Курсовая работа: Физико-химические основы адсорбционной очистки воды от органических веществ

На скорость сорбции могут оказывать влияние примеси в сорбенте. Так, наличие металлов на поверхности АУ, не увеличивая , приводит к росту .

Изучение динамики сорбции позволяет найти основные расчетные параметры систем сорбционной очистки воды: эффективность; длину зоны массопередачи и скорость ее движения; время работы адсорберов.

Классическое уравнение динамики сорбции, до сих пор использующееся для расчетов, было предложена Шиловым:

 или                                                              (38)

Здесь  – время до «проскока» – время защитного действия адсорбера;  – высота адсорбера;  и  – константы:  характеризует пространство и время, необходимое для формирования и проведения собственно массообменного процесса;  – коэффициент защитного действия;  – мертвый слой; – скорость потока жидкости;  – предельная динамическая емкость сорбента при данной исходной концентрации .

Один из подходов к решению задачи динамики сорбции, реализованный Родзиллером, базируется на уравнении материального баланса веществ

                                                                             (39)

где  – порозность слоя сорбента;  – длина (высота) адсорбера.

Первый член уравнения (39) отражает количество загрязнений, поступающих в адсорбер, второй – задержанных загрязнений, третий – остаток загрязнений в воде, четвертый (практически равен нулю в адсорбере с плотным слоем) – продольную диффузию. Решение (39) совместно с (38) позволяет получить выражение для определения эффекта очистки воды (С/С0):

 (40)

где  – коэффициент;  – динамическая константа равновесия в первом приближении, равная ;  – время контакта воды и адсорбента.

Если используется высокоэффективный адсорбент, изымающий все примеси из воды, тогда член  в уравнении (39) и уравнении (40) примет вид:

                                (41)

Приведенные уравнения с учетом различия  позволяют решить задачу перехода от экспериментальных установок к промышленным. На коэффициент  оказывают влияние природа сорбата и сорбента, пористость сорбента и степень заполнения его пор. При очистке многокомпонентных растворов (реальных вод) ожидается снижения  при увеличении  (продвижение потока воды через адсорбер) вследствие хроматографического эффекта. Эксперименты показали, что при мг/дм3 и м/ч значения  изменяются:  при  и м, а при  и  и , т.е.  монотонно убывает при увеличении  и . Чем ниже концентрация примесей в воде, тем вероятнее попадание в очищенную воду только трудносорбируемых компонентов.

Для случая сорбции индивидуальных загрязнений Стадником предложены формулы для расчета основных параметров:

τпр – время работы адсорбера с плотным слоем до проскока;

Δτ – время от начала проскока до полной отработки слоя сорбента;

Lмп – длины зоны массопередачи (при известном эффективном коэффициента диффузии D, выпуклой изотерме адсорбции и L ≥ Lмп):

                         (42)

    (43)

         (44)                                                          

Здесь  – фиктивная скорость фильтрования; А0 – равновесная динамическая емкость сорбента при С0; ε – порозность слоя адсорбента.

Неизвестные величины А0 и D (или dэкв/D) можно найти несколькими способами. Во-первых, можно экспериментально получить изотерму и выходную кривую динамики сорбции (при любых dэкв) и найти А0 и τпр, а затем перейти к требуемым по уравнениям (33), (43), (44). Во-вторых, можно получить полную выходную кривую сорбции и определить Δτ и τпр либо на одной и той же воде определить τпр для двух образцов с различными dэкв.

Эффективный коэффициент диффузии можно вычислить на основании экспериментальных данных по формуле:

(45)

Порозность слоя адсорбента ε определяют, зная насыпную плотность сорбента ρн и кажущуюся плотность зерна сорбента ρк:

                             (46)

Если сорбент имеет несферическую форму, то эквивалентный диаметр dэкв определяют по формуле

                       (47)

в которой d – диаметр частицы; k = 0,168; 0,45 и 0,6 при 2l/d = 1; 4 и ∞, где l – длина цилиндрической частицы сорбента.

С другой стороны, Lмп можно определить по формуле Майлкса – Трэйбола:

                (48)

где  – фактор симметричности выходных кривых, отражающий долю сорбата, поглощенного за время  от всего количества пропущенного за это время сорбата; обычно 0,35 ≤ φ ≤ 0,55.

Работами Славинского показано, что при очистке воды в адсорберах с плотным слоем гранулированного сорбента продольная диффузия незначительна и режим движения жидкости в таком адсорбере с достаточной степенью точности можно описать моделью идеального вытеснения. Однако есть данные, что при сорбции фенола продольная диффузия вносит существенные изменения в динамику процесса. Это особенно важно для веществ с нелинейно изотермой сорбции и в начальный момент работы адсорбера. Также отмечено увеличение крутизны выходной кривой сорбции фенола с ростом высота слоя сорбента. Используя близость значений φ и ε, предложено в расчетах использовать формулу следующего вида:

                        (49)

где .

При изучении поглощения ряда ароматических соединений было найдено, что длина зоны массопереноса Lмп мало зависит от типа сорбата, С0 и общей длины адсорбера L0. В то же время подтверждено, что Lмп увеличивается с ростом v и dэкв, но на нее влияет тип сорбата, С0 и скорость фильтрования vф. При vф = 5 – 25 м/ч, Lмп = 0,15 – 0,5 м скорость движения границы массопередачи постоянна – 0,02 – 0,2 м/ч.

Все приведенной выше относилось к динамике сорбции из водных растворов индивидуальных загрязняющих веществ или таких многокомпонентных смесей, сорбционные свойства которых могут аппроксимироваться одним (условным) веществом. Кроме того, условием применения рассмотренных математических моделей является выпуклая форма изотермы: лишь в этом случае можно рассчитать длину зоны массопереноса. К сожалению, далеко не во всех случаях сорбционной очистки воды указанные условия выполняются.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12