Описание презентации Сорбционные методы очистки воды Физико-химические методы водоподготовки 1 по слайдам
Сорбционные методы очистки воды Физико-химические методы водоподготовки 1 Лекция
Роль адсорбционных методов очистки воды Физико-химические методы водоподготовки Очистка воды сводится, как правило, к переводу содержащихся в ней загрязняющих веществ в твердую (реже в газовую) фазу. Перевод в твердую фазу веществ, присутствующих в воде в ионной форме, достигается путем их перевода в малорастворимые соединения (химическое осаждение) или путем соосаждения (коагуляции). Однако, если в воде присутствуют растворенные вещества в молекулярной форме (особенно, если они являются неполярными или слабополярными), для их удаления требуется использовать иные методы, среди которых наиболее перспективным оказывается адсорбция. Адсорбция – поглощение молекул растворенного в воде вещества твердым нерастворимым телом – адсорбентом. Поглощение происходит за счет физической сорбции или хемосорбции на развитой поверхности адсорбента. Физическая сорбция основана на силах межмолекулярного взаимодействия. Хемосорбция основана на поглощении с образованием химических соединений на поверхности твердого тела с участием химических реакций. Адсорбенты – твердые нерастворимые тела, обладающие развитой поверхностью (до 1000 м 2 /г) за счет высокой пористости.
Структура активированных углей Физико-химические методы водоподготовки Наиболее распространенные адсорбенты – активные (активированные) угли разных марок. Активные угли представляют собой пористые углеродные тела, зерненые или порошкообразные, имеющие большую площадь поверхности. Неоднородная масса, состоящая из кристаллитов графита и аморфного углерода, определяет своеобразную пористую структуру активных углей, а также их адсорбционные и физико-механические свойства. Пористая структура активных углей характеризуется наличием развитой системы пор, которые классифицируются по размерам следующим образом: Микропоры – наиболее мелкая разновидность пор, соизмеримая с размерами адсорбируемых молекул. Удельная поверхность микропор достигает 800– 1000 м 2 /г. Мезопоры – поры, для которых характерно послойное заполнение поверхности адсорбируемыми молекулами, завершающееся их наполнением по механизму капиллярной конденсации. Удельная поверхность мезопор достигает 100– 200 м 2 /г. Макропоры – самая крупная разновидность пор, удельная поверхность которых обычно не превышает 0, 2– 0, 5 м 2 /г. Макропоры в процессе сорбции не заполняются, но выполняют роль транспортных каналов для доставки вещества к поверхности адсорбирующих его пор. В соответствии с нормами Международного союза чистой и прикладной химии ИЮПАК, поры с диаметром меньше 0, 4 нм называются субмикропорами, поры с диаметром от 0, 4 до 2, 0 нм – микропоры, поры с диаметром от 1 до 50 нм – мезопоры и более 50 нм – макропоры. — микропоры – с размером до 20 A, — мезопоры – с размером 20– 500 A, — макропоры – с размером более 500 A.
Роль адсорбционных методов очистки воды Физико-химические методы водоподготовки. Адсорбционные свойства активных углей оцениваются количеством модельного вещества, сорбированного единицей массы угля при определенных условиях, а также временем защитного действия единицы объема угля до полного его насыщения. В основном адсорбционные свойства углей определяются микропорами, составляющими до 90% всей поверхности активного угля. На ней и протекают процессы адсорбции, в основе которых лежит взаимодействие энергетически ненасыщенных атомов углерода с молекулами адсорбируемых веществ. Мезо- и макропоры выполняют в основном транспортную роль. Большой объем крупных пор приводит к уменьшению плотности адсорбента и его емкости. Лучше сорбируются вещества в молекулярной форме, хуже – в ионной. Способность органических веществ к сорбции возрастает в ряду: гликоли < спирты < кетоны < сложные эфиры < альдегиды < недиссоциированные кислоты < ароматические соединения. Способность к сорбции возрастает с ростом молекулярной массы и температуры.
Механизмы адсорбции на углях Физико-химические методы водоподготовки. Для адсорбции в микропорах (удельный объем 0, 2 -0, 6 см 3 /г и 800 -1000 м 2 /г), соизмеримых по размерам с адсорбируемыми молекулами, характерен главным образом механизм объемного заполнения. Аналогично происходит адсорбция также в супермикропорах (удельный объем 0, 15 -0, 2 см 3 /г) — промежуточные области между микропорами и мезопорами. В этой области свойства микропор постепенно вырождаются, свойства мезопор проявляются. Механизм адсорбции в мезопорах заключается в последовательном образовании адсорбционных слоев (полимолекулярная адсорбция), которое завершается заполнением пор по механизму капиллярной конденсации. У обычных активных углей удельный объем мезопор составляет 0, 02 -0, 10 см 3 /г, удельная поверхность 20 -70 м 2 /г; однако у некоторых активных углей (например, осветляющих) эти показатели могут достигать соответственно 0, 7 см 3 /г и 200 -450 м 2 /г. Макропоры (удельный объем и поверхность соответственно 0, 2 -0, 8 см 3 /г и 0, 5 -2, 0 м 2 /г) служат транспортными каналами, подводящими молекулы поглощаемых веществ к адсорбционному пространству гранул активированного угля. Микро- и мезопоры составляют наибольшую часть поверхности активированных углей, соответственно, именно они вносят наибольший вклад в их адсорбционные свойства.
Механизмы адсорбции на углях Физико-химические методы водоподготовки. Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры — для адсорбции более крупных органических молекул. Определяющее влияние на структуру пор активированных углей оказывают исходное сырье, из которого их получают. Активные угли на основе скорлупы кокоса характеризуются большей долей микропор, а активированные угли на основе каменного угля — большей долей мезопор. Большая доля макропор характерна для активированных углей на основе древесины. В активном угле как правило существуют все разновидности пор, и дифференциальная кривая распределения их объема по размерам имеет 2 -3 максимума. В зависимости от степени развития супермикропор различают активные угли с узким распределением (эти поры практически отсутствуют) и широким (существенно развиты).
Механизмы адсорбции на углях Физико-химические методы водоподготовки. В порах активного угля существует межмолекулярное притяжение, которое приводит к возникновению адсорбционных сил (Ван-дер-Вальсовые силы), которые по своей природе сродни силе гравитации с той лишь разницей, что действуют они на молекулярном, а не на астрономическом уровне. Эти силы вызывают реакцию, подобную реакции осаждения, при которой адсорбируемые вещества могут быть удалены из водных или газовых потоков. Молекулы удаляемых загрязнителей удерживаются на поверхности активированного угля межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса. Таким образом, активированные угли удаляют загрязнители из очищаемых веществ (в отличие, например, от обесцвечивания, когда молекулы цветных примесей не удаляются, а химически превращаются в бесцветные молекулы). Химические реакции также могут возникать между адсорбируемыми веществами и поверхностью активированного угля. Эти процессы называются химической адсорбцией или хемосорбцией, однако в основном процесс физической адсорбции происходит при взаимодействии активированного угля и адсорбируемого вещества. Хемосорбция широко применяется в промышленности для очистки газов, дегазации, разделения металлов, а также в научных исследованиях. Физическая адсорбция обратима, то есть адсорбируемые вещества могут быть отделены от поверхности и возвращены в их первоначальное состояние при определенных условиях. При хемосорбции, адсорбируемое вещество связано с поверхностью посредством химических связей, изменяя его химические свойства. Хемосорбция не обратима. Некоторые вещества слабо адсорбируются на поверхности обычных активированных углей. К числу таких веществ относятся аммиак, диоксид серы, пары ртути, сероводород, формальдегид, хлор и цианистый водород. Для эффективного удаления таких веществ используются активные угли, импрегнированные специальными химическими реагентами. Импрегнированные активированные угли используются в специализированных областях применения воздухо- и водоочистки, в респираторах, для военных целей, в атомной промышленности и др.
Основные варианты использования сорбционных методов очистки воды Физико-химические методы водоподготовки. Адсорбционные методы могут быть реализованы двумя основными способами: 1) Фильтрация через слой гранулированного активированного угля, 2) Дозирование в обрабатываемую воду порошкообразного активированного угля (углевание воды), 3) Фильтрация через волокнистый материал, содержащий активированный уголь. По форме и размеру частиц активные угли могут быть порошкообразными, зернеными (дроблеными и гранулированными), а также волокнистыми. Порошкообразные имеют размер частиц менее 0, 1 мм, зерненые – от 0, 5 до 5 мм, волокнистые – диаметр менее 0, 1 мм, а длину несколько сантиметров. Порошкообразные активные угли используют для очистки воды однократно на водопроводных станциях, вводя их во время или после коагуляции. Гранулированные угли применяются для очистки воды фильтрацией в аппаратах со сплошным слоем сорбента (механические фильтры). В зависимости от типа угли могут регенерироваться острым паром или реагентами. Однако из-за сложности организации такого процесса, больших потерь угля и невозможности полной его регенерации (только на 40– 70%) обычно уголь при очистке воды используют однократно. Волокнистые активные угли имеют наибольшую эффективную площадь поверхности и могут при-меняться в фильтрах воды специальной конструкции. Они нашли применение в бытовых фильтрах. Для оценки качества зерненых активных углей, используемых в качестве загрузки в различные типы адсорберов, важное значение имеют физико-механические характеристики, такие как: фракционный состав (зернение), насыпная плотность, механическая прочность.
Основные характеристики активированных углей Физико-химические методы водоподготовки. Гранулометрический размер (гранулометрия) — размер основной части гранул активного угля. Единица измерения: миллиметры (мм), mesh USS (американская) и mesh BSS (английская). Насыпная плотность — масса материала, заполняющего единицу объема под действием собственного веса. Единица измерения — грамм на сантиметр кубический (г/см 3). Площадь поверхности — площадь поверхности твердого тела отнесенная к его массе. Единица измерения — квадратный метр к грамму угля (м 2 /г). Твердость (или прочность) — все производители и потребители активированного угля пользуются значительно различающимися методиками определения прочности. Большинство методик основаны на следующем принципе: проба активированного угля подвергается воздействию механической нагрузки, а мерой прочности служит количество образующихся при разрушении угля мелкой фракции или измельчение среднего размера. За меру прочности принимают количество не разрушенного угля в процентах (%). Влажность — количество влаги, содержащееся в активном угле. Единица измерения – проценты (%).
Основные характеристики активированных углей Физико-химические методы водоподготовки р. Н водной вытяжки — значение р. Н водного раствора после кипячения в нем навески активного угля. Защитное действие — измерение времени адсорбции углем определенного газа до начала пропускания минимальных концентраций газа слоем активированного угля. Данный тест применяют для углей используемых для очистки воздуха. Чаще всего активный уголь тестируется по бензолу или четыреххлористому углероду (он же тетрахлорметан CCl 4). СТС адсорбция (адсорбция по четыреххлористому углероду) — через объем активированного угля пропускают четыреххлористый углерод, насыщение происходит до постоянной массы, далее получают количество адсорбированного пара, отнесенное к навеске угля в процентах (%). Йодный индекс (адсорбция йода, йодное число) — количество йода в миллиграммах, которое может адсорбировать 1 грамм активированного угля, в порошкообразной форме из разбавленного водного раствора. Единица измерения – мг/г. Адсорбция по метиленовому голубому — количество миллиграммов метиленового голубого, поглощаемое одним граммом активированного угля из водного раствора. Единица измерения – мг/г. Обесцвечивание мелассы (мелассовое число или индекс, показатель по мелассе) — количество активированного угля в миллиграммах необходимое для 50 %-го осветления стандартного раствора мелассы.
Производство активированных углей Физико-химические методы водоподготовки Для производства активированного угля используют печи различного типа и конструкции. Наибольшее распространение получили: многополочные, шахтные, горизонтальные и вертикальные роторные печи, а также реакторы с кипящем слоем. Основные свойства активных углей и прежде всего пористая структура определяются видом исходного углеродсодержащего сырья и способом его переработки. Сначала углеродсодержащее сырье измельчают до размера частиц 3 -5 см, затем подвергают карбонизации (пиролизу) — обжигу при высокой температуре в инертной атмосфере без доступа воздуха для удаления летучих веществ. На стадии карбонизации формируется каркас будущего активного угля — первичная пористость и прочность. Однако, полученный карбонизированный уголь (карбонизат) обладает плохими адсорбционными свойствами, поскольку размеры его пор невелики и внутренняя площадь поверхности очень мала. Поэтому карбонизат подвергают активации для получения специфической структуры пор и улучшения адсорбционных свойств. Сущность процесса активации состоит во вскрытии пор, находящихся в углеродном материале в закрытом состоянии. Основной принцип активирования состоит в том, что углеродсодержащий материал подвергается селективной термической обработке в соответствующих условиях, в результате которой образуются многочисленные поры, щели и трещины и увеличивается площадь поверхности пор на единицу массы. В технике используются химические и парогазовые способы активирования. Различают два вида активирования: химическое активирование и активирование газами.
