Адсорбция

Адсорбция (лат. ad — на, при; sorbeo — поглощаю) — процесс поглощения вещества из раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела.

Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объёмной фазы — адсорбатом. В зависимости от характера взаимодействия между молекулой адсорбата и адсорбентом адсорбцию принято подразделять на физическую и хемосорбцию. Менее прочная физическая адсорбция не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах. При хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химические соединения. Часто адсорбция обусловлена и физическими и химическими силами, поэтому не существует чёткой границы между физической адсорбцией и хемосорбцией.

Физически адсорбированные молекулы более или менее свободно перемещаются по поверхности. Они могут собираться группами, образуя слой двухмерной жидкости или двухмерного твёрдого тела. Адсорбированные молекулы рано или поздно покидают поверхность — десорбируются. Время, в течение которого молекула находится на поверхности, называется временем адсорбции. Скоростью адсорбции называется количество молекул, адсорбирующихся за единицу времени, значения величин относят к единице поверхности или массы адсорбента.

Адсорбированные молекулы не только совершают движение вдоль поверхности адсорбента, но и колеблются, то приближаясь к поверхности, то удаляясь от неё. Чем выше температура, тем интенсивнее колебательное движение, а стало быть, больше вероятность того, что в процессе таких колебаний связь молекулы с поверхностью будет разорвана и молекула десорбируется. Благодаря этому с ростом температуры уменьшается время адсорбции и равновесное количество адсорбированных молекул.

С ростом концентрации или давления адсорбата в объёме увеличивается частота попаданий молекул адсорбата на поверхность адсорбента; пропорционально ей возрастает скорость адсорбции и увеличивается равновесное количество адсорбированных молекул. Кривые зависимости равновесной адсорбции от концентрации или давления адсорбата при постоянной температуре называются изотермами адсорбции.

Если адсорбат покрывает поверхность слоем толщиной в одну молекулу, адсорбция называется мономолекулярной. Простейшая изотерма мономолекулярной адсорбции представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат, где на оси абсцисс отложено давление адсорбата Р, а на оси ординат степень заполнения поверхности Q, т. е. доля поверхности, покрытая адсорбированными молекулами. Это — изотерма Генри:

Q = kP.

Коэффициент пропорциональности k зависит главным образом от температуры и характера взаимодействия адсорбент — адсорбат.

Уравнение Генри справедливо при очень низких степенях заполнения для однородной поверхности. По мере увеличения степени заполнения всё большую роль начинает играть взаимодействие между адсорбированными молекулами и интенсивность их поверхностной подвижности. Если молекулы адсорбата притягиваются друг к другу, то каждая вновь адсорбирующаяся молекула будет испытывать притяжение и адсорбата и молекул, адсорбированных ранее. Поэтому, по мере заполнения поверхности, силы, удерживающие адсорбированную молекулу, будут увеличиваться и условия для адсорбции будут всё более и более благоприятными. В этом случае с ростом давления изотерма всё круче и круче идёт вверх (рис. 2.24, кривая 1).

Рис 2.24. Изотермы мономолекулярной адсорбции

Однако по мере заполнения поверхности вновь адсорбирующимися молекулами становится всё труднее найти свободное (не занятое другими молекулами адсорбата) место на поверхности. Поэтому с увеличением давления рост адсорбции замедляется и степень покрытия стремится к постоянному значению, равному единице (рис. 2.24, кривая 2). Если действуют оба эти фактора, то получаются вогнуто-выпуклые изотермы (рис. 2.24, кривая 3).

Выпуклые изотермы (рис. 2.24, кривая 2) часто описывают уравнением Ленгмюра.

,

где а — адсорбционный коэффициент, аналогичный по физическому смыслу константе Генри k.

Уравнение Ленгмюра справедливо для мономолекулярной адсорбции на однородной поверхности, если можно пренебречь притяжением молекул адсорбата между собой и их подвижностью вдоль поверхности.

