Физико-химические основы адсорбционной очистки воды от органических веществ (стр. 6 из 12)
Высокая стоимость АУ и сложность регенерационных процессов требуют технико-экономического сравнения себестоимости очистки воды с различными вариантами восстановления адсорбента, начиная с ранних этапов предварительных исследования и кончая стабильным режимом эксплуатации сооружений промышленного масштаба. Затраты на приобретение свежего АУ, необходимого для восполнения его потерь при регенерации или периодическую полную замену при дезактивации, составляют от 40 до 85% всех затрат на очистку воды, и доля их зависит от производительности станции. Средние потери угля составляют от 5 до 15% за цикл и зависят исключительно от метода обработки АУ. В то же время расходы на собственно восстановление адсорбента на указанных станциях составляют, как правило, менее 25% затрат на очистку воды. Качество же регенерированного угля обычно не зависит от стоимости его обработки на установках равной производительности.
В этих условиях различие себестоимости собственно регенерации АУ по одной технологии не превышает 5 – 10%, а при разной технологии достигает 20 – 25%. На основании этого на стадии исследования и предварительного сравнения вариантов регенерации можно не рассчитывать различие затрат на восстановление адсорбента, а сравнивать лишь расходы на восполнение потерь угля (при постоянной производительности). Сравниваемая себестоимость обработки воды (
, руб/м3) прямо пропорциональна дозе угля ( 
, руб/т) и размеру добавки, равной потерям АУ ( 
): 
(28)Особый интерес представляет сравнение стоимости обработки воды с регенерацией (I) и без нее (II,
) для сорбента одной марки ( 
):
(29)В этих условиях с учетом формулы (32), получим
(30)где
– потери вещества сорбента при обработке.Безразмерный критерий
характеризует относительные эксплуатационные затраты на очистку воды с регенерацией сорбента. Рассмотренные выше безразмерные критерии ( 
, 
, 
и ) позволяют определить технико-экономическую и технологическую эффективность различных методов обработки и регенерации АУ и решать задачи оптимизации этих процессов. Например, нахождение методов обработки адсорбента, позволяющих при его многократном использовании очистить наибольшее количество воды, есть задача поиска максимума 
, а обработка с наименьшими затратами – поиск минимума 
. Большинство методов регенерации растворителями, растворами неорганических реагентов или пропарка без выгрузки угля из адсорбера позволяют полностью сохранить сорбент ( 
), но из-за неполноты десорбции ( 
) эффективность восстановления невысока ( 
). Эти методы обработки целесообразны на малых установках (при 
). Высокотемпературная регенерация (так же как другие методы обработки в жестких условиях) ведет к потере вещества адсорбента ( 
) при перегрузке за счет обгара и т.д. Однако эффективная реактивация ( 
) позволяет очищать большое количество воды ( 
), особенно на крупных установках, где можно вести процесс с малыми потерями угля (П ≤ 0,1, Э0 ≤ 0,1).При постановке эксперимента по изучению адсорбции необходимо учитывать зависимости, связывающие основные параметры процесса: концентрацию адсорбата в растворе (С0 и Сн), дозу адсорбента (ДАУ), время контакта (τк) и адсорбционную емкость (Ар); эти зависимости нелинейны. Учет их нелинейности позволяет более рационально ставить эксперименты – при меньшем числе анализов получать больше информации о процессе адсорбции. Реализация этого при построении изотермы адсорбции
сводится к следующему:– при
и 
охватить как можно более широкий интервал измерения 
;– внутри диапазона изменения
изменять 
не в арифметической, а в геометрической прогрессии.Комплексный экспресс-анализ адсорбентов для выяснения их практической пригодности для очистки воды во всех случаях включает определение кинетики адсорбции и адсорбционной емкости в стандартизированных условиях. Ускоренный анализ большого числа образцов АУ возможен в два этапа:
– определение кинетики адсорбции (например, по нитрофенолу) по 2 – 5 точкам в статических условиях при С – 0,8 и 4 мг/л и τк = 3 – 24 ч;
– определение выходной кривой при адсорбции в динамических условиях.
