CC BY
126
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СОРБЕНТОВ, НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ ОРГАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Мусеев Т.С.1, Солдатов К.В.2 ©
1 2
' Магистрант, кафедра Теплогазоснабжения, вентиляция и водоснабжения, водоотведения, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Аннотация
В статье подробно рассмотрены современные сорбенты, которые используются в водоподготовке и очистке сточных вод. Так же представлены технические характеристики используемых сорбентов. Рассмотрены сорбенты на основе материалов органического происхождения.
Ключевые слова: сорбент, сорбция, адсорбция. Keywords: sorbent, sorption, adsorption.
Сточные воды предприятий различных отраслей промышленности, в том числе нефтяной содержат большое количество ионов тяжелых металлов. Они представляют серьезную опасность с экологической точки зрения, вследствие канцерогенного воздействия на окружающую среду. Для очистки сточных вод применяют различные методы, в том числе и сорбционные
Механизм сорбции заключается в том, что в порах сорбентов существует межмолекулярное притяжение, которое приводит к возникновению адсорбирующих сил. При этом наблюдаются следующие виды межмолекулярного взаимодействия:
1. Молекул растворенного вещества с молекулами поверхности сорбента;
2. Молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация).
При адсорбции загрязнений, содержащихся в сточных водах, имеют место три
процесса:
1. Внешняя диффузия - перенос молекул из жидкой фазы к поверхности адсорбента, осуществляемая за счет броуновской диффузии или перемешивании жидкости за счет турбулентной диффузии;
2. Внутренняя диффузия молекул - по макропорам к поверхности микропор, скорость которой определяется строением адсорбента и размером молекул сорбируемого вещества;
3. Адсорбционный процесс - перемещение к микропоре.
При адсорбции играют роль как физические, так и химические взаимодействия между адсорбентом и адсорбируемым веществом. В случае физического взаимодействия загрязнения задерживаются на поверхности сорбента за счет слабых Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения. Задержание же загрязнений при химическом взаимодействии является результатом образования прочной связи между активными участниками на поверхности сорбента с загрязнениями.
При сорбции изменяются следующие показатели качества воды:
1. Органолептические (мутность, цветность, запах, привкус);
2. Обобщенные (взв. в-ва, pH, БПК, ХПК, сух. ост., нефтепродукты)
3. Химический состав.
Таким образом, эффективность сорбента зависит от наличия достаточной площади поверхности и присутствия активных, по отношению к загрязнениям сточных вод, участков на этой поверхности.
Активированные угли (АУ) на сегодняшний день являются основным материалом, использующимся в качестве сорбента. Активные угли представляют собой пористые углеродные тела, зерненые или порошкообразные, имеющие большую площадь поверхности.
© Мусеев Т.С., Солдатов К.В., 2017 г.
Пористая структура активных углей характеризуется наличием развитой системы пор, которые классифицируются по размерам следующим образом:
• Микропоры - размер >20А;
• Мезопоры - размер 20-500А;
• Макропоры - 500А > (рис. 1)
Макропоры
{> 500 А)
Мезопоры
{20 - 500 А)
Микропоры
(< 20 к)
Рис. 1. Структура пор АУ
В качестве сырья в производстве активированного угля используются материалы органического происхождения: древесина, каменный уголь, битумный уголь, скорлупа кокосовых орехов и др. Указанное сырьё сначала обугливают, затем подвергают активации.
Сущность активации состоит во вскрытии пор, находящихся в углеродном материале в закрытом состоянии. Это делается либо термохимически (предварительно материал пропитывают раствором хлорида цинка, карбоната калия или некоторыми другими соединениями, и нагревают без доступа воздуха), либо путём обработки перегретым паром или углекислым газом или их смесью при температуре 800—850 °C
Основные технические характеристики АУ представлены в табл. 1 и табл.2.
Таблица 1
Показатель Марка активного угля
206С 207С 207СР 207ЕА 208С 607С AGC
Площадь 850 - 1050 - 1050 - 950 - 1150 - 1050 - 1050 -
поверхности, м2/г 1050 1500 1150 1100 1350 1150 1500
СТС- 40-50 50-60 50-60 50-60 60-70 50-60 50-60
адсорбция, % (в/в)
Насыпная 0,51 - 0,49 - 0,35 - 0,48 - 0,47 - 0,49 - 0,49 -
плотность, 0,55 0,53 0,44 0,52 0,51 0,53 0,53
г/см3
Влажность, % <5 <5 <10 <1 <3 <1 <3
(в/в)
Твердость, % 96-99 95-99 - 93-96 - 95-99 95-99
(в/в)
Зольность, % <3 <3 <3 <1 <3 <1 <1
(в/в)
Таблица 2
Меш-размер Размер зерна, мм Марка активного угля
206С 207С 207СР 207ЕА 208С 607С AGC
4 x 10 4,75 -2,0 X
6 x 12 3,35 -1,7 X X X X X
8 x 16 2,36 -1,18 X X X Х Х
8 x 30 2,36 -0,6 X
12 x 30 0,6 -1,7 X X X X Х
12 x 40 0,425 -1,7 X
- < 0,2 X
Краткая характеристика ГСК ГВК ПВК ГСУ ГВК ГВВК ГВС
Примечания:
• ГСК - гранулированный среднеактивный из скорлупы кокосовых орехов;
• ГВК - гранулированный высокоактивный из скорлупы кокосовых орехов;
• ПВК - порошкообразный высокоактивный из скорлупы кокосовых орехов;
• ГСУ - гранулированный среднеактивный из угля;
• ГВВК - гранулированный высокочистый высокоактивный из скорлупы кокосов;
• ГВСК - гранулированный высокоактивный, серебросодержащий из скорлупы кокосов.
Древесный уголь характеризуется высокой пористостью (до 1,8-2,0 см /г), широким распределением пор по размерам, большой удельной поверхностью, однако он имеют низкую механическую прочность и удельную массу. Технические характеристики древесного угля согласно ГОСТ 6217-74 «Угол активированный древесный дробленый» представлены на рис.2
11 uj1 мц 1шел1iiu iidkj 1.! ТИЛЯ ILÍ'TIMII .1.1» цирки Метал .11,111. isa
БАУ Л БЛУ Ли ДА К ShAV MUI
OKI] Г'Ш <I¡ÜII OKI 2: IJJÍdiH [Ж 13 2: Í3J? 415«! OKI] 1: Í14IH]
1. Внешний 1111,1 ÍLnpi L11 ЧСрНСИЩ ПН'.' Г. fjCd Зерни 'ссрнжно иве г: &сз Внаудльнч
mci.. "н г.ии buiicil l! 1] ¡1 мехдннческнх прии^еii
1. Ащдзрбининнш* дхтаиноггь lll. II. 4.4
no lum-. % не м-нгг Mh f.U :5м ?ll
.1. Суммарны и üfVbrM пир пи l.J Не lid rt)CT I72I1)
НЧДС, -Ч ! . мен«: l.(i 1.4 ниркнрустся
4. Насыпной il'LUHU^ ib. Ли ГОСТ JfiL»
г/ди1. ILL' fSil.'ILV J4IJ 14IJ Не НОрЫНруЕгг:ч
ü. Фракшшный L1K1UE, Пи гост ists?
массовая доля 1нл:т:э и: с шг с
пилипним:
№ .'t'. ''г. НС ЙИПСС 2..Í -
№ 10, ri м енее 4Í.5 -
пи пчддине,' . bit б од ее 2.U -
№ 5, 'v. не Sanee - - — 1S
№ i. не MLIÍL'L' - - - :и
пи пчддинс, 'г. не подсс - - — i
6. Мшхшш доля золы, ''i-, не 11ч ГОСТ 1><%
бш[« л 7 <1 i и
Л Матован .laiíi bjijiji %, не 11ч ГОСТ IJi'J?
ñLHIL1" [0 10 10 10
Я. Проч|«к;тъ, не менее - [lll - - По п. 4 5
Рис.2. Технические характеристики древесного угля
Особую группу представляют новые для нашего рынка импортные активированные угли, изготовленные из скорлупы кокосового ореха, в них сочетаются высокая прочность, стабильный оптимальный гранулометрический состав, высокая емкость.
Так же одним из наиболее перспективных методов очистки природных и сточных вод является сорбция на различных природных материалах, что позволяет повторно использовать очищенную воду. Они бывают природного и искусственного производства.
Преимущества неуглеродных сорбентов:
• повышенная емкость;
• способность обмениваться катионами;
• невысокая цена и распространенность поэтому часто их не регенерируют.
