АДСОРБЦИЯ

     В водоподготовке под термином «адсорбция» понимают процесс поглощения загрязнения из жидкости поверхностным слоем твердого тела. При этом поглощаемое вещество, которое еще находится в объеме жидкости, называют адсорбтивом, поглощенное, т.е. находящееся на поверхности твердого тела – адсорбатом. Твердое тело, которое поглощает вещество, называется адсорбентом. Процесс адсорбции складывается из трех стадий:

• переноса поглощаемого вещества из воды к поверхности адсорбента (внешняя диффузия);
• диффузия поглощаемого вещества внутри адсорбента (внутренняя диффузия);
• адсорбция поглощаемого на поверхности пор.

     Наиболее широкое применение адсорбция имеет при глубокой очистке сточных вод от растворенных органических веществ (например, после биологической очистки), и значительно реже она используется для очистки от ионов тяжелых металлов. Основными областями применения адсорбционных процессов в очистке воды являются подготовка питьевой воды (деодорация, дехлорирование и т.д.), а также доочистка сточных вод. Использование адсорбции для удаления взвешенных веществ не оправдано и не практикуется. Блок адсорбционной очистки, как правило, включают в технологическую схему очистки воды на заключительной стадии, когда из исходной воды путем отстаивания, фильтрации, коагуляции уже удалена большая часть взвешенных частиц, эмульгированных масел и смол, вода также освобождена от крупных мицелл коллоидных веществ и обеззаражена.

     Как правило, процесс адсорбции из воды необходим либо для ее очистки и обесцвечивания, либо для выделения из нее ценных компонентов. При этом размеры молекул поглощаемых из воды веществ варьируются в широких пределах: от небольших размеров молекул простых веществ (молекулярный вес до 150), до размеров молекул полимерного строения и коллоидных частиц.

     Адсорбционная очистка эффективна во всем диапазоне концентраций примесей в воде, но на фоне других методов очистки больше всего ее преимущества проявляются при низких концентрациях загрязнений.

     В зависимости от характера связи адсорбент–адсорбат, т. е. от свободной энергии взаимодействия между адсорбционным центром адсорбента и той частью молекулы, которая вступает в контакт с поверхностью адсорбента, различают: физическую адсорбцию и хемосорбцию.

     При физической адсорбции молекулы поглощаемого вещества прикрепляются к поверхности твердого тела и удерживаются на ней под действием сил межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса). В этом проявляется основное преимущество физической адсорбции – обратимость процесса. Т.е. при определенных условиях возможно выделение поглощенных веществ из адсорбента, например, адсорбент обрабатывают водяным паром, нагретыми инертными газами, органическими растворителями или водными растворами химических реагентов. Этот процесс называется десорбцией адсорбата, а по отношению к адсорбенту его регенерацией.

     Десорбция адсорбата с поверхности раздела фаз в объем жидкости может протекать и процессе адсорбции. Если скорости адсорбции и десорбции равны, то говорят об установлении адсорбционного равновесия. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остается постоянным сколько угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и состав системы).

     Обратимость процесса физической адсорбции исключительно важна, особенно, если процесс десорбции предполагает повторное использование уловленного вещества или процесс регенерации адсорбента экономически выгоден (например, тогда, когда используется дорогостоящий адсорбент).

     В основе процесса хемосорбции (химической адсорбции) лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым веществом, т.е. фактически при хемосорбции меняется химический состав поверхности адсорбента. Процесс хемосорбции, как правило, необратим, поскольку силы взаимодействия при этом значительно выше, чем при физической адсорбции. Очень высокой является и теплота хемосорбции, поэтому та энергия, которая необходима для взаимодействия хемосорбированной молекулы с молекулой другого вещества, находящего в воде, может быть существенно меньше энергии, необходимой для прямой реакции молекул этих двух веществ. Поэтому поверхность адсорбента может выступать в роли катализатора, увеличивающего скорость некоторых химических реакций. Примером такого каталитического взаимодействия может служит процесс дехлорирования воды на активированном угле.

