Сорбция (очистка сточных вод)

Сорбция – это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Различаюттри вида сорбции:

-абсорбция – объемное поглощение вещества всей массой жидкого или газообразного сорбента;

-адсорбция – поверхностное поглощение вещества поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента;

-хемосорбция – сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом.

Сорбцияпредставляет собой один из наиболееэффективных методовглубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий различныхотраслей промышленности: целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других.

Метод сорбцииприменяется для извлечения из сточных водценных растворенных веществ (фенол, мышьяк, сероводород) с их последующейутилизацией и использованием очищенных сточных вод в системахоборотного водоснабжения.

Сорбционная очистка может применятьсясамостоятельно и совместно сбиологической очисткой.Преимуществами метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей, а также высокая эффективность очистки, особенно слабоконцентрированных сточных вод.

Адсорбция – процесс физического сцепления молекул с поверхностью твердого тела (адсорбента) без протекания химической реакции. Адсорбцияиспользуется для глубокой очистки вод замкнутого водопотребления и доочистки сточных вод от органических веществ, в том числе и от биологически жестких.

Адсорбционные методы широкоприменяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика, и они биологически не разлагаются или являются сильно токсичными.

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

Адсорбцию осуществляют следующимиспособами :

К сточной воде добавляютсорбент в размельченном виде, полученную смесь перемешивают, затем отстаивают и фильтруют;

Сточные воды непрерывно пропускают черезфильтр , загруженный сорбентом.

Адсорбенты , применяемые для очистки воды, представляют собой измельченныепорошкообразные материалы или гранулы диаметром 0,5 – 1 мм. Их добавляют в воду, которая находится в осветлителе – в этом случае коагуляцию совмещают с адсорбцией. Гранулированные адсорбенты используют в аппарате, имеющем устройство, подобное напорномуфильтру .

В качествесорбентов применяют различные искусственные и природныепористые материалы: активированные угли, цеолиты (алюмосиликаты), золу, шлак, коксовую мелочь, торф, опилки.

Активность сорбентахарактеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м 3 , кг/кг).Адсорбционныесвойства активированных углей в значительной мерезависят от структуры пор, их величины, распределения по размерам.

Макропоры (0,1 – 0,2 мкм) и переходные поры (0,004 – 0,1) играют, как правило, роль транспортирующих каналов, асорбционная способностьактивированных углей определяется в основноммикропористой структурой(микропоры имеют размер менее 0,004 мкм).

Наиболееэффективными сорбентами для извлечения органических веществ из водных растворов являютсяактивные угли углиразличных марок. Пористость углей составляет 60 – 75%, а удельная площадь поверхности – 400 – 900 м 2 /г.

Активированный уголь представляет собойпористое вещество, состоящее из углерода с небольшим количеством примесей, которые играют очень важную роль при адсорбции.Уголь , образующийся в результате нагревания разнообразных органических веществ без доступа воздуха, содержит примесисмол , которые закупоривают его поры. Для удаления смол и увеличения пористости уголь подвергается обработке, получившей названиеактивирования .

В зависимости отусловий этой обработки активированный уголь можетадсорбировать преимущественно кислоты или, наоборот, основания. Свойством адсорбироватькислоты обладает уголь, активированный при температуре 900 о С. Уголь, нагретый до 450 – 500 о С, наоборот, хорошо адсорбируетоснования и не адсорбирует кислоты. Этообъясняется тем, что на поверхности угля при обработке образуются поверхностные соединения оксидов, имеющих основных или кислый характер.

Активированный уголь имеет рядпреимуществ перед другими сорбентами:

Жесткая пористая структура;

Достаточная механическая прочность;

Химическая и термическая стойкость;

Гидрофобность;

Способность адсорбировать многие органические вещества, которые не удаляются при биологической очистке. Такие вещества содержатся, например, в сточных водах нефтеперерабатывающих заводов. В этом случае метод адсорбции на активированном угле является наиболее надежным и дешевым.

Исследования , проводимые по очистке сточных вод методами адсорбции с использованием активных углей, показывают высокуюэффективность очистки сточных вод.Доза угля зависит от его адсорбционной способности, вида загрязняющих веществ в поступающих сточных водах и требуемого эффекта очистки.

Очистка сточных вод на активированном угле имеет своиособенности . Концентрацияорганических веществ в сточных водах может быть очень высокой. В такой системе угольадсорбирует от 0,2 до 0,4 кг вещества на 1 кг собственной массы. После завершения процесса адсорбции органические веществавыжигают в регенеративной печи. Угольвосстанавливают и направляют вновь на адсорбцию. При этомпотери угольного адсорбента составляют примерно 5%.

Назаводах компонуют большиеустановки , состоящие изфильтров для очистки сточных вод и аппаратов для проведениярегенерации .

Для очистки производственных сточных вод все большее применение находятнеуглеродные сорбенты естественного и искусственного происхождения. Использование сорбентов на основеприродных материалов (глинистые породы, цеолиты и другие материалы)обусловлено сравнительно низкой стоимостью, доступностью, высокой сорбционной емкостью, а также ионообменными свойствами некоторых из них.

В адсорбционной технике кроме угля широко применяется так называемыйсиликагель – обезвоженный гель кремниевой кислоты, он адсорбирует преимущественнооснования .

Среди минеральных сорбентов природного происхождения наибольшее распространение получилиглинистые породы, в состав которых обычно входят материалы с регулярной структурой. В последнее время большое внимание уделяетсяцеолитам .

Для получения прочных и водостойких фильтрующихматериалов из природныхцеолитов ихпрогревают в печах при температуре 1000 о С с хлоридом и карбонатом натрия. При быстром нагреве цеолитывспениваются , в результате чего их объем и пористость увеличиваются в 5…20 раз. Природные цеолиты используются в видепорошков и фильтрующих материалов дляочистки воды от ПАВ, ароматических соединений, красителей, пестицидов, коллоидных и бактериальных примесей.

Стоимость естественных сорбентов в десятки раз ниже, чем искусственных, поэтому их, как правило,не регенерируют . Предварительная обработка может существенно увеличить стоимость природных сорбентов. Поэтому целесообразность их использования определяется с учетом технологических, экологических, экономических и других факторов.

В настоящее время существует промышленное производствосинтетических пористых материалов, часть которых по физико-химическим свойствам отнесена к адсорбентам. Пористая структура полимеров достигается введением в смесь реагентов при полимеризации инертного растворителя, после удаления которого образуется сложная система пор.

Адсорбционная очистка может бытьрегенеративной , т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, идеструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом.Регенерацию сорбентов – восстановление адсорбционной способности чаще применяют для гранулированныхактивных углей вследствие их высокойстоимости . При этом некоторая часть адсорбированных веществ (до 20%) необратимоудерживается в его порах.Активность углей от цикла к циклу постепенноуменьшается .

В тех случаях, когда адсорбированные вещества не представляют утилитарной ценности, или затраты на их утилизацию превосходят их стоимость, применяютдеструктивные технологии регенерации сорбентов. Деструктивная регенерация сорбента обычно осуществляетсятермическими илихимическими методами. При выборе технологии использования сорбентов необходимо учитывать, что в структурезатрат на сорбционную очистку стоимостьсорбентов составляет 30…35%.

Наиболее простымадсорбером являетсянасыпнойфильтр . Обычносорбционнаяустановка состоит из нескольких параллельно работающихсекций , состоящих из трех-пяти последовательно расположенных фильтров.

Адсорберы снеподвижным слоем сорбента (сорбционные фильтры) конструктивно выполняются открытыми (безнапорными) и закрытыми (напорными). Обычно устанавливают не менее трех адсорбционных аппаратов, соединенных так, чтобы два работали последовательно, а третий можно было отключать напромывку или регенерацию.

