УДК 628.356.3

К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ХАРАКТЕРА ПРОЦЕССОВ АДСОРБЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ИЗ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

Гришин Борис Михайлович1, Бикунова Марина Викторовна2, Гераськин Иван Иванович3
1Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водоснабжения, водоотведения и гидротехники
2Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения, водоотведения и гидротехники
3Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, студент

Аннотация
Данная статья посвящена анализу факторов, влияющих на скорость процесса адсорбции растворенных веществ к внешней поверхности зерна сорбента и скорости переноса внутри зерна. Теоретически исследована зависимость скорости адсорбции от гидродинамического режима перемешивания жидкости, позволяющая установить вклад в процесс адсорбции внешне - и внутридиффузионных стадий массопереноса.

Ключевые слова: внешний и внутренний массоперенос., природные и сточные воды, скорость адсорбции, сорбционная очистка


ABOUT DEFINITION OF CHARACTER OF ORGANIC IMPURITIES ADSORBTION PROCESSES FROM NATURE AND WASTE WATER

Grishin Boris Mikchailovich1, Bikunova Marina Viktorovna2, Geraskin Ivan Ivanovich3
1Penza State University of architecture and construction, Doctor of technical Sciences, professor, Head of chair water supply, water removal and water engineering
2Penza State University of architecture and construction, Candidate of technical Sciences, associate professor of chair water supply, water removal and water engineering
3Penza State University of architecture and construction, Student

Abstract
The paper contemplates analysis of factors influence on velocity of dissoluted substances adsorbtion process to outward surface of sorbent grain and velocity of mass transter info the grain is producted. The relation of adsorbtion velocity from liquid agitation hydrodynamic regime permites to establish investment in adsorbtion process outward and inside diffusion stages of mass transfer is theoretically investigated.

Keywords: nature and waste water, outward and inside mass transfer, sorbtion purification, velocity of adsorbtion


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Гришин Б.М., Бикунова М.В., Гераськин И.И. К определению характера процессов адсорбции органических загрязнений из природных и сточных вод // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/48245 (дата обращения: 03.06.2017).

Применение сорбционных методов с целью глубокой очистки природных вод от растворенных органических веществ является целесооб­разным для станций водоподготовки крупных городов, а также пищевой, рыбоперерабатывающей, текстильной промышленности и во многих других отрас­лях производства. Особое значение имеет применение адсорбционной технологии для удаления органических веществ из биологически очищенных сточных вод машиностроительных и энергетических предприятий с целью получения технической воды, отвечающей нормам качества для использова­ния в замкнутых системах промышленного водоснабжения, так как это направление в адсорбционной технологии позволяет резко сократить потребление промышленностью пресной воды из городского водопровода или при­родных источников [1, 2, 3] .

При сорбционной очистке природных и сточных вод важное значение уделяется изучению скорости изъятия органических загрязнений сорбентом.

Движущей силой процесса адсорбции является разность концентраций растворенного вещества в объеме раствора и на поверхности сорбента, которые со временем выравниваются. Скорость приближения процесса адсорбции из раствора к состоянию равновесия dm/dt, г/с, можно представить в виде уравнения:

dm/dt=-βП SП (C0i – Cрi),                                   (1)

где dm – масса, г, извлекаемая из жидкости сорбентом за период времени dt, с;

C0i и Cрi – соответственно концентрации извлекаемого вещества в растворе в данный момент времени и в состоянии равновесия, г/м3;

βП – поверхностный коэффициент скорости массопереноса, м/с;

SП – площадь межфазового контакта поверхности раздела фаз сорбент-жидкость, м2.

Площадь межфазового контакта определяется по уравнению

SП = VЖ ·DС · SУ,                                                 (2)

где VЖ – объем обрабатываемой воды, м3; DС – доза сорбента, г/м3; SУ – удельная внешняя поверхность зерен сорбента, м2/г.

В практике скорость массопередачи удобно выражать в единицах концентрации dс/dt, г/м3·с. С этой целью в уравнение (1) вводится объем обрабатываемой воды VЖ.

dс/dt= dm / VЖ · dt=- βП ·DС · SУ (C0i – Cрi).                  (3)

Произведение DС · SУ является площадью межфазового контакта, приходящееся на единицу объема жидкости, которая называется удельной межфазовой поверхностью SУV, м23.

Произведение этой площади на поверхностный коэффициент скорости массопередачи называют объемным коэффициентом скорости массопередачи       β, с-1.

β= βП ·DС · SУ = βП · SУV.                                          (4)

С учетом (4) уравнение (3) примет вид

dс/dt= – β (C0i – Cрi).                                            (5)

Согласно теории диффузионного массопереноса, используемой в практике очистки сточных вод при разработке процессов адсорбции, скорость процесса адсорбции определяется скоростью переноса молекулы растворенного вещества через вязкий пограничный слой жидкости к внешней поверхности зерна сорбента (внешнедиффузионная кинетика) и скоростью переноса молекул адсорбируемого вещества внутри зерна сорбента (внутридиффузионная кинетика).

