15. Сорбция. Технология и оборудование.

Сорбция – это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью, называемыми сорбентами. Поглощаемое вещество именуется сорбатом. При абсорбции вещества (абсорбата) поглощение последнего происходит во всем объеме жидкого или твердого абсорбента. Абсорбция обусловлена как процессом диффузии абсорбента в абсорбат, так и процессами растворения. Под адсорбцией понимают процесс поглощения веществ (адсорбатов), находящихся в газах и жидкостях, происходящий на поверхности твердых тел (адсорбентов). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.

Сорбционная очистка рекомендуется для сточных вод, загрязненных ароматическими соединениями, слабыми электролитами или неэлектролитами, красителями, непредельными соединениями, гидрофобными алифатическими соединениями. Указанные методы позволяют извлечь из сточных вод ценные компоненты с их дальнейшей утилизацией, а очищенную воду использовать в системах оборотного водоснабжения предприятия. Метод сорбционной очистки не рекомендуется применять для выделения из сточных вод только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов.

В отечественной практике сорбционная очистка используется для обработки сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической и других отраслей промышленности и применяется в качестве самостоятельного метода или совместно с методом биологической очистки.

В качестве сорбентов применяют различные материалы: активированные (активные) угли различных марок, силикагели, алюмогели, золу, коксовую мелочь, торф, шлаки, активные глины и др. Характерной особенностью вышеперечисленных сорбентов является их пористость. Например, для таких эффективных сорбентов, как активированные угли, пористость составляет 60 – 75 %, а их удельная площадь поверхности лежит в пределах 400 – 900 м2/г.

Все активированные угли делятся на крупно- и мелкопористые, а также смешанного типа в зависимости от преобладающего размера пор, которые подразделяют на три вида: макропоры размером 0,1 – 2 мкм, переходные поры размером 0,004 – 0,1 мкм и микропоры размером мене 0,004 мкм. Сорбционная способность углей определяется в основном микропористой структурой. Так, например, растворенные органические вещества с размером частиц менее 0,001 мкм заполняют объем микропор сорбента, полная емкость которых соответствует его поглощающей способности.

Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м3 или кг/кг). Процесс сорбции может быть осуществлен как в статическом, так и динамическом режимах. В статическом режиме частицы жидкости сорбента совместно движутся в потоке (например, в аппаратах с перемешиванием жидкости), а в динамическом – жидкость перемещается относительно сорбента (фильтры, аппараты с псевдоожиженным слоем). Поэтому вводятся два понятия, характеризующие емкость сорбента: статическая и динамическая активность сорбента. Статическая активность сорбента – это м аксимальное количество вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента к моменту достижения равновесия при постоянных температуре жидкости и начальной концентрации вещества. Динамическая активность сорбента характеризуется максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропуске сточной воды через слой сорбента. Динамическая активность в промышленных адсорберах обычно составляет 45 – 90% от равновесного значения.

Следует указать, что сорбционные процессы являются обратимыми, т. е. сорбат может переходить с сорбента обратно в раствор. Скорости протекания сорбционного и десорбционного процессов пропорциональны концентрации вещества в растворе и на поверхности сорбента. Наиболее простым адсорбером является насыпной фильтр.

С корость фильтрования через эти фильтры лежит в пределах 1 – 6 м/ч, а крупность зерен сорбента составляет 1,5 – 5 мм.

При расчете насыпных фильтров определяют следующие параметры: время их защитного действия (tз.д.), количество вещества задерживаемого насыпным фильтром.

Обычно сорбционная установка состоит из нескольких параллельно работающих секций, состоящих из трех-пяти последовательно расположенных фильтров.

При проведении процесса сорбции в статических условиях применяются установки с последовательным и противоточным введением адсорбента, схема которых представлена на рис. 5.6. Следует указать, что установка с противоточным введением сорбента более экономична и значительно чаще используется в практике очистки сточных вод.

В практике очистки сточных вод используются также процессы с псевдоожиженном слоем сорбента.

Различают регенеративную сорбционную очистку, при которой извлеченные вещества утилизируются, и деструктивную, характеризующуюся уничтожением извлеченных веществ.

Для извлечения сорбированных веществ используют следующие процессы: экстрагирование органическим растворителем, изменение степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе, отгонка адсорбированного вещества с водным паром и др.

Легколетучие органические вещества (бензол, толуол, этиловый спирт и др.) десорбируют воздухом при температуре 120 – 140 °С, перегретым паром (t = 200 – 300 °С), инертными или дымовыми газами (t = 300 – 500 °С).

При деструктивной очистке применяют термические или окислительные методы, но при этом происходит частичная потеря углеродного сорбента (5 – 10%).