CC BY
56
66.081
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОРБЦИИ ИОНОВ МЕДИ (II), КАДМИЯ (II), ЦИНКА И СВИНЦА (II) НА МАГНИЙ-АЛЮМИНИЕВОМ СОРБЕНТЕ В СТОЧНЫХ ВОДАХ ПРЕДПРИЯТИЙ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
А.А. НЕКРАСОВА, Т.Н. БОКОВИКОВА, Н.М. ПРИВАЛОВА, Д.М. ПРИВАЛОВ, М.В. ДВАДНЕНКО
Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: [email protected]
Описано моделирование процесса сорбции ионов меди (II), кадмия (II), цинка и свинца (II) при их совместном присутствии в стоках предприятий пищевой промышленности разработанным неорганическим сорбентом на основе гидроксидов алюминия и магния. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показало эффективность теоретических прогнозов сорбционной очистки.
Ключевые слова: сточные воды, динамика сорбции, тяжелые металлы, моделирование процесса, адсорбция.
Среди известных методов очистки сточных вод промышленных и пищевых предприятий, крупных животноводческих комплексов и других производств наиболее перспективным является сорбционный [1].
Реальный процесс очистки стоков осуществляется не в статических, а в динамических условиях путем фильтрования через плотный слой адсорбента. Цель настоящих исследований - выявление возможности применения разработанного нами неорганического сорбента на основе гидроксидов алюминия и магния для извлечения ионов меди (II), кадмия (II), цинка и свинца (II) при их совместном присутствии в стоках путем моделирования процесса очистки.
Схема опытной фильтровальной установки состояла из медицинского дозатора емкостью 1 л и фильтровальной колонки диаметром 20 мм и длиной 400 мм, укрепленной на штативе. Колонку загружали сорбентом с заданной толщиной слоя 1 мм и установленным ранее диаметром зерен йср 2,5-3,0 мм. Производили фильтрование модельного стока, содержащего исследуемые ионы с заранее определенной концентрацией. Саморегулирование скорости фильтрования обеспечивалось за счет автоматического поддержания постоянного напора в медицинском дозаторе. Пробы фильтрата для анализа отбирали через каждые 20 мин и определяли концентрацию исследуемых ионов в фильтрате фотоколориметром КФК-2 ирН фильтрата рН-метром.
Погрешность результатов экспериментальных исследований оценивали методом «введено-найдено».
Представлен алгоритм и программа расчета динамики сорбции [2]. Для исследований применен метод, основанный на фильтровании через короткие слои сорбента.
На первом этапе исследования толщина слоя сорбента I составляла 400 мм. Линейная скорость V составляла 2, 3 и 5 м/ч. Эффективность очистки стоков во времени оценивали уровнем проскоковой относительной концентрации ионов в фильтрате, которую определяли по формуле
и = Сф/Се,
где Сф - концентрация ионов в фильтрате; С0 - концентрация ионов в воде, поступающей на фильтрацию.
Процесс фильтрования прекращали, когда уровень проскоковой относительной концентрации стабилизи-
ровался. Следующую серию опытов проводили аналогично, но постоянными оставались концентрация ионов и скорость V = 3 м/ч.
Для определения параметров сорбции разработали математическую модель, позволяющую экспериментально описать полученные закономерности, на основе методов решения системы дифференциальных уравнений, предложенных Е.В. Венециановым и Е.Г. Петровым.
При проведении опыта известными и постоянными величинами являются: толщина слоя сорбента I, средний диаметр зерен й, скорость фильтрования. Кроме этого, постоянными, но неизвестными величинами являются параметры, характеризующие процесс сорбции: коэффициент внешней диффузии Р и кинетические параметры: коэффициент внутренней диффузии Б и критерий, учитывающий относительный вклад внешней и внутренней диффузии Н (критерий Био). Массообменным (емкостным) коэффициентом, характеризующим распределение адсорбированного вещества, является коэффициент Генри Г.
Критерий Био равен
H--
d2 4DT
- const.
Безразмерная толщина слоя сорбента
— = const.
v
(1)
(2)
Связь между безразмерным и реальным временем сорбционного процесса определяется по формуле
T = -1, Г
(3)
откуда следует однозначное соответствие этих времен.