Адсорбционные методы преимущественно применяют для глубокой очистки и доочистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, когда концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются, или являются сильнотоксичными. Верхний предел применения сорбционных методов 1000 мг/л. Нижний предел применения 5 мг/л. Применение локальных установок считается целесообразным, если вещество хорошо адсорбируется при небольшом удельном расходе адсорбента, а концентрация загрязнителя приближается к верхнему пределу. Системы сорбционной доочистки работают при сравнительно низких концентрациях загрязнителя (до 100 мг/л), высокую допустимую линейную скорость стока и высокие коэффициенты распределения сорбата в сорбенте и растворе.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и других веществ на сооружениях физико-химической очистки и на ступенях доочистки сточных вод коммунальных очистных сооружений.

Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод от нескольких загрязнителей и рекуперации этих веществ.

Адсорбционная очистка вод бывает регенеративной (с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией) или деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной доочистки сточных вод достигает 80-95% и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и химической формы его нахождения в среде.

В качестве сорбентов используют активные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (золу, шлаки, опоки, опилки и др.). Минеральные сорбенты - глины, силикагели, алюмогели и гидроксиды металлов для адсорбции различных веществ из сточных вод используют сравнительно редко, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика и иногда превышает энергию адсорбции. Наиболее универсальными из адсорбентов являются активные угли, однако они должны обладать определенным комплексом свойств. Активные угли должны слабо взаимодействовать с молекулами воды и хорошо - с органическими веществами, быть относительно крупнопористыми (с эффективным радиусом адсорбционных пор в пределах 0,8-5,0 нм, или 8-50 Å), чтобы их поверхность была доступна для органических молекул. При малом времени контакта с водой они должны иметь высокую адсорбционную емкость, высокую селективность и малую удерживающую способность при регенерации. При соблюдении последнего условия затраты на реагенты для регенерации угля будут небольшими. 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. Угли должны обладать малой каталитической активностью по отношению к реакциям окисления, конденсации и др., так как некоторые органические вещества, находящиеся в сточных водах, способны окисляться и осмоляться. Эти процессы ускоряются катализаторами. Осмелившиеся вещества забивают поры адсорбента, что затрудняет его низкотемпературную регенерацию. Наконец, они должны иметь низкую стоимость, не уменьшать адсорбционную емкость после регенерации и обеспечивать большое число циклов работы. Сырьем для активных углей может быть практически любой углеродсодержащий материал: уголь, древесина, полимеры, отходы пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности. Адсорбционная способность активных углей является следствием сильно развитой поверхности и пористости.

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или в псевдоожиженном слое на установках периодического и непрерывного действия. При смешивании адсорбента с водой используют активный уголь в виде частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней. Сверху подают 15-20%-ю угольную суспензию, а снизу сточную воду. Избыток угля отводят в сборник. Адсорберы незаменимы в доочистке сточных вод.

Основные варианты схем жидкофазной контактной очистки порошкообразным углем представлены на рис.2.25.

По простейшему одноступенчатому варианту А воду смешивают со свежим углем, выдерживают при перемешивании в смесителе, после чего очищенную воду и отработанный уголь разделяют. По двухступенчатому противоточному варианту Б вначале воду обрабатывают уже частично отработанным углем, а тонкую очистку проводят свежим углем. Таким образом, вода движется с первой ступени на вторую, а уголь, наоборот, со второй ступени на первую. Конечно, степень очистки и отработки адсорбционной емкости в двухступенчатом варианте выше. Иногда число ступеней увеличивают до трех. По варианту В обработку воды проводят в каждой из двух последовательных ступеней свежим углем.

Теоретически процесс очистки воды фильтрованием через слой гранулированного сорбента всегда выгоднее, чем очистка порошковым сорбентом. Это связано с тем, что в первом случае насыщение угля происходит при начальной, а во втором – при остаточной концентрации загрязнения.

Адсорбцию на зерненом поглотителе можно проводить периодически и непрерывно. При периодическом процессе адсорбер, заполненный неподвижным слоем поглотителя, отключается от потока после отработки слоя, разгружается и вновь заполняется свежим или регенерированным сорбентом для нового цикла.

Рис.2.25. Варианты (А–В) схемы контактной очистки воды порошкообразным активным углем: 1 – контактор; 2 – сепаратор.

Типичный адсорбер с неподвижным слоем зерненого сорбента показан на рис. 2.26. Как правило, в схемах с неподвижным слоем адсорбента предусмотрено несколько адсорберов, в каждом из которых в один и тот же момент времени протекает определенная стадия процесса. При такой схеме адсорберы работают периодически, а очистка воды происходит непрерывно. Взвешенные вещества, задержанные в верхних слоях адсорбента, периодически удаляют при промывке водой, проходящей через слой активного угля снизу вверх. Перед этой стадией обычно проводят так называемую поверхностную промывку от мелочи.

Рис. 2.26. Адсорбер с неподвижным слоем активного угля: 1 – корпус аппарата; 2 – адсорбер; 3 – люк для загрузки угля; 4 – штуцер подачи воды на очистку;5 – штуцер подачи воды для поверхностной промывки загрузки; 6 – решетки; 7 – штуцер для отвода очищенной воды и подачи промывной воды;8 – люк для выгрузки отработанного сорбента.

Модификация этого способа организации процесса отражена в оригинальной схеме адсорбера с «пульсирующим слоем», согласно которой из адсорбера периодически удаляется лишь отработанная часть слоя сорбента при одновременном добавлении в него свежего регенерированного поглотителя. Такая конструкция позволяет иметь лишь один адсорбер и резко сокращает непроизводительные затраты времени на отключение адсорбера и повторный пуск его в эксплуатацию (на продувку, сушку, разогрев слоя и т.д.).

Непрерывный процесс адсорбции проводят в схемах с движущимся или псевдоожиженным слоем сорбента, в которых может быть осуществлено различное направление движения потоков адсорбента и исходного раствора, а стадия регенерации может производиться как в том же самом, так и в отдельном аппарате. Адсорберы с псевдоожиженным слоем сорбента имеют на порядок большую производительность по сравнению с аппаратами, в которых используют фильтрующий слой материала.

На рис. 2.27. представлены адсорберы, работающие в режиме псевдоожижения твердой фазы.

Установка с одноярусным взвешенным слоем (вид а) активного угля оснащена выносным углеуплотнителем 1 с принудительным отсосом адсорбента, который подают вместе со струей воды, поступающей на очистку по центральной трубе 2 через диффузор 5. Пройдя распределительные решетки 4, вода вступает в контакт со взвешенным слоем угля; очищенную воду отводят из верхней части установки через дырчатую затопленную кольцевую трубу 3.

В двухъярусном противоточном адсорбере (вид б) суспензию активного угля через центральную трубу 7 подают под распределительную решетку второго яруса адсорбера, где смешивают с частично обработанной водой, выходящей из камеры первого яруса 3 через горловину 4. Над решеткой в камере 5 активный уголь образует взвешенный слой. Очищенную воду отводят из верхней части адсорбера с помощью кольцевого желоба 6, загрязненная вода поступает на очистку в нижнюю часть адсорбера через эжектор 1, который подсасывает избыток активного угля из камеры второго яруса по переливной трубе 8.

Рис. 2.27. Конструкции адсорберов с псевдоожиженным слоем активного угля: а – одноярусный адсорбер: 1 – выносной уплотнитель; 2 – центральная труба; 3 – дырчатая кольцевая труба; 4 – распределительные решетки; 5 – диффузор; б – двухъярусный адсорбер: 1 – эжектор; 2 – распределительная решетка; 3 – камера первого яруса; 4 – горловина; 5 – камера второго яруса; 6 – кольцевой желоб; 7 – центральная труба; 8 – переливная труба; 9 – труба для эжектирования отработанной воды; 10 – регулирующий клапан; 11 – выносной уплотнитель.

Вода, смешанная в эжекторе с уже частично насыщенным углем, проходит распределительную решетку 2 и образует нижний слой в камере первого яруса 3. Очистку воды в этом слое проводят за счет разности концентраций загрязнений в необработанной и очищенной воде. Избыток взвешенного слоя отработанного в нижнем ярусе угля попадает в выносной углеуплотнитель 11. Процесс усиливается эжектированием обработанной воды из уплотнителя через трубу 9, снабженную регулирующим вентилем 10, в переливную линию. Из углеуплотнителя отработанный сорбент направляют на регенерацию.

Дата добавления: 2015-05-07