Кинетика адсорбционной очистки вод, позволяющая получить воду питьевого качества

Более миллиарда людей в мире не имеют доступа к чистой питьевой воде, а доступность воды в Казахстане - самая низкая в СНГ - 66% территории республики подвержено опустыниванию [1]. Каждый день в мире порядка 6000 людей, из них большинство дети, умирают от болезней, вызванных потреблением загрязненной воды. В Казахстане мы располагаем менее 35% необходимых ресурсов питьевой воды.

Около трети всех загрязнений имеет трансграничный характер. Крупнейшие реки Казахстана - Иртыш, Или, Сырдарья, Урал подвергаются «сильному» загрязнению на территории сопредельных государств. Некоторые областные центры страны не имеет комплекса канализационных очистных сооружений. В некоторых крупных городах существующие очистные сооружения испытывают перегрузки в 1,5 - 2 раза.

Адсорбционные методы разделения и очистки веществ в газовой и жидкой фазах находят все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Среди применяемых адсорбентов важное место принадлежит активированному углю, отличающемуся высокими адсорбционными свойствами и относительной гидрофобностью поверхности. Непременным условием эффективности использования активного угля в том или ином конкретном процессе является соответствие его качества условиям данного процесса. Качество активированного угля в общем случае определяется характером его пористой структуры и природной поверхности.

Адсорбционный метод широко приме -няют для очистки воды от загрязняющих веществ. Примером, где требуется особенно тщательная очистка, является производство минеральных вод. Обработка озерной воды активным углем позволяет лишить ее запаха, привкуса и таким образом делает воду пригодной для питьевых и хозяйственных нужд.

Удаление фторида из питьевой воды методом адсорбции считается самым дешевым и эффективным [2]. Проведены исследования для определения эффективности удаления фторидов из водного раствора с использованием активированного угля на основе скорлупы орехов. При начальной концентрации фторида (2-100 мг/л) и температуре раствора (25-45°С) удаление фторида достигло до 46%. Полученные данные адсорбции были проанализированы с использованием модели изотермы Ленгмюра и Фрейндлиха, которые показали, что адсорбция фторидов с использованием активированного угля на основе скорлупы орехов соответствует модели Фрейндлиха.

В работе проведены исследования по удалению нитратов из воды активированным углем и природным цеолитом clinoptilolite [3]. Удаление нитратов проводилось при различных времени контакта, температуры, рН, дозировки адсорбента и начальной концентрации нитрата. Для активированного угля в количестве 4 г, времени контакта 60 мин, температуре воды 20°C, рН = 6,5 и начальной концентрации 100 мг/л эффективность удаления нитратов из 60 мл воды составляет 62,61 %. Из кинетики адсорбции можно сделать вывод о целесообразности адсорбировать нитрат из воды с использованием активированного угля и природного цеолита clinoptilolite.

Изучено извлечение токсичных органических соединений (бензол, уксусный альдегид и акрилонитрил) с использованием активированных углей из скорлупы ореха кокоса [4]. Характерные энергии адсорбции в микропорах для скорлупы ореха выше, чем на основе углерода смолы. Эффект различных характеристик размеров пор на кинетику адсорбции, полученных путем подгонки данных к модели линейной движущей силы (ЛДС), дает результат, что константы скорости адсорбции на основе углерода смолы выше чем диапазон относительного давления (р / пс) по сравнению с материалом из ореховой скорлупы.

В обзоре [5] представлены адсорбционные свойства адсорбента на основе скорлупы фруктовых косточек при очистке вод. Адсорбент показал хорошие адсорбционные свойства при адсорбции метиленового синего, конго красного, кристаллического фиолетового, родамина B, базового красного. Процесс адсорбции сильно зависит от рН среды.

В связи с этим особенно актуальной является разработка и внедрение перспективной, малоотходной и высокоэффективной адсорбционной очистки поверхностных вод, являющихся источником питьевого водоснабжения.

В отличие от существующих аппаратурно-технологических решений, адсорбционная технология обеспечивает получение глубоко очищенной воды из городских сетей водоснабжения, а также из питьевых водоемов.

Объекты и методы исследований

В качестве объекта исследования было выбрано водохранилище Торлан, являющееся источником питьевой воды на территории Южно-Казахстанской области в Сузакском районе селе Шолак-Корган с населением более 20 000 человек. Сотрудниками ЮжноКазахстанского государственного университета им. М.О. Ауезова совместно с сотрудни- ками Государственного Коммунального Предприятия «Шолак-Корган-Су» проведена гигиеническая оценка химического загрязнения питьевой воды и риска воздействия на здоровье населения.

В таблице 1 представлены показатели качества исходной воды водохранилища Торлан.

Таблица 1 - Показатели качества исходной воды водохранилища Торлан.

№	Показатели	Ед. изм.	Исходные показатели Шолак-Корган-Су
2	Запах при 200 С не более	Балл	3,0
3	Запах при 600С не более	Балл	3,0
4	Вкус и привкус при 200С не более	Балл	3,0
5	Цветность, не более	Град.	80
6	Мутность, не более	мг/дм3	7,0
7	рН	ед. рН	5,8
8	Жесткость общая, не более	мгэкв/ дм3	11,0
10	Фториды	мг/дм3	10,0
16	Сульфаты, не более	мг/дм3	600

В качестве адсорбента применен активированный уголь на основе скорлупы абрикосовых косточек, карбонизированный в азоте при температуре 700оС и активированный в потоке СO2 и H2O в массовом соотношении 85:15 при температуре 800°С.

