатора с помощью насоса. Удаление (смыв) отработанного материала осуществляется обратным током воды. Смыв перлита производится после потери давления в нем 0,36 МПа, смыв угля – только с первого по ходу воды адсорбера при истощении его сорбционной способности.

В отличие от ионитов диапазон применения пористых сорбционных материалов, основными представителями которых являются активированные угли и силикагель, значительно шире. Они могут использоваться для очистки как растворов, так и паровоздушных смесей. Сфера применения определяется структурой используемого материала.

Порошкообразный активный уголь имеет развитую поверхность, что обусловливает его высокие сорбционные свойства. Скорость адсорбции растворенных загрязнений ПАУ очень высокая: менее чем за 10 мин контакта с водой достигается равновесное состояние. Вследствие малого размера частиц ПАУ применяют в виде суспензий, которые вводят в отстойники либо используют при фильтрации в качестве намывного материала. В последнем случае могут быть применены различные типы намывных фильтров: патронные, дисковые, камерные, а также с центробежной выгрузкой осадка.

Процесс получения активированного угля из активного ила, предварительно высушенного до влажности 5–10 %, сводится к термическому разложению (деструкции) органического материала до получения карбонизованного остатка (полукокса) и последующей активации его водяным перегретым паром. В результате воздействия паром происходит удаление углеводородов и смолистых веществ с поверхности полукокса, который после этого получается более разрыхленным, с развитой пористой структурой. Наиболее целесообразная температура водяного пара определена в 700 °С. Более высокая температура ведет к резкому увеличению зольности, обгару угля и падению его сорбционной способности. Оптимальная продолжительность активации, как показали опыты, равна 60 мин. При большей продолжительности увеличивается обгар и зольность активированного угля [9].

Ультрафильтрационные системы за счет поверхностей фильтрации и прочной структуры материала мембран обеспечивают разделение растворов без потерь и чистый фильтрат от взвесей. Поэтому ультрафильтрацию часто используют для улавливания волокон и частиц из фильтрата после использования волокнистых и зернистых фильтров ионообменных и сорбционных систем. Область использования ультрафильтрации постоянно растет. Причина – возможность восстановления из сточных вод ценных компонентов, которые другим способом восстановить очень трудно или вообще невозможно.

Из недавно опубликованных исследований стало известно, что в мире используется кипящий слой материала с сорбционными и каталитическими свойствами [11].

При пиролизе отходов древесины по известной технологии образуется полидисперсный порошок с размерами частиц 0,3–0,7 мм. Сорбционная емкость такого нефтесорбента «Илокор» составляет 8,0–8,8 г нефти на 1 г сорбента. Удельная поверхность сорбента, определенная методом ртутной порометрии, колеблется в пределах 2840–3660 мг/г. Плотность «Илокора» – 0,82–0,87 г/см3, насыпная масса – 82 кг/м3. Разработанный материал является экологически чистым, не оказывающим даже незначительного отрицательного влияния на все звенья экологической цепи природных экосистем, в первую очередь биологических объектов, вплоть до генетического уровня.

В Харьковском отделении ВНИИ ВОДГЕО были проведены исследования по доочистке биологически очищенных сточных вод на фильтрах, в которых в качестве загрузки использовался гранулированный синтетический материал – пенополиуретан (поролон) [4]. Характерными особенностями поролона помимо его малого объемного веса 0,028–0,045 г/см3 и высокой пористости 90–92 % являются его упругость и эластичность, а также высокие сорбционные и адгезионные свойства.

Следующий метод – ионообменный метод фильтрации. Он требует для своей реализации ионитов – ионообменных (катионных и анионных) смол или искусственных материалов с такими же свойствами. Эти свойства состоят в том, что ионообменный материал способен захватывать из воды одни ионы, насыщая ее другими ионами, входящими в его состав.

Для очистки воды все большее применение находят неуглеродные сорбенты естественного и искусственного происхождения (глинистые породы, цеолиты, «шоколадные» глины и некоторые другие материалы) (рис. 3) [1, 6].

Рис. 3. «Шоколадная» глина

Использование таких сорбентов обусловлено достаточно высокой сорбционной емкостью их, избирательностью, катионообменными свойствами некоторых из них, сравнительно низкой стоимостью и доступностью (иногда – как местного материала).

Так, на крупных производствах, имеющих свои ТЭЦ, а также на ГРЭС накапливаются большие количества золы и шлака. Измельченное состояние, особенно летучей золы, количество которой составляет около 70–75 % всей суммы образующихся золы и шлака, привели к мысли, что этот материал, обладая развитой поверхностью, может проявлять сорбционные свойства. Большие массы золы и шлака, образующиеся в топках, выдвинули новый, более дешевый способ их удаления – гидрозолоудаление.