     В качестве поглотителей или адсорбентов применяют пористые твердые вещества, которые имеют развитую удельную поверхность, т.е. большую площадь поверхность на единицу массы. Удельная поверхность адсорбентов обычно составляет от 20 до 2000 м²/г, а их размер пор от 0,002 до 2 мкм. Поры по своему размеру подразделяются на три вида: макропоры размером 0,1–2 мкм, переходные поры (мезапоры) размером 0,004–0,1 мкм, микропоры размером менее 0,004 мкм. Макропоры и переходные поры играют, как правило, роль транспортных каналов, а сорбционная способность адсорбентов определяется в основном микропористой структурой.

     Главным параметром при выборе адсорбента является его поглотительная или адсорбционная способность по извлекаемому компоненту. Адсорбционная способность, или масса вещества, поглощенная единицей массы адсорбента в произвольный момент времени, зависит от концентрации поглощаемого вещества у поверхности адсорбента, общей площади этой поверхности, физических, химических свойств адсорбента, температурных условий и присутствия других примесей в воде. Максимально возможная при данных условиях поглотительная способность адсорбента называется равновесной статической емкостью.

     При адсорбции из водных растворов происходит поглощение адсорбентом, как молекул поглощаемого вещества, так и воды. Таким образом, при очистке водных растворов происходит конкуренция двух видов межмолекулярных взаимодействий: гидратация молекул поглощаемого вещества, т.е. взаимодействие их с молекулами воды в растворе, и взаимодействие молекул поглощаемого вещества с адсорбентом.

     Конкуренция процессов гидратации и адсорбции молекул загрязнителя и адсорбции молекул воды лежит в основе разграничения сорбентов для удаления из воды органических и неорганических веществ. Однако энергия взаимодействия адсорбента с многоэлектронными и, как правило, полярными молекулами органических веществ намного выше, чем та же энергия взаимодействия с молекулами воды. Поэтому органические молекулы размещаются вблизи «активных атомов» адсорбента, т. е. по периферии микропоры, а молекулы воды оттесняются в ее центральную область. В результате такого распределения молекул компонентов раствора в микропорах удельная адсорбция более сильно адсорбирующихся органических молекул пропорциональна сумме периметров микропор в единице массы адсорбента, т.е. так же, как и при адсорбции на поверхности мезопор и макропор. Это приводит к выводу о некой пропорциональности адсорбции в микропорах некой эффективной удельной поверхности адсорбента. В отличие от адсорбции в микропорах объем узких микропор заполняется молекулами преимущественно однокомпонентно, т. е. аналогично заполнению его при адсорбции паров органических веществ. Вследствие этого удельная адсорбция из растворов в узких микропорах пропорциональна не эффективной поверхности пор, а их объему.

     Таким образом, при адсорбции из воды веществ с небольшими молекулами микропористая структура адсорбентов не будет значительно отличаться от структуры адсорбентов, которые используются для адсорбции газов и паров. Для веществ с большими молекулами, т.е. полимерного строения и/или с коллоидной степенью дисперсности, должны использоваться адсорбенты, обладающие хорошо развитой как микропористой, так и мезапористой структурой (переходной пористостью), которые позволят транспортировать большие молекулы внутрь зерна адсорбента.

     Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т. е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из воды вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки достигает 80—98 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе.

     Наиболее известными адсорбентами являются активированные угли, которые получают в результате термической обработки и термического активирования различных природных материалов (каменный и бурый угли, древесина и отходы деревообработки, пластики и пр.) в строго контролируемой атмосфере: сушка, карбонизация при 500-600^оС и окисление при 850-1000^оС. В результате этого улетучивающиеся из материала продукты формируют в нем углеродный «скелет» и разветвленную систему пор, чем и объясняется высокоразвитая поверхность получаемого активированного угля.

     Считается, что «хорошими» активированными углями являются те, которые имеют широкий спектр действия – на их поверхности адсорбируются большинство молекул органических веществ. При этом хуже всего удерживаются наиболее полярные молекулы, а также линейные молекулы очень малой молярной массы (простые спирты, наиболее легкие органические кислоты и т.п.). Молекулы с низкой полярностью, которые чаще всего являются ответственными за возникновение вкусов и запахов, а также молекулы с относительно высокой молярной массой по разным причинам хорошо адсорбируются активированными углями.

