Повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками
Обоснована возможность получения новых углеродных сорбентов из антрацитовых углей Донецкого месторождения (Украина). Показано, что их адсорбционная способность зависит от физико-химического состава исходного сырья и способа обработки. Указана возможность получения сорбента, имеющего рациональную стр...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Химия и технология воды |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130828 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками / Н.А. Клименко, С.В. Гречаник, В.А. Безпояско, Л.А. Савчина // Химия и технология воды. — 2013. — Т. 35, № 6. — С. 470-481. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-130828 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Клименко, Н.А. Гречаник, С.В. Безпояско, В.А. Савчина, Л.А. 2018-02-24T14:12:22Z 2018-02-24T14:12:22Z 2013 Повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками / Н.А. Клименко, С.В. Гречаник, В.А. Безпояско, Л.А. Савчина // Химия и технология воды. — 2013. — Т. 35, № 6. — С. 470-481. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0204-3556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130828 628.1.033+574.63+66.047.8 Обоснована возможность получения новых углеродных сорбентов из антрацитовых углей Донецкого месторождения (Украина). Показано, что их адсорбционная способность зависит от физико-химического состава исходного сырья и способа обработки. Указана возможность получения сорбента, имеющего рациональную структуру пористого пространства, путем его многостадийной активации. Применение таких сорбентов позволяет уменьшить удельный расход активного угля для очистки воды при фильтровании поверхностных вод р. Днепр и биологически очищенных сточных вод г. Киева. Обґрунтовано можливість отримання нових вуглецевих сорбентів з антрацитового вугілля Донецького родовища (Україна). Показано, що адсорбційна здатність одержуваних активних антрацитів залежить від фізико-хімічного складу вихідної сировини і способу їх обробки. Вказано можливість одержання сорбенту, що має раціональну структуру пористого простору, шляхом його багатостадійної активації. Застосування одержаних сорбентів дозволяє зменшити питому витрату активного вугілля для очищення води при фільтруванні поверхневих вод р. Дніпро та біологічно очищених стічних вод м. Києва. The influence of the physicochemical characteristics of the new carbon sorbents on the effectiveness of natural and waste waters is investigated. It is justified the possibility to receive them from the Donets Basin anthracite. It is shown the possibility to reduce the specific consumption of activated carbon for purification of the Dnieper river water and the Kiev biologically treated wastewater. The anthracite activation processes of Donets Basin was explored. It is showed that the adsorption capacity of the resulting active anthracite depends on chemical and physical composition of the starting material and the method of its processing. It is shown the possibility to get a sorbent with a rational structure of pore space via its multi-stage activation. ru Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України Химия и технология воды Технология водоподготовки и деминерализация вод Повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками The efficiency improving of water treatment by use activated carbon with advanced sorption characteristics Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками |
| spellingShingle |
Повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками Клименко, Н.А. Гречаник, С.В. Безпояско, В.А. Савчина, Л.А. Технология водоподготовки и деминерализация вод |
| title_short |
Повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками |
| title_full |
Повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками |
| title_fullStr |
Повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками |
| title_full_unstemmed |
Повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками |
| title_sort |
повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками |
| author |
Клименко, Н.А. Гречаник, С.В. Безпояско, В.А. Савчина, Л.А. |
| author_facet |
Клименко, Н.А. Гречаник, С.В. Безпояско, В.А. Савчина, Л.А. |
| topic |
Технология водоподготовки и деминерализация вод |
| topic_facet |
Технология водоподготовки и деминерализация вод |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Химия и технология воды |
| publisher |
Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
The efficiency improving of water treatment by use activated carbon with advanced sorption characteristics |
| description |
Обоснована возможность получения новых углеродных сорбентов из антрацитовых углей Донецкого месторождения (Украина). Показано, что их адсорбционная способность зависит от физико-химического состава исходного сырья и способа обработки. Указана возможность получения сорбента, имеющего рациональную структуру пористого пространства, путем его многостадийной активации. Применение таких сорбентов позволяет уменьшить удельный расход активного угля для очистки воды при фильтровании поверхностных вод р. Днепр и биологически очищенных сточных вод г. Киева.
Обґрунтовано можливість отримання нових вуглецевих сорбентів з антрацитового вугілля Донецького родовища (Україна). Показано, що адсорбційна здатність одержуваних активних антрацитів залежить від фізико-хімічного складу вихідної сировини і способу їх обробки. Вказано можливість одержання сорбенту, що має раціональну структуру пористого простору, шляхом його багатостадійної активації. Застосування одержаних сорбентів дозволяє зменшити питому витрату активного вугілля для очищення води при фільтруванні поверхневих вод р. Дніпро та біологічно очищених стічних вод м. Києва.
The influence of the physicochemical characteristics of the new carbon sorbents on the effectiveness of natural and waste waters is investigated. It is justified the possibility to receive them from the Donets Basin anthracite. It is shown the possibility to reduce the specific consumption of activated carbon for purification of the Dnieper river water and the Kiev biologically treated wastewater. The anthracite activation processes of Donets Basin was explored. It is showed that the adsorption capacity of the resulting active anthracite depends on chemical and physical composition of the starting material and the method of its processing. It is shown the possibility to get a sorbent with a rational structure of pore space via its multi-stage activation.
|
| issn |
0204-3556 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130828 |
| citation_txt |
Повышение эффективности очистки воды при помощи активных углей с улучшенными сорбционными характеристиками / Н.А. Клименко, С.В. Гречаник, В.А. Безпояско, Л.А. Савчина // Химия и технология воды. — 2013. — Т. 35, № 6. — С. 470-481. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT klimenkona povyšenieéffektivnostiočistkivodypripomoŝiaktivnyhugleisulučšennymisorbcionnymiharakteristikami AT grečaniksv povyšenieéffektivnostiočistkivodypripomoŝiaktivnyhugleisulučšennymisorbcionnymiharakteristikami AT bezpoâskova povyšenieéffektivnostiočistkivodypripomoŝiaktivnyhugleisulučšennymisorbcionnymiharakteristikami AT savčinala povyšenieéffektivnostiočistkivodypripomoŝiaktivnyhugleisulučšennymisorbcionnymiharakteristikami AT klimenkona theefficiencyimprovingofwatertreatmentbyuseactivatedcarbonwithadvancedsorptioncharacteristics AT grečaniksv theefficiencyimprovingofwatertreatmentbyuseactivatedcarbonwithadvancedsorptioncharacteristics AT bezpoâskova theefficiencyimprovingofwatertreatmentbyuseactivatedcarbonwithadvancedsorptioncharacteristics AT savčinala theefficiencyimprovingofwatertreatmentbyuseactivatedcarbonwithadvancedsorptioncharacteristics |
| first_indexed |
2025-11-26T01:42:51Z |
| last_indexed |
2025-11-26T01:42:51Z |
| _version_ |
1850605413411586048 |
| fulltext |
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т.35 №6470
© Н.А. Клименко, С.В. Гречаник, В.А. Безпояско, Л.А. Савчина, 2013
технология водоподготовки и деминерализация вод
УДК 628.1.033+574.63+66.047.8
н.а. клименко, С.в. гречаник, в.а. Безпояско, л.а. Савчина
повЫШение ЭФФективноСти оЧиСтки водЫ
при помоЩи активнЫх УглеЙ С УлУЧШеннЫми
СорБционнЫми характериСтиками
Институт коллоидной химии и химии воды им. А.В. Думанского
НАН Украины, г. Киев
Обоснована возможность получения новых углеродных сорбентов из антра-
цитовых углей Донецкого месторождения (Украина). Показано, что их ад-
сорбционная способность зависит от физико-химического состава исходного
сырья и способа обработки. Указана возможность получения сорбента, име-
ющего рациональную структуру пористого пространства, путем его много-
стадийной активации. Применение таких сорбентов позволяет уменьшить
удельный расход активного угля для очистки воды при фильтровании поверх-
ностных вод р. Днепр и биологически очищенных сточных вод г. Киева.
ключевые слова: активный уголь, антрацит, мезопористая структура,
парогазовая активация, очистка воды.
введение. Для решения многих экологических задач, связанных
с загрязнением окружающей среды, а также получением качественной
питьевой воды, используют углеродсодержащие материалы, в частности
активные угли (АУ). Многие производители выпускают АУ, имеющие
различные физико-химические характеристики и пористую струк-
туру. Наряду с этим, совокупность их адсорбционных характеристик
[1] в должной мере не отвечает задачам извлечения широкого спектра
сложных органических соединений, например гуминовых и фульвино-
вых кислот водного гумуса, содержащихся в большей части вод откры-
тых водоемов Украины. В силу этого угли, не обладающие необходимой
пористой структурой и химическим строением поверхностного слоя,
способного к иммобилизации биопленки, не всегда достаточно эффек-
тивны для глубокой очистки природных и сточных вод.
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013 т.35, №6 471
Предыдущими исследованиями [2, 3] показаны преимущества антра-
цитов как сырья для производства АУ, используемых при очистке воды.
При этом Донецкий угольный бассейн располагает богатыми запасами
антрацитов разных стадий метаморфизма, которые используются в энер-
гетических целях и для производства кокса. Однако, по нашему мнению,
применение антрацита для получения высококачественных АУ, которые
служат для очистки воды от органических соединений, может быть доста-
точно эффективным, по крайней мере, в Украине.
Цель данной работы – изучение влияния физико-химических
характеристик новых углеродных сорбентов на степень очистки при-
родных и сточных вод и обоснование возможности их получения из
антрацитов Донецкого месторождения (Украина).
методика эксперимента. В качестве объектов исследования использо-
вали углеродсодержащие материалы на основе антрацитовых углей, ото-
бранных на нескольких Центральных обогатительных фабриках (ЦОФ)
Донецкого месторождения (производство ООО "Термоантрацит").
Пропитку активных антрацитов для их последующей активации
осуществляли органическими веществами различного химического
строения: фенол – C
6
H
5
OH; анионное ПАВ (АПАВ) – додецил-
сульфат натрия C
12
H
25
SO
4
Na (далее – ДДСNa); АПАВ – сульфонол
C
n
H
2n+1
C
6
H
4
SO
2
Na; неионогенное ПАВ (НПАВ) – смачиватель ОП-10
(CH
2
CH
2
O)
n
. OCH
2
CH
2
OH (далее – ОП-10); краситель – активный ярко-
красный 5СХ C
3
N
3
Cl
2
– NH – C
10
H
4
(SO
3
Na)
2
– N=N – C
6
H
4
SO
3
Na (далее –
АЯК 5СХ).
Для получения образцов активного угля из антрацита Донецкого
месторождения применяли несколько методов активации. Так, первая
серия образцов была получена при использовании парогазовой акти-
вации в кипящем слое материала [4] при температуре водяного пара
700 – 1000°С. Активацию проводили в псевдоожиженном слое иссле-
дуемого образца угля. Температуру контролировали термопарой типа
хромель – алюмель. Точку начала процесса активации определяли
по моменту возгорания водорода, полученного в результате реакций,
происходящих в слое угля при температуре активации. При контакте
выходящей газовой смеси с кислородом воздуха на выходе из реактора
наблюдалось возгорание.
Последующие серии образцов углей получены с использованием
двухстадийных методов активации, которые включали в себя подго-
товительную обработку сырья с размером зерен 0,5 – 2,0 мм при фик-
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т.35 №6472
сированной температуре процесса до получения АУ с насыпной плот-
ностью, составляющей 0,6 – 0,7 г/см3. Далее этот уголь насыщали в
равновесных условиях различными органическими веществами из их
водных растворов. Концентрация адсорбирующегося вещества – 0,5 –
1,0%. Согласно [5] пропитанный АУ активировали по вышеописанной
схеме в псевдоожиженном слое или в неподвижном слое адсорбента
газовой смесью, содержащей свободный кислород в количестве 2,5 –
6,0 объем. %. Температура теплоносителя на входе в колонну соответ-
ствовала величине, которая необходима для инициирования начала
термоокислительной деструкции адсорбированного органического
вещества.
Структурно-сорбционные характеристики АУ определяли по изо-
термам адсорбции – десорбции азота при 77 К, измеренным при помощи
Quantachrome Autosorb Automated Gas Sorption System ("Quantachrome
Corporation"). Изотермы были использованы для расчета величин пло-
щади поверхности S, общего объема пор V
a
, объемов микропор V
ми
,
мезопор V
ме
и макропор V
ма
сорбента [6]. Все приведенные выше пара-
метры рассчитаны согласно теории функционала плотности (DFT), по
t-методу, а также моделям БЭТ и Дубинина-Радушкевича.
Величину динамической емкости сорбента а
дин
по заданному
веществу находили согласно [7], величину удельного расхода угля для
очистки воды от органических веществ – по методике [8].
Определение насыпной плотности, емкости по бензолу, йодного
числа, сорбционной активности по метиленовому голубому образцов
АУ осуществляли, соответственно, по стандартным методикам [9 –12].
результаты и их обсуждение. В первой серии экспериментов были
получены образцы АУ из антрацитов с различными характеристи-
ками для дальнейшей оценки эффективности их использования при
очистке воды. На структурно-сорбционные характеристики, которые
определяют качество АУ, полученного при использовании кипящего
слоя угля в атмосфере водяного пара, влияют следующие факторы:
– физико-химический состав исходного сырья;
– предварительная обработка и подготовка угля;
– состав и скорость подачи реакционноспособного газового тепло-
носителя;
– температура процесса;
– продолжительность активации.
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013 т.35, №6 473
Рассмотрим влияние каждого из этих критериев на управление
процессом получения АУ из антрацитов.
Критерием отбора сырья для получения качественного АУ при исполь-
зовании его в системах водоочистки был установлен, в первую очередь,
показатель зольности, составляющий < 10%. Проведен технический и эле-
ментный анализ сырья, а также исследован химический состав золы проб
антрацитов, отобранных из разных источников (табл. 1, 2).
Таблица 1. Технический и элементный составы антрацитов
Номер
образ-
ца*
Влаж-
ность
Золь-
ность
Концентрация, %
% C O N H S Летучие
1 0,9 5,9 94,3 0,8 0,7 1,9 2,2 2,4
2 0,8 9,3 95,6 1,0 0,6 1,8 1,0 2,7
3 1,1 7,5 95,3 0,8 0,7 2,0 1,2 2,1
4 0,8 4,4 95,7 0,9 0,6 1,7 1,0 2,1
5 1,4 4,2 94,3 O+N=3,3 1,8 0,6 2,7
* Образцы антрацита из пяти ЦОФ Донецкого месторождения.
Таблица 2. Химический состав золы антрацитов
Номер
образца*
Концентрация оксидов, %
SiO
2
Fe
2
O
3
Al
2
O
3
MgO CaO Na
2
O K
2
O SO
3
TiO
2
Mn
3
O
4
1 33,8 38,9 16,1 1,8 3,5 0,9 1,1 2,9 0,7 0,1
2 49,9 12,5 22,9 2,0 2,4 0,9 3,6 1,9 0,7 0,1
3 45,2 19,5 20,8 2,3 2,8 1,0 3,4 2,4 0,5 0,2
4 51,3 13,0 22,9 1,6 1,5 1,1 3,2 1,0 0,5 0,1
5 46,3 20,0 17,9 2,1 3,7 – – 3,4 1,0 0,1
*Образцы антрацита из пяти ЦОФ Донецкого месторождения.
Данные технического анализа и элементного состава органической
массы позволили охарактеризовать исследованные антрациты как
высокометаморфизированные и высококонденсированные образцы
с относительно небольшим содержанием гетероатомов азота, серы и
кислорода. При выборе сырья учитывали фактор присутствия в золе
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т.35 №6474
образцов угля оксидов железа, марганца, алюминия и особенно калия,
наличие которых, даже в количестве 0,1%, значительно ускоряет про-
цессы окисления, что искажает получаемые результаты. Исходя из
вышеизложенного, парогазовую активацию углеродсодержащего мате-
риала в кипящем слое исследовали при использовании антрацита (см.
табл. 1, проба №5), имеющего следующие классификационные пара-
метры:
Выход летучих веществ на сухое беззольное
состояние угля V daf, % ...............................................2,7
Толщина пластичного слоя Y, мм ............................0
Пластометрическая усадка Х, мм ............................5
Зольность на сухое состояние угля Ad, % .................4,2
Общая сера на сухое состояние угля S
t
d, % .............0,6
Высшая теплота сгорания на сухое беззольное
состояние угля Q
s
daf, МДж/кг (ккал/кг) ..................33,65 (8036)
Максимальное влагосодержание W
max
, % ...............6,0
Хлор на сухое состояние угля Cld, % .......................0,06
Фосфор на сухое состояние угля P d,% ....................0,005
Низшая теплота сгорания угля Q
i
r,
МДж/кг (ккал/кг) .....................................................31,26 (7467)
Получение адсорбента с улучшенными характеристиками еще не
определяет однозначно эффективность его применения в сорбцион-
ной технологии. В этом аспекте важным фактором является грануло-
метрический состав полученного продукта, который в значительной
степени определяет фильтрующую способность АУ. Сырьевая база
исходного антрацита имеет полифракционный гранулометрический
состав с максимальным содержанием (46,4%) фракции с размером
зерен 2,0 – 3,0 мм.
Для исследований использовали фракцию исходного сырья < 3 мм,
которое при термообработке в кипящем слое материала при 880°С в тече-
ние 1,5 ч активировали паром. Полученный АУ имеет следующий фрак-
ционный состав: 2,0 – 3,0 мм – 44,0; 1,0 – 2,0 мм – 40,5; 0,5 –1,0 мм – 14,5;
< 0,5 мм – 1,0%. Стан дартные характеристики фракций представлены
в табл. 3.
Из указанной таблицы видно, что максимальную адсорбционную
емкость имеют частицы размером 0,5 – 1,0 и 1,0 – 2,0 мм. Частицы
< 0,5 и > 2,0 мм имеют менее развитую пористость. Кроме этого,
фракция АУ с размером 0,5 – 2,0 мм наиболее приемлема для исполь-
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013 т.35, №6 475
зования в адсорберах с плотным слоем материала (рис. 1, 2). Зависи-
мость удельной потери напора потока и расширения слоя от скорости
фильтрования воды соответствует стандартным требованиям [13] на
сорбционные материалы. Так как фракции АУ с размерами 2,0 – 3,0
и < 0,5 мм представляют собой балласт при использовании получен-
ного угля в адсорбционных целях, входную пробу сырья рассеивали
на ситах для получения целевой фракции с размером 0,5 – 2,0 мм,
которая и была использована в последующих экспериментах.
Таблица 3. Характеристики активного антрацита разных фракций
Размер
фракции
угля, мм
Насыпная
плотность,
г/см3
Емкость
по бензолу,
см3/г
Йодное
число,
%
Сорбционная актив-
ность по метиленовому
голубому, мг/г
2,0 – 3,0 0,65 0,25 45,7 40,5
1,0 – 2,0 0,42 0,35 62,2 75,0
0,5 – 1 0,40 0,38 78,9 85,5
<0,5 0,65 0,30 48,9 35,5
0
4000
12000
20000
0 0,005 0,01 0,015 0,02
V, м/с
P, Па/м
Рис. 1. Зависимость удельной потери напора потока от скорости фильтрова-
ния воды сквозь активный уголь (фракция 0,5 – 2,0 мм).
