Адсорбция при переработке отходов и мусора

Поглощение компонентов газа или жидкости твердым веществом называется адсорбцией, а сам поглотитель - адсорбентом. Одним из важнейших требований к адсорбенту является наличие у него высокоразвитой поверхности вследствие высокой пористости и развитого капиллярного строения. Минимальный диаметр пор составляет 10^-4 мкм.

Другими важными свойствами адсорбентов являются поглотительная способность и избирательность поглощения тех или иных компонентов смеси. Поглотительная способность адсорбента называется активностью, она зависит от температуры и продолжительности его работы. С увеличением этих параметров активность адсорбента снижается. После насыщения адсорбента поглощенным веществом проводят процесс десорбции, т.е. извлечения адсорбата и восстановления работоспособности адсорбента.

Это важнейшая стадия процесса адсорбционной очистки. Адсорбированные вещества из адсорбента извлекают перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара (при избыточном давлении 0,3-0,6 МПа) составляет 200-300 °С, а инертных газов 120-140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5-3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих - в 5-10 раз больше. После десорбции пары конденсируют, и вещество извлекают из конденсата.

Для регенерации адсорбента может быть использована и экстракция органическими низкокипящими растворителями (жидкофазная десорбция). При регенерации органическими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят без нагревания.

В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество с помощью химических реагентов превращают в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окисление хлором, озоном) или термическим путем. Термическую регенерацию проводят в печах различной конструкции при температуре 700-800 °С в бескислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горения газа или жидкого топлива и водяного пара. При этом теряется до 20 % (по массе) адсорбента.

Ведутся работы по созданию биологических способов регенерации адсорбентов, которые могут значительно повысить их долговечность.

Наиболее часто применяемым адсорбентом является активный уголь. Широко используются силикагели. Для очистки отработанных масел применяют белую глину, которая благодаря низкой стоимости, как правило, не регенерируется, а заменяется по мере насыщения.

В качестве адсорбента применяют также различные тканые и нетканые материалы на основе углеродных активных волокон. Преимущества использования текстильных материалов из активных углеродных волокон перед гранулированными активными углями следующие:

• возможность обеспечения повышенной степени рекуперации растворителей (обычно выше 99 %);
• существенное снижение потерь растворителей от термического разложения последних в присутствии угольных адсорбентов;
• применимость для рекуперации полимеризующихся мономеров и растворителей с высокой температурой кипения;
• пониженная пожаро- и взрывоопасность;
• компактность адсорбционной аппаратуры.

Адсорберы - аппараты, в которых проводится адсорбция, - могут работать в непрерывном или периодическом режиме. Наиболее часто в промышленности применяются периодические адсорберы колонного типа, в которых последовательно проводят процессы адсорбции, десорбции, сушки и охлаждения адсорбента (рис. 50).

1 - корпус; 2 - штуцер для подачи парогазовой смеси (при адсорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении); 3 - штуцер для отвода отработанного газа (при адсорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении); 4 - барботер для подачи острого пара при десорбции; 5 - штуцер для отвода паров при десорбции; 6 - штуцер для отвода конденсата; 7 - люк для загрузки адсорбента; 8 - люки для выгрузки адсорбента

Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства.

Расход адсорбента для одноступенчатого процесса очистки сточных вод определяют из уравнения материального баланса:

т = Q(C_н- С_к)/а, (38)

где т - расход адсорбента; Q - объем сточных вод; С_н и С_к - начальная и конечная концентрации загрязнителя в сточной воде; а - коэффициент адсорбции.

В динамических условиях процесс очистки проводят фильтрованием очищаемых жидкостей или газа через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных веществ и колеблется от 2 до 6 м³/(м²·ч). Очищаемая среда в колонне движется снизу вверх, заполняя все ее сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размером 1,5-5 мм. При более мелких зернах возрастает сопротивление фильтрованию жидкости.

Для организации непрерывного процесса при использовании периодически действующих аппаратов их устанавливают параллельно в одной установке, проводя процесс адсорбции поочередно в одном из аппаратов.

Для обеспечения непрерывности рекуперации летучих растворителей установка улавливания их паров должна включать как минимум два адсорбера периодического действия (обычно их число составляет от 3 до 6 и более).

