Совершенствование существующих, разработка новых эффективных и экономичных методов и конструкций сооружений для очистки природных вод, особенно для небольших населенных мест и отдельных объектов, мобильных объектов, а также в условиях ЧС является актуальной задачей. В условиях повышенной загрязненных водных источников, в составе станций водоподготовки обычно применяют сорбционные фильтры с однородной загрузкой из активированных углей (АУ) разных марок.
Выбор марки АУ заключается в подборе параметров его пористой структуры в зависимости от размеров молекул адсорбируемых веществ. Отдельные виды микропористых сорбентов могут быть неэффективно из-за стерической недоступности их пор для больших по размеру молекул загрязняющих веществ. Учитывая, что в воде поверхностных источников, как правило, содержится смесь низко- и высокомолекулярных соединений с разными размерами молекул, для их эффективного извлечения требуется применение сорбентов с развитой переходной пористостью, включающей, как микропоры, так и мезо – или макропоры. Однако, при получении таких углей обгар достигает 75% и выше, что делает производство таких углей не экономичным [2].
Основная концепция настоящей работы основана на предположении, что сорбционную загрузку с развитой переходной поверхностью можно создать в виде комплексной сорбционной загрузки (КСЗ) из АУ разных марок, с различной пористостью и гидрофобностью.
Цель исследования
Определить закономерности процесса сорбции нефтепродуктов и фенолов из водных растворов на комплексной загрузке из активированных углей разных марок в динамических условиях.
Материал и методы исследования
Исследования проводились на установках лабораторных фильтров в динамических условиях (при фильтровании раствора через неподвижный слой сорбента). На основе анализа литературных данных о практическом опыте применения различных видов АУ для проведения исследований были выбраны отечественные сорбенты марок БАУ – А и МАУ – 2А. Испытывались следующие виды сорбционных загрузок:
1) Однородная загрузка из АУ марки МАУ – 2А - модифицированный азотсодержащий уголь. Сорбционная активность по йоду 850 мг/г; общая внутренняя поверхность по БЭТ 800 м2/г. Насыпная плотность 270 г/дм3. Размер гранул 1-2,8 мм. Пористость АУ марки МАУ-2А: микропор – 0,40 см3/г, мезопор - 0,08 см3/г, макропор – 0,30 см3/г.
2) Однородная загрузка БАУ – А -уголь березовый активный дробленый. БАУ-А Адсорбционная активность по йоду 61,3%; суммарная пористость по воде 1,54 см3/г. Насыпная плотность 241,3 г/дм3. Размер гранул 0,5 - 1 мм. Пористость АУ марки БАУ-А: микропор – 0,22 см3/г, мезопор - 0,10 см3/г, макропор – 1,22 см3/г.
3) Комплексная двухслойная загрузка (КСЗ - 1) из АУ марок БАУ и МАУ: нижний слой – МАУ – 2А, верхний слой – БАУ – А с равным распределением объемов.
При выборе состава комплексной двухслойной загрузки сорбционного фильтра принималось во внимание различие в насыпной плотности углей БАУ и МАУ, что позволяло использовать в полной мере пористость сорбентов путем послойного их распределения.
Объем сорбционной загрузки во всех фильтрах составил – 0,66 дм3, высота слоя загрузки – 0,48 - 0,50 м, скорость фильтрации варьировалась в диапазоне 1,71 –3,26 м/ч.
Наиболее распространенными и строго нормируемыми видами органических соединений, присутствующими в поверхностных и подземных источниках являются нефтепродукты и фенолы. При создании модельного раствора в качестве загрязнителей этого рода применялись: легкое моторное масло (ориентировочная Mr= 300÷600 а.е.м.) и гидрохинон (ориентировочная Mr = 110 а.е.м.). Основа модельного раствора - дистиллированная вода, использование которой исключает влияние общего железа и других примесей, содержащихся в водопроводной воде, на результаты эксперимента. Исходная вода моделировала воду поверхностного водоема, подверженного антропогенному загрязнению, и содержала от 0,17 до 10,0 мг/дм3 нефтепродуктов и от 0,0023 до 10,0 мг/дм3 фенолов, в модельных растворах создавались концентрации нефтепродуктов 10 мг/дм3, 3,74 мг/дм3, 2,80 мг/дм3, 0,38 мг/дм3, 0,20 и 0,17мг/дм3; концентрации соединений фенольной природы 10 мг/дм3, 5 мг/дм3, 0,9 мг/дм3 , 0,31мг/дм3 ,0,09 и 0,023 мг/дм3.
Удельная сорбционная емкость загрузки фильтра определялась как:
А = (С0 - Ст)· q·T/М, мг/г;
а скорость сорбции:
r = ΔА/ΔТ, мг/(г*мин)
Температура раствора при проведении экспериментов была практически постоянной (18 - 20 °С), что исключало влияние температуры на результаты экспериментов [1, 3].
Методика проведения эксперимента, описание разработанной установки подробно даны в [4].
Результаты исследования
Исследования работы сорбционных фильтров с однородными и комплексной загрузками были проведены в 6 различных режимах, отличающихся, концентрацией исходных загрязнений в растворе и скоростью фильтрации.
Результаты работы СФ в динамических условиях показали, что комплексная загрузка КСЗ -1 имела лучшие показатели по сорбции нефтепродуктов, в сравнении с однородной загрузкой из активированных углей марок МАУ-2А, БАУ-А. Сорбция фенолов протекала примерно с одинаковой скоростью на всех испытанных видах загрузок.
В качестве примера на рисунке 1 приведены графики, где представлены динамика сорбции нефтепродуктов на однородных загрузках (МАУ-2А, БАУ-А) и комплексной загрузке КСЗ-1 при начальной концентрации нефтепродуктов - 0,38 мг/дм3.
Рис. 1. Сравнение массы извлеченных нефтепродуктов на однородных загрузках (МАУ-2А, БАУ-А) и комплексной загрузке КСЗ-1
(начальная концентрация нефтепродуктов - 0,38 мг/ дм3)
Обобщающие результаты исследований комплексной сорбционной загрузки КСЗ-1 проведенные в 6 режимах работы СФ при разных исходных концентрациях загрязнений, сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Результаты исследований сорбционного фильтра с КСЗ-1 в динамических условиях (1-6 режимы)
|
Режим работы сорбционного фильтра с загрузкой КСЗ-1 |
Исходная концентрация нефтепродуктов Сонф, мг/дм3 |
Средняя скорость сорбции нефтепродуктов rнф, мг/(г*мин) |
Исходная концентрация фенолов Соф, мг/дм3 |
Средняя скорость сорбции фенолов rф, мг/(г*мин) |
|
1 |
0,17 |
0,00003 |
0,023 |
0,0000056 |
|
2 |
0,2 |
0,00003 |
0,31 |
0,000088 |
|
3 |
0,38 |
0,00008 |
0,09 |
0,000019 |
|
4 |
2,8 |
0,0008 |
0,9 |
0,00026 |
|
5 |
4 |
0,00088 |
5 |
0,00095 |
|
6 |
10 |
0,002976 |
10 |
0,002976 |
Анализ результаты проведенных исследований показал, что сорбционная емкость всех испытанных видов загрузок по нефтепродуктам и фенолам определялась, прежде всего, начальной концентрацией загрязнений С0 [5].
Изменение сорбционной емкости комплексной загрузки по нефтепродуктам и фенолам во времени работы сорбционного фильтра (6-ой режим работы установки) показано на рисунках 2 и 3.
Рис. 2. Зависимость динамической сорбционной емкости загрузки КСЗ-1 по нефтепродуктам от времени работы сорбционного фильтра
Рис. 3. Зависимость динамической сорбционной емкости загрузки КСЗ-1 по фенолу от времени работы сорбционного фильтра
Обработкой экспериментальных данных сорбционной емкости в динамических условиях получены зависимости изменения скорости сорбции загрязнений в процессе работы СФ с комплексной загрузкой КСЗ-1. Характер изменения скорости сорбции во времени работы фильтра показан на рисунке 4 (а - по нефтепродуктам, б – по фенолам).
Рис. 4. Изменение скорости сорбции: а) нефтепродуктов; б) фенола во времени на комплексной загрузке КСЗ-1
Как видно из рисунка 4 в динамической картине работы сорбционного фильтра можно выделить две зоны: 1-ая зона, где скорость изъятия загрязнений постоянна и не зависит от продолжительности работы фильтра Т; во 2-ой зоне скорость сорбции меняется во времени Т, постепенно снижаясь от максимальной (равной скорости сорбции в 1-ой зоне) до нуля. Граница между этими зона близка к продолжительности работы фильтра до проскока загрязнений, конец 2-ой зоны наступает при полном исчерпании сорбционной емкости загрузки фильтра.
Динамические емкости КСЗ-1, скорость изъятия загрязнений на фильтре с сорбционной загрузкой КСЗ-1 для нефтепродуктов и фенолов показаны в таблице 2.
Таблица 2
Динамическая емкость комплексной сорбционной загрузки КСЗ-1
|
Показатели |
Вид загрязнений |
|
|
нефтепродукты |
фенолы |
|
|
Полная удельная динамическая емкость, загрузки ПДУС, мг/г |
30,1 |
13,47 |
|
Удельная динамическая емкость загрузки до проскока загрязнений, мг/г |
17,85 |
10,53 |
|
Скорость сорбции загрязнений в 1-ой зоне r, мг/г·мин., |
Постоянная = 0,00298 |
Постоянная =0,00298 |
|
Скорость сорбции загрязнений во2-ой зоне r, мг/г·мин |
Переменная от 0,00298 до 0,0 |
Переменная от 0,00298 до 0,0 |
Выводы
Результаты сравнительных исследований эффективности работы однородных и комплексной загрузок в динамическом режиме показали, что комплексная загрузка КСЗ-1 имела лучшие показатели по сорбции нефтепродуктов, в сравнении с однородной загрузкой из активированных углей марок МАУ-2А, БАУ-А. Сорбция фенолов протекала примерно с одинаковой скоростью на всех испытанных видах загрузок.
При исследовании динамической сорбционной емкости СФ с комплексной загрузкой КСЗ-1 установлено, что в процессе его работы имеются две зоны: 1-ая зона, где скорость изъятия загрязнений постоянна и не зависит от продолжительности работы фильтра; во 2-ой зоне скорость сорбции постепенно снижалась от максимальной (равной скорости сорбции в 1-ой зоне) до нуля. Граница между этими зона близка к продолжительности работы фильтра до проскока загрязнений, конец 2-ой зоны наступает при полном исчерпании сорбционной емкости загрузки фильтра.
Рецензенты:
Феофанов Ю.А., д.т.н., профессор, кафедра водопользования и экологии ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург;
Мишуков Б.Г., д.т.н., профессор, кафедра водопользования и экологии ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.
Библиографическая ссылка
Ряховский М.С. ДИНАМИКА СОРБЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ФЕНОЛОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НА КОМПЛЕКСНОЙ ЗАГРУЗКЕ ИЗ АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-3. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=23363 (дата обращения: 04.05.2025).