Технология адсорбционной очистки воды от органических токсикантов

Органические токсиканты, к числу которых относится и диоксин (тетрахлордифенил), определяются как наиболее опасные загрязнители воды. В настоящее время не найдены или в достаточной степени не исследованы методы очистки воды от диоксина и подобных ему веществ. Однако существует возможность по результатам исследований одного токсиканта рассчитать адсорбционные характеристики других, и таким образом, предложить метод очистки воды от любых органических токсикантов, в том числе и от наиболее опасных. В качестве объекта исследования был взят фенол. Среди многих методов очистки воды от фенола наиболее эффективным является метод адсорбции активированным углем. На рис.4 изображены изотермы адсорбции фенола активированным углем марки АГ-3. По изотерме адсорбции можно определить максимальную (предельную) адсорбцию в статических условиях Г_пр=7,97 моль/кг и в динамических условиях Г_пр=9,55 моль/кг. Динамические условия создаются в реакторе с кипящим слоем АУ при избытке адсорбента (К_изб=10).

 

 

Для выведения формулы предельной адсорбции других токсикантов был рассчитан мольный объем фенола V_м=М, который составил 8,7*10^-5 м³/моль, где М - молекулярная масса,  - плотность. Число молей фенола в активированном угле при предельной адсорбции Г_пр равно объему пор V_пор, см³/г, деленному на мольный объем фенола:

 

Г_пр=(V_пор/V_м)К_з,

 

где К_з – коэффициент заполнения пор (для статических условий К_з=0,95, для динамических условий К_з=1).

 

Вычислим V_пор для фенола при статических условиях:

 

V_пор=(Г_прМ)/=0,67 см³/г.

 

При динамических условиях V_пор=0,83 см³/г.

Приведенные формулы могут быть использованы для расчета Г_пр, например, хлорбензола, толуола, диоксана и диоксина (табл. 1)

 

Таблица 4. Предельные адсорбции некоторых органических токсикантов

Вещество	Молекулярная масса, г/моль	Плотность, г/см3	Предельная адсорбция, моль/кг
Диоксан (C4H8O2)	88	1,134	1,3
Диоксин(C12H4Cl4O2)	304	1,408	3,8
Толуол (C6H5CH3)	92	0,867	7,8
Хлорбензол (C6H5Cl)	112,6	1,107	8,16

 

Исследование кинетики адсорбции фенола (рис.2) показало, что в динамических условиях оптимальное время адсорбции при 10-кратноми избытке адсорбента составляет 2,7 мин. [1]

Разработана и рассчитана установка непрерывного действия для очистки воды от фенола (рис.5).

Известно, что в кипящем слое происходит перемещение более тяжелых частиц АУ в нижнюю часть реактора, которые вытесняют легкие частицы. В этих перемещениях принимают участие частицы АУ, насыщенные водой и насыщенные токсикантом. Поэтому необходимо рассчитать их скорости седиментации U_в и U_т.

Для расчета скорости седиментации необходимы следующие данные: размеры и объем частиц, плотность частиц, вязкость воды.

 

 

Для расчета принимаем, что все частицы АУ имеют одинаковый размер d = 1,5·10^–3 м, предельная адсорбция 9,55 моль/кг, плотность сухой частицы 1450 кг/м³. Объем частицы равен:

 

.

 

Масса сухой частицы равна:

 

m_ч = V·r_ч = 1,767·10^–9·1450 = 2,56·10^–6 кг.

 

Масса токсиканта (фенола) адсорбированного частицей равна:

m_т = m_ч·Г_пр·М = 2,56·10^–6·9,55·94,11 = 2030,8·10^–6 кг.

 

Масса насыщенной фенолом частицы равна:

 

m_н = m_ч + m_т = 2,56·10^–6 + 2030,8·10^–6 = 2303,36·10^–6 кг

 

Плотность насыщенной фенолом частицы равна:

 

 

т.е. плотность насыщенной фенолом частиц меньше, чем сухой.

Скорость седиментации насыщенной водой частицы равна:

 

.

 

То же для насыщенной фенолом частицы:

 

.

Рис.6 Технологическая схема очистки воды от органических токсикантов.

1 – вводная ступень; 2 – адсорбционный реактор; 3 – разделительная ступень; 4 – выход очищенной сточной воды; 5 – регулируемый выпуск насыщенного адсорбента.

 

Основной частью установки является реактор кипящего слоя, содержащий избыточное количество активированного угля (К_изб = 10). В реакторе активированный уголь адсорбирует органический загрязнитель, в результате чего происходит насыщение частиц токсикантом. Скорость седиментации насыщенных токсикантом частиц уменьшается, и они перемещаются в верхнюю часть адсорбционного реактора и далее в разделительную секцию. Диаметр разделительной секции больше, чем диаметр реактора, скорость потока уменьшается, и по наклонному днищу насыщенные частицы скатываются к разгрузочному отверстию, где происходит герметичная разгрузка. Очищенная вода поступает в водоснабжение, а насыщенный АУ - на регенерацию. Установка должна иметь входную секцию, предназначенную для управления скоростью движения загрязненной воды в реактор.

Для обеспечения непрерывности процесса и предупреждения прорыва частиц необходимо выполнить следующие условия (при Q_в = 3,6 м³/ч = 0,001 м³/с = 1 л/с):

1) ненасыщенные токсикантом частицы не должны опускаться из реактора во входную ступень, что обеспечивается соотношением:

 

,

 

 

что дает D₁ £ 0,068 м;

2) насыщенные токсикантом частицы должны подниматься вместе с потоком очищенной воды в разделительную ступень, что обеспечивается соотношением:

 

,

 

что дает D₂ £ 0,16 м.

3) насыщенные токсикантом частицы не должны подниматься вместе с потоком очищенной воды, что обеспечивается соотношением:

 

,

 

что дает D₃ ³ 0,16 м.

Следовательно, при соблюдении соотношений скорости потока и скорости седиментации насыщенных и ненасыщенных частиц АУ, можно рассчитать параметры реактора для очистки воды от любых водорастворимых органических токсикантов.

Заключение

 

Для нужд современных городов, промышленных предприятий и энергохозяйств необходимо огромное количество воды, строго отвечающей по своим качествам требованиям ГОСТа или технологии. Решение этих важных народнохозяйственных задач требует тщательного выбора источников водоснабжения, строительства очистных сооружений. Важной водохозяйственной проблемой является плановое проведение широких комплексных мероприятий по защите от загрязнения почвы, воздуха и воды, оздоровлению целых рек и речных бассейнов. Основой этому служит закон об охране природы.

Осуществляемый в стране курс на интенсивное развитие народного хозяйства требует, чтобы в основном средства вкладывались в действующее производство, так как это обеспечивает быструю отдачу, уменьшает срок окупаемости капиталовложений, позволяет получить высокий эффект. Прирост объема производства и подачи воды для удовлетворения возрастающих потребностей населения и других потребителей должен идти не только и не столько за счет строительства и освоения новых мощностей, как это имеет место сегодня, сколько за счет повышения эффективности, интенсификации действующих сооружений и оборудования, технического перевооружения водопроводно-канализационных предприятий на базе достижений научно-технического прогресса.

Ознакомление с материалами различных конференций и семинаров, состоявшихся в последние годы в Республике Казахстан и за рубежом, а также изучение и анализ тематики ХI – XXYI Международных конгрессов по водоснабжению позволяют заключить, что наиболее актуальными проблемами являются следующие: сохранение качества воды при ее транспортировке и распределении, применение синтетических сорбентов, совершенствование процесса регенерации активного угля и аппаратного оформления при его использовании, обработка осадков водоочистных комплексов, удаление из воды нитратов, использование обратного осмоса для улучшения качества воды, кондиционирование подземных метано-содержащих вод, а также вод, содержащих марганец, железо, фтор, использование физических методов водоподготовки и биологических методов обработки природных вод, применение озона в технологии улучшения качества воды, удаление из воды органических галогенов, образующихся при ее хлорировании, подготовка воды питьевой кондиции фильтрованием через твердые дезинфектанты. Следует отметить, что в результате антропогенного влияния на среду обитания, появление новых отраслей промышленности, совершенствования существующих технологий возрастают требования, предъявляемые к воде. Появилась необходимость получения ультрачистой воды. Все это усложняет технологию водоподготовки. Поэтому проблема улучшения качества природных вод является актуальной.

Список использованных источников

водоснабжение питьевая вода фильтрование

1. Фрог Б.Н., Левченко А.П. «Водоподготовка».-М., Изд-во МГУ, 1996 .

2. Николадзе Г.И., Минц Д.М., Кастальский А.А. «Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения».-М., Изд-во “Высшая школа”, 1984.

3. Кульский Л.А. «Теоретические основы и технология кондиционирования воды». - Киев, Наук.думка, 1983.

4. Минц Д.М. «Теоретические основы технологии очистки воды». - М., Стройиздат, 1964.

5. Сартбаев М.К., Нурбеков О.Н. «Очистка воды от радиоактивных загрязнений глинистыми адсорбентами».-Бишкек, КНПЦ Народной медицины “Бейиш”, 1992.

6. Тарасович Ю.И. «Природные сорбенты в процессах очистки воды». - Киев, Наукова думка, 1981.

7. Сартбаев М.К., Клец А.Н и др. «Применение глинистых адсорбентов для решения проблем водной экологии». Бишкекский НПЦ “Бейиш”, ГНПО ПЭ “Казмеханобр”. Бишкек-Алма-Ата,1993.

8. Barrer R.B., Baynham J.W., J. Chem Soc., 2882, 2892, 1956.

9. Barrer R.B., Langley D.A., J. Chem. Soc., 3804, 3817, 1958.

10. Руденко Г.Г., Тарасович Ю.И., Кравченко Ю.И., Сидорович А.Г. «Опыт применения клиноптилолита в качестве фильтрующего материала скорых фильтров на промышленной водоочистной станции». // Химия и технология воды. т.5, № 1, 1983.

11. Королев А.А., Комяженкова Л.А. «Гигиенические рекомендации по условиям использования промывных вод фильтровальных водопроводных сооружений в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения». // Экспресс-информация. Вып.7. М.,1990.

12. Северский И. «Горные территории и проблемы устойчивого развития и экологической безопасности». // Алма-Ата, Наука Казахстана, №12, 1997.

13. ГОСТ 2762-84 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения».

14. ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая».

15. Аюкаев Р.И., Мельцер В.З. «Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды». - Л., Стройиздат , 1985.

16. Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. «Химия воды и микробиология». - М., Стройиздат, 1995.

17. Клячко В.А., Апельцин И.Э. «Очистка природных вод». - М., Стройиздат, 1971.

18. Билан Ф.И. «Водоподготовка». - М., Стройиздат, 1979.

19. Когановский А.М. «Адсорбция и ионный обмен в процессе водоподготовки и очистки сточных вод». - Киев, Наукова думка, 1983

20. Журба М.Г. «Очистка воды на зернистых фильтрах». Львов,1980.

Размещено на http://www.