Петрушка І. М., Мороз О. І., Мокрий В. І., Петрушка К. І. Інтенсифікація сорбційних процесів очищення стічних вод комплексними природними сорбентами // Міжнародний науковий журнал "Інтернаука". — 2017. — №15.
Технические науки
УДК 504.064+628.316.12
Петрушка Ігор Михайлович
доктор технічних наук, професор, професор кафедри
екологічної безпеки та природоохоронної діяльності
Національний університет «Львівська політехніка»
Петрушка Игорь Михайлович
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры
экологической безопасности и природоохранной деятельности
Национальный университет «Львовская политехника»
Petrushka Ihor
Doctor of engineering, Professor
Lviv Polytechnic National University
Мороз Олександр Іванович
доктор технічних наук, професор, професор кафедри геодезії
Національний університет «Львівська політехніка»
Мороз Александр Иванович
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры геодезии
Национальный университет «Львовская политехника»
Moroz Oleksandr
Doctor of engineering, Professor
Lviv Polytechnic National University
Мокрий Володимир Іванович
доктор технічних наук, доцент, професор кафедри
екологічної безпеки та природоохоронної діяльності
Національний університет «Львівська політехніка»
Мокрый Владимир Иванович
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры
экологической безопасности и природоохранной деятельности
Национальный университет «Львовская политехника»
Mokryi Volodimir
Doctor of engineering, Professor
Lviv Polytechnic National University
Петрушка Катерина Ігорівна
асистент кафедри екології та збалансованого природокористування
Національний університет «Львівська політехніка»
Петрушка Екатерина Игоревна
ассистент кафедры екологии и сбалансированного природопользования
Национальный университет «Львовская политехника»
Petrushka Kateryna
Assistant
Lviv Polytechnic National University
ІНТЕНСИФІКАЦІЯ СОРБЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД КОМПЛЕКСНИМИ ПРИРОДНИМИ СОРБЕНТАМИ
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ СОРБЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД КОМПЛЕКСНЫМИ ПРИРОДНЫМИ СОРБЕНТАМИ
INTENSIFICATION OF SORPTION PROCESSES FOR WATER CLEANING OF COMPLEX NATURAL SORBENTS
Анотація. Досліджено вплив гідродинамічних умов на кінетику дифузійних процесів при очищенні стічних вод від прямих барвників. Визначено величину степені заповнення пор природних та комплексних сорбентів.
Ключові слова: адсорбент,, барвник, кінетика, дифузія.
Аннотация. Исследовано влияние гидродинамических условий на кинетику диффузных процессов при очистке сточных вод от прямых красителей. Определена величина степени заполнения пор природных и комплексных сорбентов.
Ключевые слова: адсорбент, краситель, кинетика, диффузия.
Summary. The influence of hydrodynamic conditions on the kinetics of diffusion processes during purification of sewage from direct dyes was investigated. The degree of filling of pores of natural and complex sorbents has been determined.
Key words: adsorbent, dye, kinetics, diffusion.
Адсорбція на поверхні твердих тіл має велике практичне значення. Майже всі адсорбенти, які використовують в різних галузях промисловості є твердими тілами. Внаслідок цього процеси адсорбції на твердих тілах є предметом численних досліджень.
Експлуатаційні властивості неорганічних сорбентів в значній мірі залежать не тільки від форми їх кристалічної решітки, але і форми елементарної частинки. Дослідження кінетики сорбційних процесів базується на стадіях, які розділені між собою в часі і просторі. Використання відомих кінетичних рівнянь адсорбції, які описують процес з достатньо довгим часом насичення адсорбенту це довготривалий розрахунок на основі експериментальних даних.
З врахуванням ступеня насичення адсорбенту за короткий час, дифузійний опір в частинці може бути настільки малий, що найбільш значний опір створюється в зовнішньодифузійній області. Це спричиняє необхідність прийняття до уваги саме цього параметру в кінетичних рівняннях.
Промислові адсорбційні процеси протікають найчастіше в асоціаціях частинок, розміри яких є кратними багатьом діаметрам зерен адсорбенту. Швидкість процесу визначається швидкістю насичення окремих частинок. Більшість гіпотез, які використовуються для побудови математичної моделі масообміну в процесі адсорбції на зерні адсорбенту та встановлення швидкості адсорбційного процесу, допускають, що адсорбція проходить на доступній для рідини границі фаз рідина – тверде тіло. Поверхня цієї границі фаз складається як із зовнішньої поверхні частинки сорбенту, так і з поверхні його пор. Кінетична характеристика сорбенту пов’язана з пористістю частинки адсорбенту, a сумарна швидкість багатоступеневого процесу визначається швидкістю найповільнішої стадії (так званої лімітуючої стадії). У випадку використання в адсорбційних процесах комплексних сорбентів виникає необхідність дослідження впливу характеристики розподілу пор на швидкість процесу.
Тому, дослідження процесу кінетики адсорбції забрудників з стічних вод комплексними сорбентами є питання актуальне не тільки для технологічної сторони, що дозволяє встановити швидкість досягнення рівноваги, максимальну сорбційну ємність комплексного адсорбенту для певного складу розчину, механізм сорбційного процесу а також і для раціонального природокористування.
