Адсорбционная очистка сточных вод

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

 

 

Кафедра «Аэрологии, охраны труда и окружающей среды»

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине: «Техника защиты окружающей среды»

на тему:

«Адсорбционная очистка сточных вод»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы   320601______________________    Кислова Д.А.

Проверил:    преподаватель              ______________________ Демичева Ю.Л.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тула-2013г.

Содержание:

 

 

Введение

Объем потребляемой в  мире воды достигает 4 трлн. м3 в год, а 
преобразованию со стороны человека подвергается практически вся гидросфера. Химическая и нефтехимическая отрасли промышленности способствуют проникновению в водную среду веществ, обычно отсутствующих в ней, или превышению естественного уровня их концентрации, ухудшающей качество водной среды.

За время существования  человечества в природную среду  было введено огромное количество органических веществ. Вредные химические элементы и вещества попадают в водоемы, ухудшая их санитарное состояние и вызывая необходимость специальной глубокой очистки воды перед использованием ее для хозяйственно-питьевых и некоторых промышленных целей. Многие органические примеси не извлекаются из воды механически, не нейтрализуются при биологической очистке, не удаляются такими традиционными методами водоочистки, как отстаивание, коагуляция и флотация. Это обуславливает введение в комплексную технологическую схему водоподготовки стадии адсорбционной доочистки. Как правило, эта стадия является заключительным этапом в технологическом процессе очистки воды. Адсорбционный метод является хорошо управляемым процессом. Он позволяет удалять загрязнения различного характера практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости. При этом отсутствуют вторичные загрязнения. Отсюда перспективной является тенденция развития фильтрующе-сорбирующих устройств, предназначенных для локальной доочистки питьевой воды, и этот вопрос является весьма актуальным.

 

1. Основы процесса адсорбции.

 

Адсорбционные методы широко используются для глубокой очистки сточных  вод растворенных органических веществ  после биохимической очистки, а  также в локальных установках если концентрация этих веществ в  воде невелика, и они биологически разлагаются или являются сильно токсичными. Применение локальных установок целесообразно если вещество хорошо  адсорбируется при небольшом удельном расходе адсорбента.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и др. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперация этих веществ.

Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки достигает 80-95 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе.

Адсорбция растворенных веществ - результат  перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого адсорбента под действием силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенного вещества с молекулами (или атомами) поверхности адсорбента и молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация). Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с которой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности адсорбента. Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность адсорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора. [1]

1.1. Адсорбенты.

В качестве адсорбентов применяют  различные искусственные и природные  пористые материалы: силикагели, алюмогели, активные глины, золу, шлаки, опилки, коксовую мелочь, торф и др. Наиболее эффективными адсорбентами являются активированные угли. Они должны обладать определёнными свойствами:

- должны слабо взаимодействовать  с водой и хорошо с органическими веществами;

- быть относительно крупнопористыми, чтобы их поверхность была доступна для больших и сложных органических молекул;

- при малом времени контакта  с водой они должны иметь  высокую адсорбционную ёмкость,  высокую селективность и малую  удерживающую способность при  регенерации.

При соблюдении  последнего условия затраты на регенерацию угля будут минимальными. Угли должны быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав. В процессе очистки используют мелкозернистые адсорбенты с частицами размером 0,25-0,5 мм и высокодисперсные угли с частицами размером менее 40 мкм, а также гранулированные угли с размером d=2-5 мм, h=5-10 мм.

Важно также 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.

Сырьем для активных углей может  быть практически любой углеродосодержащий материал: уголь, древесина, полимеры, отходы пищевой, целлюлозно-бумажной и  других отраслей промышленности.

Адсорбционная способность активных углей является следствием сильно развитой поверхности. [2]

В табл. 1 приведена характеристика наиболее часто применяемых активных углей.

Таблица 1

Характеристика активных углей

Показатели	Осветляющие древесные  угли			Рекуперационный уголь	Газовые угли
	марки А	марки Б	молотый марки МД	марки АР-3	марки АГ-2	марки БАУ	марки КАД-иодный	марки КАД-молотый	марки СКТ
Основной размер зерен, мм	< 0,04	< 0,04	–	1 – 5,5	1 – 3,5	1 – 3,5	1 - 5	< 0,04	1 – 3,5
Насыпная масса, г/л	–	–	–	550	600	260	380	–	420
Содержание влаги, %	≤ 10	≤ 58	≤ 10	≤ 15	≤ 5	≤ 10	≤ 5	≤ 10	≤ 5
Содержание золы, %	≤10	≤6	≤10	–	–	≤ 8	–	–	≤ 15
Прочность, %	–	–	–	≥ 90	≥ 70	–	≥ 60	–	≥ 65
Динамическая активность	–	–	–	≥ 115 г/л по бензолу	≥ 45 мин по бензолу	≥ 35% по хлору	≥ 55% по йоду	≥ 80% по йоду	≥ 50% по бензолу

1.2. Основы процесса

Вещества, хорошо адсорбируемые из водных растворов активными углями, имеют выпуклую изотерму адсорбции, а плохо адсорбирующиеся - вогнутую. Изотерму адсорбции вещества находящегося в сточной воде определяют опытным путём.