Химическое активирование Физико-химические методы водоподготовки При химическом активировании используют главным образом некарбонизованные исходные материалы, к которым относятся торф и древесные опилки. Можно также использовать шламовые отходы осветляющих процессов. Превращение такого сырья в активный уголь происходит под действием дегидротирующих агентов при высоких температурах. В этом случае кислород и водород избирательно и полностью удаляются из углеродсодержащего материала, при этом происходит одновременно карбонизация и активация (обычно при температурах ниже 650°С). Карбонизованные материалы отличаются пониженным содержанием кислорода и водорода, поэтому они активируются неорганическими агентами не так легко, как некарбонизованные. В качестве активирующих агентов в технике в основном используются фосфорная кислота, хлорид цинка и сульфид калия. Активирование фосфорной кислотой может осуществляться по следующей схеме: тонкоизмельченное сырье смешивается с раствором фосфорной кислоты, смесь осуша-ется и нагревается во вращающейся печи до 400 -600°С. Известны процессы, которые проводятся при более высокой температуре (до 1100°С). Для получения широкопористых углей, используемых преимущественно для осветления, требуется значительно большее количество фосфорной кислоты, чем в производстве углей для очистки газа и водопод-готовки.
Химическое активирование Физико-химические методы водоподготовки При активировании хлоридом цинка 0, 4– 5 частей в виде концентрированного раствора смешивают с 1 частью сырья, смесь нагревают до 600– 700°С. Преимуществами данного способа активирования несомненно является сравнительно короткое время активирования исходных материалов, большой выход углеродного остатка, хорошие адсорбционные свойства активного угля. Обычно при химическом активировании получают мягкие и порошкообразные продукты. Смешивание углеродсодержащего сырья с углеродсодержащим связующим (например, древесных опилок с сульфонатом лигния) и активирующим агентом и последующее формование позволяют получить прочный активный уголь. Химическое активирование углей во вращающейся печи в течение 3 часов с применением в качестве активирующих добавок фосфорной кислоты и хлорида цинка позволяет получить формованные продукты, не уступающие по прочности углям, активированным водяным паром.
Активирование водяным паром и газами Физико-химические методы водоподготовки При обработке углеродсодержащих веществ окисляющими газами в соответствующих условия часть углерода выгорает и удаляется с летучими компонентами и внутренняя поверхность увеличивается. В качестве окисляющих агентов используются преимущественно водяной пар, диоксид углерода и кислород или воздух. При использовании кислорода следует соблюдать осторожность, поскольку он реагирует с углеродом в 100 раз быстрее диоксида углерода. При взаимодействии углерода с водяным паром или диоксидом углерода одновременно протекают следующие реакции: Поскольку это эндотермические реакции, необходим подвод теплоты. При этом решающее значение имеет хороший теплообмен между реактивирующим газом и частицами угля. Это требование выполняется за счет постоянного движения частиц угля в процессе активирования во вращающихся печах или реакторах с кипящем слоем. При использовании водяного пара для обеспечения эффективной скорости реакции необходима температура около 800°С, а при использовании диоксида углерода — 900°С. Если теплота подводится в основном активирующим газом, его температура должна быть еще выше.
Активирующие печи Физико-химические методы водоподготовки Активирование углеродсодержащих материалов окисляющими газами производится с достаточной скоростью только при температурах 600 -1000°С. Как уже отмечалось, реакция твердого материала с активирующими газами, которые используются в производстве (обычно это водяной пар и диоксид углерода), является эндотермической. Соответственно необходим постоянный подвод тепла. С другой стороны, последующее сгорание этих газов сопровождается выделением энергии. Таким образом, реакторы, используемые в технике для газового активирования, должны обладать следующими условиями: 1) нагревание реакционного материала до высокой температуры; 2) хороший контакт между углеродсодержащим веществом и активирующими газами; 3) подвод теплоты, необходимой для реакции; 4) возможно меньший расход тепловой энергии реакционного газа. Данным условиям соответствуют следующие виды печей, применяемых в производстве: вращающиеся, шахтные, многополочные, реакторы с кипящим и движущимся слоем.
Вращающиеся печи Физико-химические методы водоподготовки. Вращающиеся печи можно использовать для активирования тонкодисперсных и зерненых или формованных продуктов. Контакт между углеродсодержащим материалом и активирующими газами можно улучшить с помощью перемешивающих устройств. Время активирования зависит от угла наклона печи, а также от наличия внутренних перегородок и размера опорных колец. Активируемый материал и газ можно подавать в одном направлении или в противотоке. Кроме этого, различают две конструкции: печи с внутренним и внешним обогревом. Вращающиеся печи с внутренним обогревом снабжены в верхней части, где загружается углеродный материал, горелкой, питаемой жидким топливом или газом. Внутренняя поверхность печи выложена огнеупорным кирпичом. Вращающаяся печь: 1 – подъемные лопатки по длине печи; 2 – кладка печи; 3 – горелка.
Шахтные печи Физико-химические методы водоподготовки Шахтные печи состоят в основном из камер, расположенных вертикально одна над другой, стенки которых выложены кладкой из огнеупорного кирпича. Сверху загружается активируемый материал, снизу подается водяной пар. Использование насадок или направляющих устройств позволяет увеличить реакционную поверхность и улучшить перемешивание. Шахтная печь: 1 – канал для подвода реакционных газов; 2 – огневой канал. Шахтные печи используют для активирования кускового угля, который затем перерабатывается в зерненый или порошкообразный.
Реакторы кипящего слоя Физико-химические методы водоподготовки В реакторах кипящего слоя активируемые продукты и газы основательно перемешиваются. При этом значительно сокращается время активирования. Простая конструкция реактора с кипящим слоем представляет собой герметичную цилиндрическую или прямоугольную реакционную камеру, снабженную внизу перфорированной распределительной решеткой, через которую поступают реакционные газы. Процесс может быть непрерывным или периодическим. Известны многоступенчатые реакторы, состоящие из вертикально и горизонтально расположенных камер с переходами между ними, а также реакторы, состоящие из большого числа отделений, разделенных перегородками. Они предназначены для активирования мелкозерненого и в отдельных случаях формованного угля. Процесс можно усовершенствовать за счет обогрева внутреннего объема реактора теплотой, полученной при сгорании и образующихся в процессе активирования водяным паром. Другая возможность для дополнительного подвода теплоты и повышения производительности заключается во внешнем обогреве реактора. Реактор с псевдоожиженным слоем для газового активирования: 1 – «спокойный» объем; 2 – уровень псевдоожиженного слоя; 3 – внешний обогрев; 4 – теплообменник; 5 – распределительная решетка; 6 – реактор. На рисунке показана схема печи, в которую нагретые активирующие газы подаются со скоростью, обеспечивающей неподвижность нижнего слоя и псевдоожижение верхнего слоя шихты. Это создает возможность мягкого активирования различного сырья.
Адсорбционные методы дезодорации воды Физико-химические методы водоподготовки Неполярные адсорбенты широко используются в практике подготовки питьевых вод для извлечения из них органических веществ, обусловливающих привкусы и запахи. При адсорбции из растворов органических примесей предпочтение отдается активированным углям, поскольку вода (растворитель), характеризующаяся большим по- верхностным натяжением на границе раздела фаз с поверхностью зерен угля, ничтожно мало адсорбируется. Доза угля при статической адсорбции определяется по формуле: где С 0 и С ф — соответственно концентрации адсорбируемого вещества до и после адсорбции, Т — удельная адсорбция в мг/л в точке, соответствующей С ф. Скорость адсорбции органических веществ из воды зависит от структуры угля, удельной поверхности гранул (зерен), условий массообмена с обрабатываемой водой и р. Н воды. Если в растворе присутствуют одновременно несколько веществ, адсорбция протекает по закону вытеснения. По мере увеличения числа удаляемых из воды веществ, доля адсорбции каждого из них уменьшается. Степень адсорбируемости различных веществ из воды оценивается величиной уменьшения свободной энергии ΔF адс
Зависимость ΔF адс от классов органических веществ при адсорбции на угле КАД йод из водных растворов Физико-химические методы водоподготовки Наряду с углеванием (статические условия) дезодорацию воды на станциях различной производительности производят на стационарных адсорберах в динамических условиях — путем фильтрования исходной воды через слой гранулированного угля с диаметром зерен 1 -2 мм и толщиной до 2, 0 м. Различают динамическую емкость загрузки Е д (мг-экв/г) адсорбера (до начала проскока адсорбируемого вещества в фильтрат) и полную Е полн. (мг-экв/г) после прекращения извлечения адсорбируемого вещества из воды. №№ п/п Вещества ΔF адс 1 фенол 5, 07 2 бензолсульфонол 4, 83 3 хлоральгидрат 3, 26 4 муравьиная кислота 4, 21 5 щавелевая кислота 3, 22 6 нафталин 5, 85 7 хлороформ 4, 83 8 дихлорэтан 4,
Параметры процесса углевания воды Физико-химические методы водоподготовки При отсутствии пахнущих веществ биологического происхождения при адсорбции на углях различных марок (БАУ, КАД и др.), отличающихся величиной пор, интенсивность запаха воды существенно уменьшается с увеличением дозы активных углей от 2 до 20 —35 мг/л при р. Н = 4 -12 и температуре воды от +6 до +35°С. Основную роль в адсорбционной способности углей играют микропоры с радиусом (1, 1 -2, 5)· 10 -7 мм с удельной поверхностью до 1000 м 2 /ч. При углевании воды должны применяться легко смачивающиеся водой угли. Преимущество такого метода заключается в небольших требуемых капитальных затратах, а недостатки — в непроизводитель- ном расходе дорогостоящего адсорбента и в сложности эксплуатации. Нужно учитывать, что мелкий угольный порошок с воздухом образовывает взрывчатую смесь, а объем помещения для его хранения необходим в размерах 2 -4, 5 м 3 /т.
Параметры процесса углевания воды Физико-химические методы водоподготовки В зависимости от адсорбционной способности активных углей и интенсивности загрязнения воды веществами, придающими ей неприятные привкусы и запахи, расходы углей могут колебаться в весьма широких пределах — от десятой доли миллиграмма до 1000 мг/л. Наиболее используемые дозы угля при углевании природных вод находятся в пределах 3 -15 мг/л. Так, при дезодорации воды, загрязненной веществами, создающими привкусы и запахи биологического происхождения, их полное устранение с помощью угля марки ОУ-А щ достигалось при дозах 10 -12 мг/л. На практике процесс углевания включает в себя операции замачивание пылевидного угля, создание угольной суспензии с содержанием угля до 2, 5 -5% и ее дозирование в обрабатываемую воду. Активированный уголь вводят за 10 -15 минут до ввода других реагентов. Требуемое время контакта адсорбента с обрабатываемой водой — не менее 15 -20 минут. На начальной стадии обработки воды с первичным ее хлорированием порошкообразный сорбент вводят до или после ввода хлора в зависимости от взаимодействия хлора с веществами, создающими привкусы и запахи.
Сорбционные материалы и их свойства Физико-химические методы водоподготовки
Сорбционные материалы и их свойства Физико-химические методы водоподготовки. В технологии водоподготовки активированный уголь применяется в виде порошка при углевании воды, дробленных или недробленых гранул при фильтровании через угольные фильтры. Для очистки воды от загрязнений применяется сухое дозирование порошковых активированных углей, мокрое дозирование (в виде суспензии), фильтрование через взвешенный слой активированного угля, фильтрование в стационарных адсорберах с гранулированным активированным углем, фильтрование через комбинированные, песчано-угольные фильтры. Выбор марки адсорбционного материала заключается в подборе параметров его пористой структуры в зависимости от размеров молекул адсорбируемых веществ. Если в воде присутствует одно вещество с низкой молекулярной массой, например, фенол, азот аммонийный, азот нитритный, то данные вещества, имеющие относительно низкую молекулярную массу и размер молекул т = 0, 63 нм, лучше всего сорбируются в микропорах (т < 0, 63 -0, 7 нм) и супермикропорах (0, 6 -0, 7 < т < 1, 5 -1, 6 нм). Для этого случая пригодны активированные угли, имеющие требуемую структуру пор, типа АГ-3 и МАУ-100. Если в воде находятся нефтепродукты, СПАВ, гуминовые кислоты (по отдельности или смесь), то данные вещества, имеющие более крупные размеры молекул (т ~ 1, 8 нм), лучше всего сорбируются в мезопорах (1, 5 -1, 6 < т < 100 -200 нм). В этом случае пригодны активированные угли и сорбенты, имеющие требуемую структуру пор, например, мезопористый сорбент СГН-30. Если в воде присутствует смесь низко- и высокомолекулярных соединений (нефтепродукты, СПАВ, азот аммонийный, азот нитритный), то данные вещества, имеющие различные размеры молекул наиболее полно будут сорбироваться на адсорбентах, имеющих хорошо развитую структуру микропор и мезопор (таких как АГ-3, МАУ-100).
Конструкции адсорберов и основы их расчета Физико-химические методы водоподготовки Конструкция адсорбера со взвешенным слоем адсорбента 1 — противоток очищаемой воды и адсорбента (вода движется снизу вверх, а адсорбент сверху вниз); 2 — сбор очищенной воды; 3 — отвод очищенной воды: 4 — подача исходной воды; 5 — подача адсорбента; б — отвод угольной пульпы; 7 — система распределения очищаемой воды Конструкция стационарного адсорбера 1 — слой активированного угля; 2 — поддерживающий слой; 3 -трубопровод исходной воды 4 — трубопровод для отвода фильтрата; 5 — корпус фильтра; 6 — дренажная система; 7 — отражатель
Конструкции адсорберов и основы их расчета Физико-химические методы водоподготовки Высоту требуемого слоя угольной загрузки определяют по формуле: где Vр. ф. — расчетная скорость фильтрования, принимаемая равной 10 -15 м/ч; τ у — время прохождения воды через слой угля, принимаемое равным 10 -15 мин в зависимости от сорбционных свойств угля, концентрации и вида загрязнений воды и других факторов и уточняемое технологическими изысканиями. Длительность работы адсорбционного слоя фильтра до появления в профильтро-ванном потоке адсорбируемого вещества с концентрацией С пр, превышающей предельно допустимую, τ пр и длина слоя адсорбента L связаны в классическом уравнении динамики сорбции, предложенным для расчетов Шиловым Н. А. : где τ пр — время до «проскока» — время защитного действия слоя адсорбента, мин; L — высота слоя адсорбента, см; τ 0 , и k — константы: τ 0 =h/ν — характеризует простран-ство и время, необходимые для формирования и проведения массообменного процесса; k = A 0 /(C 0 *ν) — коэффициент защитного действия, мин/см; ν — скорость потока жид-кости, см/мин; A 0 — предельная динамическая емкость адсорбента при данной исход-ной концентрации С о; h — «мертвый» слой, математическая функция, характеризую щая неиспользованную длину слоя адсорбента, см.
