Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki 09.04.2013r.
SOWiG, VI semestr
Sprawozdanie z przedmiotu OCZYSZCZANIE ŚCIEKÓW
„Usuwanie i odzysk fenoli ze ścieków przemysłowych w procesie sorpcji statycznej”
Cel i zakres badań procesu sorpcji
Podstawowym celem badań technologicznych procesu sorpcji statycznej jest ustalenie optymalnych warunków oczyszczania wybranych ścieków przemysłowych przy użyciu pylistych węgli aktywnych. Zakres badań dla wytypowanego węgla obejmuje:
wyznaczenie kinetyki adsorpcji zanieczyszczeń i ustalenie optymalnego, technicznie uzasadnionego czasu kontaktu ścieków z węglem;
określenie pojemności sorpcyjnej węgla w oparciu o wyznaczone izotermy adsorpcji zanieczyszczeń;
ustalenie dawki węgla w układzie sorpcji jednostopniowej przy podanych wymaganiach końcowych.
Część doświadczalna
Wyznaczenie kinetyki adsorpcji
W celu wyznaczenia kinetyki adsorpcji fenolu przygotować 6 pojemników polietylenowych lub okrągło dennych z dopasowanymi korkami. Do każdego z nich wprowadzić 200ml ścieków, a następnie odważyć 6 dawek po 0,3g wytypowanego węgla aktywnego. Węgiel dodać do kolejnych pojemników, zamknąć je i umieścić w wytrząsarce mechanicznej. Po 5, 10, 20, 30, 45 i 60 minutach wytrząsania, jeden z pojemników zdjąć z urządzenia. Jego zawartość sączyć natychmiast przez twarde sączki bibułowe, odrzucając pierwsze partie filtratu. W następnych porcjach przesączu oznaczyć stężenie fenolu.
Wyznaczenie izotermy adsorpcji
Przygotować 5 pojemników zawierających 200ml badanych ścieków. Sporządzić 6 naważek w ilościach 0,1 g; 0,2 g; 0,3 g; 0,4 g i 0,5g. Do każdego pojemnika dodać jedną z dawek węgla, pojemniki zamknąć korkami i zainstalować w wytrząsarce mechanicznej. Proces sorpcji fenolu prowadzić w warunkach intensywnego wytrząsania zawartości pojemników do momentu ustalenia się równowagi adsorpcyjnej, przy czym czas sorpcji wynosić powinien 30 minut. Po odpowiednim czasie kontaktu węgla ze ściekami, zawartość pojemników należy natychmiast przesączyć przez twarde sączki bibułowe, odrzucając pierwsze partie filtratu. W kolejnych porcjach przesączu oznaczyć końcowe stężenie fenolu.
Wyniki
Wyznaczanie kinetyki adsorpcji
Przykładowe obliczenie stężenia fenolu (dla początkowego stężenia fenolu):
$$x = \ \frac{a \bullet 1000}{V}\ mg/\text{dm}^{3}$$
gdzie: a - ilość fenolu odczytana z krzywej wzorcowej, [mg]
V - objętość próbki ścieków użytej do oznaczania, [ml]
W ściekach surowych ekstynkcja wynosiła 0,19; odczytana dla niej ilość fenolu z krzywej wzorcowej (a) wynosiła 0,65. Objętość próbki ścieków wynosiła 5ml.
$$x = \ \frac{0,65 \bullet 1000}{5} = 130\ mg/\text{dm}^{3}$$
Początkowe stężenie fenolu: 130 mg/dm3
Czas kontaktu [minuty] |
Stężenie końcowe fenolu Ck [mg/dm3] |
Ilość zasorbowanego fenolu [%] |
|---|---|---|
| 5 | 32 | 75,38462 |
| 10 | 32 | 75,38462 |
| 20 | 28 | 78,46154 |
| 30 | 25 | 80,76923 |
| 45 | 19 | 85,38462 |
| 60 | 15 | 88,46154 |
Poniżej przedstawiono wykres pokazujący zależność czasu kontaktu i stopnia usunięcia fenolu.