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т.35 №6476
Окислителем углерода на этапе активации антрацитов в кипящем
слое материала был выбран водяной пар, обладающий особыми свой-
ствами как активатор [14].
0
20
40
60
80
0 0,01 0,02 0,03
V, м/с
l, %
Рис. 2. Зависимость расширения слоя активного угля (l) от скорости филь-
трования воды (фракция 0,5 – 2,0 мм).
Следует отметить, что два исследованных фактора (сырье и окис-
литель) имеют решающее значение в получении качественного АУ.
Однако влияние температуры и продолжительности активации на
адсорбционные характеристики сорбента не менее важны. Характе-
ристики образцов АУ, полученных при изменении температуры про-
цесса активации в диапазоне 825 – 950°С и его продолжительности
(0,5 – 2,0 ч), приведены в табл. 4. Каждому образцу обработанного
материала соответствуют конкретные значения температуры и вре-
мени активации в кипящем слое при скорости газа-реагента (пара),
составляющей 0,33 м/с.
Как видно из указанной таблицы, отношение объема микропор к
объему мезопор у полученных простой активацией образцах АУ, при
описанных выше условиях, составляет 4,6 – 16,4. Можно отметить, что
исследуемый уголь обладает преимущественно микропористой струк-
турой. Несоответствие такой структуры АУ задаче его применения в
области глубокой очистки природных и сточных вод, содержащих орга-
нические вещества с большими размерами молекул, вызывает необхо-
димость получения сорбента, имеющего рациональную структуру пори-
стого пространства, где отношение объема микропор к объему мезопор
минимально при значительной величине суммарного объема пор.
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013 т.35, №6 477
Таблица 4. Параметры пористой структуры образцов активных углей, по-
лученных в кипящем слое, при различных условиях активации
Номер
образца
S,
м2/г
V
ми
V
ме Температура
активации, °С
Продолжительность
активации, минсм3/г
1 435,8 0,17 0,02 860 90
2 503,6 0,20 0,02 825 120
3 534,3 0,22 0,03 850 100
4 542,1 0,24 0,02 850 120
5 570,0 0,22 0,06 950 90
6 576,2 0,23 0,03 875 100
7 635,8 0,28 0,02 850 90
8 695,5 0,28 0,07 875 120
9 704,9 0,29 0,04 900 90
10 850,3 0,33 0,07 925 90
После первой стадии получения АУ методом парогазовой актива-
ции в псевдоожиженном слое (насыпная плотность – 0,6 – 0,7 г/см3;
S – 300 – 400 м2/г; V
ми
– 0,10 – 0,20; V
ме
– 0,015 – 0,025 см3/г; поглощение
метиленового синего – 25 – 50 мг/г; йодное число – 30 – 50%; размеры
зерен – 0,5 – 2,0 мм) его подвергали пропитке органическими веще-
ствами и активации паром в кипящем слое материала. При этом изу-
чали изменение динамической емкости полученных образцов АУ до и
после активации. Результаты экспериментов представлены в табл. 5.
Таблица 5. Изменение динамической емкости активного угля при пропитке
его органическими веществами с последующей активацией в кипящем слое
Вещество
для пропит-
ки угля
а
дин
, мг/г
до про-
питки
после пропитки и активации АУ по
фенолу ДДСNa сульфонолу ОП-10 АЯК 5СХ
Фенол 94,7 100,5 127,5 111,0 90,5 95,5
ДДСNa 63,8 98,0 128,9 95,5 100,5 65,2
Сульфонол 35,5 35,0 250,0 248,0 230,0 125,5
ОП-10 40,0 201,0 490,5 495,5 388,0 32,0
АЯК 5СХ 2,5 1,8 22,5 21,5 12,3 2,3
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т.35 №6478
Полученные данные свидетельствуют, что предварительная
ад сорбция некоторых органических веществ на АУ перед термической
обработкой сорбента способствует повышению его адсорбционной
емкости относительно веществ с большими размерами молекул. При
этом заметно изменяется структура угля в сторону увеличения доли
мезопор, что особенно важно для адсорбционной технологии очистки
воды.