Расчеты параметров адсорбции Физико-химические методы водоподготовки. Процесс адсорбции, проходящий в динамических условиях, состоит из периода формирования фронта адсорбции, характеризующегося переменной: скоростью его продвижения и периода его параллельного переноса при неизменной: скорости. Зависимость защитного действия слоя τ пр от его длины L графически описывается кривой ОАВ (рис.). Стадия, отвечающая формированию фронта адсорбции, отвечает кривой ОА. Начиная от значений, выраженных участком OL 0 , защитное действие слоя фильтра зависит от его длины (второй период динамического адсорбционного процесса). Величины k, τ 0 , и L 0 определяются графически: k = tg ﮮ BHL, L 0 = OL 0 , τ 0 = OD и h =ОН. Регенерацию сорбционной загрузки фильтра производят 5 %-ным раствором Na. OH или путем прокаливания угля при температуре 700 —750°С в отсутствие воздуха. Зависимость времени защитного действия от толщины слоя адсорбента Доза сорбента для каждого вещества определяется по формуле: где С i k — требуемая конечная концентрация вещества, мг/л; а — максимальное количество адсорбированного вещества, мг/мг, определяемое по изотермам адсорбции. На основании аналитических данных можно принять следующие значения величины а: для веществ, обуславливающих цветность воды — 0, 046 град/мг; для легкоокисляемой органики (перманганатной окисляемости) — 0, 0086 мг 0 2 /мг; для трудноокисляемой органики (ХПК) — 0, 02 мг 0 2 /мг; для азота аммонийного (NН 4) — 0, 00066 мг/мг; для фенолов — 0, 002 мг/мг; для пестицидов — 0, 04 мг/мг; для хлороформа — О, 16 мг/мг.
Расчеты параметров адсорбции Физико-химические методы водоподготовки. Суммарную дозу сорбента определяют по формуле: где k η — коэффициент, учитывающий степень использования равновесной статической адсорбционной емкости гранул сорбента, принимаемый равным 1, 2 -1, 3. Массу сорбента, вводимого в ОСФ, определяют по формуле: где Д Ʃ — суммарная доза сорбента, мг/л; Q в — расход воды; Т раб — продолжительность фильтроцикла, ч. Фильтрование осуществляется при восходящем потоке обрабатываемой воды. Фильтроцикл прекращается, когда начинается «проскок» в фильтрат контролируемого показателя качества воды. Средняя продолжительность фильтроцикла обычно составляет 12 -14 часов, после чего осуществляется промывка загрузки обратным током чистой воды в течение 3 -4 мин с интенсивностью 12 -15 л/ (с·м 2). Плавающая загрузка при промывке расширяется (до 40 -50%). Зерна адсорбционного материала под действием силы тяжести движутся вниз и через систему запорно-регулирующей арматуры отводятся из корпуса фильтра в специальную емкость.
Физико-химические методы водоподготовки Проблема возникновения запаха водопроводной воды и технология дозирования порошкообразных активированных углей на водопроводных станциях Санкт-Петербурга
Физико-химические методы водоподготовки Стандарты качества питьевой воды в Японии № Показатель Стандартное значение 1 Общее микробное число Не более 100 КОЕ в 1 мл 2 Общие колиформные бактерии Не должны обнаруживаться 3 Хлороформ Не более 0, 06 мг/л 4 Алюминий Не более 0, 2 мг/л 5 Железо Не более 0, 3 мг/л 6 Геосмин Не более 0, 00001 мг/л 7 2 -метилизоборнеол (MIB) Не более 0, 00001 мг/л 8 Общий органический углерод (TOC) Не более 5 мг/л 9 Значение p. H 5, 8 – 8, 6 10 Цветность Не более 5 градусов
Физико-химические методы водоподготовки Кинетика сорбции одорантов углями разных марок Y 1 — 2 -изопропил-3 -метоксипиразин, Y 2 — 2 -изобутил-3 -метоксипиразин, Y 3 -2 -метилизоборнеол, Y 4 -2, 4, 6 -трихлоранизол, Y 5 — геосмин Silcarbon TH 90 G ОУ-А Carbopal MB 4 Эбадайя LG 20 S Silcarbon TH 90 G
Кинетика сорбции одорантов углями разных марок Y 1 — 2 -изопропил-3 -метоксипиразин, Y 2 — 2 -изобутил-3 -метоксипиразин, Y 3 -2 -метилизоборнеол, Y 4 -2, 4, 6 -трихлоранизол, Y 5 — геосмин Физико-химические методы водоподготовки Hydraffin SC 14 FF УСВР
Результаты пилотных испытаний по изучению влияния активированного угля на параметры фильтрации в процессе контактной коагуляции 12 -13. 05 г. Физико-химические методы водоподготовки
Изменение мутности фильтратов и прирост потерь напора в течение фильтроциклов Физико-химические методы водоподготовки
Установка для приготовления и дозирования растворов из сухого материала KD 440 фирмы ALLDOS Физико-химические методы водоподготовки Характеристика ПАУ Hydraffin S
Результаты производственных испытаний и аналитических определений проб воды сырой и очищенной воды ВВС в период опытно-промышленной эксплуатации установки дозирования ПАУ 08. 2005 – 06. 09. 2005 г. Физико-химические методы водоподготовки. Продолжительность фильтроцикла (интервал между промывками) блока очистки во время проведения производственных испытаний в среднем составлял 12 часов, как и без использования ПАУ. При этом средний показатель мутности фильтрата имел значение 0, 26 мг/дм 3, цветности – 5, 2 град. , окисляемости — 2, 9 мг/дм 3, р. Н – 6, 5, а содержания остаточного алюминия в воде — 0, 09 мг/дм 3, что полностью соответствует требованиям Сан. Пи. Н 2. 1. 4. 10. По результатам аналитического сопровождения опытно-промышленной эксплуатации установки дозирования ПАУ, выполненным в НИЦЭБ РАН, следует, что содержание нефтепродуктов в очищенной воде в период дозирования ПАУ ОУ-А снижалось по сравнению с их содержанием в сырой воде в 2, 4 раза, в период дозирования ПАУ Hydraffin SC 14 FF – в 2, 1 раза. Перманганатная окисляемость очищенной воды при использовании ПАУ ОУ-А снижалась на 64, 4 % по сравнению с ее значением в сырой воде, при дозировании ПАУ Hydraffin SC 14 FF– на 64, 0 %, в то время как в период без дозирования ПАУ этот показатель составлял 56, 3 %. Бактериологические показатели фильтрата за весь цикл проведения испытаний не превысили существующих нормативов.
Результаты производственных испытаний и аналитических определений проб воды сырой и очищенной воды ВВС в период опытно-промышленной эксплуатации установки дозирования ПАУ 08. 2005 – 06. 09. 2005 г. Физико-химические методы водоподготовки. Дата доза ПАУ ОУ-А äî çà Hydraffin SC 14 FF мг/л 1 подъем 2 МО% удаления 1 подъем 2 МО 01. авг—8, 803, 8056, 820, 03 —-02. авг—7, 203, 2055, 560, 04 —-03. авг—8, 203, 2060, 980, 110, 01 —-04. авг—8, 503, 7056, 470, 01 —-05. авг—9, 104, 2053, 850, 01 —-08. авг—7, 203, 4052, 780, 04 —-09. авг 3, 00 -0, 220, 089, 403, 3064, 890, 03 ——10. авг 5, 00 -0, 340, 058, 803, 1064, 770, 02 ——11. авг 5, 00 -0, 540, 147, 502, 8062, 670, 02 ——12. авг 5, 00 -0, 180, 067, 002, 6062, 860, 04 —— 15. авг 7, 00*)-0, 070, 848, 302, 7067, 470, 05 —— 16. авг 7, 00*)-0, 070, 267, 202, 6063, 890, 04 ——17. авг 7, 00 -0, 380, 097, 502, 6065, 330, 05 —— 18. авг 7, 00*)-0, 097, 002, 4065, 710, 02 —— 19. авг 7, 00*)-0, 310, 268, 202, 8065, 850, 03 —— 22. авг 5, 00*)-0, 080, 138, 502, 8067, 060, 080, 01 —- 23. авг 5, 00*)-0, 340, 117, 402, 8062, 160, 120, 01 —- 24. авг 3, 00*)-0, 060, 018, 202, 8065, 850, 060, 01 —- 25. авг 3, 00*)—7, 502, 8062, 670, 01 ——26. авг—-8, 303, 5057, 830, 03 ——29. авг-3, 000, 150, 087, 702, 7064, 940, 150, 080, 377, 007, 804, 1030. авг-3, 000, 040, 067, 702, 8063, 640, 060, 223, 507, 803, 7031. авг-5, 000, 090, 028, 502, 9065, 880, 090, 020, 596, 008, 003, 8001. сен-5, 000, 050, 017, 403, 0059, 460, 050, 010, 237, 407, 903, 7002. сен-7, 000, 040, 018, 202, 9064, 630, 040, 010, 577, 608, 003, 5005. сен—0, 147, 408, 404, 4006. сен—0, 577, 608, 403, 90 0, 180, 147, 912, 8464, 790, 050, 030, 406, 307, 903, 76 0, 220, 187, 922, 7864, 880, 050, 01 —- 0, 070, 047, 902, 8663, 710, 070, 040, 406, 307, 903, 76 —8, 173, 5856, 07 —0, 367, 508, 404, 15 **) Ï ÀÓ í å äî çèðî âàëñÿ Ср. знач. за период дозирования Hydraffin SC 14 FF общий органический углерод по данным ЦИКВ Изменение содержания нефтепродуктов и перманганатной окисляемости в процессе использования ПАУ на ВВС нефтепродукты по данным ЦИКВ *) Ï åðåõî ä í à í î âóþ ï àðòèþ Ï ÀÓ Î Ó-À (ï ðî èçâî äñòâî Î ÀÎ «Ñî ðáåí ò», ã. Ï åðì ü) хлороформ по данным ЦИКВ Ср. знач. за период без дозирования ПАУ нефтепродукты по данным НИЦЭБ РАНперманганатная окисляемость по данным ЦИКВ Ср. знач. за период дозирования ПАУСр. знач. за период дозирования ОУ-А
Виды антропогенных загрязнений и их основные свойства Физико-химические методы водоподготовки
Состав и производительность водопроводных очистных сооружений ЮВС Станция имеет собственный водозабор. Существует возможность приема сырой воды на очистные сооружения от насосной станции 1 -го подъема Северной водопроводной станции. В состав станции входит: Два насосных отделения 1 -го подъема, проектной производительностью: 1 н. о. – 745 т. м 3 /сут. 2 н. о. – 625 т. м 3 /сут. Основной технологический процесс обработки воды осуществляется на пяти параллельно работающих блоках: двух блоках фильтровально-отстойных сооружениях (ФОС-1 и ФОС-2) и трех блоках контактных осветлителей (БКО-1, БКО-2, БКО-3). Параметр Единица измерения ФОС-1 ФОС-2 БКО-1 БКО-2 БКО-3 К-6 Проектная производительность тыс. м 3 /сут. 180 260 310 250 350 Год ввода в эксплуатацию 1933 1947 1966 1980 1990 11. 2010 *) Приведенная производительность 99 99 230 182 184 — Четыре насосных отделения 2 -го подъема, проектной производительностью: 2 н. о. – 220 т. м 3 /сут. 3 н. о. – 350 т. м 3 /сут. 4 н. о. – 430 т. м 3 /сут. 5 н. о. – 550 т. м 3 /сут. *) На полную мощность блок К-6 выведен в мае 2011 г. Восемь резервуаров чистой воды общим объемом 113 000 м
Технология обработки воды на ЮВС Основные реагентные и безреагентные технологические процессы, применяемые при обработке воды: Сорбция органических загрязняющих веществ с использованием порошкообразного активированного угля Двухступенчатое обеззараживание (первичное хлораммонирование воды с использованием гипохлорита натрия и сульфата аммония, обработка воды на УФ-установках перед подачей воды потребителю) Коагуляция загрязняющих веществ Флокуляция твердофазных частиц Обработка воды реализуется на очистных сооружениях, работающих по одноступенчатой (Блоки контактных осветлителей, БКО) или по двухступенчатой (фильтроотстойные сооружения, ФОС) схемам: Одноступенчатая схема (БКО) включает в себя: очистку от механических примесей на барабанных сетках; перемешивание реагентов в смесителях — сужающих устройствах; контактную коагуляцию в среде песчаной загрузке на контактных осветлителях, совмещенную с фильтрацией Двухступенчатая схема (ФОС) включает в себя: перемешивание воды с реагентами в каналах-смесителях коридорного типа; отстаивание в горизонтальных отстойниках; фильтрование на скорых фильтрах через зернистую загрузку (кварцевый песок).
