Сорбция

тело называется сорбентом, а поглощаемое вещество – сорбатом.
Различают два

основных вида сорбции:
абсорбция – поглощение вещества всей массой сорбента;
адсорбция - поглощение вещества поверхностным слоем сорбента.
Если сорбция сопровождается химическим взаимодействием сорбента с сорбатом, то её называют хемосорбцией.
Сорбция является одним из наиболее эффективных методов очистки сточных вод от растворенных органических веществ.
Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с другими методами обработки воды на стадиях предварительной и глубокой очистки.

сточных вод.
Сорбционные методы эффективны для извлечения из сточных вод ценных

растворенных веществ с их последующей утилизацией и использованием очищенных сточных вод в системах оборотного водообеспечения.

раствора на поверхность сорбента под действием силового поля поверхности. При

этом можно выделить два вида межмолекулярного взаимодействия:
молекул растворенного вещества с молекулами или атомами поверхности сорбента;
молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидротация).
Разность сил этих двух межмолекулярных взаимодействий определяет силу, с которой извлеченное из раствора вещество удерживается на поверхности сорбента. Чем больше энергия гидротации молекул сорбата, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и, соответственно, тем слабее адсорбируется это вещество из раствора.

преимущественно ароматические соединения, неэлектролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения

или гидрофобные алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов, этот метод неприменим.
В качестве сорбентов используют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины и др. Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок. Адсорбционные свойства того или иного сорбента зависят в основном от структуры пор, их величины и распределения по размерам.

и крупнопористые и смешанного типа.
Поры по размеру делят на три

вида:
макропоры (0,1-2,0 мкм);
поры переходного размера (0,004-0,1 мкм);
микропоры (менее 0,004 мкм).
Макропоры и переходные поры в основном играют роль транспортирующих каналов, адсорбционная способность сорбента определяется главным образом микропористой структурой.
Растворенные органические вещества, имеющие размеры частиц менее 0,001 мкм, заполняют объём микропор сорбента, полная ёмкость которых соответствует поглощающей способности сорбента.

количество поглощаемого вещества на единицу объёма или массы сорбента (кг/м3,

кг/кг).
Процесс сорбции может осуществляться в различных условиях. При этом выделяют два типа условий:
статические условия (частица жидкости не перемещается относительно частицы сорбента, т.е. движется вместе с последней);
динамические условия (частица жидкости перемещается относительно сорбента).
В соответствии с этим различают статическую и динамическую активности.

объёма или массы сорбента к моменту достижения равновесия при постоянной

температуре и начальной концентрации вещества.
Динамическая активность сорбента – максимальное количество вещества, поглощенного единицей объёма или массы сорбента до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропуске сточной воды через слой сорбента.
Динамическая активность обычно составляет 45÷90% статической.
Соотношение между количеством адсорбированного вещества и количеством вещества, оставшегося в растворе, находится в соответствии с законом распределения, который определяет момент наступления равновесия между этими количествами вещества.

сорбента обратно в раствор. При прочих равных условиях скорости протекания

сорбции и обратного процесса (десорбции) пропорциональны концентрации вещества в растворе и на поверхности сорбента. Поэтому в начальный момент (концентрация сорбата в растворе максимальна) скорость сорбции будет максимальной. С течением времени по мере увеличения количества вещества на сорбенте увеличивается скорость процесса десорбции.
Когда скорости прямого и обратного процессов сравняются, концентрация вещества в растворе станет постоянной. Эту концентрацию вещества называют равновесной. Если после достижения сорбционного равновесия повысить концентрацию извлекаемого вещества, то сорбент может принять еще некоторое количество этого вещества. Однако нарушаемое таким образом равновесие будет восстанавливаться лишь до полного исчерпания сорбционной ёмкости (способности) данного сорбента; после чего повышение концентрации вещества в растворе не будет менять величины адсорбции.

в динамических условиях;
аmax – максимальная ёмкость сорбента; аравн – предельная

насыщенность сорбента, соответствующая концентрации вещества; Сн – начальная концентрация сорбируемого вещества в сточной воде; Сравн – равновесная концентрация; Δτ - время, в течение которого концентрация вещества в фильтрате изменяется от концентрации сорбата при допустимом проскоке до Сн; τ - время проскока.

слоем сорбента (с псевдоожиженным слоем сорбента).
Фильтры относятся к аппаратам периодического

действия.
Применяются при малых расходах сточных вод.
Фильтры с неподвижным слоем сорбента выполняются напорными или безнапорными, с нисходящим или восходящим потоком воды, одно- или двухнаправленными. Их применяют при концентрации взвешенных веществ не более 8 мг/л.
Фильтры с псевдоожиженным слоем сорбента могут быть напорными или безнапорными, с восходящим потоком воды, однонаправленными. Их применяют при концентрациях взвешенных веществ более 8 мг/л(не более 1 г/л при гидравлической крупности частиц не более 0,3 мм/с), а также когда равновесие устанавливается медленно.

неподвижным или подвижным слоем сорбента, через который фильтруется сточная вода.

Скорость фильтрования зависит от концентрации загрязняющих веществ в воде и составляет 1÷12 м/ч, крупность зерен сорбента – 0,8÷5,0 мм. Для насыпных фильтров наиболее рациональное направление фильтрования – снизу вверх. Это связано с тем, что в данном случае происходит равномерное заполнение всего сечения фильтра и относительно легко вытесняется воздух или другие газы, попадающие в слой сорбента вместе со сточной водой.
В аппарате слой зерен сорбента укладывают на решетку. Обычно используют решетки с отверстиями диаметром 5÷10 мм и шагом 10÷20 мм. На них укладывают поддерживающий слой мелкого щебня и крупного гравия высотой 400÷500 мм, предохраняющий зерна сорбента от проваливания в подрешеточное пространство и обеспечивающий равномерное распределение потока жидкости по всему сечению. Сверху слой сорбента для предотвращения выноса закрывают сначала слоем гравия, затем слоем щебня и покрывают решеткой.

из 3÷5 последовательно расположенных фильтров. При достижении предельного насыщения головной

фильтр отключается на регенерацию, а обрабатываемая вода подаётся на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени.

Н – высота слоя сорбента, м; τ - потеря времени

защитного действия.

Коэффициент защитного действия

аравн – предельная насыщенность сорбента, устанавливаемая по изотерме сорбции, кг/кг; V – скорость фильтрования, м/ч; Сн – начальная концентрация сорбируемого вещества в сточной воде, кг/м3.

- время, в течение которого концентрация вещества в фильтрате изменяется

от концентрации сорбата при допустимом проскоке Сд.п. до Сн

Количество вещества, задерживаемого фильтром

h – эмпирическая константа; F – площадь фильтра, м2; ад – динамическая активность сорбента, кг/м3.

Площадь фильтра

Q – среднечасовой расход сточных вод, м3/ч.

сорбционного слоя, м

Сн и Ск - концентрации сорбируемого вещества в

сточной воде до и после очистки, г/м3; t - период работы адсорбера, ч; ρ - насыпная плотность сорбента, г/м3;
К=0,6÷0,8 - коэффициент сорбции; аmax и аmin - максимальная и минимальная ёмкости сорбента (определяются экспериментально), г/м3; Нр - высота резервного слоя сорбента, г/м3.

принимают не более 0,5 м на 1 м слоя загрузки.
Отработавший

сорбент выгружают из адсорбера насосом, гидроэлеватором, эрлифтом и шнеком при относительном расширении загрузки 20-25%, создаваемом потоком воды со скоростью 40-45 м/ч. в напорных адсорберах допускается выгрузка сорбента под давлением не менее 0,3 МПа. Металлические конструкции, трубопроводы, арматура и ёмкости, соприкасающиеся с влажным сорбентом, должны быть защищены от коррозии.

сточной воды с сорбентов в течение определенного времени и последующего

отделения сорбента от воды отстаиванием, фильтрованием и т.д. В случае последовательного введения новых порций сорбента в очищаемую воду можно очистить её от загрязняющих веществ до любой концентрации.

сточных вод, м3
Количество сорбента

Концентрация сорбата в сточной воде

при одноступенчатой схеме сорбции

для подачи сточной воды и сорбента; 3 – резервуар с

перемешивающим устройством; 4 – отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 5 – трубопровод для выпуска обработанной сточной воды; 6 – то же, для отработанного сорбента.

концентрация сорбата после очистки на n-й ступени; n - число

ступеней

Доза сорбента, вводимого в каждую ступень

Общее количество сорбента

подачи сточной воды; 2 - резервуар с переливающим устройством; 3

- отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 4 - трубопровод для подачи сорбента; 5 - трубопровод для выпуска отработанной сточной воды; 6 - резервуар для сбора сорбента; 7 - трубопровод для выпуска отработанного сорбента

цилиндрическая колонна; 3 - центральная труба с диффузором; 4 -

царга; 5 - трубопровод подачи сорбента;
6 - трубопровод отвода сточной воды; 7 - сгуститель сорбента; 8 - трубопровод выпуска отработанного сорбента; 9 - распределительная решетка

и деструктивную (извлеченные вещества уничтожают). В зависимости от назначения сорбционной

очистки применяют те или иные методы регенерации или уничтожения сорбента.
Для извлечения сорбированных веществ могут быть применены экстрагирование органическим растворителем, изменение степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе, отгонка адсорбированного вещества током инертного газообразного теплоносителя. В отдельных случаях применяют химические превращения сорбированных веществ с последующей десорбцией.

инертными газами, перегретым паром. При этом температура воздуха должна быть

120-1400С, перегретого пара – 200-3000С, а дымовых или инертных газов – 300-5000С. Расход пара на отгонку легколетучих веществ из активированного угля составляет 3-12 кг на 1 кг сорбированного вещества. В качестве десорбентов могут использоваться низкокипящие, легко перегоняющиеся с водяным паром органические растворители: бензол, бутилацетат, дихлорэтан, толуол и др. Процесс десорбции осуществляется при нагревании или охлаждении, затем растворитель отгоняется из сорбента водяным паром или другим теплоносителем.

применении термического метода следует учитывать потери сорбента (для активированного угля

они составляют 5-10%).
При проектировании сорбционных установок необходимо также учитывать затраты на эксплуатацию, основная доля которых приходится на затраты на сорбент (для активированных углей они составляют 30-35% от стоимости очистки воды на этих сооружениях).

воздуха, пара, воды и природного газа; V – трубопровод выпуска

отходов; 1 - сборник отработанного угля; 2 - дозатор; 3 - регенератор; 4 - камера сгорания; 5 - сепаратор; 6 - шнек; 7 - фильтр; 8 - пневматический транспортер; 9 - сборник регенерированного угля.