Для сорбционной очистки воды используют множество материалов естественного и искусственного происхождения, однако, чаще других применяют АУ. Несмотря на интенсивные поиски заменителей, пока не удалось найти иного материала, который был бы столь эффективен в качестве сорбента, как АУ [1; 2, с. 155]. В настоящее время для сорбции из водных растворов используют гранулированные (ГАУ) и порошкообразные (ПАУ) угли, а также углеродные волокна.
В промышленности и городском хозяйстве образуется ежедневно огромное количество органических отходов, содержащих углерод. Последние можно утилизировать для производства углеродных сорбентов, пригодных для очистки воды. При этом решается одновременно три проблемы: уничтожение отходов, сохранение сырья и очистка воды. В настоящее время из отходов целлюлозно-бумажной промышленности серийно выпускаются АУ марок Nuchar Aqua, Nuchar С, Nuchar V [2].
Исследования в области сорбционной очистки воды и эксплуатация очистных сооружений требуют постоянного контроля физико-механических, химических и физико-химических (сорбционных) характеристик вновь получаемого, используемого и регенерированного сорбентов. В этом плане наибольший опыт накоплен для АУ.
Материал, на поверхности или в объеме пор которого происходит концентрирование поглощаемого вещества, называют сорбентом, а само вещество — сорбатом. Сорбционные явления основаны на физическом и химическом взаимодействии сорбата и сорбента.
Движущей силой процесса сорбции из водных растворов является градиент химического потенциала сорбата. По достижении равенства химических потенциалов последнего в объеме раствора и в сорбенте наступает химическое равновесие. Лимитирующее влияние на скорость сорбции оказывают подвод сорбируемого вещества к зерну сорбента (внешний массоперенос) и перемещение его молекул внутри зерна пористого сорбента (внутренняя диффузия). Обычно во всех аппаратах и сооружениях сорбционной очистки воды путем турбулизации потоков и интенсивного подвода новых порций воды снимаются внешнедиффузионные ограничения, а единственной стадией, лимитирующей кинетику, является перенос вещества в транспортных порах, равномерно распределенных по всему объему зерна сорбента. Собственно акт сорбции — заполнение микропор — происходит столь быстро, что не влияет на кинетику процесса в целом [44, с. 36].
Сорбционный метод используют для удаления из воды не только органических и элементорганических загрязнений, но и неорганических. Сорбция последних, прежде всего тяжелых металлов, целесообразна в низкоконцентрированных растворах и обусловлена как физической сорбцией, так и хемосорбцией. В то же время соединения тяжелых металлов весьма токсичны, препятствуют нормальным процессам в водоемах и часто делают роду непригодной для питья.
Адсорбционная очистка воды на гранулированных сорбентах ведется в аппаратах с плотным, взрыхленным, движущимся и псевдоожиженным слоем. Одно- и многослойные адсорберы с плотным слоем ГАУ работают с восходящим и нисходящим потоком воды, по параллельной и последовательной схемам.
Неуклонный рост водопотребления, связанный с увеличением численности населения и развитием промышленности, вызывает необходимость использования воды из источников, содержащей повышенное количество примесей, что сопряжено с обязательной глубокой предварительной очисткой ее. Особое внимание уделяется подготовке питьевой воды, так как обязательное высокое качество питьевой воды по советским стандартам не ставится в зависимость от методов ее обработки [65]. Сорбционную обработку природной воды используют для удаления окрашенных, летучих и токсичных соединений, высокомолекулярных органических веществ естественного и искусственного происхождения.
Технология производства средств защиты растений, красителей и синтетических волокон, хлорорганических и ряда других веществ, а также работа предприятий бытовой химии связаны с образованием высокотоксичных отходов органического характера, часть которых попадает в сточные воды. Большинство этих токсичных соединений биологически не окисляются (табл. III. 1) и тормозят БХО других веществ. К особо токсичным органическим веществам относятся: большинство хлор- и нитропроизводных бензола, фенола и других ароматических соединений, пестициды и гербициды, фурфурол и ряд продуктов сухой перегонки древесины и углей, полупродукты синтеза капролактама и акрилатов. Для защиты водоемов и систем общей очистки воды целесообразно выделять особо токсичные загрязнения на локальных очистных сооружениях. Хорошая сорбируемость многих токсичных органических примесей предопределила широкое использование сорбционного метода для удаления их из воды.
Но далеко не все органические консервативные соединения токсичны. Кроме того, основное количество неокисляемых примесей сорбируется илом, осадками и донными отложениями водоемов и в конце концов выделяется из воды. Но процессы естественной очистки часто столь длительны, что не успевают за приростом загрязнения водоемов. Глубокая очистка, особенно в случае повторного использования воды, может базироваться лишь на такой технологии очистки стоков, которая непосредственно на выходе из очистных сооружений дает продукт — воду требуемого качества.