Установка приготовления и дозирования порошкообразного активированного угля (ПАУ)
БЛОК К-6 Южной водопроводной станции Санкт-Петербурга главный технологический корпус, включающий блок осветления, блок фильтрации, озонаторную
Общая характеристика комплекса очистных сооружений К-6 для производства питьевой воды Новый комплекс К-6 Южной водопроводной станции рассчитан на производство номинального суточного объёма воды, равного 350 000 м 3 /сутки при режиме работы 24 часа Комплекс производит питьевую воду требуемого качества при любом расходе с производительностью от 20% до 125% от номинальной Качество очищенной воды соответствует — Российским стандартам питьевой воды: Нормы Сан. Пин — Европейским стандартам питьевой воды: Стандарт ЕЕС В новом комплексе использованы новые современные технологии и оборудование — предварительное озонирование — фильтры с двухслойной загрузкой песок/активированный гранулированный уголь — обезвоживание осадка
Двухслойные скорые фильтры с загрузкой (песок / гранулированный активированный уголь) На блоке К-6 Южной водопроводной станции используется высокоэффективная система сорбционной доочистки воды с применением 1200 тонн АУ и производительностью по очищаемой воде до 350 тыс. тон в сутки. За последние два года, кафедрой ХТМИСТ с партнерами выполнено и находятся в стадии заключения 6 контрактов, связанных с процессами сорбционной очистки воды на объектах ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» .
Основные параметры фильтровальных сооружений Проектный расход 370 000 м 3 /сут. = 15 417 м 3 /час = 4, 28 м 3 /сек Макс. расход 462 500 м 3 /сут. = 19 217 м 3 /час = 5, 35 м 3 /сек Количество фильтров 20 Площадь фильтрации одного фильтра 105, 6 м 2 Общая площадь фильтрации (20 фильтров) 2112 м 2 Песчаный слой — глубина песчаного слоя 0, 6 м — коэффициент однородности 1, 4 — полезный диаметр зерен песка 0, 5 -0, 6 — объем песка на 1 фильтр 63, 36 м 3 — общий объем песка (20 фильтров) 1267, 2 м 3 Слой гранулированного активированного угля — глубина слоя ГАУ 1, 2 м — коэффициент однородности 1, 4 — полезный размер 0, 9 -1, 1 мм — объем ГАУ на 1 фильтр 126, 72 м 3 — общий объем ГАУ (20 фильтров) 2534 м 3 Расчетные значения скорости фильтрации: Скорость фильтрации проектном расходе 7, 3 м/час Скорость фильтрации проектном расходе при одном неработающем фильтре 7, 7 м/час Скорость фильтрации при максимальном расходе 9, 1 м/час Скорость фильтрации при максимальном расходе при одном неработающем фильтре 9, 6 м/часОбратная промывка фильтров Расход воды для обратной промывки 20 м/час – 35 м/час Скорость промывки воздухом 30 – 50 м/час Обратная промывка фильтров производится в две ступени: Первая ступень – Воздушная промывка в течение 2 -3 мин. Расход подаваемого сжатого воздуха составляет от 30 до 50 м 3 /час на 1 м 2 фильтрующего слоя. Вторая ступень – Обратная промывка водой со скоростью от 20 до 35 м 3 /м 2 /час в зависимости от температуры сырой воды. Продолжительность обратной промывки составляет приблизительно 15 -20 минут. Продолжительность фильтроцикла между обратными промывками составляет приблизительно 24 -48 часов. Объем воды для обратной промывки на один фильтр: Объем воды для обратной промывки при 20 м/час (105, 6 × 20 / 60) = 704 м 3 Макс. объем воды для обратной промывки при 35 м/час (105, 6 × 35 × 15 / 60) = 924 м 3 Средний объем воды для обратной промывки — 814 м 3 , допускается 800 м
Отличительные особенности технологического решения, использованного при очистке воды на блоке К-6 — отказ от предварительного хлорирования воды, что позволяет еще более снизить содержание в питьевой воде хлорорганических соединений (в настоящее время этот показатель более чем в три раза ниже нормативных требований за счет использования технологии аммонирования воды), — предварительное озонирование воды с малыми дозами озона, обеспечивающее поверхностное окисление гуминовых соединений и улучшение последующей их коагуляции, — отстаивание воды после коагуляции в тонкослойном пластинчатом отстойнике-осветлителе, обеспечивающем более эффективное удаление взвешенных веществ по сравнению с традиционными отстойниками, — фильтрация воды на двухслойных фильтрах, загруженных гранулированным активированным углем и кварцевым песком, обеспечивающая дополнительное удаление растворенных органических соединений, в том числе, нефтепродуктов.
Средние показатели качества воды, очищенной в ноябре 2011 г. на блоке К-6 и на других блоках ЮВС Показатель качества Нева Блок К-6 Остальные блоки ЮВС (суммарно) Эффективность очистки, % Блок К-6 Остальные блоки ЮВС (суммарно) Мутность, мг/дм 3 2, 26 0, 28 0, 58 87, 6 74, 3 Цветность, град. 37, 4 3, 55 5, 88 90, 5 84, 3 Окисляемость, мг/дм 3 7, 17 2, 03 2, 61 76, 8 70, 2 остат. алюминий, мг/дм 3 0, 06 0, 21 97, 6 *) 92, 8 *) р. Н 6, 62 6, 63 *) Рассчитано, исходя из количества вводимого коагулянта.
Бункеры хранения отработанного активированного угля Отработанный активированный уголь выводится из фильтров при помощи передвижной системы эдукторов, с использованием воды в качестве движущей силы. Уголь транспортируется в виде разжиженной пульпы в два дренажных силоса, расположенных в блоке обработки осадка. Отработанный уголь выводят из каждого фильтра и заменяют чистым, хранящимся на станции очистки воды. Полный цикл процесса реактивации продолжается приблизительно месяц, и включает в себя разгрузку одного из фильтров, наполнение контейнеров, транспортировку отработанного угля, реактивацию угля, обратную транспортировку на станцию очистки в больших пластиковых мешках и хранение до следующего цикла.
Хранение гранулированного активированного угля на блоке К-6 Хранилище свежего гранулированного активированного угля расположено рядом с корпусом переработки осадка. Там же находятся силосы для складирования отработанного активированного угля. Оба хранилища расположены на уровне первого этажа. Свежий или регенерированный уголь, упакованный в пластиковые мешки, прибывает на сооружения в трейлере и хранится в корпусе обработки осадка. Площадь для хранения нового или восстановленного активизированного угля определена из расчета хранения 126 м 3 угля плюс 5% запас на потери перегрузке. Для загрузки одного фильтра необходимы 126 м 3 активированного угля. Бункеры для отработанного активированного угля Емкость бункера (эффективная) 62 м 3 Диаметр бункера 4 м Высота бункера 7. 5 м Расстояние под бункером для подвоза контейнеров 3 м Материал бункера Волокнит (стеклопластик) Количество бункеров
Гранулированный уголь транспортируется в фильтры с помощью эжектора
Система загрузки активированного угля в фильтровальные сооружения блока К-6 Эжекторная система гидравлического транспорта свежего и регенерированного угля к фильтрам Основные расчетные данные: Объем активированного угля в одном фильтре 126. 72 м 3 Линейная скорость в трубопроводе разбавленной пульпы 1. 5 – 2. 0 м/сек Плотность пульпы 0. 12 кг угля / л воды Падение давления Около 5 мбар / 1 м трубопровода Расход активированного угля 9 м 3 /час Расчетное время транспортировки угля к одному фильтру 14 час Эжекторная система: Производитель: Koerting, Hannover Тип: Передвижной струйный эжектор для транспорта твердых частиц Кол-во единиц: 1 Вес: 38 кг Эжекторная система гидравлического транспорта отработанного угля от фильтров Линейная скорость в трубопроводе разбавленной пульпы 1. 5 – 2. 0 м/сек Плотность пульпы 0. 12 кг угля / л воды Падение давления Около 5 мбар / 1 м трубопровода Расход активированного угля 15 м 3 /час Расчетное время транспортировки угля от одного фильтра 8. 5 час Эжекторная система: Производитель Koerting, Hannover Тип Жестко закрепленный струйный эжектор для транспорта твердых частиц Кол-во единиц 1 Вес 38 кг Оба напорных трубопровода для транспортировки ГАУ проложены параллельно другу: из галереи фильтров, между блоком фильтров и реагентным хозяйством, и заканчивается в блоке обработки осадка. Транспортировка отработанного ГАУ с отдельного фильтра осуществляется при помощи технической движущей воды, которая нагнетается насосом транспортировки ГАУ, расположенном в насосной станции технической воды. Вода распределяется по галерее фильтров на каждый фильтр (фильтры соединяются через гибкие шланги с переносным эжектором ГАУ), и затем, через эжектор и наружный трубопровод транспортировки отработанного ГАУ уголь подается в бункеры отработанного ГАУ.
Характеристика ГАУ Filtrasorb TL 830 ГАУ марки Filtrasorb TL 830 является углем повышенной прочности, обеспечиваемой использованием специальных связующих при его изготовлении. Особая технология изготовления обусловливает относительно высокую цену ГАУ Filtrasorb TL 830 Важной особенностью блока К-6, обусловливающей эффективность его работы является необходимость поддержания на требуемом уровне сорбционной способности ГАУ, используемого в качестве загрузки (совместно с кварцевым песком) в скорых фильтрах блока. Плотность насыпная, не более 430 г/дм 3. Плотность сухого продукта (истинная плотность), 1, 2 г/см 3. Влажность, не более 2, 0 %. Зольность общая, не более 10, 0 %. Размер гранул d экв. = 0, 9 -1, 1 мм Прочность механическая (на истирание), не менее 75 %. Пористость (объем пор) общая, не менее 1, 0 см 3 /г. Удельная площадь поверхности по ВЕТ, 950 м 2 /г Осветляющая способность по метиленовому голубому – не менее 200 мг/г Адсорбционная активность по йоду, не менее 1000 мг/г. Сорбционные характеристики ГАУ Filtrasorb TL-
Исследования состояния ГАУ Filtrasorb TL 830 в процессе его эксплуатации на блоке К-6 По данным организации-поставщика технологии срок работы ГАУ Filtrasorb TL 830 до реактивации составляет 3 года. По истечении этого срока поставщик технологии (фирма TAHAL, Израиль) рекомендует выполнять реактивацию ГАУ. В результате работ, выполненных специалистами кафедры «Химической технологии материалов и изделий сорбционной техники» установлено, что состояние ГАУ Filtrasorb TL 830, загруженного в скорые фильтры блока, существенно отличается от первоначального состояния свежего угля. Установлено снижение сорбционной активности ГАУ в процессе его эксплуатации на блоке К-6 ЮВС. Скорость снижения сорбционной активности ГАУ Filtrasorb TL 830 в условиях его эксплуатации на блоке К-6 ЮВС составляет: — по метиленовому голубому – 4, 25 мг/г в месяц, — по йоду – 25 мг/г в месяц, — по перманганатной окисляемости – 0, 0175 мг/г в месяц. Выполненные работы показали, что к лету 2013 г. сорбционная активность ГАУ, загруженного в скорые фильтры блока К-6, составит менее 25 % от начальных значений. Снижение сорбционной активности ГАУ Filtrasorb TL 830 до значений, составляющих менее 20 % от первоначальной сорбционной активности угля, приведет к его безвозвратной потере, поскольку проведение реактивации и дальнейшая эксплуатация угля станут невозможными. В этом случае потребуется полная замена отработанного сорбента свежим, что, как показано ниже, приведет к экономическому ущербу для предприятия ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» .
Пути сохранения функционального состояния скорых фильтров блока К-6 В ходе выполнения работ специалистами кафедры «Химической технологии материалов и изделий сорбционной техники» рассмотрены три варианта сохранения функционального состояния скорых фильтров блока К-6: 1) Проведение последовательной реактивации ГАУ путем поэтапной выгрузки из действующих скорых фильтров и проведения его реактивации на специализированном промышленном предприятии. При этом должно быть обеспечено сохранение производительности блока К-6 по обрабатываемой воде (одновременно необходимо выгрузить и реактивировать ГАУ только из одного скорого фильтра). 2) Перегрузка фильтровальных сооружений кварцевым песком (переход к использованию однослойной загрузки и к отказу от использования сорбционного метода очистки воды). При этом должно быть обеспечено сохранение производительности блока К-6 по обрабатываемой воде (одновременно необходимо перегружать ГАУ только в одном скором фильтре). 3) Перегрузка верхнего слоя фильтровальных сооружений (ГАУ) свежим гранулированным углем Filtrasorb TL 830. При этом должно быть обеспечено сохранение производительности блока К-6 по обрабатываемой воде (одновременно необходимо заменять ГАУ на кварцевый песок только в одном скором фильтре).