Аппаратынепрерывного действия позволяют существенно уменьшить объем активного угля.Принцип действия аппаратов заключается в том, что очищаемая жидкость движется снизу вверх, а плотный слой реагента перемещается ей навстречу под действием силы тяжести или с помощью различных механических устройств.

Для адсорбционного удаления растворенных органических загрязнений из воды на очистных станциях большой производительности используются аппараты со взвешенным (псевдоожиженным) слоем активного угля. Это дает возможность использовать зерна адсорбента относительномалых размеров (0,2 – 1 мм) с развитой внешней поверхностью. В аппаратах присутствуетпротивоточное движение взаимодействующих фаз.

Эффективность адсорбционной очистки достигает 80 – 95%.

Разработанное нашей компанией сорбционное оборудование, довольно резко контрастирует, с оборудованием предлагаемым многими фирмами. Удобство использования и долгий срок службы, мы поставили на первое место. Сорбционные фильтры нашего производства, всегда снабжены широкой горловиной для засыпки сорбента (кто засыпал и разгружал колонны Китайского производства, тот поймет…), диаметром 300 мм. Они так же оборудованы люком выгрузки отработанного сорбента, без отсоединения трубопроводов. Диаметр его 450 мм. Распределительное устройство в колонне выполнено из нержавеющей стали, верхнее в виде стакана, нижнее представляет собой колпачковые тарелки, с сеткой, для исключения уноса сорбента. Гидравлическое сопротивление колонны при такой компоновке оптимально.

Колонна (фильтр) может быть выполнена из стали с покрытием эпоксидной композицией изнутри, из нержавеющей стали, или футерована резиной (гуммирование). Последние, применяются для очистки кислот и щелочей, при температуре до 90С.

Цены на сорбционные колонны (фильтры) вы можете посмотреть, нажав на ссылку

Ну а теперь, когда мы уже похвалились, собственно о самом процессе…

Сорбция – это процесс поглощения одного вещества из окружающей среды другим веществом, твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое – сорбатом. В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.
Поглощение вещества всей массой жидкого сорбента называется абсорбция, а поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента − адсорбция. Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.
Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической, как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность поглощения веществ из многокомпонентных смесей и высокая степень очистки, особенно слабо концентрированных сточных вод.
Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Адсорбция растворенных веществ – результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида сил межмолекулярного взаимодействия

• молекул растворенного вещества с молекулами (или атомами) поверхности
• сорбента;
• молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация).

Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с какой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности сорбента.
Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора.
Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содер жатся преимущественно ароматические соединения, не электролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например, содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низких одноатомных спиртов этот метод не применим.
В качестве сорбентов применяют различные искусственные и пористые природные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные гели и др. Эффективными и наиболее универсальными сорбентами являются активированные угли различных марок.

Минеральные сорбенты используют мало, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика – иногда превышает энергию адсорбции. Пористость этих углей составляет 60 − 75 %, а удельная площадь поверхности 400 − 900 м2 на единицу веса сорбента. Адсорбционные свойства активированных углей в значительной мере зависит от структуры пор, их величины, распределения по размерам. В зависимости от преобладающего размера пор активированные угли делятся на крупно- и мелкопористые, и смешанные. Поры по своему размеру подразделяются на три вида:

• макропоры - 0,1 – 2 мкм;
• переходные – 0,004 – 0,1 мкм;
• микропоры - < 0,004 мкм.

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), чтобы их поверхность была доступна для больших и сложных 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 размерами 0,25 − 0,5 мм и высокодисперсные угли с частицами размером менее 40 мкм.
Важно, чтобы угли обладали 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. Осмолившиеся 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, отходи пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности.

Макропоры и переходные поры играют, как правило, роль транспортирующих каналов, а сорбционная способность активированных углей определяется микропористой структурой. Растворенные органические вещества, имеющие размер частиц менее 0,001 мкм, заполняют объем микропор сорбента, полная емкость которых соответствует поглощающей способности сорбента.
Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента.
Процесс сорбции может осуществляться в статических условиях, при которых частица жидкости не перемещается относительно частицы сорбента, т. е. движется вместе с ней, а также в динамических условиях, когда частица жидкости перемещается относительно сорбента.
Таким образом, сорбцию называют статической, когда поглощаемое вещество, находится в газообразной или жидкой фазе, приведено в контакт с неподвижным сорбентом или перемешиваются с ним. Так происходит в аппаратах с перемешивающими устройствами. Динамической сорбцию называют в тех случаях, когда поглощаемое вещество находится в подвижной жидкой или газообразной фазе, которая фильтруется через слой сорбента. Так происходит в аппаратах с псевдоожиженным слоем, фильтрах.
В соответствии с этим различают статическую и динамическую активность сорбента. Статическая активность характеризуется количеством поглощенного вещества на единицу массы сорбента к моменту достижения равновесия в определенных условиях (постоянных температуре жидкости и начальной концентрации вещества). Динамическая активность сорбента характеризуется временем от начала пропускания сорбата до его проскока, т.е. до появления за слоем сорбента, или максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента до момента появления сорбируемого вещества через слой сорбента. Динамическая активность в промышленных адсорберах составляет 45 − 90%. На практике сорбционные процессы осуществляют, как правило, в динамических условиях, так как это обеспечивает непрерывность технологического процесса и возможность его автоматизации. Между количеством вещества, адсорбированного сорбентом и оставшегося в растворе, в разбавленных растворах наступает равновесие, подчиняющееся закону распределения.
Сорбция − процесс обратимый, т. е. адсорбированное вещество (сорбат) может переходить с сорбента обратно в раствор. При прочих равных условиях скорости протекания прямого (сорбция) и обратного (десорбция) процессов пропорциональны концентрации вещества в растворе и поверхности сорбента. Поэтому в начальный период процесса сорбции, т. е. при максимальной концентрации вещества в растворе, скорость сорбции также максимальна. По мере повышения концентрации растворенного вещества на поверхности сорбента увеличивается число сорбированных молекул, переходящих обратно в раствор. С момента, когда количество сорбируемых из раствора (в единицу времени) молекул становится равным количеству молекул, переходящих с поверхности сорбента в раствор, концентрация раствора становится постоянной. Эта концентрация называется равновесной.
Если после достижения адсорбционного равновесия несколько повысить концентрацию обрабатываемого раствора, то сорбент сможет извлечь из него еще некоторое количество растворенного вещества. Но нарушаемое таким образом равновесие будет восстанавливаться лишь до полного использования сорбционной способности (емкости) сорбента, после чего повышение концентрации вещества в растворе не изменяет количества сорбируемого вещества.

Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, природы и структуры растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента. В общем случае процесс адсорбции складывается из трех стадий: переноса вещества из сточной воды к поверхности зерен адсорбента (внешнедиффузионная область), собственно адсорбционный процесс, перенос вещества внутри зерен адсорбента (внутридиффузионная область). Принято считать, что скорость собственно адсорбции велика и не лимитирует общую скорость процесса. Следовательно, лимитирующей стадией может быть внешняя диффузия либо внутренняя. 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 зерен, от размера молекул адсорбирующихся веществ, от коэффициента массопроводности.
Учитывая все эти обстоятельства, определяют условия, при которых адсорбционная очистка сточных вод идет с оптимальной скоростью. Процесс целесообразно проводить при таких гидродинамических режимах, чтобы он лимитировался во внутридиффузионной области, сопротивление которой можно снизить, изменяя структуру адсорбента, уменьшая размеры зерна.
В зависимости от области применения метода сорбционной очистки, места расположения адсорберов в общем комплексе очистных сооружений, состава сточных вод и крупности сорбента и др. назначают схему сорбционной очистки и тип адсорбера.
Так, например, перед сооружениями биологической очистки применяют насыпные фильтры с диаметром зерен сорбента 3 − 5 мм или адсорберы с псевдоожиженным слоем сорбента с диаметром зерен 0,5 − 1 мм. При глубокой очистке производственных сточных вод и возврате их в систему оборотного водоснабжения применяют аппараты с мешалкой и намывные фильтры с крупностью зерен до 0,1 мм.
Наиболее простым является насыпной фильтр, представляющий колонну с насыпным слоем сорбента, через который фильтруется сточная вода. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных в сточных водах веществ и составляет 1 − 6 м/ч, крупность зерен сорбента – 1,5 − 5 мм. Наиболее рациональное направление фильтрования жидкости снизу вверх, так как в этом случае происходит равномерное заполнение всего сечения колонны и относительно легко вытесняются пузырьки воздуха и газов, попадающих в слой сорбента вместе со сточной водой.
В колонне слой зерен сорбента укладывают на беспровальную решетку с отверстиями диаметром 5 − 10 мм и шагом 10 − 20 мм, на которые укладывают поддерживающий слой мелкого щебня и крупного гравия высотой 400 − 500 мм, предохраняющий зерна сорбента от проваливания в подрешеченное пространство и обеспечивающий равномерное распределение потока жидкости по всему сечению. Сверху слой сорбента для предотвращения выноса закрывают сначала слоем гравия, затем слоем щебня и покрывают решеткой (т. е. повторяют укладку в обратном направлении).
Фильтры с неподвижным слоем сорбента применяют при регенеративной очистке сточных вод с целью утилизации выделенных относительно чистых продуктов. Процесс десорбции осуществляется с помощью химических растворителей или пара.

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.

Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно работающих секций, состоящих из 3 − 5 последовательно расположенных фильтров.

При достижении предельного насыщения головной фильтр отключается на регенерацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени.
Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства. Более эффективно (при меньшем расходе адсорбента) процесс протекает при использовании многоступенчатой установки . При этом в первую ступень вводят столько адсорбента, сколько необходимо для снижения концентрации загрязнений от Cн до Ск, затем адсорбент отделяют отстаиванием или фильтрованием, а сточную воду направляют на вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент.

В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных веществ и колеблется от 2 − 4 до 5 − 6 м3/ч через 1 м2 поперечного сечения колонны. Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все ее сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размерами 1,5 − 5 мм. При более мелких зернах возрастает сопротивление фильтрованию жидкости. Уголь укладывают на слой гравия, уложенного на решетке. Во избежание забивки адсорбента сточная вода не должна содержать твердых взвешенных примесей.

В одной колонне при неподвижном слое сорбента процесс очистки ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн. По такой схеме две колонны работают последовательно, а третья отключена на регенерацию. При проскоке в средней колонне на регенерацию отключают первую.

В момент проскока в колонне появляется слой адсорбента высотой Lc, который не работает. Этот слой называют «мертвым». Если одновременно выводить из колонны «мертвый» слой и вводить в нее такой же слой свежего адсорбента, то колонна будет работать непрерывно. Для подачи адсорбента имеются специальные дозаторы.

При относительно высоком содержании в сточной воде мелкодисперсных взвешенных частиц, заиливающих сорбенты, а так же в случае, если равновесие устанавливается медленно, рационально применять процесс с псевдоожиженным слоем сорбента. Псевдоожижение слоя возникает при повышение скорости потока сточной воды, проходящей снизу вверх, до такой величины, при которой зерна увеличившегося в объме слоя начинают интенсивно и беспорядочно перемещаться в объеме слоя, сохраняющего постоянную для данной скорости высоту.

В настоящее время применяют цилиндрические одноярусные адсорберы. Такой аппарат представляет собой колонну высотой около 4 м. Верхняя часть ее соединена с царгой, имеющей диаметр, в 2 − 2,5 раза больше диаметра основной колонны. В зависимости от диаметра колонны коническое днище имеет центральный угол 30° − 60°. Непосредственно под коническим днищем устанавливается распределительная решетка с отверстиями 5 − 10 мм и шагом отверстий около 10 мм, на которую загружается активированный уголь с размером частиц 0,25 − 1 мм и преимущественным содержанием фракции 0,5 − 0,75 мм. Высота неподвижного слоя составляет 2,5 − 2,7 м.

В нижнюю часть аппарата через центральную трубу, заканчивающуюся диффузором под решеткой, либо через боковой патрубок тройника, подсоединенного к конусному днищу, поступает сточная вода со скоростью, обеспечивающей относительное расширение слоя 1,5 − 1,6.

Уголь равномерно подается в аппарат из бункера с автоматическим дозатором. Сорбент в виде (5 − 20)-процентной суспензии поступает в верхнюю расширенную часть той же центральной трубы, по которой в колонну адсорбера подается сточная вода. В трубе эта вода смешивается с углем. Образовавшаяся суспензия поступает через диффузор под решетку, продавливается через ее отверстия и задерживается части псевдоожиженного слоя угля, который находится в колонне.
Обработанная сточная вода отводится в кольцевой желоб верхней части царги. Установки с псевдоожиженным слоем (периодического или непрерывного действия) целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в сточной воде. Размер частиц адсорбента при этом должен быть равным 0,5 − 1 мм.
Скорости потока для частиц указанных размеров находится в пределах 8 − 12 м/с.
Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3 − 0,6 МПа) равна 200 − 300 °С, а инертных газов 120 − 140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5 − 3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих − в 5 − 10 раз больше. После десорбции пары конденсируют, и вещество извлекают из конденсата. Для регенерации углей может быть использована и экстракция (жидкофазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с водяным паром растворителями. При регенерации органическими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей из угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбированных слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную форму. При этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда их вымывают горячей водой, раствором кислот (для удаления органических оснований) пли раствором щелочей (для удаления кислот).
В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем). Термическую регенерацию проводят в печах различной конструкции при температуре 700 − 800 °С в бескислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горения газа или жидкого топлива и водяного пара. Она связана с потерей части адсорбента (15 − 20 %). Разрабатываются биологические методы регенерации углей, при которых адсорбированные вещества биохимически окисляются.
Этот способ регенерации значительно удлиняет срок использования сорбента. Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные вещества утилизируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожаются. В зависимости от вида сорбционной очистки применяются различные методы регенерации сорбента или его уничтожения.

Для извлечения сорбированных веществ могут быть использованы:

— экстрагирование органическим растворителем;

— изменение степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе;

— отгонка адсорбированного вещества с водяным паром;

— испарение адсорбированного вещества током инертного газообразного теплоносителя.

В отдельных случаях осуществляют химическое превращение сорбированных веществ с последующей десорбцией. Легколетучие органические вещества (бензол, нитробензол, толуол, этиловый спирт) десорбируют воздухом, инертными газами, перегретым паром. При этом температура воздуха должна быть 120 − 140 °С, перегретого пара – 200 − 300 °С, а дымовых или инертных газов 300 − 500 °С. Расход пара на отгонку легколетучих веществ из активированного угля составляет 3 − 12 кг на 1 кг сорбированного вещества. В качестве десорбентов могут быть использованы низкокипящие легко перегоняющиеся с водяным паром органические растворители: бензол, бутилацетат, дихлорэтан, толуол и другие. Процесс десорбции осуществляется при нагревании или на холоде, затем растворитель отгоняется из сорбента острым водяным паром или теплоносителями.
При деструктивной очистке обычно применяют термические или окислительные методы. При применении термического метода следует учитывать потери сорбента (потери активированного угля составляют 5 − 10 %).
Из затрат на сорбционную очистку 30 − 35 % составляют расходы на активированный уголь.

Проблема очистки воды издавна волновала человечество. Сегодня существует много способов ее очищения. Одним из самых распространенных, без сомнения, является сорбционная очистка воды. В чем ее суть?

