Адсорбцию широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными. Применение локальных установок целесообразно, если вещество хорошо адсорбируется при небольшом удельном расходе адсорбента. Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и др. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.

Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки достигает 80…95 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе.

Адсорбенты

В качестве сорбентов используют активные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки и др.). Минеральные сорбенты – глины, силикагели, алюмогели и гидраты окислов для адсорбции различных веществ из сточных вод используются мало, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика, иногда превышает энергию адсорбции.

Наиболее универсальными из адсорбентов являются активные угли, которые должны обладать определенными свойствами. Они должны слабо взаимодействовать с молекулами воды и хорошо – с органическими веществами, быть относительно крупнопористыми (с эффективным радиусом адсорбционных пор в пределах 0,8…5,0 нм, или 8…50 Å), чтобы их поверхность была доступна для больших и сложных органических молекул. При малом времени контакта с водой активные угли должны иметь высокую адсорбционную емкость, высокую селективность и малую удерживающую способность при регенерации. При соблюдении последнего условия затраты на реагенты для регенерации угля будут небольшими. Угли должны быть прочными и не подвергаться истиранию, должны быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав. В процессе очистки используют мелкозернистые адсорбенты с частицами размером 0,25…0,5 мм и высокодисперсные угли с частицами размером менее 40 мкм.

Кроме того, адсорбенты должны обладать малой каталитической активностью по отношению к реакциям окисления, конденсации и др., так как некоторые органические вещества, находящиеся в сточных водах, способны окисляться и осмоляться. Эти процессы ускоряются катализаторами. Осмолившиеся вещества забивают поры адсорбента, что затрудняет его низкотемпературную регенерацию. Наконец, они должны иметь низкую стоимость, не должны уменьшать адсорбционную емкость после регенерации и обеспечивать большое число циклов работы.

Адсорбционные установки

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или в псевдоожиженном слое на установках периодического и непрерывного действия. При смешивании адсорбента с водой в качестве адсорбента используют активный уголь с размерами частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней.

В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных веществ и колеблется от 2…4 до 5…6 м³/(м²∙ч). Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все сечение. Размер частиц адсорбента применяют в пределах 1,5…5 мм. При меньших размерах зерен возрастает сопротивление фильтрованию жидкости. Уголь укладывают на слой гравия, расположенного на решетке. Во избежание забивки адсорбента сточная вода не должна содержать твердых взвешенных примесей.

Рис. 1.16. Схема непрерывной адсорбционной установки:

1 – усреднитель, 2 – насос, 3 – механический  фильтр; 4…6 – адсорбционные колонны; 7 – сборная емкость

В одной колонне при неподвижном слое угля процесс очистки ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн (рис. 1.16). По такой схеме две колонны работают последовательно, а третья отключена на регенерацию. При проскоке загрязнений в средней колонне на регенерацию отключают первую колонну, а в работу включают третью колонну.

Установки с псевдоожиженным слоем (периодического или непрерывного действия) целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в сточной воде. Размер частиц адсорбента при этом должен быть равным 0,5…1 мм. Скорость потока для указанных размеров частиц находится в пределах 8…12 м/ч.

Регенерация адсорбента

Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром или нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3…0,6 МПа) равна 200…300 °С, а инертных газов 120…140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5…3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих – в 5…10 раз больше. После десорбции пары конденсируются, и вещество извлекается из конденсата.

Для регенерации углей может быть использована и экстракция (жидкофазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с водяным паром растворителями. При регенерации органическими растворителями (метиловым спиртом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей из угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбированных слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную форму. При этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда они вымываются горячей водой или раствором кислот (для удаления органических оснований) или раствором щелочей (для удаления кислот).

В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем). Термическую регенерацию проводят в печах различной конструкции при температуре 700…800 ^оС в бескислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горения газа или топлива и водяного пара.