Процесс реактивации включает четыре термических стадии: * Высушивание при 100°C: удаление воды. * Термическое выпаривание при 100 -250°C: физическая десорбция адсорбированной летучей органики. * Образование карбонизата при 200 -750°C: пиролиз нелетучей органики и карбонизация пиролизата. * Газификация карбонизата при 800 -1000°C: газификация пиролизата путем контролируемой реакции с водяным паром, двуокисью углерода или кислородом. Реактивация — возврат отработанного угля в производство с активностью, достаточной для использования в процессе, для которого он исходно предназначался. Реактивация = Возврат в производство путем термической реактивации Регенерация = Многократное использование путем обработки паром или методом химической регенерации в месте применения. Реактивация активированного угля состоит из: Выгрузки угля из адсорбера Обработки в специальной печи при высоких температурах Восполнения потерь Перезагрузки угля в фильтры
Сводные технико-экономические результаты вариантов организации работы фильтровальных сооружений блока К-6 после выработки сорбционного ресурса ГАУ По данным организации-поставщика технологии срок работы ГАУ Filtrasorb TL 830 до реактивации составляет 3 года. По истечении этого срока поставщик технологии (фирма TAHAL, Израиль) рекомендует выполнять реактивацию ГАУ. вариант организации работы фильтровальных сооружений размер капитальных затрат, тыс. руб. ожидаемое увеличение эксплуатационных затрат, тыс. руб. ожидаемое увеличение себестоимости очищаемой воды, руб. /м 3 уровень риска *) Перегрузка верхнего слоя скорых фильтров свежим ГАУ 114 203, 61 **) — 0, 36 **) 2 Перегрузка верхнего слоя скорых фильтров кварцевым песком 23 919 634 158 865 0, 45 9 Перегрузка верхнего слоя скорых фильтров реактивированным ГАУ 68 163 800, 6 — 0, 15 3 Примечания: *) Уровень риска оценен по сравнительной 10 -бальной шкале (0 – отсутствие риска, 10 – сильнейший, недопустимый риск), **) Представлен минимальный размер показателя приобретении ГАУ в ООО НПП «Полихим» . При приобретении ГАУ у других поставщиков размер показателя будет выше.
Информация об ООО «НПП «Полихим» НПП «Полихим» – одно из ведущих предприятий по изготовлению модифицированных углеродных сорбентов на Северо-Западе России. В составе предприятия имеются следующие подразделения: 1. Цех по производству углеродных сорбентов 2. Цех по изготовлению оборудования из пластика 3. Участок по антикоррозионной защите стального оборудования 4. Проектный отдел 5. Конструкторский отдел 6. Сметный отдел 7. Исследовательская лаборатория 8. Участок монтажа и пуско-наладки Годовой выпуск продукции в настоящее время составляет 600 т/год при номинальной производительности электропечей. Эти же печи могут быть использованы для проведения реактивации активированных углей. ← Электропечь ЭВП-300 в производственном здании ООО НПП «Полихим» Э лектропечь ЭВП-300 М в производственном здании ООО НПП «Полихим» →Предприятие имеет собственное производство и выпускает гранулированные активированные угли для тонкой очистки воды под марками МАУ-200, МАУ-3 ПТ, МАУ-6 А. Технология получения активных углей данных марок была разработана при непосредственном участии Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), в частности, кафедры «Химической технологии материалов и изделий сорбционной техники» .
Проведение пробной реактивации ГАУ Filtrasorb TL 830 на производственных мощностях ООО «НПП «Полихим» Гранулированные активированные угли могут быть легко регенерированы в ООО НПП «Полихим» наиболее распространенным стандартным методом (паром) Проведение процесса реактивации угля паром в электропечи ЭВП-300 Реактивированный уголь (в результате проведения реактивации в печи ЭВП-300). В соответствии с условиями договора между ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга и СПб. ГТИ (ТУ) на производственной площадке ООО НПП «Полихим» в сентябре-ноябре 2012 г. выполнена опытно-промышленная реактивация отработанного ГАУ Filtrasorb TL-830 в количестве 0, 5 т.
Результаты проведения пробной реактивации ГАУ Filtrasorb TL 830 на производственных мощностях ООО «НПП «Полихим» Реактивация отработанного ГАУ Filtrasorb TL-830 из скорых фильтров блока К-6 ЮВС позволяет восстановить параметры структуры ГАУ и даже улучшить эти параметры (при двухкратной реактивации) не только по сравнению с параметрами отработанного материала, но и по сравнению с параметрами исходного свежего образца угля Filtrasorb TL-830 Ws – суммарный объем пор, Vми – объем микропор, Vме – объем мезопор. Образец Ws, см 3 /г Vми, см 3 /г Vме, см 3 /г TL-830 (лот 8613 E 008), исходный (свежий уголь) 0, 467 0, 374 0, 093 Образец отработанного TL-830 (14. 08. 12) 0, 433 0, 359 0, 074 Образец реактивированного TL-830 (14. 08. 12) 0, 508 0, 462 0, 046 Партия отработанного TL-830 (13. 09. 12) 0, 403 0, 355 0, 048 Партия реактивированного TL-830 (13. 09. 12), однократная реактивация 0, 446 0, 420 0, 026 Партия реактивированного TL-830 (13. 09. 12), двухкратная реактивация 0, 547 0, 499 0, 048 Полученные результаты объясняются тем, что производитель ГАУ (Chemviron Carbon) с целью обеспечения продолжительного общего срока эксплуатации ГАУ Filtrasorb TL-830, основанного на использовании многократных процессов его реактивации, выпускает недоактивированный продукт, закладывая тем самым возможность сохранения его сорбционных и эксплуатационных свойств при многократной реактивации.
Параметры пористой структуры образцов ГАУ Filtrasorb TL-830 до и после реактивации Наблюдаемое снижение механической прочности ГАУ в процессе реактивации связано с удалением незначительной доли связующего компонента, происходящим в процессе реактивации. Тем не менее, механическая прочность реактивированных образцов ГАУ Filtrasorb TL-830, составляющая 78 -80 %, незначительно отличается от механической прочности исходного угля (84 -85 %), что обеспечивает возможность его дальнейшей эксплуатации без какого-либо снижения эксплуатационных характеристик. Wо – измеренный объем сорбционного пространства, Ео – энергия адсорбции по бензолу. В процессе реактивации восстанавливается и даже повышается по сравнению с образцом свежего ГАУ сорбционная активность по метиленовому голубому и значение йодного числа. образец W 0 , см 3 /г Е 0 , к. Дж/моль ЙЧ, мг/г Сорбционная активность по МГ, мг/г Мех. прочность, % TL-830 (лот 8613 E 008), исходный (свежий уголь) 0, 378 25, 4 927 198 84 Образец отработанного TL-830 (14. 08. 12) 0, 369 20, 8 759 98 80 Образец реактивированного TL-830 (14. 08. 12) 0, 476 25, 6 1080 213 78 Партия отработанного TL-830 (13. 09. 12) 0, 369 20, 2 689 94 85 Партия реактивированного TL-830 (13. 09. 12), однократная реактивация 0, 444 22, 7 1016 211 80 Партия реактивированного TL-830 (13. 09. 12), двухкратная реактивация 0, 509 26,
Выводы по результатам выполненных исследований Оптимальным решением по организации работы фильтровальных сооружений блока К-6 после выработки сорбционного ресурса ГАУ является проведение реактивации угля в сторонней организации с последующей его загрузкой в скорые фильтры блока и повторным использованием. В качестве сторонней организации для проведения реактивации отработанного угля из скорых фильтров блока К-6 рекомендуется ООО НПП «Полихим» . Данная организация отличается 1) высоким качеством выполнения производственного процесса реактивации ГАУ, установленного проведением пробной реактивации партии ГАУ Filtrasorb TL-830, отобранного из действующих скорых фильтров блока К-6, 2) наименьшей стоимостью реактивации среди российских предприятий аналогичного профиля, 3) наиболее близким расположением по отношению к Южной водопроводной станции Санкт-Петербурга. Размер затрат на комплекс мероприятий по реактивации отработанного ГАУ из скорых фильтров блока К-6 и перегрузке фильтров реактивированным углем составляет приблизительно 68 млн. руб. , что почти в 2 раза ниже размера капитальных затрат на замену отработанного ГАУ свежим углем. Осуществление комплекса мероприятий по реактивации отработанного ГАУ из скорых фильтров блока К-6 и перегрузке фильтров реактивированным углем будет сопровождаться наименее значительным увеличением себестоимости очищенной на блоке К-6 воды, составляющим 15 коп на 1 м 3 , что в 2 раза меньше, чем аналогичный показатель, достигаемый при замене отработанного ГАУ свежим углем и в 3 раза меньше, чем при замене отработанного ГАУ кварцевым песком. Замена отработанного ГАУ из скорых фильтров блока К-6 кварцевым песком не рекомендуется ввиду неизбежного резкого ухудшения качества очистки воды на блоке К-6 и связанного с этим экономического и материального ущерба для ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» .
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.
Сорбционные методы предполагают поглощение радионуклидов (или любого другого загрязняющего компонента, называемого сорбатом) твердой фазой (сорбентом) по любому механизму: адсорбция, ионный обмен, сокристаллизация, окклюзия, адгезия и т. п. Это, естественно, шире традиционного определения сорбции, но удобно при рассмотрении прикладной стороны вопроса, где более важен результат процесса, а не механизм его прохождения.
Сорбция проводится как в динамических, так и в статических условиях. Динамическая сорбция предполагает осуществление ее путем непрерывного фильтрования очищаемого раствора через слой сорбента. Статическая сорбция исключает направленное движение сорбента и очищаемого раствора относительно друг друга, а предполагает временный разовый контакт фаз (при перемешивании) с последующим их разделением. Поэтому вводятся два понятия, характеризующие емкость сорбента: статическая и динамическая емкость сорбента. Статическая емкость сорбента - это максимальное количество вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента к моменту достижения равновесия при постоянных температуре жидкости и начальной концентрации вещества. Динамическая емкость сорбента характеризуется максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропускании очищаемой воды через слой сорбента.
Динамическая сорбция
Динамическую сорбцию при очистке отходов осуществляют в насыпных или намывных фильтрах (рис. 1, 2). В первом случае в качестве загрузки фильтра применяют сорбент в виде механически прочного зернистого материала. В намывных фильтрах загрузкой служит сорбент в виде порошка. В качестве сорбента используют органические и неорганические материалы природного или искусственного происхождения.
Органические вещества природного происхождения обычно непосредственно как сорбенты не используются, а подвергаются предварительной обработке в целях их активации. В результате этого получают, например, такие сорбенты, как сульфированные уголь и битум, активированный уголь и т. п. Качество таких сорбентов, как правило, невысокое: небольшая емкость, низкая механическая прочность и термическая стойкость. Поэтому какого-либо заметного применения, несмотря на сравнительно низкую стоимость, такие сорбенты в практике очистки жидких радиоактивных отходов не нашли (чего нельзя сказать об очистки неактивных СВ).
Особо следует остановиться на возможностях применения битума. Оригинальна попытка использовать битум после его обработки олеумом (сульфирование) в качестве сорбента для очистки отходов.
Рисунок 1. - Схема насыпного ионообменного фильтра:
1 - патрубок ввода исходного раствора или вывода вод взрыхления; 2 - сдувка; 3 - распределительное устройство; 4 - патрубок ввода регенерационного раствора; 5 - ионообменный материал; 6 - коллектор; 7 - опора загрузки; 8 - патрубок ввода вод взрыхления или вывода фильтрата и регенерата.
Рисунок 2. - Схема патронного намывного фильтра:
1 - патрон с оплеткой из проволоки; 2 - трубная решетка; 3 - корпус; 4 - осадок; 5 - вспомогательный фильтро-материал; 6 - фильтрующий элемент.
Термопластические свойства битума позволяют после однократного использования расплавить отработавший сорбент, затем охладить его и получить твердый монолит с прочно зафиксированными радионуклидами. Однако невысокая обменная емкость сорбентов на основе битума (0,5-1,2 мг-экв/г), а также то, что объем отвержденных продуктов, направляемых на захоронение, больше, чем при использовании ионообменных смол, затрудняет их использование в практических целях.
Синтез органических полимеров с заданными свойствами, обладающих способностью к ионному обмену, позволяет получить сорбенты высокого качества, лишенные недостатков природных сорбентов. Однако стоимость этих сорбентов значительна: так, синтетический катионит КУ-2-8 дороже сульфоугля примерно на порядок.
Для очистки жидких радиоактивных отходов в странах СНГ применяют в основном следующие сорбенты: сильнокислотный катионит КУ-2-8, высокоосновный анионит АВ-17-8 и низкоосновные аниониты АН-31 и АН-2ФН. Сорбенты выпускают в гранулированном виде и используют обычно в Н + - и ОН - -формах. Все эти иониты обладают высокой обменной емкостью и осмотической стабильностью. Кроме того, они характеризуются хорошими фильтрующими и кинетическими свойствами, химической устойчивостью в концентрированных растворах кислот и щелочей и достаточно высокими коэффициентами очистки от радионуклидов. Так, коэффициенты очистки от радионуклидов 137 Сs и 24 Na на катионите КУ-2 достигают 100.
Ионообменный характер сорбции, которая рассматривается как гетерогенная реакция, накладывает свою специфику на свойства сорбента.
Обратимость ионообменной гетерогенной реакции, с одной стороны, позволяет сравнительно легко осуществлять регенерацию сорбента, а с другой - обусловливает создание условий для делокализации (вымывания) радионуклидов при хранении отработавшего сорбента.
Для ионов, близких по свойствам, не следует ожидать большого различия констант равновесия: такие ионы будут сорбироваться пропорционально содержанию их в растворе. Следовательно, обменная емкость ионита в этом случае практически вся используется не на сорбцию микрокомпонентов, а на выведение из раствора ионов макрокомпонентов (солей), что приводит к частым регенерациям ионитов и большим расходам растворов на их регенерацию.