К материалам, способных в той или иной мере очищать воду от загрязнителей, можно отнести весьма широкий перечень природных веществ: антрацитовую крошку, кварцевый песок, мел, диатомит, опоки, трепела, доломит, цеолит, магнетит и др. Более подробно свойства природных сорбентов рассмотрены ниже.
Глинистые породы - наиболее распространенные неорганические сорбенты для очистки воды. Они обладают развитой структурой с микропорами, имеющими различные размеры в зависимости от вида минерала. Большая часть из них обладает слоистой жесткой или расширяющейся структурой.
Процесс сорбции с применением глинистых пород сложен. В него входят Ван-дер-ваальсовые реакции. Они хорошо обесцвечивают воду, убирают взвешенные частицы и токсичные органические соединения хлора и гербицидов, ПАВ.
Природные сорбенты берут в местности их использования, что увеличивает их потребление в технологии водоочистки.
Цеолиты - характеризуются трехмерным алюмосиликатным каркасом с правильной тетраэдрической структурой и отрицательным зарядом. Гидратированные ионы щелочных и щелочноземельных металлов расположены в пустотах каркаса и имеют положительный заряд, компенсирующий заряд каркаса. Цеолиты можно использовать только для веществ, у которых размеры молекул меньше входного отверстия. Их еще называют ситом для молекул.
Существует более 30 видов. Самые применяемые: шабазит, морденит, клинопптиломит. Их легко добывать и перерабатывать.
После добычи их прокаливают в печах при 1 тыс. градусов с хлоридом карбонатом натрия. Применение кремнийорганических соединений на поверхности цеолитов придают им гидрофобные свойства.
Используются в порошкообразной форме. Цеолиты задерживают:
• ПАВ ;
• красители;
• пестициды;
• коллоидные и бактериальные загрязнения;
• органические соединения.
Неорганические иониты считаются перспективным направлением в технологии водоочистки. Самые распространенные: цирконилфасфат, титаносиликаты, цирканосиликаты, оксалат циркония, соли гетеро- и поликислот, ферроцианты тяжелых металлов, гидроксиды железа, сульфиды железа, нерастворимые в воде;
Большинство из них не может иметь водородную форму, при которой их структура разрушиться. Удобной для них стала солевая форма. Но она исключает возможность обессоливать воду без редких анионитов неорганических минералов. Для этого используют органические катиониты и аниониты на основе синтетической органики.
Органические иониты - характеризуются гелевой структурой. Реальных пор нет, но при попадании в растворы воды они набухают и могут обмениваться ионами.
Существуют макропористые иониты, работающие по принципу активированного угля. Они устойчивы к механической нагрузке, осмотически стабильны, имеют улучшенный обмен и ситовой эффект, но менее емкие по сравнению с гелевыми.
Минеральные сорбенты — глины, силикагели, алюмогели (активный оксид алюминия) и гидроксиды металлов для адсорбции различных веществ из сточных вод используют мало, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика — иногда превышает энергию адсорбции, либо их применяют целенаправленно для удаления каких-то конкретных загрязняющих веществ.
В последнее время растет количество сорбентов на основе легкодоступных материалов, таких как кора хвойных пород, опилки, солома и др. Опилки обладают высокими поглощающими свойствами. Сорбционная емкость зависит от размера частиц сорбционного материала. Максимальное количество нефти сорбируется опилками, размер частиц которых равен ~ 2 мм - 2 г/г, коры - 1,8 г/г, соломы - 1,7 г/г. Эффективность очистки опилками составила ~ 98 %, корой хвои - 90 %, соломой - 80 %. Отработанные сорбционные материалы возможно использовать в качестве топлива
Большое количество работ посвящено сорбентам на основе отходов сельскохозяйственной переработки (шелуха гречихи, риса, подсолнечника, арахиса). Известны сорбенты на основе банановых и апельсиновых корок, оливкового жмыха, пальмового волокна, хлопкового волокна и другие.
Литература
1. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. -М.: ДеЛи принт, 2004.-C.-287 с.
2. http://vse-o-vode.ru/industry/ochistka/sorbenty-dlya-ochistki-vody/: (Дата обращения 12.12.2016г.)
3. Климов Е. С., Бузаева М. В. Природные сорбенты и комплексоны в очистке сточных вод. -Ульяновск : УлГТУ, 2011. - 201 с
4. ГОСТ 7657-84 Уголь древесный. Технические условия.