Дослідити вплив гідродинамічних режимів на степінь заповнення пор комплексних сорбентів (на прикладі природних сорбентів -активованого бентоніту та шунгіту) забрудниками стічних вод текстильної промисловості на основі методу кінетичної пам’яті.
Для вивчення кінетики сорбції прямих барвників з стічних вод комплексними природними сорбентами в даній роботі використаний метод кінетичної пам’яті і реактор з мішалкою. В реактор поміщали приготовлений розчин з концентрацією барвника – 10мг/л. Концентрацію сорбата у всіх точках розчину і безпосередньо на поверхні сорбенту при певних числах обертів лопатевої мішалки приймали постійною, тобто розглядали дифузію з погляду ідеального перемішування. Даний метод дозволяє з високою точністю визначити транспорт маси речовини з розчину до поверхні сорбенту при відсутності, або незначному впливі дифузійного пограничного шару на дифузію [ 2].
Традиційно відомо, що гідродинамічні характеристики не значно впливають на інтенсивність внутрішньодифузійних процесів адсорбції, які проходять поровому просторі адсорбенту. Нами проведені теоретичні розрахунки коефіцієнта заповнення пор в природних сорбентах прямими барвниками (рис.1,2) в залежності від числа обертів мішалки на основі розробленої математичної моделі з врахуванням ефективних коефіцієнтів внутрішньої дифузії [3,4]. Гранулометричний склад сорбентів та розподіл по фракціях однаковий.
Рис. 1. Вплив числа обертів мішалки на коефіцієнт заповнення пор адсорбента прямим барвником (аніонним червоним 8С): А) -1- активований бентоніт; 2– шунгіт; Б) –1 – активований бентоніт:шунгіт (1:0,5); 2- активований бентоніт:шунгіт (1:1); 3- активований бентоніт:шунгіт (0,5:1)
Рис. 2. Вплив числа обертів мішалки на коефіцієнт заповнення пор адсорбента прямим барвником (активний алий 4Ж): А) -1- активований бентоніт; 2– шунгіт; Б) –1 – активований бентоніт:шунгіт (1:1); 2- активований бентоніт:шунгіт (0,5:1); 3- активований бентоніт:шунгіт (1:0,5)
З представлених графічних залежностей видно, що максимальний коефіцієнт заповнення пор прямими барвниками для природних та комплексних адсорбентів досягається при n=5 c-1.
Оптимальне співвідношення активованого бентоніту та шунгіту з степенем заповнення пор близько 0,9 складає 1 до 1(рис.1) при поглинанні аніонного червоного. У випадку присутності іншого барвника (активного алого 4Ж) найбільший коефіцієнт заповнення пор характерний для співвідношення активований бентоніт-шунгіт відповідно 0,5:1. Очевидно це можна пояснити відмінністю не тільки молярних мас прямих барвників, але і внутрішньою кристалічною будовою сорбентів.
Встановлення механізму кінетики сорбції є складним завданням і вимагає обліку всіх чинників, що впливають на швидкість масообміну, зокрема діаметр зерна адсорбенту, швидкості перемішування і інш. Попередньо визначений оптимальний безперервний режим перемішування дозволяє досягнути степені сорбції 50 - 80 % прямих барвників з стічних вод природними сорбентами та 55-85% комплексними сорбентами (рис.3).
Рис. 3. Кінетика сорбції прямих барвників (А - аніонного червоного 8С; Б – активного алого 4ЖТ) природними сорбентами: 1- активований бентоніт; 2 – шунгіт; 3-активований бентоніт:шунгіт відповідно(1:1)-рис. 3А; 0,5:1 – рис. 3Б.
На основі форми кінетичних кривих можна стверджувати, що процес з зовнішньодифузійного, або змішаного, переходить у внутрішньодифузійний, який характеризується числом Біо (Bi→∞).
З метою збільшення адсорбційної ємності природних сорбентів нами пропонується використання комплексних сорбентів на основі активованого бентоніту та шунгіту з різними масовими співвідношеннями в залежності від виду прямих барвників.
Відомо, що пограничний шар на частинці адсорбенту частково сповільнює швидкість зовнішньодифузійних процесів адсорбції. Можна припустити, що при перемішуванні частина пограничного шару руйнується внаслідок сил інерції і тертя, але разом з тим внаслідок турбулізації елементарних потоків зменшується інтенсивність адсорбційних процесів.
Нами проведені дослідження кінетики дифузійних процесів на основі методу переривання або "кінетичної пам'яті" [1,2 ].
На рис. 4 представлені кінетичні криві сорбції барвників природними та комплексними сорбентами в дослідах з перериванням перемішування через 5 хв. тривалістю в 10 хв. (Δt=10хв) Градієнти концентрації в зерні адсорбенту вирівнюються протягом часу переривання контакту сорбента і розчину, тобто, коли процес дифузії сповільнюється. Тому після відновлення контакту швидкість обміну виявляється більшою в порівнянні з швидкістю, котра була до переривання.
Рис. 4. Кінетичні криві сорбції барвників при змінних режимах перемішування (А - аніонного червоного 8С; Б – активного алого 4ЖТ) активованим бентонітом та шунгітом при співвідношеннях відповідно: А-1:1; Б-0,5:1.
Таким чином, високі кінетичні характеристики для досліджуваних природних сорбентів вказують на перспективність їх використання в технологічних процесах очищення стічних вод від прямих барвників.
Література