Из этой статьи вы узнаете:

Что такое сорбционная очистка воды

Как происходит сорбционная очистка воды

Какие фильтры используются для сорбционной очистки воды

Какие виды сорбентов используются

Сорбционная очистка воды – что это такое

Сорбционная очистка воды – высокоэффективный способ глубокого очищения, при котором эффект достигается путем связывания на молекулярном уровне частиц химических веществ и различных примесей. Подобная очистка воды позволяет удалить даже органические соединения, которые невозможно отделить какими-то другими методами.

Современные высокоактивные сорбенты эффективно работают в воде с любой, даже самой маленькой, концентрацией нежелательных примесей. В результате сорбционной очистки в воде практически нет остаточного концентрата.

Термин «адсорбция» означает поглощение какого-либо вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем другого вещества. Этот процесс происходит и в воде, которую мы очищаем, при добавлении определенных веществ. Адсорбент притягивает молекулы нежелательных примесей к своей поверхности и больше не отпускает их.

Сорбционная очистка особенно эффективна на завершающей стадии высокого уровня очищения, когда вода, пройдя через предыдущие ступени очистки, оставила на фильтрах практически все ненужное, и теперь необходимо удалить самые незначительные концентрации нежелательных примесей.

Насколько быстро и эффективно пройдет этот процесс, зависит от следующих факторов:

структуры сорбента;

температуры, при которой идет процесс;

вида и концентрации вредного вещества в воде;

активности реакции среды.

Для чего нужна сорбционная очистка воды и где она используется

Сорбционная очистка воды известна людям довольно давно. И раньше, и по сей день для этого, например, использовали фильтрацию углем, который отлично работает в замкнутых системах, глубоко очищая, в том числе от органики.

Сорбционная очистка воды дает отличные результаты, удаляя различные органические вещества, позволяя очистить стоки от красителей или других гидрофобных соединений. Широкую популярность такому методу принес и тот факт, что он не требует значительных материальных затрат.

Сорбционная очистка воды может быть использована как самостоятельный метод, а может применяться в сочетании с биологическим очищением. Однако этот способ не может быть использован при загрязнении только неорганическими примесями или органическими примесями низкомолекулярной структуры. Он очищает воду не только от примесей, увидеть которые можно только в результатах лабораторных анализов, но и от легко определяемых человеком посторонних запахов и привкуса хлора и сероводорода.

Активированный уголь – эффективный адсорбент, имеющий в своей структуре микропоры, успешно выполняющие фильтрацию. Получить его нетрудно: сырьем для производства служит дерево, торф, скорлупа орехов, продукты животного происхождения. Нанесение на поверхность частиц активированного угля ионов серебра продляет срок службы адсорбента, предотвращая его поражение микробами.

Активированный уголь является на сегодняшний день одним из лучших сорбентов, используемых в современных системах. Он бывает разных типов. Самое высокое качество сорбционной очистки воды даст тот, что имеет максимально возможное количество микропор.

Сорбционная очистка воды активированным углем обычно используется для удаления из воды органики при ее подготовке перед обратным осмосом. При этом жидкость очищается и от хлора, что делает ее более приемлемой для проведения гигиенических процедур.

Фильтры, заполненные активированным углем, могут прийти в негодность, если в них с водой попадают коллоидные частицы, которые не дают микропорам выполнять свои функции. В таком случае приходится менять сорбент либо его восстанавливать.

Сорбционная очистка воды с помощью фильтров на активированном угле значительно улучшает качество жидкости, освобождая ее не только от хлора, но также от азотистых соединений. При одновременной сорбции и озонировании воды возможности активированного угля по ее очистке от примесей значительно повышаются. Если в качестве сорбента использовать природные минералы с добавлением Ca, Mg и окислов алюминия, вода очищается от соединений фосфора.

Отлично справляются сорбционные фильтры с очисткой воды от железа, когда в жидкости после процесса окисления образуются нерастворимые оксиды в виде твердых частиц.

На какие виды делится сорбционная очистка воды

По типу процесс сорбционной очистки бывает:

периодический;

непрерывный.

По гидродинамическому режиму есть:

установки вытеснения;

установки смешения;

установки промежуточного типа.

По состоянию слоев используемого сорбента очистка может быть:

движущейся;

неподвижной.

По направлению фильтрации очистка бывает:

противоточная;

прямоточная;

смешенного движения.

По контакту взаимодействующих фаз процесс очистки делят на:

ступенчатый;

непрерывный.

По конструкции фильтра очистка бывает:

колонная;

емкостная.

Основные виды сорбентов

Мы уже говорили, что очень популярным видом сорбента для очистки воды является активированный уголь, отлично удаляющий органические соединения природного и искусственного происхождения. Но, кроме активированного угля, используются и другие виды сорбента.

Безуглеродные сорбенты для очистки воды

Самой широко используемой технологией сорбционной очистки воды является очищение с помощью безуглеродных сорбентов. Они могут быть как природного, так и искусственного происхождения: глинистые породы, цеолиты и т. п.

Неуглеродные сорбенты обладают рядом преимуществ, таких как:

повышенная емкость;

способность обмениваться катионами;

распространенность и, соответственно, невысокая цена.

Глинистые породы

Глинистые породы часто играют роль фильтра воды в природе. Способность этого материала успешно использует для этих же целей и человек. Такие породы имеют слоистую жесткость, хорошо развитую структуру с большим количеством микропор различного размера.

Сорбционная очистка воды с помощью фильтров, где сорбентом выступают глинистые породы, – сложный процесс, включающий Ван-дер-ваальсовые реакции. В результате вода становится внешне кристально чистой, освобождается от токсичных органических соединений хлора, гербицидов, ПАВ.

Глинистые породы удобны еще и тем, что они доступны для добывания. Это увеличивает их потребление.

Цеолиты

Цеолиты – группа минералов с характерным стеклянным блеском. Сегодня используют природные и искусственные цеолиты. Они имеют интересное строение: трехмерный алюмосиликатный каркас с правильной тетраэдрической структурой и отрицательным зарядом. Гидратированные ионы щелочных и щелочно-земельных металлов расположены в пустотах каркаса и имеют положительный заряд, компенсирующий заряд каркаса. Цеолиты называют ситом для молекул, так как они улавливают вещества, молекулы которых меньше пустот каркаса.

Известно более 30 видов цеолитов. Самые используемые, которые просто добывать и перерабатывать: абазит, морденит, клиноптилолит.

Прежде чем использовать цеолит в качестве сорбента, его с хлорид-карбонатом натрия прокаливают в печи при температуре +1000 °С, после чего на его поверхности образуются кремнийорганические соединения, придающие ему гидрофобные свойства.

Цеолиты используют для сорбционной очистки воды в виде порошка. Они очищают воду от:

органических соединений.

коллоидных и бактериальных загрязнений;

пестицидов;

красителей;

Неорганические иониты

Большая их часть используется в форме соли, так как в водородной форме они существовать не могут. Но это не позволяет обессоливать воду без участия редких анионитов неорганических минералов. Поэтому приходится использовать органические катиониты и аниониты на основе синтетической органики.

Органические иониты

Многие органические иониты имеют гелевую структуру. У них нет пор, но в водном растворе они набухают и могут обмениваться ионами.

Есть работающие как активированный уголь макропористые иониты, которые менее емки, чем гелевые, но зато имеют улучшенный обмен и ситовый эффект, устойчивы к механической нагрузке, осмотически стабильны.

Важным достижением нашего времени стала возможность синтеза органических ионитов с заданными свойствами, не встречающимися в природе.

Из чего состоит сорбционный фильтр для очистки воды

Каждый сорбционный фильтр имеет следующие детали:

корпус определенного размера в виде баллона из стеклопластика;

стационарный слой активированного угля, имеющий гравийную подсыпку;

управляющий клапан определенного типа (иногда – механическая задвижка);

трубопровод для подачи сточной воды;

трубопровод для вывода очищенной воды;

трубопровод для подачи взрыхляющей воды;

дренажно-распределительная система.

Скорость работы фильтра напрямую зависит от того, насколько загрязнена вода, которую следует очистить. Влияют и размеры зерна сорбента (от 1 до 5 мм). Линейная скорость фильтрации воды может колебаться от 1 до 10 м 3 /час.

Лучшим способом сорбционной очистки воды считается ее подача в фильтр снизу вверх, когда вся площадь сечения фильтра наполняется водой равномерно, и из воды легко выходят пузырьки.

Для регенеративной очистки стоков с последующей утилизацией удержанных ценных элементов в сорбционном фильтре для очистки воды используют фильтры с неподвижным слоем сорбента. Извлечь нужные элементы в дальнейшем можно с помощью водяного пара либо химических растворителей.

Подробно изучить работу системы сорбционной очистки воды можно на примере фильтра серии ФСБ. Данная модель предназначена для работы в системах ливневой канализации. На входе в фильтр стоят предфильтры: пескоулавливатель и нефтеулавливатель, задача которых – не пропустить первые сильные загрязнения, способные быстро вывести фильтр из строя.

Пройдя предфильтры, вода по трубе попадает в сорбционный блок, откуда распределительно-разгрузочная труба выводит воду в нижнюю распределительную зону.

Попадая на расположенный здесь сорбент, вода равномерно распределяется по нему и проходит насквозь, очищаясь от примесей. Причем марку и объем используемого сорбента выбирают в зависимости от начального и конечного уровня концентрации вредных веществ и требующейся производительности.

Очищенная вода направляется восходящим потоком в сборный круговой лоток и отводится через патрубок.

Порядок работ по монтажу системы:

Выкопать котлован нужных размеров.

Засыпать его дно песком слоем 300 мм, хорошо утрамбовать.

На песчаной подушке залить железобетонную плиту толщиной не менее 300 мм, размеры которой на 1000 мм шире диаметра корпуса фильтра.

На плите смонтировать корпус сорбционного блока, тщательно соблюдая его вертикальность.

Чтобы корпус стоял устойчиво, в него предварительно (до уровня перфорированного днища) залить воду.

Корпус закрепить анкерами, чтобы при засыпке он не сдвинулся.

Котлован засыпать чистым песком до уровня входного и выходного патрубков. Делать это надо поэтапно, слоями по 300 мм, тщательно утрамбовывая каждый слой.

Подключить подводящий, отводящий и переливной трубопроводы. Далее засыпать корпус песком до верха, аккуратно утрамбовывая грунт, чтобы не повредить установленные трубы.

Заполнить корпус наполнителем из мешков, постоянно аккуратно распределяя его по всей площади днища.

Тщательно промыть уложенный сорбент до ввода системы в эксплуатацию.

В конце корпус необходимо заполнить чистой водой.

Если ваша система сорбционной очистки воды должна очищать воду от всех возможных типов загрязнения, то необходимо задействовать комплекс сорбентов: активированный уголь и различные ионообменные вещества, которые надо подобрать, учитывая примеси, находящиеся в воде вашего источника.

Существует множество видов систем сорбционной очистки воды. Чтобы подобрать ту, что подходит именно вам, изучите все факторы, проведите лабораторные исследования воды. Установка оборудования для очищения воды тоже требует специальных знаний. Поэтому ее должны выполнять профессионалы.

На российском рынке присутствует немало компаний, которые занимаются разработкой систем водоочистки. Самостоятельно, без помощи профессионала, выбрать тот или иной вид фильтра для воды довольно сложно. И уж тем более не стоит пытаться смонтировать систему водоочистки самостоятельно, даже если вы прочитали несколько статей в Интернете и вам кажется, что вы во всем разобрались.

Надежнее обратиться в компанию по установке фильтров, которая предоставляет полный спектр услуг – консультацию специалиста, анализ воды из скважины или колодца, подбор подходящего оборудования, доставку и подключение системы. Кроме того, важно, чтобы компания предоставляла и сервисное обслуживание фильтров.

Сотрудничая с «Biokit», вы получаете широчайший выбор систем обратного осмоса, фильтров для воды и многие другие устройства, предназначенные для очистки воды и возвращения ей естественных природных качеств.

Мы готовы вам помочь в данных направлениях:

Выбрать фильтр для воды.

Подключить систему фильтрации.

Подобрать сменные материалы.

Устранить неполадки в работе оборудования.

Привлечь специалистов-монтажников.

Дать телефонную консультацию по интересующим вопросам.

Доверьте очистку воды профессионалам компании «Biokit», которые заботятся о вашем здоровье.

Под сорбцией в общем случае понимают процессы поверхностного (адсорбция) и объемного (абсорбция) поглощения вещества на границе раздела двух фаз: твердой и жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной. Сорбционные процессы играют важную роль в современной технологии полупроводников и диэлектриков, поскольку позволяют разделять вещества с очень близкими физико-химическими свойствами (редкоземельные элементы, такие металлы, как цирконий и гафний, и т.д.).

Адсорбционная система состоит из адсорбента - вещества, на поверхности которого происходит поглощение, и адсорбата - вещества, молекулы которого поглощаются. По природе процессов различают физическую и химическую адсорбцию. При физической адсорбции молекулы адсорбата не вступают в химическое взаимодействие с адсорбентом и, таким образом, сохраняют свою индивидуальность на поверхности поглотителя; адсорбция в этом случае обусловлена действием сил Ван-дер-Ваальса. При химической адсорбции, или хемисорбции адсорбируемые молекулы вступают в химическую реакцию с адсорбентом с образованием на поверхности химических соединений. Обратный процесс - процесс удаления молекул с поверхности адсорбента называют десорбцией. Физическая адсорбция в отличие от хемисорбции обратима. Процесс десорбции также можно использовать как метод очистки. Адсорбция является избирательным процессом, т.е. на поверхности адсорбента адсорбируются только те вещества, которые понижают свободную энергию поверхностного слоя, или, другими словами, понижают поверхностное натяжение относительно окружающей среды. Таким образом, используя различную адсорбционную способность веществ, находящихся, например, в растворе, можно осуществить их разделение и очистку, поглотив одно из них адсорбентом и оставив другое в растворе. Количественной характеристикой адсорбционной системы является изотерма адсорбции. Она выражает связь между концентрацией вещества С в растворе и его количеством C s , адсорбированным единицей поверхности адсорбента при постоянной температуре в условиях адсорбционного равновесия. 1. Поверхность адсорбента имеет ограниченное число независимых адсорбционных мест, причем каждое место может адсорбировать только одну молекулу.

2. . МОС-гидридная эпитаксия полупроводников.

С помощью МОС-технологии может выращиваться большинство полупроводниковых соединений A 3 B 5 , A 2 B 6 и A 4 B 6 . В случае роста соединений A 3 B 5 вместо металлоорганических соединений элементов пятой группы могут использоваться гидриды соответствующих элементов. В этом случае принято использовать термин МОС-гидридная технология. Некоторые металлоорганические соединения: Ga(CH 3) 3 – триметилгаллий (ТМГ), Ga(C 2 H 5) 3 – триэтилгаллий (ТЭГ), In(CH 3) 3 – триметилиндий (ТМИ), In(C 2 H 5) 3 – триэтилиндий (ТЭИ), Al(CH 3) 3 – триметилалюминий (ТМА) (в общем виде – MR3, где M – металл, R 3 – (CH 3) или (C 2 H 5) – алкил). Гидриды: AsH 3 – арсин, PH 3 – фосфин.

Схематическое описание процессов при МОС-гидридной эпитаксии показано на рис. 2. Реакция происходит в газовом потоке при атмосферном или пониженном давлении в реакторе с холодными стенками. Газом-носителем обычно является водород. Отдельные стадии полной реакции имеют место уже в газовой фазе. Заключительные стадии и встраивание в решетку происходят на поверхности полупроводника. Типичные реакторы позволяют подключать несколько металлоорганических и гидридных источников, поэтому в едином ростовом цикле могут быть последовательно выращены чередующиеся слои разных материалов. Это дает возможность получать многослойные многокомпонентные эпитаксиальные структуры.