Wyznaczanie izotermy adsorpcji
Przeliczenie dawek węgla z g/200cm3 na g/dm3:
m1=0,1 g/200cm3
m2=0,2 g/200cm3
m3=0,3 g/200cm3
m4=0,4 g/200cm3
m5=0,5 g/200cm3
1dm3 – 1000cm3, czyli:
0,1g – 200 cm3
x – 1000 cm3
x=0,5g
Przykładowe obliczenie stężenia fenolu (dla dawki 0,5 g węgla aktywnego):
$$x = \ \frac{a \bullet 1000}{V}\ mg/\text{dm}^{3}$$
gdzie: a - ilość fenolu odczytana z krzywej wzorcowej, [mg]
V - objętość próbki ścieków użytej do oznaczania, [ml]
W przefiltrowanych ściekach zawierających dawkę węgla aktywnego równą 0,1g ekstynkcja wynosiła 0,11; odczytana dla niej ilość fenolu z krzywej wzorcowej (a) wynosiła 0,38. Objętość próbki ścieków wynosiła 10ml.
$$x = \ \frac{0,38 \bullet 1000}{10} = 38\ mg/\text{dm}^{3}$$
Ilość zasorbowanego fenolu policzono z następującego wzoru:
X = Cp − Ck [mg/dm3]
gdzie: Cp- stężenie początkowe fenolu [mg/dm3]
Ck- stężenie końcowe fenolu [mg/dm3]
Przykładowe obliczenie ilości zasorbowanego fenolu (dla dawki 0,5g węgla aktywnego):
X = 130 − 38 = 92 mg/dm3
Ładunek zasorbowany policzono z następującego wzoru:
$$A = \frac{X}{\text{m\ }}\ \lbrack mg/g\rbrack$$
gdzie: X- ilość zasorbowanego fenolu [mg/dm3]
m- dawka węgla [g/dm3]
Przykładowe obliczenie ładunku zasorbowanego (dla dawki 0,5g węgla aktywnego):
$$A = \frac{92}{0,5} = 184\ mg/g$$
Początkowe stężenie fenolu (Cp): 130mg/dm3
| Dawka węgla (m) [g/dm3] | Stężenie końcowe fenolu (Ck) [mg/dm3] | Ilość zasorbowanego fenolu (X) [mg/dm3] |
Ładunek zasorbowany (A) [mg/g węgla] |
log Ck | log A |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,5 | 38 | 92 | 184 | 1,58 | 2,26 |
| 1 | 35 | 95 | 95 | 1,54 | 1,98 |
| 1,5 | 32 | 98 | 65,33 | 1,51 | 1,82 |
| 2 | 15 | 115 | 57,5 | 1,18 | 1,76 |
| 2,5 | 12 | 118 | 47,2 | 1,08 | 1,67 |
Na poniższym wykresie pokazano zależność dwóch wartości: C i A.
Na podstawie kształtu izotermy możemy stwierdzić, że nastąpiła sorpcja wielowarstwowa.
Poniżej przedstawiono wykres obrazujący zależność między wielkością zasorbowanego ładunku, a stężeniem równowagowym.
Z równania linii trendu wyliczamy punkt przecięcia się z osią Y- będzie to nasza wartość logKF. Za wartość x w tym równaniu wstawiamy 0.