Сопоставление удельного расхода нового образца АУ (далее –
АА-Н), полученного в две стадии активации (первая – парогазовая
активация исходного сырья, вторая – парогазовая активация полу-
ченного на первой стадии АУ, насыщенного ДДСNa), с аналогичными
показателями углей, которые применяются на станциях водоподго-
товки при фильтровании речной воды, представлено в табл. 6.
Показано, что пористая структура сорбента АА-Н наиболее при-
емлема для адсорбционной очистки природных вод по сравнению с
другими выбранными адсорбентами. Однако при выполнении акти-
вации на второй стадии в кипящем слое наблюдались значительные
потери (60 – 70%) исходного сырья. Поэтому в следующей серии экс-
периментов образцы угля, пропитанные органическим веществом,
активировали в неподвижном слое материала теплоносителем с незна-
чительным содержанием кислорода, который подавали сверху вниз на
загруженный в колонну материал. Полученные результаты (табл. 7)
позволяют утверждать, что данный процесс протекает по зонному
принципу. Слой загруженного в колонну сырья, в котором происходят
экзотермические реакции окисления адсорбированных органических
веществ, следует считать зоной активации.
Сравнивая характеристики активных углей, полученных методами
одно- и двустадийной активации, можно отметить, что во втором слу-
чае образцы сорбента имеют более развитую мезопористость. Объем
мезопор данных углей превышает объем мезопор, полученных мето-
дом одностадийной парогазовой активации. Кроме того, необходимо
учесть, что при проведении второй стадии активации в плотном слое
значительно снижаются потери исходного материала (до 3 – 10%) и
расход энергоресурсов (за счет использования тепла экзотермических
реакций окисления адсорбированных органических веществ).
По технологии активации в неподвижном слое получены первые
образцы новых сорбентов, пористая структура которых соответствует
решению задачи их применения в области глубокой очистки природ-
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013 т.35, №6 479
ных и сточных вод. Так, например, для снижения ХПК биологически
очищенных сточных вод г. Киева с 42 до 10 мг О/дм3 расход активного
угля марки КАД (Россия) составляет 12,5, микропористого угля – 10,5 –
12,0 кг/дм3, а при использовании образцов АУ, полученных по методу
многостадийной активации с пропиткой материала органическим
веществом, – всего 0,65–0,85 кг/м3.
выводы. Создание активного угля на основе антрацита с улучшен-
ными сорбционными свойствами позволит уменьшить удельный расход
применяемого для очистки воды адсорбента. Получение углей с сильно
развитой мезопористостью и большой удельной поверхностью требует
ограничения верхнего предела размеров мезопор величинами, действи-
тельно необходимыми для сорбции из воды как низкомолекулярных,
так и водорастворимых высокомолекулярных веществ, либо устойчи-
вых мицелл ПАВ, соединений водного гумуса, красителей, большинство
которых имеет молекулы с диаметром до 2,5 нм. Данными исследова-
ниями удалось подойти к решению проблемы получения нового сор-
бента из антрацитов Донецкого месторождения. Структура этого угля
оптимально подходит для водоподготовки и очистки сточных вод. При
этом средний эффективный радиус пор находится в пограничной зоне
широких супермикропор и узких мезопор, а верхний предел радиуса не
превышает 4 – 5 нм. Однако угли с такой структурой при использова-
нии метода одностадийной парогазовой активации антрацита в кипящем
слое получить оказалось затруднительно, но возможно путем примене-
ния многостадийной активации исходного сырья.
