4.1.2. Адсорбция

4.1.2.1. Основни понятия и определения на адсорбцията

Адсорбцията е процес на пренос на фаза, който се използва широко в практиката за отстраняване на вещества от флуиди (газове или течности). Тя може също така да се наблюдава като естествен процес в различни компоненти на околната среда. Най-общото определение описва адсорбцията като обогатяване с химически видове от течна фаза на повърхността на течност или твърдо вещество. В пречистването на водите, адсорбцията е доказано ефективен метод за отстраняване на множество разтворени вещества. Тук, молекулите или йоните се отстраняват от водния разтвор чрез адсорбция върху твърди повърхности. В теорията на адсорбцията се използват основните понятия, показани на Фигура 4.4. Твърдият материал, който осигурява повърхността за адсорбцията е посочен като адсорбент; видовете, които ще бъдат адсорбирани са наречени адсорбат. Чрез промяна на свойствата на течната фаза (например концентрация, температура, рН) адсорбираните видове могат да се отделят от повърхността и да се прехвърлят обратно в течната фаза. Този обратен процес се нарича десорбция (Worch, 2012 г.).

Фигура 4.4. Основни понятия в адсорбцията (Worch, 2012 г.).

4.1.2.2. Инженерни адсорбционни процеси в пречистването на води

Адсорбционните процеси са широко използвани в пречистването на водите. Таблица 4.1 представя преглед на типичните области на приложение и цели на пречистване. В зависимост от вида на прилагания адсорбент, от водната фаза могат да бъдат отстранявани както органични вещества, така и неорганични йони (Worch, 2012).

Активният въглен е най-важният адсорбент, прилаган в пречистването на водите. Той се използва широко за отстраняване на органични вещества от различни видове води, като питейни, отпадни, подземни, инфилтриращи депа, води в басейни и аквариуми. Други адсорбенти са по-рядко приложими. Тяхното приложение е ограничено за специални абсорбати или видове вода (Worch, 2012).

Таблица 4.1. Процесите на адсорбция в пречистването на водите (Worch, 2012 г.).

4.1.2.3.Активен въглен

Активният въглен е адсорбент, който широко се използва при пречистването на води, напредналото пречистването на води и за пречистване на някои органични промишлени отпадни води, тъй като той абсорбира голямо разнообразие от органични съединения и е икономически изгоден. Активният въглен обикновено се използва под формата на гранули в насипно състояние, в колони (както с неподвижна основа, така и с противотоковов пласт), или при операции с кипящ слой, като с най-честа употреба са колоните с неподвижна основа. Понякога, активният въглен се използва в прахообразна форма и не се регенерира. Такова приложение обаче, обикновено се ограничава до пречистване на води, при което се използват незначителни количества въглен. Адсорбенти, различни от активния въглен, се използват в по-малка степен в екологичното инженерство (Reynolds, 1982).

4.1.2.4. Защо използваме процеса на адсорбция в пречистването на питейните води?

В продължение на почти 100 години, процесите на адсорбция с активен въглен като адсорбент са били използвани при пречистването на питейни води за отстраняване на органични вещества. В началото, основните вещества – обект на адсорбция са били съединения, придаващи вкус и мирис на водата. По-късно се доказа, че прилагането на активен въглен е ефективно за отстраняване на широк спектър от други органични микро-замърсители, като феноли, хлорирани въглеводороди, пестициди, фармацевтични продукти, продукти за лична грижа, инхибитори на корозията и т. н. Тъй като естествената органична материя (ЕOM, измерена като разтворен органичен въглерод, БПК) присъства във всички сурови води и често не се отстранява напълно от процесите на пречистване, тя винаги се адсорбира заедно с органичните микро-замърсителите. Поради факта, че активният въглен не е високо селективен по отношение на адсорбцията на органични вещества, може да бъде избегната конкурентната ЕOM адсорбция и в резултат на това - загубата на капацитет по отношение на микро-замърсителите. Ефектът на конкуренцията често е сравнително силен, не на последно място поради различните концентрационни нива на БПК и микро-замърсителите. Типичните БПК концентрации в суровите води са в долния диапазон на mg/L, докато концентрациите на органични микро-замърсители са в диапазона ng/L или μg/L. От друга страна, отстраняването на ЕOM има и положителен аспект. ЕOM е прекурсор за образуването на дезинфекционни продукти (DBPs) по време на крайната дезинфекция с хлор или хлорен диоксид. Следователно, отстраняването на ЕOM по време на процеса на адсорбция помага да се намали образуването на DBPs. Активният въглен се прилага като активен въглен на прах (РАС) в реакторите или като гранулиран активен въглен (GAC) в адсорбери с неподвижна основа. Размерите на частиците на активния въглен на прах са в среднообхватния μm диапазон, като се има предвид, че GAC частиците имат диаметри в долния mm диапазон. През последните години проблемът с арсена в питейните води привлича все по-голям обществен и научен интерес. В резултат на това се налага водните съоръжения, по-специално в райони с високи геогенни концентрации на арсен в подпочвените и повърхностните води, да осъвременят технологиите си чрез въвеждане на допълнителен процес за отстраняване на арсена. Процесите на адсорбция с оксидни адсорбенти като железен хидроксид или алуминиев оксид са доказали, че отстраняват арсена много ефективно. Същите адсорбенти се очаква да отстраняват и анионен уран и селенови радикали (Worch, 2012).