В технологическом процессе эпитаксии из металлоорганических соединений не участвуют травящие вещества, процесс роста при этом не является результатом конкуренции между осаждением и травлением, как в некоторых других методах эпитаксии из парогазовой фазы. Как следствие, обеспечиваются резкие границы между слоями, однородность растущих слоев по толщине и составу.

МОС-гидридная эпитаксия - самая простая из всех технологий получения эпитаксиальных слоев соединений A III B V из газовой фазы. Суммарной реакцией образования соединений является реакция типа

Ga(CH 3) 3 +AsH 3 →GaAs (тв) +3CH 4 ,

Из физико-химических методов наиболее часто используется очистка с помощью адсорбентов органической и неорганической природы. Твердые сорбенты растительного происхождения - это опилки. Для повышения качественных характеристик древесных опилок их пропитывают расплавом. Для сорбции нефти и нефтепродуктов могут применяться такие вещества, как торф, торфяной мох, бурый уголь, кокс, рисовая шелуха, кукурузная лузга, древесные опилки, диатомовая земля, солома, сено, песок, резиновая крошка, активированный уголь, перлит, пемза, лигнин, тальк, снег (лед), меловой порошок, отходы текстильной промышленности, вермикулит, изопреновый каучук и некоторые другие материалы (табл. 5.3).

Существуют различные способы очистки загрязненного нефтепродуктами грунта с использованием сорбционных материалов. Например, если в качестве адсорбента используют гидрофобизованные отработавшем техническим маслом опилки, то методика очистки заключается в смешивании их с загрязненной нефтью почвой, заливке смеси водой и перемешивании. После того как загрязненные опилки всплывут, их удаляют с поверхности воды. При таком методе очистка грунта достигает 97-98 %. Для сбора пролитого масла или маслообразных продуктов можно использовать рыхлую или крупчатую снежную массу. Пролитое масло покрывают слоем снега высотой 2-3 см, слегка его утрамбовывают, чтобы улучшить контакт с маслом, дают снежной массе некоторое время для пропитки маслом, после чего ее перемешивают. Обработку масляного пятна ведут до тех пор, пока большая часть снежной массы им не пропитается, после чего собирают в отдельную емкость, нагревают и отделяют выделившееся масло.

Главным свойством сорбента, применяемого для очистки нефтезагрязненных объектов, является его гидрофобность. Такое свойство присуще, например, древесному углю и пиролитическим отходам целлюлозно-бумажной промышленности. При пиролизе отходов древесины на лесокомбинате «Балыклес» г. Нефтеюганска производят продукт «Илокор» с хорошими сорбционными свойствами в отношении углеводородов нефти. Он представляет собой полидисперсный порошок с размерами частиц 0,3-0,7 мм с сорбционной емкостью 8,0 -8,8 г нефти на 1 г сорбента. На основе данного препарата получены две его модификации: «Эколан» и «Илокор-био». Эти сорбенты обладают не только хорошими сорбционными свойствами, их применение способствует быстрому вое-

становлению любого типа нефтезагрязненных почв. Так, при внесении в почву, загрязненную нефтью 50 л/м 2 , препарата «Эколан» из расчета 20 кг/м" происходило практически полное восстановление почвенного плодородия. Для восстановления выщелоченных черноземов потребовалось 3-4 мес., а для серых лесостепных почв - 7-8 лет. При внесении в загрязненную почву препарата «Эколан» резко снижается токсичность почвы, вследствие эффективной сорбции легких фракций нефти.

Таблица 5.3

Сорбционные материалы для сбора нефти и нефтепродуктов

Сорбент	Природа сорбента	Весовое соотношение сорбента и загрязнителя
Торф гранулированный	Органическое вещество естественного происхождения
Торф воздушно-сухой
Торф (влажный)
Сибсорбент-2	Специально обработанный
Целлюлоза фирмы
Соцветия тростника
Мох влажный
Г ранулы полиуретанового пенопласта	Органическое вещество искусственного происхождения
Изопреновый каучук	Органическое вещество органического происхождения
Карбамидный полимер
Резиновая крошка	Композиционный материал, включающий материал органической и неорганической природы
Диатомовая земля	Неорганическое вещество естественного происхождения
	Неорганическое вещество, прошедшее специальную подготовку
Базальтовое волокно	Неорганическое вещество естественного происхождения
Древесный уголь	Неорганическое вещество, полученное при сжигании древесины
Суперсорбент	Модифицированный пенополиуретан
	Модифицированный природный слоистый алюмосиликат
«Иликор»	Органическое вещество естественного происхождения, прошедшее специальную обработку
Аэрофонтанное волокно

Дешевый и экологически чистый препарат "Эконафт" был разработан фирмой "Инсгво". Расход этого вещества для обезвреживания нефгемас-лоотходов составляет 0,3-1,0 т на 1 т отходов в зависимости от степени загрязнения. После смешения препарата с загрязненной землей или другими нефтемаслоотходами процесс адсорбции завершается через ЗСМ10 мин. При этом утилизируемый материал приобретает вид гранул, прочный наружный слой которых герметизирует адсорбированные жидкие загрязнения и изолирует их тем самым от земли. Полученные гранулы не смачиваются водой, морозоустойчивы и стойки при хранении. Смешанные с землей гранулы могут быть использованы в качестве наполнителя в производстве строительных и дорожных материалов.

Для изготовления различных сорбентов широко используются материалы растительного происхождения. Американская фирма "СопуееГ производит армированный пластмассовой сеткой материал растительного происхождения, основой которого служит целлюлоза. Этот материал способен адсорбировать 10-15-кратное количество сырой нефти. Для удаления нефтепродуктов с водной поверхности применяют соцветия тростника. Их сорбционная способность - от 11 до 30 г нефти на 1 г тростниковых соцветий. В Англии разработан гидрофобный сорбент на основе специально обработанного древесного волокна, который выпускается в виде матов.

Оригинальный материал изготавливают из отходов целлюлозно-бумажной промышленности. В качестве сорбента предлагается использовать подвергнутое аэрофонтанной сушке волокно, представляющее собой объемную массу, состоящую из мельчайших волокон жгутовой свивки. Волокно получают путем переработки осадка сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности. С этой целью частично их обезвоженный осадок измельчают и высушивают в фонтанной струе горячего (120-140 °С) воздуха до влажности 3-4 %. Коэффициент поглощения нефтепродуктов таким волокном составляет 4-5. Благодаря горячей обработке и присутствию каолина в составе сорбента жгутики волокна приобретают структурную стабильность и упругость, что позволяет легко распылять его по нефтезагрязненной поверхности, а наличие смолы придаст волокну гидрофобность и плавучесть. Сорбент распыляют по загрязненной поверхности почвы или водоема. Адсорбция нефтепродуктов происходит в течение 30-60 с. Пропитанное нефтью волокно легко собирается любым механическим способом, прессуется в брикеты и утилизируется.

К минеральным сорбентам относятся перлит, вермикулит, цеолит и др. Как правило, для улучшения сорбционных свойств их модифицируют. Обработанный кремнийорганическими соединениями перлит эффективно собирает нефть в концентрации от 6 до 9 г/г.