Типичный пример такого положения - очистка от 137 Сs раствора, основными макрокомпонентами которого являются соли близкого по свойствам натрия: очистить такой раствор можно, только удалив из него практически все ионы натрия, т. е. обессолив его.
Несмотря на хорошую обратимость сорбции при регенерации сорбента, требуется 2-3-кратный избыток кислоты и щелочи. Это приводит к удорожанию последующей переработки и хранения отходов из-за наличия большого количества балластных солей. Поэтому отходы с высокой засоленностью невыгодно очищать органическими сорбентами. Концентрация, лимитирующая экономическую целесообразность применения ионного обмена, составляет около 1 г/л . Указанное значение этого параметра несколько условно, так как зависит от многих факторов, влияющих на экономику переработки, таких, например, как производительность, способ локализации концентратов отходов, стоимость пара (в конкурирующем методе упаривания) либо капитальных и эксплуатационных затрат на мембраны и др.
Для радионуклидов со свойствами, отличными от свойств катионов-макрокомпонентов, находящихся в растворе, ситуация меняется: многовалентные радионуклиды благодаря большему заряду удовлетворительно сорбируются на катионите при наличии в растворе ионов натрия. Таким образом, очистку отходов от многовалентных радионуклидов можно в принципе проводить путем пропускания через катионит в натриевой форме. Ионы натрия, находящиеся в отходах, сорбироваться не будут, и соответственно пропорционально доле натрия в сумме катионов сократится объем регенераторов и частота регенераций.
Сорбция на органических синтетических сорбентах позволяет удалять из отходов практически все радионуклиды, находящиеся в ионной форме.
Недостаток ионообменной сорбции на органических синтетических сорбентах состоит в том, что радионуклиды, находящиеся в молекулярной, коллоидной форме и в виде комплексов, из отходов не удаляются , для очистки от них требуется применять дополнительные методы.
Синтетические сорбенты - пористый материал, поэтому он обладает хорошими кинетическими показателями. Однако если в отходах, поcтупающих на очистку, содержатся органические вещества с большими молекулами или коллоиды, происходит забивка ими пор ионита и сорбция ухудшается . Процесс этот, как правило, необратим и выводит сорбент из строя.
Практически все ЖРО содержат в той или иной степени коллоидные и органические вещества. В связи с этим обычно перед ионным обменом коллоиды удаляют коагуляцией либо ультрафильтрацией, а органические вещества рекомендуется выводить сорбцией на макропористых сорбентах или также ультрафильтрацией. В последнее время намечается тенденция к замене коагуляции, являющейся источником большого количества вторичных отходов (пульп), фильтрованием, например, на намывных микрофильтрах либо ультрафильтрах, обеспечивающих хорошее удаление коллоидов.
Необходимость в предварительной подготовке отходов - недостаток ионного обмена.
Синтетические органические сорбенты недостаточно устойчивы к воздействию излучения : при дозе излучения выше 10 6 Гр происходит разрушение сорбента, обусловливающее значительное уменьшение его емкости. Поэтому для очистки ВАО синтетические органические сорбенты не применяют. Отмеченные недостатки ограничивают область их использования переработкой НАО и некоторых видов САО малой засоленности. Однако для этих отходов ионообменная очистка представляет собой основной метод переработки и с успехом применяется на установках по переработке облученного топлива, а также атомных энергетических, транспортных и исследовательских установках.
Обычно ионообменной очистке подвергают первичные НАО засоленностью, измеряемой сотнями миллиграмм на литр, или вторичные - конденсаты от упаривания САО. При переработке первичных солевых отходов используют, как правило, раздельное Н + - и ОН - -ионирование, осуществляемое в насыпных фильтрах. Фильтры регенерируют.
Чтобы добиться хорошей очистки, процесс осуществляют в две ступени : на первой из отходов выводят соли и частично радионуклиды, а на второй, куда поступают уже отходы с низкой концентрацией солей, проводят основную очистку от радионуклидов. При таком оформлении процесса обеспечивается очистка от основных радионуклидов, находящихся в ионной форме, примерно на 4 порядка. Однако следует отметить тот факт, что зачастую сорбция радионуклидов из низкосолевых растворов характеризуется меньшей эффективностью, чем из исходных.
Для сокращения объема регенератов последние порции их (промывные воды) используют повторно для приготовления свежих регенерационных растворов. Чтобы уменьшить расход реагентов и соответственно количество солей, поступающих с отработавшими регенератами на хранение, регенерацию проводят обычно противотоком .
При очистке вторичных бессолевых отходов необходимость в регенерации ионитовых фильтров минимальна, что обусловлено созданием условий для перехода на использование сорбентов без регенераций. Это дает возможность применять более эффективные фильтры смешанного действия (ФСД) и намывные нерегенерируемые фильтры . Фильтры смешанного действия загружаются смесью катионита и анионита в Н + - и ОН - -формах. Благодаря такой загрузке число элементарных актов ионирования резко возрастает. Однако, это увеличение не бесконечно, а ограничено размерами зерен сорбента. Смешанная загрузка практически устраняет противоионный эффект, что приводит к увеличению степени очистки и позволяет работать при высокой скорости фильтрования (около 100 м/ч).
Намывные фильтры предполагают использование сорбента в виде порошка, намываемого на жесткий фильтрующий каркас (паудекс-процесс) . Каркас конструктивно выполнен обычно в виде пористых стержней (патронов) (см. рис. 3).
Развитая поверхность порошка сорбента существенно улучшает кинетику сорбции, позволяет уменьшить время контакта, соответственно до минимума сократить толщину фильтрующего слоя (0,3-1 см) и практически нацело использовать емкость сорбента. Отработавшие сорбенты периодически удаляются с помощью противоточного гидравлического удара («шоковая» регенерация) (рис. 3). Недостаток намывных фильтров - высокая стоимость однократно используемого порошка смол.
Фильтры рассмотренного типа используют при очистке конденсатов АЭС, что обеспечивает эффективное осуществление этого процесса при минимальных количествах концентратов (пульп ионообменных смол), направляемых на отверждение и хранение.
Рисунок 3. - Цикл работы намывного фильтра с вертикальными патронными фильтрующими элементами: 1 - суспензия фильтроматериала; 2 - насос; 3 - исходный продукт; 4 - фильтрат; 5 - вода для регенерации; 6 - шлам.
Таким образом, для очистки первичных малозасоленных НАО целесообразно использовать насыпные фильтры в Н + - и ОН - -форме с регенерацией сорбентов (первая ступень очистки), а для доочистки вторичных бессолевых отходов (вторая ступень очистки), получающихся после очистки на первой выпарной (конденсаты) или ионитовой (фильтраты) ступени, - фильтры намывные или смешанного действия.
Интерес к неорганическим сорбентам вызван такими их особенностями, как селективность к отдельным радионуклидам; прочная фиксация сорбированных радионуклидов; высокая радиационная стойкость . Кроме того, природные сорбенты отличаются доступностью и дешевизной. Высокая стоимость искусственных неорганических сорбентов в определенной степени компенсируется их большей емкостью и селективностью.
Из природных минералов хорошей сорбционной способностью обладают алюмосиликаты : глины, цеолиты. Как правило, алюмосиликаты селективны к радионуклидам: 137 Сs и 90 Sr. Такими свойствами обладают минералы: вермикулит и клиноптилолит, бентонит, биотит, пиролюзит и др. Например, по отношению к цезию емкость клиноптилолита составляет 1,5-1,7 мг-экв/г, вермикулита - 1,0-1,5 мг-экв/г. Данные сорбенты могут обеспечивать коэффициент очистки раствора от 137 Сs и 90 Sr порядка 10 2 -10 3 .
Высокая стоимость рассматриваемых ниже искусственных неорганических сорбентов делает их менее перспективными для очистки больших количеств НАО и САО по сравнению с природными минералами.
Высокой селективностью по отношению к радиоцезию обладают ферроцианиды тяжелых металлов: коэффициент распределения 137 Сs при сорбции его из раствора, содержащего 12 г/л NaNО 3 , составляет 10 6 -2·10 9 мл/г. Причем радиоцезий сорбируется настолько прочно, что сорбент практически нельзя регенерировать.
Ферроцианиды как сорбенты могут быть использованы в виде взвеси в статических и в виде гранул на носителе в динамических условиях . В первом случае после сорбции необходимо эффективное разделение фаз, т.к. это будет лимитировать качество очистки.
Гидроксиды металлов
сорбируют различные радионуклиды и, в частности, являются эффективными сорбентами радиоцезия. Исследование сорбции 137 Сs гидроксидами различных металлов показало, что она увеличивается в ряду А1 3+ Сорбционные селективные свойства по отношению к рутению
характерны для сульфидов металлов
. Проверка сульфида меди в динамических условиях показала, что обеспечивался коэффициент очистки раствора от рутения 1·10 3 -5,5·10 3 . В связи с невысокой стоимостью сорбента предполагается его однократное использование. Таким образом, в принципе имеются селективные неорганические сорбенты для радионуклидов: 137 Сs, 90 Sr и 106 Ru. Сорбент выгодно использовать в динамических условиях,
так как при этом достигается лучшая очистка и более полно используется сорбционная емкость. Однако неорганические сорбенты, как правило, не обладают необходимыми для применения их в насыпных фильтрах механическими и фильтрационными свойствами. Поэтому часто природные неорганические сорбенты приходится применять в статических условиях или в намывных фильтрах, где к ним таких жестких требований не предъявляется. Для искусственных неорганических сорбентов такие решения из-за их высокой стоимости и ограниченных масштабов применения обычно неприемлемы. Поэтому для использования этих сорбентов в насыпных фильтрах их приходится специально наносить на зернистый инертный механически прочный материал тонким слоем: масса сорбента не должна превышать 10% массы получающейся гранулы Сорбенты, используемые в таком виде (тонкопленочные сорбенты
), обеспечивают высокие коэффициенты распределения основных радионуклидов (137 Cs, 90 Sr, 60 Co), которые в пересчете на сорбирующее вещество достигают величин порядка 10 4 -10 6 мл/г. В качестве носителя обычно применяют зерна силикагеля, активированного угля, синтетических ионитов. Благодаря хорошим технологическим, механическим и фильтрационным показателям эти сорбенты могут получить распространение в области обезвреживания жидких радиоактивных отходов при благоприятных экономических показателях. Искусственные неорганические сорбенты используют при переработке ВАО или небольших количеств САО, причем очень важно такое их качество, как радиационная стойкость
. Взвеси
, образующиеся при очистке отходов методом химического осаждения
, также можно рассматривать как искусственные неорганические сорбенты. Однако этот метод будет специально рассмотрен в следующем разделе. Из-за селективности к отдельным радионуклидам сорбцию на неорганических сорбентах нельзя рассматривать как основной метод очистки. Однако имеются условия, благоприятные для использования этих сорбентов, особенно селективных к радиоцезию, так как последний, находясь, как правило, в отходах в ионной форме, плохо извлекается при коагуляции, умягчении и механическом фильтровании. Радиоцезий часто лимитирует сброс конденсатов от переработки отходов АЭС, прачечных вод после их очистки осаждением, низкоактивных отходов после их Na-ионирования и т. п. Из природных сорбентов, селективных к цезию и стронцию, наибольшее применение для очистки отходов находят вермикулит, клиноптилолит и бентонит. Вермикулит рассматривают как перспективный фильтрующий материал при использовании его в намывных фильтрах, где он служит для ионообменной (в основном от радиоцезия) и механической очистки радиоактивных отходов. Также данные материалы, особенно последние два, используются для уменьшения выщелачивания радионуклидов из отвержденных концентратов радиоактивных отходов в качестве добавок, входящих в состав матриц, а также материала инженерных барьеров. Статическая сорбция
Для осуществления сорбционного извлечения радионуклидов необходимо наличие твердой фазы, происхождение
которой при сорбции в статических условиях может быть различным: она может присутствовать в отходах (что обычно имеет место), вводиться в виде готовых сорбентов или образовываться в результате химических реакций. Практически все виды жидких радиоактивных отходов различного происхождения содержат взвеси в количестве 10 -2 -10 -1 г/л. Взвеси и в особенности их наиболее тонкие фракции из-за развитой поверхности обладают той или иной склонностью к ионообменной и молекулярной сорбции. Например, гидратированная двуокись марганца, поступающая в отходы с дезактивационными растворами, - довольно распространенный сорбент для смеси радионуклидов и, что особенно важно, для 60 Со. Продукты коррозии, содержащие гидратированные формы окислов тяжелых металлов (Fе, Мn, Ni,Со и др.), также способны сорбировать радионуклиды. Поэтому организованное отделение взвесей может привести к заметной очистке отходов от радионуклидов, что позволяет иногда ограничиться только этой операцией (К оч ~ 10). Часто для выведения каких-либо конкретных радионуклидов из отходов в них добавляют селективные сорбенты
. Как правило, сорбцию на селективных сорбентах используют в сочетании с коагуляцией
. Это позволяет проводить в рамках одной технологической операции селективную сорбцию радионуклидов сорбентом, соосаждение и адсорбцию их на коагулянте, а также захват частиц сорбента коагулянтом, что позволяет (в случае совпадения оптимальных условий работы сорбента и коагулянта) взаимно усилить их действие. Наиболее эффективный и распространенный вариант статической сорбции - химическое осаждение
. Из области водоподготовки для очистки жидких радиоактивных отходов позаимствованы такие классические методы химического осаждения, как коагуляция
и умягчение
. Первый метод предназначается для выведения из растворов коллоидов, второй - солей жесткости. При этом одновременно происходит также очистка от радионуклидов, находящихся как в коллоидной, так и в молекулярной и ионной формах. В практике очистки жидких радиоактивных отходов коагуляцию обычно проводят солями железа, образующими в качестве коллектора гидроокись. Другой коллектор - гидроокись алюминия - применяют значительно реже из-за возможности осаждения гидроокиси железа в более щелочной среде, в которой происходит лучшая сорбция радионуклидов. Кроме того, образующиеся хлопья гидроокиси железа имеют большую плотность и поверхность. При коагуляции выделяющийся осадок захватывает взвеси и коллоиды, а также ассоциированные на них радионуклиды: удаляются главным образом радионуклиды многовалентных легкогидролизующихся элементов. Например, коэффициенты очистки от редкоземельныx элементов 95 Zr/ 95 Nb
могут составлять 50-100 и более. Особенно высока эффективность коагуляции при обработке отходов, содержащих α-излучающие радионуклиды (239 Рu, 241 Аm)
. Коэффициенты очистки достигают значений 1000 и более. На поверхности образующегося осадка протекают различные обменные и адсорбционные процессы. Сорбция 90 Sr достигает значительной степени (около 95%) в щелочной среде (рН ~ 10,5), когда поверхность хлопьев имеет сильный отрицательный заряд. Извлечение 106 Ru изменяется в широких пределах (8-96%) из-за многообразия его химических форм. Сорбция 137 Сs осадком практически не наблюдается. В качестве коллекторов применяют также гидроокиси магния, марганца, титана, циркония и хрома. Особенность метода химического осаждения - селективность к отдельным радионуклидам. К наиболее важным радионуклидам, требующим селективного удаления, можно отнести 137 Сs, 106 Ru, 90 Sr, 131 I, 60 Со. При содово-известковом умягчении
в осадок выпадают карбонат кальция и гидроокись магния, которые служат коллекторами в основном для радиостронция. Стронций удаляется сокристаллизацией с карбонатом кальция. Поэтому количество удаляемого стронция пропорционально выводимой жёсткости (количеству кальция, переведенному в твердую фазу). Использование содово-известкового процесса позволяет наряду со 90 Sr удалять и другие изотопы, главным образом изотопы РЗЭ и 95 Zr/ 95 Nb. Их содержание после осаждения СаСО 3 снижается примерно на порядок, а стронция – до 2 порядков. Эффективный метод удаления радиостронция представляет собой также фосфатная коагуляция
, в основе которой лежит получение практически нерастворимого соединения - гидроксилапатита состава 3Са 3 (РО 4) 2 ·Са(ОН) 2 , обладающего высокими сорбционными свойствами по отношению к тем радионуклидам, которые могут замещать кальций в структуре этого соединения. Для осаждения гидроксилапатита требуется высокая щелочность среды или большой избыток фосфат-ионов. Так, осаждение при рН = 11,5 и отношении РО 3- 4: Са 2+ , равном 2,2, дает примерно тот же эффект очистки, что и при рН = 10,2-10,4 и отношении РО 3- 4: Са 2+ , равном 5. Стронций
при этом выводится на 98%. При фосфатной коагуляции происходит сорбция катионных форм радионуклидов главным образом стронция, а цезий и радионуклиды в анионной форме практически не соосаждаются. В целом фосфатная коагуляция дает очистку от смеси β-активных изотопов на 1-2 порядка. Удаление 137 Сs
производят с помощью осаждения ферроцианидов таких металлов, как Fе, Ni, Сu, Zn.
