9. ZASTOSOWANIE PROCESU SORPCJI W TECHNOLOGII WODY I ŚCIEKÓW

Sorpcja jest to proces zatrzymywania zanieczyszczeń na powierzchni ciała stałego i wewnątrz jego porów, cząsteczek rozpuszczonych w wodzie, w wyniku działania sił spójności zwanymi siłami Van der Waalsa. Rozpuszczone zanieczyszczenia organiczne lub bardzo drobne koloidy są wyłapywane przez przyciąganie tych cząstek przez cząsteczki sorbentu (np. węgla aktywnego). Substancję usuwaną z roztworu nazywamy sorbatem. Sorpcja przebiega na powierzchni sorbentów, które mogą być sorbentami naturalnymi bądź sztucznymi.

Proces sorpcji służy do usuwania związków refrakcyjnych (odpornych na metody mechaniczne i biologiczne) w trzecim stopniu oczyszczania ścieków, a przede wszystkim w doczyszczaniu wody.

Do sorbatów tych zaliczamy:

- fenole

- detergenty

- pestycydy

- herbicydy

- węglowodory aromatyczne i alifatyczne

- pochodne paliw itp.

Obecność tych związków dyskwalifikuje ją jako źródło wody pitnej czy też przemysłowej.

Sorbenty możemy podzielić na:

- naturalne (węgle aktywne, glinokrzemiany, klinoptylolit, trawa, liście, słoma, osady ściekowe, kompost, różnego rodzaju zrębki drzewne)

- sztuczne (tlenek glinu, różnego rodzaju włókniny syntetyczne)

Ogólnie sorpcję dzielimy na:

- fizyczną (odwracalną) - gdzie zaabsorbowane substancje można z powrotem usunąć regenerując sorbenty

- chemiczną, chemisorpcję (nieodwracalną) - gdzie następuje wiązanie chemiczne cząstek zanieczyszczeń na powierzchni sorbentu, wskutek przejścia elektronów pomiędzy sorbentem z sorbatem

- biosorpcję - gdzie zachodzi wiązanie cząstek zanieczyszczeń w strukturach roślinnych

- wymianę jonową - gdzie zachodzi wymiana jonów zanieczyszczeń z jonami jonitu

Główną rolę w tym procesie odgrywa powierzchnia stąd dąży się do tego, aby sorbenty miały dużą powierzchnię właściwą. Do sorpcji produkuje się węgle aktywne, które mają bardzo dużą powierzchnię właściwą. Dobór węgla jest uzależniony od wielkości cząstek, które mają zostać usunięte.

Węgle aktywne dzielimy na:

- pylisty - stosowany podczas procesu koagulacji, sorpcji statycznej

- granulowany - stosowany w systemach kolumnowych, sorpcji dynamicznej

Węgle pyliste podaje się do wody w postaci pulpy. Po dodaniu węgla do wody ustala się równowaga adsorpcyjna. Węgle pyliste można dozować samodzielnie lub też łączyć z procesami koagulacji, względnie z procesami utleniania. Można je stosować jednoetapowo jako sorpcję jednostopniową lub wieloetapowo (sorpcja wielostopniowa). Węgiel pylisty strąca się za pomocą polielektrolitów.

Sorpcja na węglu aktywnym usuwa zarówno mikrozanieczyszczenia pierwotne jak i wtórne. Z uwagi na duże koszty, proces sorpcji powinny poprzedzać: skuteczna koagulacja, sedymentacja i filtracja. Sorpcję na węglu aktywnym należy stosować bezwzględnie po chemicznym utlenianiu w celu usunięcia z wody powstałych ewentualnie zanieczyszczeń wtórnych.

Proces sorpcji na filtrach węglowych przebiega w warunkach dynamicznych, gdzie nie ustala się równowaga sorpcyjna. W przypadku filtrów najbardziej zanieczyszczona woda styka się z węglem, który zabsorbował określoną ilość zanieczyszczeń, a w miarę przesączania się jej w dół obmywa czystsze, a więc mniej wysycane warstwy węgla. Warunkiem koniecznym, aby wykorzystać ten efekt jest niewzruszenie węgla.

Na filtrze węglowym można wyróżnić 3 strefy:

I - powymienia - gdzie węgiel został wysycany

II - wymienna - gdzie następuje proces sorpcji

III - przedwymienna - gdzie jeszcze zanieczyszczenia nie dopłynęły i węgiel jest w stanie nienaruszonym

Granicą pomiędzy I i II strefą jest krzywa przebicia (krzywa czoła sorpcji).

W procesie sorpcji dynamicznej wyróżnia się 3 fazy usuwania zanieczyszczeń:

- przeniesienie cząstek z roztworu na powierzchnię sorbentu

- dyfuzję (wnikanie) zanieczyszczeń w strukturę sorbentu

- sorpcję (pochłanianie) zanieczyszczeń w porach sorbentu

Czynniki decydujące o procesie sorpcji:

1. uziarnienie (im mniejsze tym lepszy kontakt zanieczyszczeń z powierzchnią i lepsze wniknięcie w strukturę) [mm]

2. struktura porowata

3. ilość poszczególnych porów (za sorpcję odpowiedzialne są głównie mikropory, pozostałe spełniają rolę kanałów transportowych) [m³/g]

4. powierzchnia właściwa [m²/g]

5. gęstość nasypowa węgla [g/m³]

6. stężenie zanieczyszczeń (wzrost stężenia powoduje przyrost ilości usuwanego ładunku) [g/dm³]

7. rodzaj zanieczyszczeń

8. wielkość zanieczyszczeń

9. odczyn [pH]

10. temperatura [^oC]

11. prędkość filtracji [m/s]

12. szybkość mieszania [obr./min]

Do oczyszczania stosuje się głównie sorpcję fizyczną, ze względu na możliwość regeneracji sorbentu.

Głównymi parametrami sorbentu są: struktura porowata, czyli objętość porów o określonych promieniach kapilar, oraz ich powierzchnia właściwa.

W zależności od promienia kapilar pory dzielimy na:

- mikropory (odgrywają główną rolę w procesie, promień kapilar poniżej 1,5 um)

- mezopory

- makropory

Najczęściej stosowanym sorbentem jest węgiel aktywny (inne to między innymi żel krzemionkowy, tlenek glinowy itp.) wytwarzany głównie z węgla drzewnego w procesie karbonizacji i aktywacji.

Węgiel aktywny granulowany jest stosowany do wypełnienia kolumn filtracyjnych:

- grawitacyjnych i ciśnieniowych

- ze złożem stałym i fluidalnym

- filtrów używanych równocześnie do sorpcji i klarowania

- wyłącznie do sorpcji związków rozpuszczonych

---