резюме. Обґрунтовано можливість отримання нових вуглецевих
сорбентів з антрацитового вугілля Донецького родовища (Україна). По-
казано, що адсорбційна здатність одержуваних активних антрацитів
залежить від фізико-хімічного складу вихідної сировини і способу їх
обробки. Вказано можливість одержання сорбенту, що має раціональну
структуру пористого простору, шляхом його багатостадійної активації.
Застосування одержаних сорбентів дозволяє зменшити питому витра-
ту активного вугілля для очищення води при фільтруванні поверхневих
вод р. Дніпро та біологічно очищених стічних вод м. Києва.
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013, т.35 №6480
N.A. Klymenko, S.V. Grechanik, V.O. Bezpoyasko, L.A. Savchyna
THE EFFICIENCY IMPROVING OF WATER TREATMENT
BY USE ACTIVATED CARBON WITH ADVANCED
SORPTION CHARACTERISTICS
Summary
The influence of the physicochemical characteristics of the new carbon
sorbents on the effectiveness of natural and waste waters is investigated. It is
justified the possibility to receive them from the Donets Basin anthracite. It is
shown the possibility to reduce the specific consumption of activated carbon
for purification of the Dnieper river water and the Kiev biologically treated
wastewater. The anthracite activation processes of Donets Basin was explored.
It is showed that the adsorption capacity of the resulting active anthracite
depends on chemical and physical composition of the starting material and
the method of its processing. It is shown the possibility to get a sorbent with a
rational structure of pore space via its multi-stage activation.
Список использованной литературы
[1] Сырье и продукты промышленности органических и неорганических
веществ: Новый справочник химика и технолога. – СПб.: Изд-во "Мир
и Семья", 2002. – Ч. 1. – 988 с.
[2] Самофалов В.С. Дис….. канд. техн. наук. – М., 2004. – 174 с.
[3] Пат. 95014 Україна, МКІ С 01 B 31/0/ С.В. Гречаник, Н.А. Мєшкова-
Клименко, В.В. Гончарук, С.В. Дроздович, Л.А. Савчина, І.І. Токарєв,
Є.П. Крилов, О.П. Кожан. – Опубл. 25.06.2011, Бюл. № 12.
[4] Махорин К. Е., Глухоманюк А.М. Получение углеродных адсорбентов в
кипящем слое. – К.: Наук. думка, 1983. – 160 с.
[5] Клименко Н.А., Гречаник С.В., Слободян В.В., Тимошенко М.Н. // Хим.
технология. – 1990. – №2. – С. 66 – 69.
[6] Klymenko N.A., Savchina L.A., Kozyatnik I.P., Topkyn Yu.V., Polyakova T.V.
// J. Water Chem. and Technol. – 2008. – 30, N 6. – P. 344 – 350.
[7] Шлюгер Е.С., Левченко Т.М., Подлеснюк В.В., Глухоманюк А.М. // Хим.
технология. – 1990. – №2. – С. 99 – 100.
ISSN 0204–3556. Химия и технология воды, 2013 т.35, №6 481
[8] Koganovskii A.M., Levchenko T.M., Gora L.N., Savchina L.A. // J. Water Chem.
and Technol. – 1992. – 14, N 4. – P. 275 – 280.
[9] ГОСТ 25927-95 (ИСО 567-74). Метод определения насыпной плотно-
сти. – Введ. 01.07.1997.
[10] Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. – М.: Химия, 1984. –
591 с.
[11] ГОСТ 6217-74. Сорбционная активность по йоду. – Введ. 01.01.1976.
[12] ГОСТ 4453-74. Сорбционная емкость по метиленовому голубому. –
Введ. 01.07.1977.
[13] СНиП 2.04.03-85. Канализация, наружные сети и сооружения. –
Введ. 01.01.1986 .
[14] Малин Н.В. // Журн. прикл. химии. – 1972. – 42, №3. – С. 630.
Поступила в редакцию 12.03.2013 г.
|