Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

Теоретические основы защиты окружающей среды Методические указания к практическим работам

Красноярск

СФУ

2012

УДК [504.062]:(075)

ББК 20·1я73

С79

Теоретические основы защиты окружающей среды: методические указания к практическим работам /сост.: А. Г. Степанов, В. А. Гронь, Н. М. Капличенко, Д. Ю. Слизевская. – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012. – 64 с.

Приведены методические указания к выполнению практических работ по теоретическим методам очистки газообразных и жидких отходов. Изложены теоретические основы закономерностей механизма процессов и методов очистки элементов биосферы.

Предназначены студентам, обучающихся по укрупненной группе 280000 «Безопасность жизнедеятельности, природообустройство и защита окружающей среды».

УДК [504.062]:(075)

ББК 20·1я73

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета

© Сибирский федеральный университет, 2012

Введение

В условиях роста потребления природных ресурсов, количественных и качественных антропогенных изменений элементов биосферы, особенно остро встает вопрос о контроле качества окружающей среды, что является основой оценки степени воздействия загрязнителей на элементы биосферы. Это дает возможность оценивать эффективность работы очистного оборудования, совершенствовать технологию производства для снижения концентраций загрязнителей, поступающих в биосферу.

Выполняя практические работы по курсу «Теоретические основы защиты окружающей среды», студенты должны уметь применять теоретические знания физических, физико-химических, электрохимических процессов, знать основные методы очистки, уметь оформлять отчетную документацию.

Практические работы содержат контрольные вопросы, позволяющие оценить уровень усвоения соответствующего учебного материала.

Атмосфера

Для обеспечения жизни на Земле должно быть соблюдено относительно постоянное соотношение газового баланса в атмосфере. В соответствии с требованиями санитарных норм вредные промышленные выбросы, содержащие пыль, газы и пары, должны подвергаться очистке. Основной задачей газоочистки служит доведение содержания примесей в воздухе до значений, не превышающих предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных санитарными нормами для каждого конкретного вещества. Применяемые методы очистки очень разнообразны, некоторые из них подробно рассмотрены в данной работе.

Практическая работа 1 адсорбционная очистка газов

Цель работы: изучить теоретические основы адсорбционной очистки газов и её применимость в практике очистки промышленных выбросов.

Теоретические сведения

Адсорбция — это процесс поглощения газов поверхностью поглотителя. Поглощаемое из газовой фазы вещество в процессе адсорбции называется адсорбтивом, а твердое вещество, на поверхности которого или в порах которого происходит адсорбция поглощаемого вещества, называется адсорбентом. Газовая фаза, в которой находится извлекаемый компонент, называется газом-носителем, а после того, как извлеченный компонент перешел в адсорбированное состояние, его называют адсорбатом.

Явление адсорбции обусловлено наличием сил притяжения между молекулами адсорбента и адсорбтива на границе раздела соприкасающихся фаз.

Силы притяжения адсорбента могут иметь различную природу – физическую или химическую. В соответствии с этим различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию).

При физической адсорбции взаимодействие молекул с поверхностью адсорбента определяется сравнительно слабыми дисперсными, индукционными и ориентационными силами. При этом адсорбированные молекулы не вступают с молекулами адсорбента в химическое взаимодействие и сохраняют свою индивидуальность. Для физической адсорбции характерна высокая скорость, малая прочность связи между поверхностью адсорбента и адсорбтивом, малая теплота адсорбции. С повышением температуры количество физически адсорбированного вещества уменьшается, а увеличение давления приводит к возрастанию величины адсорбции.

Преимуществом физической адсорбции является легкая обратимость процесса. При уменьшении давления адсорбента в газовой смеси либо при увеличении температуры молекулы поглощённого вещества легко удаляются (десорбируются) без изменения химического состава, а регенерированный адсорбент может использоваться многократно.

Высокая скорость физической адсорбции и способность адсорбентов к регенерации позволяют вести процесс циклично в условиях обратимости.

В основе химической адсорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы значительно больше, чем при физической адсорбции, а высвобождающееся при этом тепло совпадает с теплом химической реакции. Характерной особенностью химической адсорбции является то, что скорость ёе при низких температурах мала и возрастает с ростом температуры.

Адсорбция газов происходит в несколько стадий. Первой стадией является перенос молекул газа к внешней поверхности твердого вещества. Вторая стадия адсорбции заключается в том, что молекулы газа проникают в поры твердого вещества. Третьей стадией является закрепление молекулы в определённой области поры. Адсорбция в порах протекает очень быстро по сравнению с двумя первыми стадиями. Наибольшее значение для очистки газов имеет физическая адсорбция.

Адсорбционные методы применяют для различных технологических целей — разделение парогазовых смесей на компоненты с выделением фракций, осушка газов, санитарная очистка газовых выбросов. В последнее время адсорбционные методы выходят на первый план как надежное средство защиты атмосферы от токсичных газообразных веществ.

Адсорбционные методы основаны на избирательном извлечении из парогазовой смеси определённых компонентов при помощи адсорбентов — твердых высокопористых материалов, обладающих развитой удельной поверхностью S_уд (S_yд — отношение поверхности к массе, м²/г). Промышленные адсорбенты, чаще всего применяемые в газоочистке, — это активированный уголь, силикагель, алюмогель, природные и синтетические цеолиты (молекулярные сита). Основные требования к промышленным сорбентам — высокая адсорбционная способность, избирательность действия (селективность), термическая устойчивость, длительный срок работы без изменения структуры и свойств поверхности, возможность легкой регенерации. Чаще всего для санитарной очистки газов применяют активный уголь благодаря его высокой поглотительной способности и легкости регенерации. Отрицательной особенностью активного угля как адсорбента является его горючесть. В воздушной атмосфере окисление углей начинается при температуре выше 250 ⁰С. Чтобы уменьшить пожароопасность, к углю добавляют до 5 % силикагеля.

Адсорбцию газовых примесей обычно ведут в полочных реакторах периодического действия без теплообменных устройств, адсорбент расположен на полках реактора.

Очищаемый газ проходит через аппарат со скоростью 0,05-0,3 м/с. После очистки адсорбер переключается на регенерацию. Адсорбционная установка, состоящая из нескольких реакторов, работает непрерывно, так как одновременно одни реакторы находятся на стадии очистки, а другие — на стадиях регенерации, охлаждения и др. Регенерацию проводят нагреванием, например, выжиганием органических веществ, пропусканием острого или перегретого пара, воздуха, инертного газа (азота). Иногда адсорбент, потерявший активность (экранированный пылью, смолой), полностью заменяют.

Наиболее перспективны непрерывные циклические процессы адсорбционной очистки газов в реакторах с движущимся или взвешенным слоем адсорбента, которые характеризуются высокими скоростями газового потока (на порядок выше, чем в периодических реакторах), высокой производительностью по газу и интенсивностью работы.

Общие достоинства адсорбционных методов очистки газов:

1. глубокая очистка газов от токсичных примесей;

2. сравнительная легкость регенерации этих примесей с превраще-

нием их в товарный продукт или возвратом в производство (без-

отходная технология).

Адсорбционный метод особенно рационален для удаления токсических примесей (органических соединений, паров ртути и др.), содержащихся в малых концентрациях, т. е. как завершающий этап очистки отходящих газов.

Недостатки большинства адсорбционных установок — периодичность процесса и связанная с этим малая интенсивность реакторов, высокая стоимость периодической регенерации адсорбентов. Применение непрерывных способов очистки в движущемся и кипящем слое адсорбента частично устраняет эти недостатки, но требует высокопрочных промышленных сорбентов, разработка которых для большинства процессов еще не завершена.