Базальтовое волокно при определенной модификации может применяться для сорбции нефти и нефтепродуктов. Сорбент получают механическим смешиванием базальтового волокна и кремнийорганических или органических гидрофобизирующих соединений при соотношении 85-98 и 2-15 масс. % соответственно. Базальтовое волокно имеет следующий химический состав, масс. %: 8Ю 2 49,5-50,5; ТЮ 2 1,1-1,6;

АЬОз 14,5-15,5; Na 2 0 + К 2 0 2,8-3,5; Fe 2 03 + FeO 14,3-15,3; S0 3 не более 0,3; CaO 8,5-9,5; MgO 4,8-5,6 и H 2 0 0,2. Исходное базальтовое волокно хорошо пропитывается водой (гидрофобность 0%) и имеет pH 3,4-5,17. По отношению к легким нефтепродуктам сорбционная емкость гидрофобизированного базальтового волокна достигает 50-60 г/г. Сорбент на основе базальтового волокна по сравнению с другими волокнистыми сорбентами обладает существенно большей сорбционной способностью, и, кроме того, он может быть использован многократно.

Разработаны методы обезвреживания нефти и нефтепродуктов путем их связывания и превращения в твердые образования. При введении в смесь портландцемента жидких и твердых углеводородов образуется состав, который затем подвергают сушке. При этом углеводороды оказываются как бы покрытыми слоем цемента, изолирующим данный состав от соприкосновения с окружающей средой. Далее происходит застывание цемента в форме, которая придается смеси на начальном этапе перемешивания.

К способам отверждения можно отнести также известкование - обработку нефтезагрязненных грунтов негашеной известью в количестве 0,5-5% от массы разлитого нефтепродукта, в результате чего образуется твердый продукт, прочно удерживающий нефтепродукты в виде сложных образований - комплексов. Предлагаемый Курским институтом экологической безопасности препарат «Эконафт» применяется для санации нефтезагрязненных почв и ликвидации аварий нефтепроводов . Он представляет собой порошок, состоящий из негашеной извести и «модификатора» и добавляемый в отходы в соотношении 1 - 1н-2 по объему. Технология использования «Эконафт» основана на свойствах минеральных сорбентов оксидов - магния, кальция и хрома, из которых состоит негашеная известь, при гашении увеличивать удельную поверхность в 15-30 раз и превращаться в объемное вяжущее вещество с высокой адсорбционной способностью относительно углеводородов нефти. Процесс гашения сопровождается выделением большого количества тепла, в результате чего, собственно, и происходит резкое увеличение удельной поверхности.

Гашеная известь, как известно, хорошо смачивается водой, что приводит к резкому сокращению или даже к исчезновению ее абсорбционной способности. Поэтому для придания гидроксиду кальция гидрофобных свойств в процессе гашения в реакционную смесь вводят специальные вещества - модификаторы. В препарате «Эконафт» таким модификатором является триглицерид - полный эфир глицерина и высших жирных кислот. При смешении с известью он реагирует с ионами кальция на поверхности минерального сорбента, в результате чего образуется новое соединение - мыло- триглицерид кальция. Закрепленный на поверхности он придает ей гидрофобные свойства и способность образовывать с углеводородами нефти прочные соединения.

Предложенная технология обезвреживания загрязненных грунтов с использованием препарата «Эконафт» заключается в смешивании отходов с негашеной известью с добавкой модификатора и обработке смеси водой. При этом образуются гидрооксиды щелочно-земельных металлов, порошок которых обладает гидрофобными свойствами. Нефтепродукты препаратом эффективно адсорбируются с получением сухого, стойкого при хранении однородного порошкообразного вещества «ПУН», представляющим собой гранулы, состоящие из нефтесодержащих отходов, заключенных в известковые оболочки - капсулы. Полученные гранулы не смачиваются водой, морозоустойчивы и стойки при хранении .

Еще одним способом отверждения является смешивание нефти и нефтепродуктов с известковой вяжущей пастой на водной основе. Полученную смесь формируют в блоки размеров, удобных для последующей транспортировки или захоронения, и выдерживают до затвердения, в результате чего достигается капсулирование экологически вредных веществ в твердой цементирующей массе. Для ускорения процесса отверждения и снижения расхода огвердителя в композиционную смесь добавляют нетоксичную окись хрома. Окись хрома, полученная при термическом разложении двухромовокислого аммония, рассыпается по поверхности отверждаемой жидкости. Благодаря сильно развитой структуре поверхности она поглощает нефть, нефтепродукты и растительные масла.

Среди обширного класса сорбентов наиболее эффективными для удаления с различных поверхностей органических загрязнителей являются искусственные сорбенты многоразового пользования с высокоразвитой открытой пористой структурой. К таким материалам относится, например, сорбент, созданный на основе карбамидного олигомера, специальным способом вспененного и превращенного в поропласт с высокоразвитой межфазной поверхностью. Он обладает отличными олеофильными свойствами и высокой сорбционной способностью: 1 г такого сорбента может поглощать до 60 г нефти и нефтепродуктов, а скорость сорбирования составляет от нескольких минут до 1-2 ч в зависимости от вязкости нефтепродукта. Из сорбента легко извлечь до 97 % собранных нефтепродуктов простым методом отжима.

В Сибирском институте химии нефти СО РАН (г. Томск) разработана технология получения высокоэффективных адсорбентов на основе ультрадисперсных порошков .

Адсорбенты на основе окиси алюминия имеют неравновесную кристаллическую структуру, развитую поверхность и способны эффективно и быстро адсорбировать из воды органические вещества, нефтепродукты, тяжелые металлы, радионуклиды, галогены и другие загрязнители. Кроме того, эти адсорбенты обладают способностью коагулировать и осаждать коллоидные частицы железа, неорганических примесеи и эмульсии органических веществ и нефтепродуктов в водной среде.

Твердые синтетические полимерные сорбенты (пенополиуретан, различные смолы) состоят из частиц, содержащих открытые поверхностные поры, способные удерживать углеводороды и закрытые внутренние поры, придающие частицам хорошую плавучесть. Такие сорбенты не поглощают воду, но способны поглотить 2-5-кратный объем углеводородов. На некоторых предприятиях США для удаления нефти с поверхности воды используют хлопья полиуретановой пены, которая в дальнейшем собирается и отжимается с помощью специального устройства.

Хорошими сорбционными свойствами обладают такие полимерные материалы, как вспененные полистирольные гранулы или фенолформальдегидная стружка. Одним из лучших материалов в сорбции нефти является препарат «Пламилод», который представляет собой специально изготовленную пластмассу. Данный материал может впитать в себя до 1 т нефти на 40-130 кг собственного веса .

В последнее время для очистки природных сред все большее применение находят природные сорбенты естественного происхождения, такие как бентонитовые глины, цеолиты, шунгизиты и другие глинистые породы, которые обладают достаточно высокой сорбционной емкостью, катиоонообменными свойствами, сравнительно низкой стоимостью и доступностью, как местного материала. Значительно расширяет область применения местных природных сорбентов тот факт, что можно получать различные модификации вышеназванных сорбентов или их композиции для того, чтобы целенаправленно использовать их непосредственно в регионе.

В качестве сорбентов практически могут служить все мелкодисперсные и пористые природные твердые вещества, имеющие развитую поверхность.

Обычно природные адсорбенты имеют недостатки, к числу которых относят нелинейность изотерм и низкую каталитическую активность. Поэтому их модифицируют, применяя один из следующих способов: обработку водой, растворами кислот, щелочей и неорганических солей, связывание гидроксильных групп хлорсиланами или другими веществами, нанесением на поверхность нелетучих органических жидкостей, получение коллоидных систем и нанесением пыли адсорбента на инертный носитель.

С 1828 года минералогам известен минерал глауконит, однако данные о его происхождении появились значительно позднее. Образуется он на дне морей, на границе между окислительной и восстановительной зоной, как нормальный химический осадок, выпадающий в виде геля. О положительном эффекте при использовании глауконитов для повышения урожайности сельскохозяйственных культур в конце XIX века писали А.Н. Энгельгардт, В.А. Азимов, А.В. Ключарев и академики П.А. Григорьев и Д.Н. Прянишников. Впервые химический состав и условия образования глауконита осадочного происхождения был подробно изучен известным русским почвоведом К.Д. Глинкой в 1896 году.