После логарифмирования последнего соотношения получим
igT=igt+ig г >
(4)
т. е. в логарифмической системе координат эта связь становится аддитивной, и однозначное соответствие времен может быть установлено продольным смещением временных осей относительно друг друга.
1 10 100
т
Методика сопоставления экспериментальных и теоретических кривых следующая: в результате фильтрования через слой сорбента получили экспериментальные точки зависимости
Иэ f(t3), (5)
где иэ - экспериментально определенная относительная концентрация ионов в фильтрате; £, - время, отсчитываемое с начала фильтрования.
Экспериментальные точки этой зависимости наносили на билогарифмическую сетку (рисунок), полностью аналогичную сетке теоретических кривых, но выполненную на кальке, и затем накладывали их друг на друга, добиваясь при этом путем перемещения графиков вдоль осей времени наилучшего совпадения экспериментальных точек с одной из теоретических кривых U = F(X,T) при Н = const до соблюдения равенства иэ = U.
Проведенные исследования позволили расчетным путем получить количественную оценку относительной способности ионов Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+ адсорбироваться сорбентом на основе совместно осажденных гидроксидов алюминия и магния и на основе сопоставления расчетных и экспериментальных данных определить эффективность теоретических прогнозов.
В процессе извлечения из воды ионов тяжелых металлов активная часть адсорбента, продуцируя в водную среду, постепенно уносится вместе с фильтратом.
Когда защитные функции адсорбента становятся недостаточными, концентрация выносимых с фильтратом ионов тяжелых металлов превышает установленные ПДК. Это обусловливает необходимость активации адсорбента. При выборе активатора следует учитывать три важных фактора: активатор должен растворяться в воде; ионообменный катион в ряду активности катионов должен быть расположен выше, чем магний; этот катион должен обладать щелочными свойствами и быть легко доступным для практического использования. В наибольшей степени этим условиям отвечает катион №+ в составе гидрофосфата натрия. Адсорбент может быть регенерирован и активирован непосредственно в колонне без использования кислот, щелочей и других агрессивных веществ, что значительно упрощает аппаратурное оформление и удешевляет технологию.
ВЫВОДЫ
1. Представлен алгоритм и программа расчета динамики сорбции катионов меди (II), кадмия (II), цинка и свинца (II).
2. С использованием программы БАУОЫТ получен атлас решений системы дифференциальных уравнений для моделирования процесса сорбции меди (II), кадмия (II), цинка и свинца (II) в смешанно-диффузионной области кинетики.
3. Расчетным путем установлена количественная оценка относительной способности ионов Си2+, 2п2+, Сё2+, РЪ2+ адсорбироваться сорбентом на основе совместно осажденных гидроксидов алюминия и магния.
4. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показало эффективность теоретических прогнозов сорбционной очистки стоков пищевых производств от катионов тяжелых металлов на магний-алю-миниевом сорбенте.
ЛИТЕРАТУРА
1. Блохин А.И. Сорбенты на пути загрязнения водоемов // Экология и пром-сть России. - 2000. - № 2. - С. 53-59.
2. Программа расчета математической модели динамики сорбции в смешанно-диффузионной области кинетики для сорбентов на основе совместно осажденных гидроксидов металлов: Св-во обофиц. регистрации программы для ЭВМ № 2007614005 / Т.Н. Бо-ковикова, А.А. Процай, Н.М. Привалова и др. // Яи ОБПБТ. -20.12.2007.
Поступила 29.08.12 г.
SORPTION PROCESS MODELLING OF COPPER (II), CADMIUM (II), ZINC AND LEAD (II) IONS ON MAGNESIUM-ALUMINUM SORBENT IN WASTE WATER OF FOOD INDUSTRY ENTERPRISES
A.A. NEKRASOVA, T.N. BOKOVIKOVA, N.M. PRIVALOVA, D.M. PRIVALOV, M.V. DVADNENKO
Kuban State Technological University,
2, Moskovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: [email protected]
The sorption process modelling of copper (II), cadmium (II), zinc and lead (II) ions at their joint presence at waste water of the food industry enterprises by the developed inorganic sorbent on the basis of aluminum and magnesium hydroxides is described. Comparison of settlement and experimental data showed efficiency of theoretical forecasts of sorption cleaning.
Key words: waste water, dynamics of sorption, heavy metals, process modeling, adsorption.