Относительно хорошие результаты по сорбции ионов таких металлов, как медь и цинк, были получены в опытах с использованием в качестве сорбента шлака свинцовой плавки: степень очистки от меди и цинка составила 95–98 %. Немагнитная фракция клинкера способна извлекать из раствора медь и мышьяк на 90–95 %, но для очистки сточных вод от цинка этот материал непригоден. Незначительна сорбционная емкость по меди и цинку у шлака отражательной плавки сульфидных медных концентратов. Наилучшие результаты получены в опытах с использованием актюбинского феррохромового шлака; его сорбционная емкость возрастает с увеличением содержания в нем оксида кальция. Использование высокоосновных шлаков позволяет очищать растворы от ионов цветных металлов до ПДК. Наиболее активный феррохромовый шлак имеет емкость по меди 80–100 и по цинку 50–60 мг/г. Промышленные испытания с использованием феррохромового шлака показали реальную возможность очистки промышленных сточных вод от ионов цинка, меди, кадмия, свинца и других компонентов.

Известны производства сорбционных материалов из отходов, получаемых при утилизации автомобильных шин за счет низкотемпературного пиролиза, протекающего при (250–400) °С (рис. 4). Образующийся твердый остаток, как показали результаты элементного анализа, содержит до 95 % мас. углерода (в пересчете на сухое беззольное вещество).

Величина удельной поверхности составляет 32 м2/г, сорбционная активность данного продукта, найденная по различным методикам, позволяет использовать его в процессах сорбции.

Поэтому оценку сорбционных свойств проводили путем сравнения результатов измерений с помощью различных адсорбтивов: метиленового голубого, фенола, йода.

Адсорбция метиленового голубого дает представление о поверхности сорбента, образованной порами с диаметрами больше 1,5 нм. В исследуемом диапазоне концентраций максимальная величина сорбционной емкости твердого остатка пиролиза автомобильных шин составила 320 мг/г, что не ниже аналогичной величины для известных марок активных углей [3, 5].

Аналогичный опыт проведен для метиленового красного (остаточную концентрацию красителя определяли фотометрическим методом), в результате была найдена сорбционная емкость, равная 450 мг/г.

Адсорбцию фенола проводили из растворов в диапазоне исходных концентраций 1,0–10,0 ммоль/дм3. Найденная величина сорбционной емкости составила 244 мг/г, что согласуется с литературными данными, приведенными для адсорбции фенола из водных растворов на угле КАД.

Таким образом, результаты выполненных исследований свидетельствуют о возможности использования твердого остатка низкотемпературного пиролиза автомобильных шин в качестве сорбента для удаления некоторых органических загрязнений для очистки сточных вод.

Рис. 4. Материал из отработанных шин

Проанализирована перспективность получения из вторичного растительного сырья материалов, обладающих адсорбционными свойствами [10]. Получены новые сорбционные материалы на основе лузги подсолнечника и шелухи гречихи (рис. 5).

Рис. 5. Материал на основе лузги подсолнечника

Сорбенты получали путем обработки исходного воздушно-сухого сырья горячей дистиллированной водой (90 °С), а затем – водным раствором этилового спирта (1:1). После этого замачивали в концентрированной соляной кислоте с последующей обработкой концентрированным раствором едкого натра в течение двух часов при комнатной температуре. Другой способ заключался в замораживании промытого сырья при температуре –20 °С в течение 50 часов, после чего размораживали с помощью водяного пара при температуре 100 °С. Была исследована их адсорбционная способность. Показано, что наибольшей эффективностью обладает материал из шелухи гречихи, последовательно обработанный концентрированной соляной кислотой и раствором едкого натра. Полученные материалы по своим адсорбционным свойствам по отношению к нефтепродуктам не уступают современным промышленным сорбентам.

Проводятся исследования по изучению сорбционных свойств сорбента, полученного из отходов пищевых производств агропромышленного комплекса – абрикосовой косточки [2]. Сорбционный материал получают путем химической модификации и термообработкой. Было выявлено, что данный сорбент обладает достаточной пористостью, удельной поверхностью, сорбционной емкостью к нефтепродуктам, эффективность очистки составляет 85–98 %.

Следует вывод, что крупномасштабное использование различных сорбентов в целях охраны окружающей среды (очистка стоков, газовых выбросов, загрязненных почв) требует расширения производства пористых углеродных материалов из дешевых видов органического сырья: ископаемых твердых топлив, различных природных и техногенных органических отходов, материалов. При этом в настоящее время большое внимание уделяется изучению сорбционных свойств природного происхождения, а именно растительного.

Источник