     Неуглеродные полярные гидрофильные материалы – иониты, глины, силикагели, алюмосиликаты, цеолиты, оксиды и гидроксиды переходных металлов малопригодны для адсорбции органических веществ, так как величина энергии взаимодействия их с молекулами воды равна величине энергии сорбции молекул органических загрязнений или её превышает. Чаще всего такие сорбционные материалы используют для удаления из воды неорганических соединений, которые, как правило, находятся в ней в ионной форме.

     Для адсорбционной очистки воды в промышленном и муниципальном водоснабжении наиболее широкое распространение получили насыпные (засыпные) фильтры с зернистой загрузкой, которые, как правило, состоят из корпуса, фильтрующего слоя, дренажной или распределительной системы, системы подачи на фильтр осветляемой воды и отвода очищенной и промывной воды.

     Интенсивность процесса адсорбции на таких фильтрах обычно характеризуется объемной скоростью фильтрования, представляющей собой частное от деления расхода фильтруемой воды на площадь фильтрующего слоя. Скорость фильтрования выражают в м/ч, т. е. количеством воды в м³, фильтруемой через 1 м² площади фильтрующего слоя в течение 1 ч.

Фильтрование воды через фильтрующий слой насыпного фильтра происходит под действием разности давлений на входе в фильтр и на выходе из него. Разность давлений воды до и после фильтрующего слоя называется потерей напора в фильтрующем слое. Потеря напора в начальный момент работы фильтра, называемая начальной потерей напора, равна потере напора при фильтровании чистой, не содержащей взвешенных веществ воды, через чистый фильтрующий слой. Начальная потеря напора в фильтрующем слое зависит от скорости фильтрования воды, ее вязкости, размера и формы пор фильтрующего слоя, его толщины.

     По мере загрязнения адсорбционного фильтрующего слоя задерживаемыми из воды взвешенными веществами потеря напора возрастает до некоторой величины, характеризующей сопротивление предельно загрязнённого фильтрующего слоя. По достижении предельной потери напора или при ухудшении качества фильтрата нужно произвести очистку фильтрующего слоя очистить от накопившихся в нем загрязнений путем его промывки или другим способом. Такая промывка приводит к очистке поверхности адсорбента и только частичному восстановлению его адсорбционной способности. По мере заполнения пор адсорбента загрязняющими веществами его адсорбционная емкость снижается, и процесс адсорбционной очистки прекращается. Восстановление адсорбционной способности в насыпных фильтрах невозможно, поэтому адсорбент меняется на новый, а отработанный отправляется либо на регенерацию, либо на утилизацию.

     Следует помнить, что процесс адсорбционной очистки воды надо проводить только с водой безопасной в микробиологическом отношении. Для этого перед адсорбционными фильтрами всегда следует использовать стадию обеззараживания воды любым приемлемым способом, который не повлияет в дальнейшем на стадию адсорбции.

     Для автоматизации работы насыпных фильтров с зернистой загрузкой адсорбентами используются специальные блоки управления (фирм-изготовителей «FLECK»; «CLACK»; «FOBRITE»; «RUNXIN»), которые в автоматическом режиме обеспечивают регенерацию (промывку) фильтрующей среды в соответствие с требуемыми технологическими параметрами. При этом накопленные загрязнения и отходы, образовавшиеся при регенерации фильтра, сбрасываются в дренажную линию (канализацию). После проведения регенерации (промывки) блок управления автоматически переводит фильтр в рабочий режим.

Для осуществления процесса осветления воды мы предлагаем Вам использовать насыпные скорые фильтры серии AС, характеристики которых приведены на следующей странице.

     Эффективность адсорбционной очистки воды на насыпных скорых фильтрах достаточно велика: достигает 85-90%. При этом в фильтрат может выделятся некоторое количество адсорбента в результате его истирания. Для проведения отдельных процессов очистки воды, например, процесса обратного осмоса и пр.) может потребоваться дополнительная очистка от этих взвешенных веществ. Для их удаления используется процесс микрофильтрации на патронных фильтрах со сменными фильтрующими элементами.