Если в сточной воде присутствует несколько компонентов, то для определения возможности их совместной адсорбции для каждого вещества находят значения стандартной дифференциальной свободной энергии ΔFº и определяют разность между максимальным и минимальным значением. При условии ΔFº_max - ΔFº_min ≤ 10,5, совместная адсорбция всех компонентов возможна. Если это условие не соблюдается, то очистку проводят последовательно в несколько ступеней.

Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, природы и структуры растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента. В общем случае процесс адсорбции складывается из трёх ступеней:

1. Перенос вещества из сточной воды в поверхность зёрен адсорбента (внешняя диффузия);
2. Перенос вещества внутрь зёрен адсорбента (внутренняя диффузия);
3. Собственно адсорбционный процесс.

Принято считать, что скорость адсорбции велика и не лимитирует общую скорость процесса. Следовательно, лимитирующей стадией может быть внешняя диффузия, либо внутренняя диффузия. В некоторых случаях процесс лимитируется обеими этими стадиями. Во внешнедиффузионной области скорость массопереноса в основном определяется интенсивностью  турбулентности потока, которая, в первую очередь, зависит от скорости жидкости. Во внутридиффузионной области интенсивность массопереноса зависит от вида и размеров пор адсорбента, от форм и размера его зерна, от размера молекул адсорбирующихся веществ, от коэффициента массопередачи.

Учитывая все эти обстоятельства, определяют  условия, при которых адсорбционная очистка сточных вод идёт с оптимальной скоростью. Процесс целесообразно проводить при таких гидродинамических режимах, чтобы он лимитировался во внутридиффузионной области, сопротивление которой можно снизить, изменяя структуру адсорбента, уменьшая размер зерна. Для ориетировочных расчётов рекомендуется принимать следующие значения скорости и диаметра адсорбента ω =1,8 м/ч, d_з = 2,5 мм . При значениях  ω и d_з меньше указанных, процесс лимитируется во внешней диффузии, при больших значениях- во  внутренней диффузии.

Процесс адсорбции может осуществляться в статических условиях (рис. 1, а), при которых частица жидкости не перемещается относительно частицы  адсорбента, т.е. движется вместе с последней (аппараты с перемешивающими устройствами), а также в динамических условиях (рис. 1, б), при которых частица жидкости перемешается относительно адсорбента (фильтры, аппараты с псевдоожиженным слоем). В соответствии с этим различают статическую и динамическую активность адсорбента.

Рис. 1. Процесс сорбции  в статических (а) и динамических (б) условиях

Статическая активность адсорбента характеризуется  максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы адсорбента к моменту достижения равновесия при постоянных температуре жидкости и начальной концентрации вещества. Динамическая активность адсорбента - максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы адсорбента до момента появления адсорбируемого вещества, в фильтрате при пропуске сточной воды через слой адсорбента. Динамическая активность в промышленных адсорберах составляет 45...90% от статической. [1]

 

2. Основные расчетные формулы и зависимости

Адсорбция в статических условиях.

При однократном введении адсорбента в количестве 1г на 1л обрабатываемой воды исходным расчетным уравнением является уравнение баланса вещества:

,  (1)

 

 

где m - расход адсорбента;

Q - объём сточных вод;

и - начальная и конечная концентрация загрязнений сточных вод;

a – сорбционная ёмкость активного угля, мг/л (определяется эксперименталь-но).

Конечная концентрация загрязнений  в сточной воде после очистки  в установке с n-ступенями равна:

.  (2)

где k-коэффициент распределения.

При достаточно длительном перемешивании  воды с сорбентом (например, в течении нескольких часов) значения С и а будут равновесными:

.  (3)

Однако фактическое время перемешивания t может быть принято значительно меньше t_равн, при котором достигается практически равновесное состояние. В этом случае соотношение С и а будет:

.  (4)

Значение коэффициента k находим по формуле (4).

Расход адсорбента на каждую степень находят по формуле:

.  (5)

Необходимое число ступеней:

  .  (6)

Адсорбция в динамических условиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Выходная кривая динамики сорбции

Для расчета служит известное выражение  И.А.Шилова:

,  (7)

где T-время защитного действия адсорбционного фильтра; H-высота слоя адсорбционной загрузки (при нескольких последовательно работающих фильтрах Н представляет собой общую высоту загрузки всех фильтров);k- коэффициент защитного действия; τ – потеря времени защитного действия.

Значение  k определяется по формуле:

,  (8)

где а_равн - равновесная с концентрацией предельная насыщенность сорбента; ν - скорость фильтрации; С_н - концентрация загрязняющего вещества в исходной воде.

Время защитного действия:

,  (9)

где τ - потеря времени защитного  действия.

Величина а₀ устанавливается по экспериментальной изотерме адсорбции (Рис.3).

 

Рис.3. Изотерма адсорбции  органических загрязнений сточных вод на активном угле

Потеря времени защитного действия: