Epurarea apelor industriale uzate prin adsorbtie

Epurarea apelor industriale uzate prin adsorbtie

Adsorbtia este procesul de epurare care are la baza fenomenul de retinere pe suprafata unui corp a moleculelor unei substante dizolvate in apa. Material care realizeaza adsorbtia poate fi un solid sau lichid si poarta denumirea de adsorbant, iar substanta care este retinuta din apa uzata se numeste adsorbat.

Procedeul este utilizat pentru purificarea unor produse sau pentru retinerea unor substante dintr-un lichid. Dupa retinerea substantelor de regula prin incalzire in cazul substantelor solide sau prin extractie in cazul substantelor lichide, adsorbantul isi recapata aproape integral proprietatile si deci poate fi folosit din nou. Acest procedeu prezinta avantajele urmatoare:

Se pot retine substante aflate in concentratii mici;

Adsorbantii au selectivitate pentru anumite substante.

Procesul de adsorbtie este caracterizat prin indicatorul numit echilibru de adsorbtie, care exprima repartitia cantitativa la echilibru a substantei adsorbite intre adsorbant si solutia care contine substanta respectiva, precum si prin indicatorul cinetica de adsorbtie, care urmareste mecanismul procesului si viteza cu care se desfasoara procesul.

Elementul principal al dimensionarii procesului de adsorbtie este izoterma de echilibru, care exprima raportul de distributie a substantei care trebuie adsorbita intre adsorbant si mediul din care se face adsorbtia la o anumita temperatura data si dupa un timp suficient de mare pentru stabilirea echilibrului.

In figura 4.18. este prezentata izoterma de adsorbtie a fenolului pe carbune activ, la temperatura ambianta.

Fig.4.18. Izoterma de adsorbtie a fenolului pe carbune activ,

la temperatura ambianta.

Fenomenul de adsorbtie a fost mult studiat cautandu-se relatii care sa exprime conditiile de echilibru ale procesului. Astfel au aparut o serie de teorii care s-au concretizat in ecuatii. Astfel Langmuir a emis teoria care considera ca adsorbantul formeaza pe suprafata absorbantului un strat monomolecular si a ajuns la urmatoarea expresie pentru izoterma, numita si izoterma lui Langmuir:

In ecuatia de mai sus avem urmatoarele notatii:

a este cantitatea de adsorbat retinut pe un gram de adsorbant la concentratia de echilibru C, in moli / g;

C este concentratia adsorbantului in solutie (apa) la echilibru, in moli / l;

a_m   este cantitatea maxima de adsorbant retinuta pe un gram de adsorbant pentru a forma un strat monomolecular, in moli / g;

b este o constanta referitoare la energia de adsorbtie.

Tinand seama de unele teorii cu privire la mecanismul adsorbtiei dar in principal pe baza unor experimente Freundlich a propus o ecuatie a izotermei care se verifica practic si are urmatoarea expresie:

iar pentru viteza de adsorbtie:

In cele doua expresii avem urmatoarele notatii:

a este cantitatea adsorbita pe un gram de adsorbant, in g / g;

t este durata procesului de adsorbtie in secunde;

k este coeficientul de viteza;

C este concentratia adsorbantului in faza fluida in mg / l;

C_e este concentratia adsorbantului in faza fluida in conditii de echilibru, in mg / l.

Datorita faptului ca nu a fost cercetat suficient din punct de vedere teoretic acest proces, aplicarea in practica a procedeului se bazeaza mai mult experimente practice. O serie de experimente s-au realizat pe carbune activ in vederea retinerii unor substante organice aflate in apele uzate. Dupa lungi experimente s-a ajuns la urmatoarea concluzie:

Capacitatea de adsorbtie este puternic influentata de greutatea moleculara a substantei retinute, in sensul ca creste cu aceasta;

Cresterea temperaturii duce la micsorarea capacitatii de adsorbtie;

Scaderea pH-ului apei are ca efect o crestere a capacitatii si a vitezei de adsorbtie;

Capacitatea de adsorbtie creste o data cu micsorarea granulatie adsorbantului;

Capacitatea de adsorbtie creste o data cu cresterea perioadei de contact intre adsorbant si adsorbat, deci conditiile statice favorizeaza procesul.

Ca materiale adsorbante fie pentru gaze sau pentru lichide se utilizeaza o mare diversitate, functie de afinitatea fata de substantele ce trebuiesc retinute si functie de costul acestor materiale. Este de dorit ca granulatia acestor substante sa fie cat mai mica pentru a avea astfel la o aceeasi greutate o suprafata de contact cat mai mare.

Pentru epurarea apelor uzate se utilizeaza inca de foarte mult timp ca materiale adsorbante carbunele activ, cocsul granulat, cenusi de la furnale, de la centralele de termoficare, carbune fosil, talas, rumegus, diverse minerale granulate, cum sunt calcarul, dolomita etc.

Cel mai bun material adsorbant este carbunele activ, care se obtine prin incalzirea la temperaturi ridicate in spatii inchise a unor materiale din categoria resturilor vegetale, cum ar fi coji de nuca, samburi de fructe, cu sau fara adaosuri de substante minerale, cum ar fi clorura de zinc, de magneziu sau calciu sau acidul fosforic, urmata de un proces de activare prin tratare cu vapori de apa, oxizi de carbon, clor, sau aer. Carbunele activ este sub forma granulara cu un diametru cuprins intre 1 - 6 mm, sau sub forma de pulbere cu diametrul cuprins intre 0,1 si 0,5 mm.

Procedeul se aplica de regula la epurarea apelor uzate, pentru indepartarea din apa a unor impuritati in concentratii scazute si care au ramas in apa dupa aplicarea celorlalte procedee si cand se impune un grad ridicat de epurare.

Dupa modul de aplicare a adsorbtiei putem avea doua situatii:

Adsorbtia statica;

Adsorbtia dinamica.

Adsorbtia statica se considera ca fiind aceea in care materialul adsorbant sub forma de praf sau granulara este introdusa in apa uzata, care apoi este agitata o anumita perioada de timp, dupa care adsorbantul este separat prin sedimentare sau filtrare si apoi adsorbantul este regenerat.

Fig.4.19 Schema instalatiilor de adsorbtie in regim dinamic

a) instalatie cu trei coloane de adsorbtie; b) instalatie cu o

coloana de adsorbtie.

Procedeul de adsorbtia dinamica ( vezi fig.4.19.) este numita astfel intrucat apa cu impuritati strabate in mod continuu un strat fix de adsorbant, stat mobil sau strat in suspensie.

Cele mai multe instalatii de acest tip au un strat de carbune activ de o inaltime cuprinsa intre 1 si 3 metri, iar granulatia carbunelui este cuprinsa intre 0,5 si 2,5, mm. Practic aceste instalatii functioneaza ca niste filtre ce pot fi deschise, deci cu presiune atmosferica sau inchise cu suprapresiune.

Pentru prelungirea duratei de utilizare a materialului adsorbant se recomanda aplicarea metodelor clasice de epurare si doar in final sa se utilizeze acest procedeu. Datele practice arata ca un astfel de filtru de carbune activ poate retine circa 5 % din greutatea sa substante toxice. Carbunele activ dupa utilizare poate fi regenerat prin metode termice, respectiv incalzire la o temperatura de 925 ⁰ C intr-o atmosfera formata din 66% aer si 34 % vapori de apa, dar dupa circa 10 astfel de regenerari capacitatea de adsorbtie a carbunelui a scazut la 50 %.

Pentru alegerea celei mai economice metode de aplicare a metodei de adsorbtie este necesar efectuarea unor experimentari pentru obtinerea optimului, fapt ce ar asigura costurile minime.