Глауконит широко распространенный в природе минерал, общие ресурсы которого оцениваются в 35,7 млрд тонн. Россия обладает значительными ресурсами глауконитсодержаицих пород, наиболее крупные скопления приурочены к отложениям третичного периода и мезозойской эры. Наиболее перспективными считают запасы глауконитов в Центрально-европейской части, Калининградской области, Приазовье, Поволжье, на Южном Урале и Зауралье. Крупные месторождения глауконита обнаружены в Челябинской области.

Глауконит - глинистый минерал переменного состава с высоким содержанием двух- и трехвалентного железа, кальция, магния, калия, фосфора, а также содержит более двадцати микроэлементов, среди которых - медь, серебро, никель, кобальт, марганец, цинк, молибден, мышьяк, хром, олово, бериллий, камдий и другие. Все они находятся в легко извлекаемой форме сменных катионов, которые замещаются находящимися в избытке в окружаемой среде элементами. Этим свойством, а также слоистой структурой, объясняются высокие сорбционные свойства по отношению к нефтепродуктам, тяжелым металлам, радионуклидам. В то же время для глауконита характерен низкий процент десорбции (удаление из жидкостей или твердых тел веществ, поглощенных при адсорбции или абсорбции) и пролонгированное действие, высокая теплоемкость, пластичность и пр. структурная решетка глауконита представлена на рис. 5.3.

Глаукониты благодаря своим специфическим свойствам (наличию красящих окислов, активных катионов, слоистой структуре) используются для очистки питьевой и оборотной воды, восстановления почв, очистки сточных вод, улавливании газов, устранения запахов, нейтрализации разливов нефтепродуктов, сорбции тяжелых металлов, радионуклидов и токсикантов.

Глауконит соответствует техническим условиям ТУ-2164-003-45670985-05. В табл. 5.4 представлены физико-химические свойства глауконита. Глауконит по содержанию тяжелых металлов и радионуклидов должен соответствовать требованиям, представленным в табл. 5.5.

Таблица 5.4

Физико-химические свойства глауконита_

Глауконит предназначается для использования в качестве сорбента тяжелых металлов, радионуклидов и нефтепродуктов, при очистке сточных и оборотных вод, почв, подвергающихся техногенному загрязнению, в том числе обочин автодорог, скверов и газонов, расположенных вблизи городских автомагистралей с интенсивным движением автотранспорта; предприятий нефтеперерабатывающей промышленности, нефтеперекачивающих станций, АЗС, авторемонтных комплексов. Нор-

мы внесения глауконита в качестве сорбента зависят от уровня и площади загрязнений, а также от степени его обогащения.

Таблица 5.5

Требования к глауконитам по содержанию радионуклидов и тяжелых металлов

Глауконит относится к группе малотоксичных веществ четвертого класса опасности. По пожарным свойствам глауконит относится к группе негорючих и невзрывчатых веществ.

Особое место среди сорбентов, используемых для снижения концентрации нефтепродуктов, занимают глины и их модификации. Глины являются неорганическими ионообменниками. Это их свойство играет огромную роль в плодородии почвы, а также в движении в почве таких загрязнителей, как, например, тяжелые металлы или ионные пестициды.

Поскольку глинистая фракция большинства почв в силу высокой удельной поверхности с многочисленными активными центрами на ней фактически определяет свойства почвы, используемые в сельском хозяйстве. Кроме того, именно глинистой фракцией почв определяются буферные свойства почвы. Особые свойства глин, относящихся к группе смектитов, оказались чрезвычайно полезными в технологиях восстановления почв и отверждения опасных отходов, которые очистить стандартными технологиями не представляется возможным. Преобладающими минералами в глинистой фракции почв являются алюмосиликаты.

С середины 1980-х гг. для технологии восстановления объектов окружающей среды начали использовать модифицированные глины, или, как их называют чаще, органоглины. Они получаются обработкой природных глин четвертичными аминами, т.е. алкиламмониевыми солями. Органически модифицированные глины, или органоглины, состоят из бентонита, модифицированного солями четвертичного амина, например, хлоридами диметилдиалкил аммония. Главным компонентом бентонита является глинистый минерал монтмориллонит. Он имеет катионообменную емкость 75-90 мэкв/100 г. Аммонийная функциональная группа с атомом азота в четвертичном амине, которая имеет поло-

жительныи заряд, замещает на поверхности глины ионы натрия и кальция. В процессе приготовления органоглины замещенные ионы натрия и кальция вместе с высвобождающимися хлорид-ионами из молекул исходного четвертичного амина отмываются - переходят в раствор. После этой операции образовавшаяся модифицированная глина действует как неионногенное поверхностно-активное вещество, активно захватывающее неполярные молекулы нефти, масел и других плохо растворимых органических соединений.

Для удаления из воды растворимых органических соединений часто используют активированный уголь. Однако содержащиеся в сильно загрязненной воде капли нефти или масел закрывают поры активированного угля, и он перестает «работать». Применение органоглин предотвращает закрывание пор на частицах активированного угля.

Если удаление нефти является главной целью применения органоглины, то глина гранулируется, а затем смешивается антрацитом, играющим в данном случае роль активированного угля.

Использование модифицированных глин в качестве добавок к цементирующим связкам позволяет иммобилизовать нефтепродукты и ароматические соединения, часто присутствующие в отходах многих типов, в том числе в загрязненных почвах.

В Республике Татарстан находится Биклянское месторождение бентонитовых глин, которые можно использовать в качестве сорбентов для рекультивации загрязненных нефтепродуктами земель. В связи с этим, были проведены исследования по разработке эффективного метода активации бентонитовых глин с целью улучшения их сорбционных свойств, в частности, исследована возможность повышения поглотительной способности природных сорбентов на примере шунгита и бентонита при обработке природным высокомолекулярным соединением -картофельным крахмалом.

Модификацию природных сорбентов проводили раствором щелочного крахмала. Процесс модификации состоял из двух этапов: приготовления модификатора и непосредственно модификация сорбентов. На первой стадии крахмал смешивали с 7% раствором КОН при комнатной температуре и после кипячения охлаждали.

Сорбенты предварительно измельчали, а затем смешивали при комнатной температуре в различных соотношениях с предварительно приготовленным раствором модификатора. Модифицированный природный сорбент отделяли от воды вакуум-фильтрацией.

В полученных модифицированных сорбентах определяли сорбционную емкость и площадь их поглотительной поверхности (табл. 5.6).

Эффективность сорбции зависит от величины поверхности взаимодействия. Основной характеристикой сорбционной способности материала является «емкость» сорбента - определенное количество тех или иных загрязнителей, которые могут быть поглощены данным количеством сорбента.

Введение крахмала в шунгит сначала приводит к увеличению сорбционной емкости сорбента. При введении 4х10" 3 мг/г крахмала сорбционная емкость увеличивается примерно на 12%, а затем, при дальнейшем увеличении содержания полимера падает до исходного значения. Таким образом, модификация шунгита практически не приводила к заметному увеличению сорбционной емкости сорбента.

Таблица 5.6

Изменение сорбционных характеристик сорбентов_

При модификации глакоунита изменение сорбционной емкости происходит в пределах 29%. При увеличении концентрации крахмала в растворе до 1 Ох 10" 3 мг/г сорбционная емкость глакоунита возрастает; при дальнейшем его увеличении наблюдается незначительный ее спад.

Модифицирование бентонита приводит совсем к другой закономерности. С ростом концентрации крахмала наблюдается устойчивое возрастание сорбционной емкости. Максимальные значения 113,88 мг-экв/100г были достигнуты при обработке бентонита щелочным раствором при содержании 8 х 10" 3 мг/г крахмала. Таким образом, увеличение сорбционной емкости модифицированного бентонита относительно не модифицированного составило 2,6 раза.