Наиболее часто применяют ферроцианид никеля, так как он менее чувствителен к солевому составу перерабатываемых отходов и сохраняет сорбционные свойства в широком интервале рН. Эффективность метода весьма высока: коэффициент очистки по 137 Сs может достигать 1000. Рутений
трудно сконцентрировать в твердой фазе из-за многообразия его химических форм. Наиболее известные сорбенты - сульфиды тяжелых металлов, таких как Sb, Cd, Fе, Рb. Кобальт
, как и рутений, плохо концентрируется на осадках. Наиболее эффективна очистка от кобальта на оксигидратах циркония, хрома и марганца. Удаление 131 I
можно производить соосаждением с иодидом серебра или меди со стабильным изотопом - «носителем». Отмечено, что гидроокись висмута имеет тенденцию сорбировать анионы. Так, при концентрации 100 мг Bi/л и рН = 5,5 удаляется 96% 131 I. Еще более высокая степень удаления 131 I (до 98%) наблюдается при соосаждении с иодсодержащим соединением висмута состава ВiOI при рН = 2-5. а - с последовательным введекием сорбента; б - с нротивотичным; 1 -подача СВ; 2 - подача сорбента; 3 - резервуары с перемешивающим устройством; 4 - отстойники для отделения отработанного сорбента от СВ; 5 – выпуск обработанной воды; 6 - выпуск отработанного сорбента; 7 - резервуар для сбора сорбента; 8 - насосы для перекачки сорбента на I ступень Рисунок 4. -
Схемы установок для сорбции в статическом режиме
Обычно сорбционная установка состоит из нескольких параллельно работающих секций, состоящих из трех-пяти последовательно расположенных фильтров. При проведении процесса сорбции в статических условиях применяются установки с последовательным и противоточным введением адсорбента, схема которых представлена на рисунке 4. Следует указать, что установка с противоточным введением сорбента более экономична и значительно чаще используется в практике очистки ЖРО. Процесс химического осаждения завершается операциями по разделению фаз, предназначенными для осветления основной части отходов и концентрирования полученных при этом шламов. Фазы разделяют обычно фильтрованием или воздействием на двухфазную систему твердое-жидкость силового (гравитационного, инерционного
или электромагнитного
для ферромагнитных частиц) поля. Гравитационное
разделение реализуется в отстойниках и осветлителях, инерционное
- в центрифугах, электромагнитное
– в магнитных сепараторах. Рисунок 5. -
Схема контактного осветлителя
Отстойники
- малопроизводительные аппараты, в которых получается пульпа высокой степени влажности - 97-99%. По этой причине в настоящее время их почти не применяют. Для этой цели обычно используют осветлители
(рисунок 5). В осветлителе отходы, содержащие взвесь, подаются в аппарат снизу и фильтруются через слой фиксированного там осадка. Такое оформление осветления позволяет работать с большими скоростями, получать более плотный осадок и обеспечивать лучшее качество осветления и как следствие лучшую очистку. Для дальнейшего осветления отходов часто после осветлителей предусматривается операция фильтрования
. Обычно для этих целей используют напорные насыпные
или намывные фильтры
, а также микрофильтры
. 1 -сопла; 2 -гравий; 3 - песок; 4 -
антрацит; 5 - распределительное устройство при фильтровании или сборный коллектор при взрыхлении
Рисунок 6.
- Схема напорного насыпного фильтра
В насыпных фильтрах
в качестве смешанной загрузки используют песок, измельченный кокс, антрацит, гравий (рисунок 6). Эти фильтры получили широкое распространение для доочистки уже осветленной жидкости. Они просты и надежны, однако при их регенерации образуется довольно значительное количество вторичных отходов в виде шламов. Более перспективны для переработки жидких радиоактивных отходов намывные фильтры, в которых в качестве фильтрующих добавок могут использоваться как естественные, так и искусственные материалы. Намывные фильтры
имеют ряд преимуществ: обеспечивают более тонкое фильтрование (до 1 мкм), что позволяет этот процесс использовать как самостоятельную операцию по очистке отходов; имеют большую производительность, и при их регенерации образуется сравнительно немного вторичных отходов. Разработаны две основные конструкции намывных фильтров: патронные
, а также листовые и роторные
(типа Шенк и Фунда) (рисунок 7). Роторные фильтры широко используют для переработки низкоактивных отходов за рубежом. Если регенерацию патронных фильтров производят обратным током воды или воздуха и при этом образуются довольно значительные объемы шламов, то в роторных фильтрах осадок может быть обезвожен до содержания твердой фазы 22-25%. Удаление осадка осуществляется под действием центробежных сил при вращении дисков. Цикл работы роторного намывного фильтра состоит из следующих операций: 1) заполнение фильтра; 2) нанесение слоя фильтроматериала; 3) фильтрование; 4) опорожнение фильтра; 5) сушка осадка; 6) удаление осадка. 1 - цилиндрический корпус; 2 -
полый вертикальный вал; 3 -
горизонтальные диски; 4- коническое днище; 5 - трубопровод отвода фильтрата; 6- трубопровод отбора остатка суспензии; 7 - трубопровод подачи исходной суспензии; 8 -
трубопровод подачи газа
Рисунок 7.
- Схема намывного фильтра типа Фунда
Микрофильтры
,в зависимости от размера каналов (от 0,1 до 40 мкм), могут удалять частицы из раствора в широком диапазоне их дисперсности. Имеют плоскую либо трубчатую компоновку, работают под давлением (0,2-10 атм). Характеризуются высокой производительностью, модульной конструкцией, относительной простотой регенерации и эксплуатации вцелом, высокой эффективностью очистки и малым объемом вторичных отходов. Область применения химического осаждения - переработка отходов низкого уровня активности.
Химическое осаждение может представлять собой одно-, двух-, многостадийный процесс или комплексное осаждение, когда в осадок одновременно выводят различные малорастворимые соединения. Иногда осаждение дополняется сорбцией на мелкодисперсных твердых сорбентах, вводимых в отходы. Коэффициент очистки раствора, особенно общий для смеси различных радионуклидов редко превышает 100. При более высоком уровне активности статической сорбцией не достигается требуемая степень очистки и ее используют в сочетании с другими методами очистки, например, с динамической сорбцией, ионным обменом, мембранными методами, дистилляцией. Данные по извлечению радионуклидов на различных стадиях процесса очистки ЖРО в Кьеллере (Норвегия) с применением коагуляции и ионного обмена приведены в таблице 1. Таблица 1
– Эффективность удаления радионуклидов методами коагуляции и ионного обмена
Метод химического осаждения имеет следующие достоинства
: низкая стоимость; использование широко распространенного оборудования и приспособлений, а также доступных реагентов (соли Fе, А1, Са, сода); возможность удаления радионуклидов как в ионной, так и в коллоидной форме; возможность переработки засоленных отходов. К недостаткам
метода можно отнести низкий коэффициент очистки; образование больших объемов шламов, требующих дальнейшей переработки (вторичные отходы); отсутствие очистки от солей, что не позволяет получать воду, пригодную для повторного использования или сброса ее в открытую гидросеть, если концентрация солей превышает сбросные нормы; необходимость разделения фаз. Применение химического осаждения в промышленно развитых странах значительно уменьшилось из-за повышения требований к сбросным водам, а также из-за тенденции использования замкнутой схемы водоснабжения и применения безреагентных (или малореагентных) методов. Кроме того, значительно возросли масштабы производства синтетических ионообменных смол, что снизило их стоимость, и появилась возможность использования в тех процессах очистки низкоактивных отходов, где ранее из соображений экономии отдавали предпочтение химическому осаждению. Применение новых, более эффективных искусственных коллекторов активности, например, на основе соединений Ti, Zr, Nb, в статических условиях экономически нецелесообразно, так как при этом их емкость полностью не используется. Из процессов химического осаждения находит заметное применение только коагуляция в основном как вспомогательная операция по осветлению (удалению взвесей, коллоидов, ПАВ). Эффективность коагуляции может быть существенно повышена при использовании синтетических флокулянтов, которые интенсивно разрабатываются в настоящее время. Совершенствуются и активно внедряются такие методы механического выделения из жидкости твердой фазы, как микро- и ультрафильтрация, которые позволяют проводить глубокое осветление отходов без коагуляции. Перспективно применение синтетических селективных сорбентов в малых дозировках совместно с мембранными и фильтрационными методами (микро-, ультра- и нанофильтрацией, обратным осмосом). Подобные совмещенные методы очистки относятся к реагентным баромембранным
(или мембранно-сорбционным) и позволяют эффективно очищать ЖРО сложного радиохимического состава. Считается целесообразным также проводить одновременно осветление и ионообменную очистку отходов на намывных фильтрах при использовании в качестве фильтрующих добавок порошкообразных ионообменных смол и волокнистых материалов или одних ионообменных смол в виде волокон. очитка сточный вода адсорбция Сорбция является одним из универсальных способов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод таких производств, как коксохимические, сульфат-целлюлозные, хлорорганические, синтеза полупродуктов, красителей и др. Для удаления органических веществ, определяемых величиной ВПК, пригодна биологическая очистка. Для удаления стойких органических веществ, определяемых ХПК, биологическая очистка не является эффективной. Даже хорошо очищенные сточные воды после биологической очистки имеют загрязнения органическими веществами, величина которых по ХПК равна 20--120 мг/л. Эти вещества включают танины, лигнины, эфиры, протеиновые вещества и другие органические загрязнения, имеющие цветность и запахи, пестициды, такие, как ДДТ, и др. Сорбционная очистка сточных вод используется как до биологической очистки, так и после нее. В последнее время исследуется возможность замены биологической очистки производственных и бытовых сточных вод сорбционной очисткой. В отличие от биохимического процесса колебания температуры и влияние токсичности для сорбции не имеют такого большого значения, кроме того, легче решаются вопросы удаления осадка и автоматизации, сложные для станций биологической очистки. Применяются три типа сорбции. Адсорбция
-- поглощение вещества поверхностью чаще всего твердого поглотителя. Аппараты, в которых происходит адсорбция, называются адсорберами. Абсорбция
-- поглощение, сопровождающееся диффузией поглощенного вещества в глубь сорбента с образованием растворов. В большинстве случаев абсорбции поглотителем является жидкость. Аппараты, в которых происходит этот процесс, называются абсорберами, или скрубберами. Хемосорбция
