Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ДИНАМИКА СОРБЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ФЕНОЛОВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НА КОМПЛЕКСНОЙ ЗАГРУЗКЕ ИЗ АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ

Ряховский М.С. 1
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»
Концепция исследования основана на предположении, что сорбционную загрузку с развитой переходной поверхностью можно создать при помощи комплексной сорбционной загрузки, которая представляет из себя смесь активированных углей с различной структурой пор, плотностью, гидрофобностью и т.д., послойно распределенной внутри сорбционного (СФ). Активированные угли, используемые на стадии глубокой доочистки, обеспечивают возможность удаления растворенных органических веществ в случае соответствия параметров пористой структуры сорбента размерам молекул устраняемых примесей. Например, уголь марки БАУ-А хорошо сорбирует нефтепродукты, а уголь марки МАУ-2А хорошо сорбирует ПАВ и фенолы. В статье рассматриваются результаты исследований работы сорбционных фильтров с комплексной сорбционной загрузкой из активированных углей разных марок при очистке воды от нефтепродуктов и фенолов.
комплексная сорбционная загрузка
активированный уголь
очистка воды сорбцией
1. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1984. 592 с.
2. Тарасевич Ю. И. Природные сорбенты в процессах очистки воды. Киев: Наук. думка, 1981. 174, 176 с.
3. Трусова В. В. Очистка оборотных и сточных вод предприятий от нефтепродуктов сорбентом на основе бурых углей: дис. канд. техн. наук: – Иркутск. 2014. – С. 40, 51, 58, 64-66.
4. Феофанов Ю. А., Ряховский М. С. Результаты исследований по выбору сорбентов для комплексной загрузки фильтра // Научно - технические ведомости СПбГПУ. Природопользование. 2013. №1 (166). С. 269 – 273.
5. Феофанов Ю. А., Ряховский М. С. Сравнительная оценка сорбционных емкостей однородных и комплексной загрузок при очистке воды // ВОДА: ХИМИЯ и ЭКОЛОГИЯ. 2015. №7. С. 82-87.

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: 21.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074