Скорлупа абрикосовых косточек является многотоннажным отходом консервных заводов по производству фруктовых консервных продуктов и масложировых комбинатов по переработке косточкового сырья. Имеющийся объем сырья в Центрально-Азиатском регионе, его дешевизна и транспортабельность, достаточно хорошие адсорбционные и физико-химические свойства, а также появление эффективных методов регулирования пористой структуры предполагают возможным и экономически целесообразным их использование в качестве адсорбентов для очистки воды.

В нашей стране действует специальный стандарт на питьевую воду - ГОСТ 2874-73 [6]. Он содержит все требования и нормы, предъявляемые к питьевой воде. В ГОСТе записано, что состав воды и ее свойства должны обеспечивать безопасность ее в эпидемическом отношении, безвредность химического состава и благоприятные органолептические свойства.

С целью исследования адсорбционной очистки вод использовалась адсорбционная установка. Поставленная задача решается тем, что адсорбер, содержащий корпус, камеру контакта адсорбента с очищаемым потоком, штуцеры для подачи и отвода потока, штуцеры для подачи и отвода регенерирующего агента, патрубок, объединяющий штуцеры для отвода потока и подачи регенерирующего агента, люки для загрузки и выгрузки адсорбента, согласно изобретению, дополнительно снабжен установленной по оси аппарата вертикальной камерой контакта адсорбента с потоком, имеющей круглое сечение и соединенное с патрубком для отвода потока и подачи регенерирующего агента, при этом нижняя часть стенок внутренней камеры выполнена сплошной.

Результаты и их обсуждение

Одним из наиболее перспективных адсорбирующих материалов является активированный уголь, который может использоваться при очистке вод от соединений железа, аммония, тяжелых металлов, органических соединений и различных микроэлементов. Поэтому для очистки поверхностных вод необходимо провести всесторонние исследования адсорбентов с целью их использования на станциях водоочистки.

Активированные угли превосходят обычные адсорбенты по всем основным параметрам: сорбционной емкости, силе связывания сорбированных молекул, скорости сорб- ции. Практическое использование такой уникальной сорбционной композиции связано с рядом существенных преимуществ, которые она имеет как перед другими адсорбентами: уменьшение вероятности образования канальных эффектов при протекании жидкости; падение гидродинамического сопротивления потоку; способность к быстрому поглощению загрязняющих веществ из воды, способность эффективно удалять следовые концентрации токсичных веществ.

На рисунках 1, 2 и 3 представлены зависимости концентрации сульфатов в очищенной воде от равновесной концентрации и зависимости адсорбции фторидов от концентрации и продолжительности адсорбции.

Из рисунка видно, что при увеличении концентрации сульфатов в исходной воде до значений выше концентрации естественной поверхностных источниках воды концентрация сульфатов в очищенной воде не превышает нормативов ГОСТ 2874-82, СанПиН 3.02.002.04 и Всемирной организации здравоохранения. Как видно из данных рисунков 2 и 3 изотерма адсорбции фторидов имеет выпуклую форму и максимальная величина адсорбция фторидов достигает на адсорбенте при равновесной концентрации 6 мг/л. Максимальная адсорбция фторидов наступает за 2,5 часа, где мы наблюдаем величины адсорбции порядка 90% от максимально достижимых.

Равновесная концетрация, мг/л

Рисунок 1 – Зависимость концентрации сульфатов в очищенной воде от равновесной концентрации

Рисунок 2 – Зависимость адсорбции фторидов от концентрации

Рисунок 3 – Зависимость адсорбции фторидов от продолжительности

Влияние скорости водного потока в слое адсорбента на степень очистки воды от фторидов представлено в таблице 2. Из таблицы видно, что оптимальная скорость водно- го потока – 2,5⋅10-3 м/с. Хорошие адсорбционные свойства обусловлены развитой внешней поверхностью и переходной пористостью адсорбента.

Таблица 2 – Влияние скорости водного потока на степень очистки воды от фторидов

Скорость водного потока, м/с	Показатель мутности		Степень очистки, %
	В исходной воде, мг/л	В очищенной воде, мг/л
2 ⋅ 10-3	10	001	99
2,5 ⋅ 10-3	10	0.1	99
3 ⋅ 10-3	10	0,04	96

Таким образом, проведённые экспериментальные исследования по адсорбции фторидов и сульфатов косточковым активированным углем подтвердили возможность повышения степени адсорбции фторидов до концентрации, удовлетворяющей требованиям нормативных стандартов.

Заключение

Проведен анализ объекта исследования и определены показатели качества исходной воды. В качестве адсорбента выбран косточковый активированный уголь, изучены его характеристики, определены методы исследования и проведения испытаний.

Разработана конструкция адсорбера с неподвижным слоем адсорбента, позволяющая повысить эффективность аппарата, увеличить коэффициент использования полезного объема аппарата и степень обработки адсорбционной ёмкости адсорбента в слое, стабильность качества очищенного потока при максимальной компактности аппарата, уменьшить образование застойных и неиспользуемых зон.

Определено влияние скорости водного потока и времени очистки на адсорбцию фторидов и сульфатов активированным углём, где оптимальным фактором режима является скорость водного потока – 2,5*10-3 м/с. Установлены зависимости концентрации сульфатов в очищенной воде от равновесной концентрации и зависимость адсорбции фторидов от концентрации. Наиболее быстро адсорбция фторидов протекает на адсорбенте при концентрации 6 мг/л. Максимальная адсорбция фторидов наступает за 2,5 часа, где мы наблюдаем величины адсорбции порядка 90% от максимально достижимых. Сравнение характера выходных и кинетических кривых адсорбции активными углями показал, что механизм этого процесса может быть описан методом параллельного переноса.