Сорбционные технологии

Сорбционные технологии используются в водоподготовке для осветления воды и улучшения ее органолептических качеств путем удаления растворенных органических веществ и газов. 

В технологии очистки воды активированные угли и другие (чаще искусственные сорбенты) применяются для снижения цветности и запахов воды. В частности они эффективны по отношению к природным гуминовым кислотам, широкому спектру промышленных органических соединений, в том числе фенолам, хлорорганике, эффективно снижают содержание хлора, показатели общего органического углерода. Эти процессы позволяют использовать его в сахарной, пищевой и спиртовой промышленностях, в сложных химических производствах. Некоторые умельцы используют активированный уголь для очистки самогона от сивушных масел. 

По отношению к жидким и газовым средам, и воде, применяется понятие адсорбция. Это процесс поглощения газов, паров, веществ из раствора или газовой смеси поверхностным слоем твердого тела (жидкости). Эти поглотители называются адсорбентами, а поглощаемое вещество — адсорбатом. 

Механизм адсорбции

Рассмотрим этот процесс на примере активированного угля. Если рассматривать его частицу под микроскопом, можно увидеть много выступов, углублений и пиков, которые значительно увеличивают его поверхность и образовывают пористость. Существует несколько видов пор, которые классифицируются по размеру: макро, мезо и микро.

Существует два типа адсорбции — физическая и химическая. 

Физическая представляет собой процесс, который происходит благодаря наличию особенных (вандерваальсовых) взаимодействий, вызывающих притягивание молекул к поверхности адсорбента. Этот физический процесс имеет обратимую природу - часть сорбированного вещества при определенных условиях (повышение температуры, изменение состава воды и пр.) может вернуться в воду. Благодаря этому активированные угли могут частично восстанавливаться промывкой обратным током воды.

Если процесс усложняется химической реакцией, то наступает химическая адсорбция (хемосорбция), для нее не характерно наличие обратных реакций. Это значит, что если вещества закрепились на поверхности, то они не вернутся в воду.

Стоит заметить, что оба процесса протекают одновременно не разделяясь во времени. 

На рисунке детально показана разница между двумя механизмами. 

Сорбенты

Самым популярным сорбентом для очистки воды является активированный уголь. Он получается из природного растительного сырья (древесины, скорлупы кокосового ореха, абрикосовых косточек и пр.) или полезных ископаемых (битуминозный и каменный угли). Технология получения базируется на сжигании в специальных печах и последующей активации. 

Активация представляет собой процесс открытия закрытых пор в структуре угля.

Существуют три метода активации:

• обработка растворами определенных веществ и последующая высокотемпературная обработка без доступа воздуха (чтобы исключить сгорание);
• обработка горячим паром и/или углекислым газом при 800 - 850 ^oC;
• обработка горячим паром с ограниченным количеством воздуха для сгорания определенного количества угля. 

Значение удельной поверхности пор у лучших марок активированных углей может достигать 1800—2200 м² на 1 г угля.

Современные сорбенты для очистки воды 

В наше время для сорбционной очистки воды используется активированный уголь. Обычно применяются гранулированные формы, поскольку они более удобны в эксплуатации. В зависимости от качества исходного сырья и технологии производства удельная площадь поверхности таких углей достигает 800 - 1300 м²/г. 

Одним из самых больших производителей является американская компания Calgon Carbon. Продукция поставляется в Украину. Преимущественно в технологиях водоподготовки применяются угли полученные из кокосовой скорлупы.

На диаграмме можно увидеть, как выглядит мировое распределение производств активированного угля.

Стоит заметить, что существуют и альтернативы углям. К ним относятся новые синтетические сорбенты, такие как HumiSorb - компонент многофункциональной смеси Ecomix, которая способна комплексно очищать воду от органических соединений, солей жесткости и железа.

Оборудование

Современное водоочистительное оборудование выполняется в роли фильтров баллонов производительностью от 0,6 до 25 - 30 м.куб/час. Производительность таких систем определяется объемом активированного угля и, соответственно, размером фильтра. 

Принцип работы таких систем заключается в том, что предварительно очищенная от механических частиц вода из трубопровода через распределительную систему подается в корпус фильтра (баллон) и распределяется по толщине загрузки. Потом она через центральную трубу отводится потребителю. 

Через определенное время производится регенерация системы. Она предусматривает промывку загрузки с большой скоростью обратным током воды.

Качественные активированные угли в зависимости от качества воды при правильной эксплуатации могут работать более пяти лет. 

После истечения этого срока производится замена материала. В промышленных масштабах возможна его термическая регенерация, которая предусматривает обжиг в печах при 800 - 850 ^оС для удаления органических частиц и реактивации. 

Еще одной модификацией угольного фильтра является картриджный магистральный. Он представляет собой классическую колбу типа BB20 или BB10, которая монтируется в трубопровод. В роли фильтрующего элемента устанавливается картридж с гранулированным активированным углем или карбонблок из спрессованного порошкового сырья. Принцип работы можно увидеть на рисунке ниже.

Такие решения имеют довольно малый ресурс (50 - 60 м.куб для фильтра ВВ20) и при исчерпании его подлежат замене. Такого ресурса хватит для очистки воды в квартире с 2-3 жителями примерно на 3 месяца. Широко применяются в быту и производстве питьевой воды (пункты разлива, киоски и пр.). 

История

Активированный уголь используют для очистки воды очень давно, первые упоминания об этом найдены в Древней Индии, а римляне пользовались им для очистки воды. В конце 18-го века люди начали применять активированный уголь уже в промышленных целях в фармакологической и сахарной промышленности. А уже в XX веке он стал широко использоваться в водоочистке для осветления вод.

Мы попытались объяснить основные моменты, которые касаются процессов сорбции. Если у вас остались вопросы, будем рады ответить на них в комментариях.