Под термином «доочистка» подразумеваются методы и процессы, дополняющие традиционные технологические схемы очистки сточных вод данного состава. Вследствие широкого распространения биохимической очистки общих потоков сточных вод обычно первичной очисткой считается механическая, вторичной — биологическая, а третичной — доочистка. При этом в процессе доочистки возможна любая необходимая и достижимая степень удаления или деструкции загрязнений [58, с. 5]. Применение сорбции на АУ позволяет дополнительно после БХО извлечь из воды более 80% оставшихся загрязняющих веществ.
Идея о применении дешевых углеродных, органических и минеральных сорбентов, а также различного типа отходов для очистки воды всегда актуальна из-за низкой рентабельности систем очистки сточных вод.Небольшие количества углеродных сорбентов изготавливают из бытовых и промышленных отходов. Метод их получения, в общем, аналогичен производству крупносерийных сорбентов и включает карбонизацию и активацию сырья, хотя технология значительно упрощена (яп. пат. 51-84286: фр. пат. 2042212, 2094334). Чрезвычайно дешевое сырье (старые шины, сельскохозяйственные отходы, глина) позволяет получать сорбенты для однократного применения. Резину карбонизуют, измельчают, смешивают с гипсом, растворимым стеклом и водой, гранулируют и сушат. А карбонизованные кочерыжки измельчают и добавляют при флотационной очистке стоков от СПАВ.
Значительная удельная поверхность АУ, наличие на ней большого числа активных центров обуславливают каталитические свойства углей, используемые в процессах химической и биологической очистки воды.Иногда окисление кислородом воздуха на АУ проходит настолько интенсивно, что способно заменить более дорогостоящий процесс озонирования этих вод. Возможность замены озона кислородом воздуха основана на том, что окислительный потенциал последнего достаточно высок, необходимо лишь инициировать реакцию окисления.
Промышленность выпускает много сорбентов, характеристики которых известны. В процессе использования сорбента, однако, и особенно его регенерации, происходит изменение некоторых свойств материала по сравнению с исходными. Необходим поэтому достаточно частый контроль некоторых параметров сорбента и сопоставление их с таковыми свежего сорбента. Использование специальных сравнительных методик значительно сокращает затраты труда на подобный контроль.
Несмотря на некоторую условность, методы регенерации можно отнести к одному из трех направлений, а именно: химическому, низкотемпературному термическому (НТР) и термическому (ТР).Под химической регенерацией понимают какую-либо обработку сорбента жидкими или газообразными органическими или неорганическими реагентами при температуре, как правило, не ныше 110°С. В результате этой обработки сорбат либо десорбируется без изменений, либо десорбируются продукты его взаимодействия с регенерирующим агентом. Химическая регенерация часто протекает непосредственно в адсорбционном аппарате. Большинство методов химической регенерации узко специальны для сорбатов определенного типа.
Из всех методов химической регенерации угля наибольшее распространение, особенно в водоподготовке, получила обработка АУ растворами гидроокиси и карбоната натрия; в 1934 г. этот метод был опробован на Донецком водопроводе [3, с. 21].
Низкотемпературная термическая регенерация (НТР)—это обработка сорбента паром или газами при 100—400 °С. Процедура эта достаточно проста, и во многих случаях ее ведут непосредственно в адсорберах.Водяной пар вследствие высокой энтальпии и хорошей десорбирующей способности чаще других используют для НТР. Он безопасен, доступен на производстве. Технология паровой регенерации ГАУ отработана в химической промышленности. Для пропарки адсорбера необходимы лишь парогенератор и холодильник-конденсатор. Отработанный конденсат направляется либо на сжигание, либо на выделение ценного сорбата.
Химическая и низкотемпературная термическая регенерация отработанного АУ, несмотря на ряд преимуществ, во многих случаях, в том числе при глубокой очистке и доочистке сточных вод, содержащих многокомпонентные загрязнения, не обеспечивает полного восстановления сорбционной емкости АУ.
Печь — основной аппарат для термической регенерации АУ. Обычно используют печи с кипящим слоем, многоподовые, барабанные и шахтные.Стремление к реализации оптимальных условий термообработки АУ привело к созданию различного рода печей с внешним нагревом реакционной зоны и полностью синтезируемой и управляемой атмосферой. Это — вертикальные реакторы шахтного типа с плотным движущимся вниз слоем АУ и вращающиеся барабанные горизонтальные реакторы с непрерывным или периодическим режимом работы [137, 142]. В большинстве из них внешний нагрев зоны реактивации осуществляется топочными газами, движущимися по спирали вокруг реактора от горелки к дымовой трубе (рис. IV. 17), реже используют электрический нагрев.