Несколько более подробное изучение сорбции может включать три этапа:
1. построение изотермы адсорбции – 4,5-минутное встряхивание предварительно измельченной навески адсорбента со 100 мл воды; 5-минутное фильтрование под вакуумом для отделения сорбента от воды;
2. адсорбция в динамическом полунепрерывном режиме – 1,00 г ГАУ помещают в колбу Эрленмейера с мешалкой, куда подают 20 мл/мин воды; продолжительность опыта 120 мин; отбор проб на анализ через каждые 15 мин;
3. адсорбция в колонках с плотным слоем – τк = 7,5 мин: Нр = 760 мм; Тф = 5 – 30 сут; проскок наступает через 0,1 – 0,2Тф.
Результаты такого исследования отличаются от промышленных, в которых адсорбционную емкость ГАУ определяли экстракцией загрязнений из АУ хлороформом лишь на 5 – 10%. [7]
6.1 Влияние природы поверхности и пористости углеродных адсорбентов на молекулярную адсорбцию органических веществ из водных растворов
Распространенной примесью активных углей является кислород. Его содержание колеблется от 1 до 15% (в окисленных активных углях). По крайней мере 25% всего кислорода, содержащегося в активных окисленных углях, входит в состав поверхностных оксидов, обладающих свойствами объемных соединений с соответствующими функциональными группами.
Более распространены и изучены кислотные кислородсодержащие поверхностные группы. Исследование адсорбции фенола, анилина и n-нитроанилина на образцах ацетиленовой сажи и активного угля КАД с различным содержанием поверхностных функциональных групп показало, что поверхностные кислородсодержащие группы угля и сажи существенно не участвуют во взаимодействии молекул ароматических производных с поверхностью углеродных адсорбентов.
Все адсорбенты по характеру пористости подразделены А.В. Киселевым на четыре типа: непористые, однородно-крупнопористые, однородно-мелкопористые и неоднородно-пористые. Только непористые и однородно-крупнопористые адсорбенты могут быть достаточно полно охарактеризованы удельной поверхностью и только для них могут быть вычислены абсолютные изотермы адсорбции, где величина адсорбции отнесена к единице поверхности.
Наиболее систематическое исследование зависимости характера адсорбции от размеров пор адсорбента выполнено М.М. Дубининым и его сотрудниками. На основании этих работ все поры углеродных адсорбентов можно разделить на три группы по величине их эффективного радиуса (эффективный радиус равно удвоенному отношению площади нормального сечения поры к ее периметру). Макропоры в соответствии с этой классификаций имеют эффективный радиус, превышающий 100,0 нм. Поры, имеющие эффективные радиусы от 100,0 до 15–16 нм, являются переходными. Поры с эффективным радиусом менее 1,5 нм представляют собой микропоры, и к адсорбентам, для которых характерна микропористость, применение понятия удельной поверхности уже необоснован. В дальнейшем, однако, пришлось более детально рассмотреть свойства структур адсорбентов, эффективный радиус пор которых менее 1,5 нм. Де-Бур выделил из общего количества пор с радиусом менее 1,5 – 1,6 нм группу субмикропор радиусом ≤ 0,7 нм. В плоскости сечения таких пор может разместиться не более двух молекул (имеются в виду молекулы азота или аргона - веществ, обычно используемых для измерения адсорбционных характеристик). Способ заполнения таких пор адсорбатом почти не исследован, и к этим порам представления об адсорбирующей поверхности неприменимо. Де-Бур и Ван-дер-Пласс считали, что для пор, имеющих эффективный радиус более 0,7 нм, применение понятия удельной поверхности столь же обосновано, как и для более крупных. В пользу такого представления говорят и расчеты О. Кадлеца, который нашел, что характеристическая энергия адсорбции практически не зависит от радиуса пор в том случае, если
нм и резко возрастает в области 
нм.