y = 0, 8 • 0 + 0, 7968 = 0, 7968
Naniesiony na wykresie kąt potrzebny jest do obliczenia wartości n. Wartość tą oblicza się za pomocą poniższego wzoru:
n = tgα
Na naszym rysunku odczytana wartość tgα wynosi 0,8. Czyli n = 0, 8
Obliczenie ilości substancji zaadsorbowanej przez jednostkową masę sorbentu liczy się z poniższego wzoru:
A = KF • Cn [mg/g]
gdzie: A- ilość substancji zaadsorbowanej przez jednostkową masę sorbentu [mg/g]
C- stężenie adsorbowanej substancji w roztworze [mg]
K,n- współczynniki stałe równania Freundlich, charakteryzujące badany
układ adsorpcyjny
Wartość logKF została odczytana z wykresu i wynosi 0,7968. Z tego obliczamy wartość KF:
0, 7968 = logKF
KF = 100, 7968 ≈ 6, 26
Przykładowe obliczenie (dla dawki 0,5g węgla aktywnego):
A = 6, 26 • 380, 8 ≈ 114, 92 mg/g
Sorpcja statyczna wielostopniowa w układzie szeregowym
Przykładowe obliczenie (dla dawki węgla aktywnego 0,5g). Stężenie końcowe ustalone przez prowadzącego ćwiczenia wynosiło 5mg/dm3:
1°
$$m_{1} = 1 \frac{130 - 38}{0,7968 \bullet 38^{0,404}} = \frac{92}{3,46403} = 26,55865\ $$
2°
$$m_{2} = 1 \bullet \frac{38 - 5}{0,7968 \bullet 5^{0,404}} = 21,6163$$
$$26,55865 + 21,6163 = 1 \bullet \frac{130 \bullet 38^{- 0,404} - 38^{1 - 0,404} + 38 \bullet 5^{- 0,404} - 5^{1 - 0,404}}{0,7968}$$
48, 17495 = 48, 17495
Sorpcja statyczna wielostopniowa w układzie przeciwprądowym
Przykładowe obliczenie (dla dawki węgla aktywnego 0,5g). Stężenie końcowe ustalone przez prowadzącego ćwiczenia wynosiło 5mg/dm3:
$$m_{1} = 1 \bullet \frac{130 - 5}{0,7968 \bullet {(5)}^{0,404}} = 81,880$$
$$m_{2} = 1 \bullet \frac{38 - 5}{0,7968 \bullet {(5)}^{0,404}} = 21,616$$
Wnioski
Na podstawie wykonanego doświadczenia możemy zauważyć, że wraz ze wzrostem czasu kontaktu węgla aktywnego ze ściekami, stężenie końcowe fenolu zmniejsza się. Początkowo stężenie fenolu w ściekach surowych wynosiło 130mg/dm3, już po 5 minutach kontaktu z sorbentem i wytrząsaniu stężenie zmalało do 32mg/dm3, a po godzinie wynosiło ono 15mg/dm3. Można zatem stwierdzić, że proces ten zaszedł poprawnie, jednakże nie do końca efektywnie, gdyż nie usunęliśmy całego fenolu znajdującego się w ściekach. W celu zwiększenia skuteczności procesu należałoby wydłużyć czas kontaktu węgla aktywnego ze ściekami.
Lepsze efekty dało zastosowanie takiego samego czasu kontaktu sorbentu ze ściekami przy zwiększeniu dawki węgla aktywnego w stosunku do poprzedniego doświadczenia. W pierwszym doświadczeniu użyto dawki 0,3g węgla/200ml. W tym doświadczeniu dawki węgla wynosiły od 0,5- 2,0 g/dm3. O ile przy najmniejszej dawce tj. 0,5g/200ml nie uzyskano rewelacyjnego wyniku (stężenie fenolu w ściekach wynosiło 38mg/dm3), o tyle przy najwyższej dawce 2,0g/200ml stężenie fenolu w ściekach wynosiło 12mg/dm3. Przypuszczalnie, gdyby zwiększyć dawkę węgla aktywnego do mniej więcej 3,5±0,5 stężenie fenolu w ściekach byłoby szczątkowe.
Proces sorpcji jako osobnego procesu technologicznego sprawia problem, gdyż niezbędnym jest opracowanie sposobu oddzielenia zużytego węgla od oczyszczonych ścieków. Ze względów ekonomicznych także nie należy on do tanich (zapotrzebowanie na odczynniki). Równie dobrą metodą oczyszczania ścieków zawierających fenol byłoby połączenie procesu sorpcji z koagulacją- wtedy czas zatrzymania ścieków umożliwiłby lepsze wykorzystanie pojemności sorpcyjnej węgla, a dodatkowo nie byłoby problemu usuwania sorbentu.