Более прогрессивны непрерывно действующие установки с движущимся плотным и псевдоожиженным слоем адсорбента, которые отличаются высокой скоростью обрабатываемых потоков, компактностью оборудования, высоким коэффициентом использования адсорбентов, отсутствием энергозатрат на периодическое нагревание и охлаждение одного и того же аппарата, возможностью сравнительно простой и полной автоматизации, а также простотой обслуживания.

В непрерывно действующих установках адсорбент перемещается из одной части в другую, где и проходят соответствующие стадии единого процесса. Такие установки могут включать помимо адсорбера циклон, вакуум-фильтр, насос, регенератор, сушилку и другие аппараты. Применение непрерывно действующих адсорбционных установок экономически оправдано при больших объемах очищаемых потоков.

Стоимость адсорбции в значительной степени определяется стоимостью адсорбента, поэтому очень важен поиск новых, более дешевых продуктов по сравнению с промышленными активными углями, получаемыми из различных видов природного органического сырья.

Большие возможности повышения сорбционной способности активных углей заключаются в модифицировании их поверхности. Так, предварительная обработка обычного активного угля щелочным раствором сульфида натрия придает ему способность поглощать ртуть из сточных вод.

Наряду с использованием природных адсорбентов все более широко используют синтетические поглотители, обладающие следующими преимуществами перед активными углями:

• простотой регенерации с помощью некоторых полярных органических растворителей типа метанола, ацетона и других низкомолекулярных спиртов и кетонов;
• возможностью извлечения ценных веществ, содержащихся в сточных водах, с помощью термической регенерации;
• высокой механической прочностью, неистираемостью и ненабухаемостью в воде и органических растворителях;
• оптимальными с точки зрения кинетики адсорбции и гидродинамики фильтра размерами частиц, имеющих сферическую форму и узкий фракционный состав (0,5-0,6 мм);
• более высокой скоростью адсорбции.

Преимущества синтетических адсорбентов, несмотря на их высокую стоимость (в среднем они в пять раз дороже гранулированных активных углей), снижают приведенные затраты на очистку сточных вод по сравнению с применением активных углей.

Синтетические адсорбенты наиболее выгодно использовать для очистки высококонцентрированных промышленных сточных вод, в то время как для очистки городских и промышленных сточных вод с низкой концентрацией загрязнителей лучше использовать активные угли.

Адсорбцию применяют для удаления истинно растворимых органических соединений из сточных вод. Широкое применение нашел сорбционный метод очистки с использованием активных углей и некоторых других сорбентов при очистке сточных вод химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий, а также при очистке хозяйственно­бытовых сточных вод. Так, эта технология используется для очистки сточных вод при производстве органических продуктов, пластмасс, гербицидов и ядохимикатов, сульфатной целлюлозы и т.п.

Сфера применения адсорбции постоянно расширяется. Адсорбционная очистка сточных вод имеет ряд существенных преимуществ перед другими методами, поскольку обеспечивает высокую степень очистки. Адсорбционные установки занимают небольшую площадь, надежны в работе, просты в эксплуатации, устойчивы к концентрационным и гидравлическим флуктуациям, не подвержены воздействию токсичных и других вредных веществ, содержащихся в сточных водах. Их работа поддается полной автоматизации. Адсорбция широко применяется и при рекуперации растворителей.

Сорбционные и хемосорбционные методы нашли широкое применение и для очистки отходящих газов. Так, улавливание оксидов азота производится путем адсорбции торфощелочными сорбентами в аппаратах с «кипящим» слоем. В промышленности применяются различные методы очистки газов от диоксида серы с помощью хемосорбентов, углеродных адсорбентов, силикагелей, кислотостойких цеолитов.

Процессы хемосорбции лежат в основе методов очистки газов от фтористого водорода. Очистка газов от хлора и хлористого водорода осуществляется методами адсорбции с применением в качестве поглотителей дешевых материалов: лигнина и доменных шлаков соответственно. Применяют эти методы и для очистки от паров ртути газов, выбрасываемых предприятиями цветной металлургии, а также в ряде других производств.

Наряду с сорбционными при переработке отходов используются и другие массообменные процессы.