Сорбційні технології

Сорбційні технології використовуються у водопідготовці для освітлення води та поліпшення її органолептичних якостей шляхом видалення розчинених органічних речовин та газів.

В технології очищення води активоване вугілля та інші штучні сорбенти застосовуються для зниження кольоровості та запахів води. Зокрема вони ефективні щодо природних гумінових кислот, широкого спектру промислових органічних сполук, в тому числі фенолу, хлорорганіки тощо. Ефективно знижують вміст хлору, показники загального органічного вуглецю. Ці процеси дозволяють використовувати його в цукровій, харчової та спиртовій промисловості, в складних хімічних виробництвах. Деякі умільці використовують активоване вугілля для очищення самогону від сивушних масел.

До рідких та газових середовищ, зокрема води, застосовується поняття "адсорбція". Це процес поглинання газів, парів, речовин з розчину або газової суміші поверхневим шаром твердого тіла (рідини). Ці поглиначі називаються адсорбентами, а речовина, що поглинається — адсорбатом.

Механізм адсорбції

Розглянемо цей процес на прикладі активованого вугілля. Якщо розглядати його частинку під мікроскопом, можна побачити багато виступів, заглиблень і піків, які значно збільшують його поверхню та утворюють пористість. Існує кілька видів пор, які класифікуються за розміром: макро, мезо і мікро.

Існує два типи адсорбції - фізична і хімічна.

Фізична являє собою процес, що відбувається завдяки наявності особливих (вандерваальсівських) взаємодій. Вони викликають притягання молекул до поверхні адсорбенту. Цей фізичний процес має оборотну природу. Це означає, що частина сорбованої речовини за певних умов (підвищення температури, зміна складу води та ін.) може повернутися в воду, завдяки цьому активоване вугілля може частково відновлюватися промиванням зворотним струмом води.

Якщо процес ускладнюється хімічною реакцією, то настає хімічна адсорбція (хемосорбция), для неї не характерна наявність зворотних реакцій. Це означає, що якщо речовини закріпилися на поверхні, то вони не повернуться в воду.

Варто зауважити, що обидва процеси протікають одночасно не розділяючись в часі.

На малюнку детально показана різниця між двома механізмами.

Сорбенти

Найпопулярнішим сорбентом для очищення води є активоване вугілля. Воно отримується з природної рослинної сировини (деревини, шкаралупи кокосового горіха, абрикосових кісточок та ін.) або корисних копалин (бітумінозного і кам'яного вугілля). Технологія отримання базується на спалюванні в спеціальних печах і подальшій активації.

Активація являє собою процес відкриття закритих пор в структурі вугілля.

Існують три методи активації:

- обробка розчинами певних речовин і подальша високотемпературна обробка без доступу повітря (щоб виключити згоряння);

- обробка гарячою парою і/або вуглекислим газом при 800 - 850 ^oC;

- обробка гарячою парою з обмеженою кількістю повітря для згоряння певної кількості вугілля.

Значення питомої поверхні пор у кращих марок активованого вугілля може досягати 1800-2200 м² на 1 г матеріалу.

Сучасні сорбенти для очищення води

У наш час для сорбційного очищення води використовується активоване вугілля. Зазвичай застосовуються гранульовані форми, оскільки вони більш зручні в експлуатації. Залежно від якості вихідної сировини і технології виробництва питома площа поверхні такого вугілля досягає 800 - 1300 м²/г.

Одним з найбільших виробників вугілля є американська компанія Calgon Carbon. Продукція поставляється в Україну. Переважно в технологіях водопідготовки застосовують вугілля отримане з кокосової шкаралупи.

На діаграмі можна побачити, як виглядає світовий розподіл виробництв активованого вугілля.

Варто зауважити, що існують і альтернативи вугіллю. До них відносяться нові синтетичні сорбенти, такі як HumiSorb - компонент багатофункціональної суміші Ecomix, яка здатна комплексно очищати воду від органічних сполук, солей твердості та заліза.

Обладнання

Сучасне фільтрувальне обладнання виконується у вигляді циліндричних фільтрів балонів продуктивністю від 0,6 до 25 - 30 м.куб/год. Продуктивність таких систем визначається обсягом активованого вугілля і, відповідно, розміром фільтра.

Принцип роботи таких систем полягає в тому, що попередньо очищена від механічних частинок вода з трубопроводу через розподільну систему подається в корпус фільтра (балон) і розподіляється по товщині завантаження. Потім вона через центральну трубу відводиться споживачеві.

Через певний час виконується регенерація системи. Вона передбачає промивання завантаження з великою швидкістю зворотним струмом води.

Якісне активоване вугілля в залежності від якості води при правильній експлуатації може працювати понад п'ять років.

Після закінчення цього терміну проводиться заміна матеріалу. У промислових масштабах можлива його термічна регенерація, яка передбачає випал в печах при 800 - 850 ^оС для видалення органічних частинок і реактивації.

Ще однією модифікацією вугільного фільтра є картріджний магістральний. Він являє собою класичну колбу типу BB20 чи BB10, Яка монтується в трубопровід. В ролі фільтрувального елемента встановлюється картридж з активованим гранульованим вугіллям или карбонблок з пресованого порошкового вугілля.

Такі рішення мають досить малий ресурс (50 - 60 м.куб для фільтра ВВ20) і при вичерпанні його підлягають заміні. Цього ресурсу вистачить для очищення води в квартирі з 2-3 жителями приблизно на 3 місяці. Широко застосовуються в побуті та виробництвах питної води (пункти розливу, кіоски тощо).

Історія

Активоване вугілля використовують для очищення води дуже давно, перші згадки знайдені в санскритах Стародавньої Індії, стародавні римляни користувалися ним для очищення води. В кінці 18-го століття люди почали застосовувати активоване вугілля вже в промислових цілях у фармакологічній та цукрової промисловості. А вже в XX столітті воно стало широко використовуватися у водоочистці для освітлення вод.

Ми спробували пояснити основні моменти, які стосуються процесів сорбції. Якщо у вас залишилися питання, будемо раді відповісти на них в коментарях.