Сорбция на активированных углях

Сорбция – это процесс поглощения вещества (сорбата) из жидкости или газа твердым телом или жидкостью (сорбентом).

Различают два вида сорбции: поглощение сорбата всем объемом жидкого сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Адсорбция, в свою очередь, бывает химическая (связанная с химической реакцией между сорбатом и сорбентом) и физическая (происходящая без химических реакций). Химическая адсорбция обычно узкоспециальна и необратима, а физическая – универсальна и обратима (возможность извлечения сорбата из сорбента).

В системах водоподготовки обычно применяют адсорбенты – твердые нерастворимые тела с развитой высокопористой поверхностью (активный уголь, кокс, торф и т.п.), которые способны извлекать из воды органические вещества, в принципе не удаляемые другими методами или/и содержащиеся в таких малых концентрациях, когда применение других методов неэффективно.

Каждый сорбент имеет ограниченную емкость (количество поглощаемых загрязнений), после исчерпания которой сорбент необходимо либо регенерировать (восстанавливать сорбционную способность), либо заменить.

Чаще всего в качестве сорбентов для водоподготовки применяют разные марки активных (активированных) углей, которые получают из углеродсодержащего сырья (каменный и бурый угли, древесина, торф, скорлупа орехов и т.п.) путем различной обработки (активирования) с целью увеличения их пористости.

Размер, структура и удельная поверхность пор определяют эффективность активированного угля как сорбента.

  • Макропоры – размер более 500 Ангстрем (Å), удельная поверхность менее 0,5 м2/г. В процессе сорбции не заполняются, а выполняют роль транспортных каналов для доставки сорбата к более мелким порам.
  • Мезопоры – размер 20-500 Å, удельная поверхность до 200 м2/г. В процессе сорбции послойно заполняются сорбатом.
  • Микропоры – размер до 20 Å, удельная поверхность до 1000 м2/г. Соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул и определяют сорбционные свойства активного угля, поскольку на их поверхности адсорбируется основная масса сорбата.

Активные угли позволяют удалять из воды не только растворенные органические вещества, но и запах, привкус, активный хлор, фенолы, полициклические углеводороды, нефтепродукты, хлорорганические соединения, поверхностно-активные вещества и т.п..

Схему и аппарат сорбционной очистки воды выбирают в зависимости от области применения и места её расположения в комплексе очистных сооружений, состава воды, вида и крупности частиц активного угля:

  • При кратковременном (сезонном) увеличении концентрации органических веществ в воде часто рекомендуют её обработку порошкообразным активным углем (размер частиц менее 0,1 мм).
  • Если органические вещества в воде присутствуют постоянно, как правило, применяют напорные фильтры с засыпкой из зернистого угля (размер зёрен (гранул) 0,5-5 мм).
  • В бытовых фильтрах для очистки воды часто применяют волокнистые активные угли (диаметр волокон менее 0,1 мм, длина – несколько сантиметров).

Взвешенные и коллоидные вещества экранируют поры и снижают емкость сорбента. Использование прочного гранулированного активного угля,допускающего обратную промывку, позволяет использовать один фильтр и для механической фильтрации и для сорбции органических веществ, но при этом требуется более частая регенерация или замена активного угля. Регенерация активных углей может производиться только в промышленных условиях, что для большинства систем водоподготовки экономически нецелесообразно. Как правило, исчерпавший свою сорбционную способность (емкость) активный уголь периодически просто заменяют.

Поэтому, для увеличения срока службы активного угля в большинстве систем водоподготовки перед сорбционным фильтром рекомендуют использовать фильтры-осветлители.

При высоком содержании органических веществ в воде рекомендуется дозирование сильного окислителя (озона, активного хлора и т.п.) перед сорбционнымфильтром, что позволяет значительно увеличить срок службы и эффективность активного угля.

Озон разрушает трудноокисляемые вещества с большим молекулярным весом до легкоокисляемых с небольшим молекулярным весом, которые биологически доокисляются на поверхности активного угля и сорбируются в его микропорах.

Хлорирование воды с последующей сорбцией на активном угле позволяет удалять из воды аммонийный азот. 

Хлор разрушает аммонийные соединения в воде с образованием молекулярного азота, уходящего в атмосферу, а так же смеси монохлораминов, дихлораминов и треххлористого азота, которые сорбируются в микропорах активного угля.

Недостатки сорбционных фильтров:

  • имеют ограниченный ресурс (емкость) и требуют периодической регенерации (часто экономически нецелесообразна) или замены;

  • являются благоприятной средой для размножения микроорганизмов, что требует предварительного обеззараживания воды и лимитирует периодичность регенерации или замены сорбента (иногда - до исчерпания его сорбционной емкости).