-- адсорбция, сопровождающаяся химическим воздействием поглощаемого вещества с сорбентом. Хемосорбция применяется в технике при поглощении диоксида углерода, оксида азота, аммиака и т. п. Процесс осуществляется обычно в башнях, заполненных пористой насадкой, через которую фильтруется очищаемая сточная вода. В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: активированные угли, золу, коксовую мелочь, силикагели, алюмогели, активные глины и земли. Последние составляют большой класс природных сорбентов, которые обладают значительной поглотительной способностью без всякой дополнительной обработки, что является их преимуществом перед искусственными сорбентами. Наиболее важными показателями сорбентов являются пористость, структура пор, химический состав. По структуре пористой поверхности сорбенты разделяются на мелкопористые, крупнопористые и смешанные. Величина сорбционного потенциала выше у мелкопористых сорбентов, однако, они не всегда оказываются доступными для поглощения загрязнений сточных вод. Активированные угли, как правило, являются доступными для поглощения молекулярно-растворенных веществ. Природные сорбенты (туфы, диатомиты) способны поглощать группы молекул. Благодаря химическому сродству сорбентов к извлекаемым загрязнениям наиболее часто встречающиеся углеродные сорбенты целесообразно применять для удаления из воды недиссоциируемых или слабо-диссоциируемых веществ органического происхождения. Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества в кг на 1 м 3 или 1 кг сорбента; активность может быть выражена в долях или процентах от массы сорбента. Статической активностью сорбента называется максимальное количество вещества, поглощенного к моменту достижения равновесия единицей объема или массы сорбента при постоянной температуре воды и начальной концентрации вещества. Динамической активностью сорбента называется максимальное количество вещества, поглощенного единицей массы или объема сорбента до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропускании сточной воды через слой сорбента. Динамическая активность всегда ниже статической. Так, например, в адсорберах промышленного типа динамическая активность активированных углей составляет 45 -- 60% статической. Адсорбция гранулированным активированным углем осуществляется в насыпных фильтрах или в аппаратах с псевдоожижением угля. Фильтрование через неподвижный слой активированного угля в насыпных фильтрах производится сверху вниз или снизу вверх (рис. 1.). Рис. 1. Схема адсорбционной доочистки с использованием активированного антрацита Потоки: I - сточная вода на очистку; II - регенерированный антрацит; III - активированный антрацит; IV- сточная вода на ионообменные фильтры; V - свежий антрацит на активацию; VI - водяной пар; VII - природный газ; VIII- дымовые газы; 1 - адсорбер; 2, 3- печь соответственно регенерации и активации антрацита
В этом случае предусматривается предварительная очистка сточной воды от взвешенных веществ на песчаных фильтрах, так как присутствие их в количестве более 10 г/м 3 вызывает быстрое нарастание потерь напора в сорбционных фильтрах. Наиболее часто практикуется последовательная работа сорбционных фильтров со скоростями фильтрования воды от 1--2 до 5--6 м/ч через загрузку с размером зерен от 1, 5--2 до 5-- 6 мм. Фильтры с неподвижным слоем угля наиболее рационально применять при регенеративной очистке цеховых сточных вод. При десорбции, осуществляемой химическими растворителями или паром, достигается не только восстановление сорбционной способности угля, но и извлечение продукта, имеющего техническую ценность. В аппаратах с псевдоожижением активированного угля сточная вода подается снизу вверх со скоростями 7--10 м/ч. При этом уголь с размером частиц 0, 5--1 мм перемешивается восходящим потоком воды и по мере насыщения перемещается от верхних тарелок к нижним. Мелкие взвешенные частицы загрязнений сточных вод выносятся из адсорбера и могут быть удалены совместно со стоками других цехов на общих очистных сооружениях. Такая очистка сточных вод предъявляет повышенные требования к активированному углю, поскольку он подвергается значительному истиранию при псевдоожижении и гидротранспортировании. Противоток в схеме организован переключением аппаратов с недонасыщенным углем навстречу сточной воде. Фильтрующий слой на внутреннюю поверхность фильтра намывается из бака-суспензатора с помощью насоса. Эта схема была испытана для очистки сточной воды от тринитротолуола с начальной концентрацией 50 г/м 3 и конечной не более 0, 5 г/м 3 . При поступлении воды 2 м 3 /ч на 1 м 2 фильтрующей поверхности наилучшими вариантами являются трехступенчатая адсорбция при расходе угля марки ОУ на каждой ступени 2, 5 кг/м 2 (0, 13 кг угля/м 3 воды) и частоте перезарядки адсорберов / = 2, 5 раза в сутки или четырехступенчатая адсорбция при расходе угля марки КАД 5 кг/м 2 (0, 193 кг угля/м 3 воды) и /=1, 85 раза в сутки Такая схема обеспечивает высокое качество очищенной воды, как по содержанию взвешенных веществ, так и по содержанию растворенных органических загрязнений. В системе очистки участвуют небольшие количества воды и угля, что предопределяет компактность аппаратуры. Операции адсорбции и сепарации воды и угля совмещаются. Уголь при этом значительно меньше подвержен истиранию. Для восстановления сорбционной емкости отработанный в процессе адсорбции активированный уголь обычно подвергается регенерации химическими растворителями, паром или термообработке. Термическая регенерация активированного угля осуществляется в многотопочных печах. Общее время пребывания угля в печах колеблется от 30 до 60 мин при температуре от 600 до 900° С. Потери угля при этом составляют от 5 до 10%. Сорбционные методы являются наиболее распространенными для выделения хрома из сточных вод гальванопроизводства. Их можно условно поделить на три разновидности: Адсорбционный метод.
Адсорбционный метод является одним из эффективных методов извлечения цветных металлов из сточных вод гальванопроизводства. В качестве сорбентов используются активированные угли, синтетические сорбенты, отходы производства (зола, шлаки, опилки и др.). Минеральные сорбенты - глины, силикагели, алюмогели и гидроксиды металлов для адсорбции хрома из сточных вод используются мало, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика - иногда превышает энергию адсорбции. Наиболее универсальными из адсорбентов являются активированные угли, однако они должны обладать определенными свойствами: Процесс адсорбционного извлечения шестивалентного хрома из сточных вод ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с раствором, при фильтровании раствора через слой адсорбента или в псевдосжиженном слое на установках периодического и непрерывного действия. При смешивании адсорбента с раствором используют активированный уголь в виде частиц диаметром 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней . Рядом исследователей изучена адсорбция хрома на активированном угле как функция рН. Установлено, что хром (VI) легко адсорбируется на активированном угле в виде анионов, таких как HCrO4 - и CrO4 2- . В ряде работ показано, что предварительная обработка адсорбентов азотной кислотой повышает их сорбционную способность по хрому (VI) . Известен способ адсорбции хрома из сточных вод при использовании твердого лигнина. Установили, что процесс сорбции зависит от рН раствора и дозы лигнина. Оптимальное время контакта раствора с лигнином составляет 1 час . В качестве сорбента в основном используется активированный уголь, другие сорбенты используются крайне редко. В качестве других сорбентов в различных исследованиях предлагаются: Достоинства метода Недостатки метода Метод ионного обмена.
Ионообменное извлечение металлов из сточных вод позволяет рекуперировать ценные вещества с высокой степенью извлечения. Ионный обмен - это процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, называются ионитами. Метод ионного обмена основан на применении катионитов и анионитов, сорбирующих из обрабатываемых сточных вод катионы и анионы растворенных солей. В процессе фильтрования обменные катионы и анионы заменяются катионами и анионами, извлекаемыми из сточных вод. Это приводит к истощению обменной способности материалов и необходимости их регенерации. Наибольшее практическое значение для очистки сточных вод приобрели синтетические ионообменные смолы - высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых обрзуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка называется матрицей, а обменивающиеся ионы - противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженными ионами, называемыми анкерными. Реакция ионного обмена протекает следующим образом: RH + NaCL = RNa + HCL, при контакте с катионитом, где R - матрица с фиксированными ионами; Н - противоион, ROH + NaCL = RCL + NaOH, при контакте с анионитом. Для извлечения из сточных вод гальванопроизводства катионов трехвалентного хрома применяют Н-катиониты, хромат-ионы CrO32- и бихромат-ионы Cr2O72- извлекают на анионитах АВ-17, АН-18П, АН-25, АМ-п, АМ-8. Емкость анионитов по хрому не зависит от величины рН в пределах от 1 до 6 и значительно снижается с увеличением рН больше 6. При концентрации шестивалентного хрома в растворе от 800 до 1400 экв/л обменная емкость анионита АВ-17 составляет 270 - 376 моль*экв/м 3 . Регенерацию сильноосновных анионитов проводят 8 - 10 %-ным раствором едкого натра. Элюаты, содержащие 40 - 50 г/л шестивалентного хрома, могут быть направлены на производство монохромата натрия, а очищенная вода - использоваться повторно . На базе ВлГУ разработана технология локальной очистки хромсодержащих стоков с целью извлечения из них соединений тяжелых цветных металлов, в т.ч. и хрома сорбцией на сильноосновном анионите. Степень очистки воды по данной технологии более 90 - 95%. Очищенная вода соответствует ГОСТ 9.317-90 и вполне пригодна для использования в системах замкнутого водооборота . Изготавливаются: фильтры типа "ЭКОС-2" в ВНИИХТ, сорбенты: в НТЦ "МИУСОРБ" (Видное, Моск. обл.), МП "Поиск" (Ашхабад), ТОО "ТЭТ" (Долгопрудный, Моск. обл.), ВНИИХТ (Москва). Фирмой Inovan Umwelttechnik GmbH & Co KG разработана блочно-модульная установка системы REMA, предназначенная для очистки производственных сточных вод от тяжелых металлов. Одинарный блок представляет собой ионообменную колонку, в которой вертикально друг под другом установлены 4 сменные кассеты. В процессе очистки сточные воды последовательно пропускают через эти кассеты снизу вверх. Степень загрязненности ионообменной смолы определяют с помощью индикаторов. На заводе "Почвомаш" (Киров) внедрен процесс очистки промстоков гальванических производств от ионов хрома волокнистыми материалами. Для сорбции анионов хрома используют материал ВИОН АС-1, имеющий в своем составе сильноосновные винилпиридиниевые группы с СОЕ 1.1 - 1.2 мг*экв/г. Изготовлены две сорбционных колонны из коррозионно-стойкой стали объемом 50 л каждая. Сорбция хрома зависит от его концентрации в исходном растворе. Так, если концентрация составляет до 10 мг/л, то в фильтрате его не обнаруживают. Однако при концентрации аниона хрома 75 мг/л и выше содержание его в фильтрате 0.04 - 0.01 мг/л, что вполне допустимо при замкнутом цикле. Влияние исходной концентрации раствора хрома на его содержание в фильтрате обусловлено высоким ионным радиусом Cr2O72-, вызывающим стерические затруднения при сорбции на волокнистом хемосорбенте. При высоком содержании хрома следует уменьшить скорость подачи раствора на сорбционную колонну. В этом случае возрастает степень очистки. При достижении насыщения сорбционных колонн их снимают со стенда и транспортируют в отделение гальванохимической переработки для регенерации хемосорбционного материала и утилизации элюата. Регенерацию ВИОН АС-1 проводят раствором Na2CO3 . При этом в каждую колонну заливают по 50 л раствора и оставляют его на 3 часа. Последующая операция заключается в промывке фильтра водой . Было проведено исследование 8 волокнистых сорбентов, применяемых для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (Ag, Hg, Cr, Cd, Fe).Установлено, что волокнистые сорбенты ПАН-ПЭА, ПАН-ТТО-МКХК и угольное волокно эффективно очищают сточную воду от ионов тяжелых металлов. Они легко регенерируются путем обработки кислотами и могут многократно использоваться для очистки. Из раствора, полученного после регенерации волокон, можно выделять металлы и использовать их повторно. Синтезированы ионообменные материалы на основе отходов швейного и трикотажного производства, содержащие полиэфирное, полиакрилонитрильное волокно. Установлено, что синтезированные ионообменные волокна проявляют селективные ионообменные свойства. В лабораторных условиях исследовано выделение хрома из промывных сточных вод гальванических цехов с помощью ионообменных смол (ионообменные смолы в ОН-форме типа "Wolfatit" (Германия) марок SWB, SZ, SL, SBK, АД-41 и активированного угля марки AS)и углеродистых сорбентов . Система mod-ix фирмы "Krebs & Co.AG" (Германия) включает предварительный фильтр, вентили, трубопроводы, насосы, приборы для контроля качества воды по ее электросопротивлению и две интегрированные в нее ионообменные колонки с пропускной способностью 1.5 - 4 м 3 /ч. Одна из колонок используется по прямому назначению, другая в это время регенерируется. Описанная система состоит из отдельных модулей и поэтому легко монтируется и демонтируется . Достоинства метода Недостатки метода