Скорость внешнего массопереноса зависит от величины гидродинамического режима движения жидкости (от развития турбулентности в потоке, обеспечивающей более быструю доставку молекул растворенного вещества к внешней границе слоя, чем диффузия их через слой к его внутренней границе).

Скорость диффузии молекул внутри зерна сорбента определяется многими факторами: структурой пористости зерна, градиентом концентрации вещества в направлении от внешней границы к центру зерна и концентрацией адсорбированного вещества на внешней поверхности зерна, во многом определяющей этот градиент. Эта равновесная величина адсорбции на внешней поверхности зерна связана с концентрацией раствора в прилегающем к границе зерна слое жидкости уравнением изотермы адсорбции.

До тех пор, пока общая скорость процесса определяется  внешним массопереносом, процесс можно интенсифицировать, увеличивая турбулентность перемешивания.

Если же скорость адсорбции определяется внутренним массопереносом, то повышение интенсивности перемешивания повлиять на процесс не может, и для заданного сорбента единственным путем ускорения достижения адсорбционного равновесия является сокращение пути внутренней диффузии за счет уменьшения радиуса зерна сорбента.

Вследствие этого, для адсорбционной технологии очистки воды в конкретных условиях технологического процесса установить граничные условия, при которых наступает переход внешнего массопереноса к внутреннему.

Установить вклад в процесс сорбции внешне- и внутридиффузионных стадий массопереноса позволяют исследования зависимости скорости адсорбции от гидродинамического режима движения жидкости.

При определяющей роли процессов внешнего массопереноса величина скорости изъятия загрязнения из природных и сточных вод сорбентом будет зависеть от интенсивности перемешивания и являться функцией поверхностного коэффициента скорости внешнего массопереноса βп и коэффициента эффективной диффузии Dэ, м2/с. Зависимость величины Dэ от значения  поверхностного коэффициента скорости внешнего массопереноса βп была получена Р.М. Марутовским [4]. Полученная им зависимость имеет вид

Nu = 0,504·Re0,206 Pr1/3,                                   (6)

где Nu – Критерий Нуссельта

Nu = βП dз/ Dэ,                                             (7)

      dз – эффективный диаметр зерна сорбента, м;

Pr – критерий Прандтля;

Pr = ν / Dэ ,                                                    (8)

      ν – кинематический коэффициент вязкости, м2

Re – критерий Рейнольдса

Re=ε dз43 ,                                                (9)

      ε – удельная мощность, затрачиваемая на перемешивание жидкости с сорбентом, Вт/кг.

Из уравнения (6) получаем выражение для определения величины Dэ

Dэ = [βП/0,504(ν1,384 ·d з0,854 / ε)0,206]3/2 .                        (10)

Значение объемного коэффициента скорости массопередачи β может быть определено из уравнения (5) представленного в форме  [5]

dс/dt= – β (C – Cрi).                                                   (11)

Разделяя переменные и интегрируя уравнение (11) в интервале изменения переменных t от 0 до t и С от C0i до Cti получим

,                                                   (12)

где C0i, Cti– соответственно концентрации загрязняющего вещества в сточных водах в начальный момент времени и через t секунд процесса адсорбции, мг/л;

Cрi– равновесная концентрация загрязняющего вещества в воде, мг/л.

Значение коэффициента βп определяется по уравнению [6]

βП = β / DС · SУ.                                          (13)

Используя уравнения (10), (12), (13) можно вычислить значение эффективного коэффициента диффузии и определить характер процесса сорбции.


Библиографический список
  1. Жуков, А.И. Канализация промышленных предприятий [Текст] / А.И. Жуков, Л.Г. Демидов. –  М.: Стройиздат, 1969. 375 с.
  2. Яковлев, С.В. Водоотведение и очистка сточных вод [Текст] /С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов. – М.: АСВ, 2006. 704 с.
  3. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. Х Л.: Химия, 1982. – 168 с.
  4. Когановский, А.М. Адсорбции органических веществ из воды [Текст] / А.М. Когановский. – Л.: Химия, 1990. 256 с.
  5. Андреев С.Ю., Математическое моделирование кинетики процесса сорбционной очистки сточных вод [Текст] / С.Ю. Андреев, Б.М. Гришин, И.А. Гарькина, В.А. Князев, Г.П. Давыдов //Региональная архитектура и строительство.  2012. №1. С. 148-153.
  6. Андреев, С.Ю. Теоретические основы кинетики процесса сорбционной очистки сточных вод [Текст] / С.Ю. Андреев, Б.М.  Гришин, Г.П. Давыдов, В.А. Князев, В.И. Кулапин // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т.1. С.172-173.


Все статьи автора «Гришин Боис Михайлович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: