Сорбционные методы очистки воды на активированных углях
Сорбционные методы очистки воды основаны на процессах адсорбции и ионного обмена.
Извлечение ионов из раствора осуществляется методом ионного обмена.
Извлечение молекул из раствора осуществляется методом адсорбции.
Адсорбция – поглощение молекул растворенного в воде вещества твердым нерастворимым телом – адсорбентом . Поглощение происходит за счет физической сорбции или хемосорбции на развитой поверхности адсорбента.
Физическая сорбция основана на силах межмолекулярного взаимодействия.
Хемосорбция основана на поглощении с образованием химических соединений на поверхности твердого тела с участием химических реакций.
Адсорбенты – твердые нерастворимые тела, обладающие развитой поверхностью (до 1000 м2 /г) за счет высокой пористости.
Наиболее распространенные адсорбенты – активные (активированные) угли разных марок. Активные угли представляют собой пористые углеродные тела, зерненые или порошкообразные, имеющие большую площадь поверхности. Неоднородная масса, состоящая из кристаллитов графита и аморфного углерода, определяет своеобразную пористую структуру активных углей, а также их адсорбционные и физико-механические свойства. Пористая структура активных углей характеризуется наличием развитой системы пор, которые классифицируются по размерам следующим образом:
- микропоры – с размером до 20 A,
- мезопоры – с размером 20–500 A,
- макропоры – с размером более 500 A (рис1 ).
Рис. 1. Схема строения активированного угля и поглощения им загрязнений
Микропоры – наиболее мелкая разновидность пор, соизмеримая с размерами адсорбируемых молекул. Удельная поверхность микропор достигает 800–1000 м2/г.
Мезопоры – поры, для которых характерно послойное заполнение поверхности адсорбируемыми молекулами, завершающееся их наполнением по механизму капиллярной конденсации. Удельная поверхность мезопор достигает 100–200 м2 /г.
Макропоры – самая крупная разновидность пор, удельная поверхность которых обычно не превышает 0,2–0,5 м2 /г. Макропоры в процессе сорбции не заполняются, но выполняют роль транспортных каналов для доставки вещества к поверхности адсорбирующих его пор.
Адсорбционные свойства активных углей оцениваются количеством модельного вещества, сорбированного единицей массы угля при определенных условиях, а также временем защитного действия единицы объема угля до полного его насыщения.
В основном адсорбционные свойства углей определяются микропорами, составляющими до 90% всей поверхности активного угля. На ней и протекают процессы адсорбции, в основе которых лежит взаимодействие энергетически ненасыщенных атомов углерода с молекулами адсорбируемых веществ. Лучше сорбируются вещества в молекулярной форме, хуже – в ионной. Способность органических веществ к сорбции возрастает в ряду:
гликоли < спирты < кетоны < сложные эфиры < альдегиды < недиссоциированные кислоты < ароматические соединения.
Способность к сорбции возрастает с ростом молекулярной массы и температуры.
Для оценки качества зерненых активных углей, используемых в качестве загрузки в различные типы адсорберов, важное значение име ют физико-механические характеристики, такие как: фракционный состав (зернение), насыпная плотность, механическая прочность.
По форме и размеру частиц активные угли могут быть порошкообразными, зернеными (дроблеными и гранулированными), а также волокнистыми. Порошкообразные имеют размер частиц менее 0,1 мм , зерненые – от 0,5 до 5 мм , волокнистые – диаметр менее 0,1 мм , а длину несколько сантиметров.
Порошкообразные активные угли используют для очистки воды однократно на городских станциях водоподготовки, вводя их во время или после коагуляции.
Зернистые угли применяются для очистки воды фильтрацией в аппаратах со сплошным слоем сорбента типа механического фильтра воды . В зависимости от типа угли могут регенерироваться острым паром или реагентами. Однако из-за сложности организации такого процесса, больших потерь угля и невозможности полной его регенерации (только на 40–70%) обычно уголь при очистке воды используют однократно.
Волокнистые активные угли имеют наибольшую эффективную площадь поверхности и могут применяться в фильтрах воды специальной конструкции. Они нашли широкое применение в бытовых фильтрах очистки воды.
Активные угли изготавливают на древесной и каменноугольной основах, а также из полимерных волокон. Процесс их производства заключается в пиролизе материала основы, т. е. его высокотемпературной обработке без доступа воздуха. Активные угли из древесного сырья затем дополнительно активируются обработкой острым паром.
Древесные угли характеризуются высокой пористостью (до 1,8–2,0 см3/г), широким распределением пор по размерам, большой удельной поверхностью и, как следствие, высокой емкостью. Однако они имеют низкую механическую прочность и удельную массу. В системах водоподготовки применяются, как правило, в бытовых и малогабаритных промышленных фильтрах очистки воды.
Угли на каменноугольной основе имеют значительно лучшие гидравлические и механические характеристики, что позволяет применять их в сорберах с неподвижным и движущимся слоем любых габаритов.
Особую группу представляют новые для нашего рынка импортные активные угли, изготовленные из скорлупы кокосового ореха, например, тип 207 C фирмы Sutcliffe Carbons . В них сочетаются высокая прочность, стабильный оптимальный гранулометрический состав и высокая емкость.
При адсорбции из воды извлекаются в основном молекулы органических веществ, а также коллоидные частицы и микровзвеси. Хорошо сорбируются фенолы, полициклические ароматические углеводороды, нефтепродукты, хлор- и фосфорорганические соединения. Активные угли также используются как катализаторы разложения находящихся в воде активного хлора и озона. Эти процессы могут совмещаться с сорбцией из воды органических веществ, повышая ее эффективность.
Соли, находящиеся в ионном виде, из воды активированными углями практически не извлекаются.