Контроль качества воды и очистка воды с использованием труб ПВХ. Часть 4

Адсорбционные системы обрабатывают воду, добавляя туда вещества, например активированный уголь или оксид алюминия. Адсорбенты привлекают загрязняющие вещества в результате химических и физических процессов, которые заставляют их «прилипать» к своей поверхности для последующей утилизации. Наиболее часто используемый адсорбент — активированный уголь. Активированный уголь в виде порошка довольно часто используется, когда возникают временные проблемы с качеством: его можно просто добавить в воду и выбросить вместе с осадком. Гранулированный активированный уголь часто размещается в слое, через который исходная вода медленно проходит или просачивается. Обработка активированным оксидом алюминия используется для привлечения и удаления загрязняющих веществ, таких как мышьяк и фторид, которые имеют отрицательно заряженные ионы. При физической адсорбции силы притяжения между молекулами адсорбата и адсорбента относятся к слабому ван-дер-ваальсовому типу. Силы Ван-дер-Ваальса — это сумма сил притяжения или отталкивания между молекулами (или между частями одной и той же молекулы), кроме сил, обусловленных ковалентными связями или электростатическим взаимодействием ионов друг с другом или с нейтральными молекулами.

Связь Ван-дер-Ваальса уже показывает разницу в связи между двумя молекулами и одной молекулой с твердым телом. Ван-дер-ваальсова связь между двумя молекулами может быть описана как взаимодействие между двумя точечными диполями. Поскольку силы притяжения слабые, процесс физадсорбции можно легко обратить путем нагревания или уменьшения давления адсорбата (как в случае газов). Процесс не привязан к определенному месту, и адсорбат относительно свободно перемещается по поверхности. При хемосорбции силы притяжения между адсорбатом и адсорбентом очень велики, и молекулы адсорбата образуют химические связи с молекулами адсорбента, присутствующими на поверхности. Адсорбция обычно сопровождается выделением энергии, то есть большинство процессов адсорбции являются экзотермическими по своей природе. Энтальпия — это мера полной энергии термодинамической системы, она включает в себя внутреннюю энергию, которая представляет собой энергию, необходимую для создания системы, и количество энергии, необходимое для освобождения места за счет смещения окружающей среды и установления ее объема и давления. Энтальпия физсорбции, которая представляет собой изменение энтальпии для адсорбции одного моля адсорбата на поверхности адсорбента, находится в диапазоне от 20 кДж / моль до 40 кДж / моль. Значения энтальпии для хемосорбции на порядок выше, то есть от 200 кДж / моль до 400 кДж / моль.

Например, можно использовать данные изотермы Фрейндлиха. Константы Фрейндлиха K и n зависят от температуры воды, pH, типа углерода и концентрации других органических соединений. Используя лабораторные эксперименты, можно определить константы Фрейндлиха для одного вещества с конкретным типом активированного угля. Когда эти графики построены в логарифмическом масштабе, постоянная Фрейндлиха K может быть определена по пересечению графика с осью y. Наклон прямой равен постоянной Фрейндлиха n. Чем выше значение K, тем лучше адсорбция. В 1916 году Ирвинг Ленгмюр опубликовал новую модельную изотерму для газов, адсорбированных твердыми телами. Это полуэмпирическая изотерма, полученная из предложенного кинетического механизма. Он основан на четырех предположениях. Первое: поверхность адсорбента однородная, то есть все адсорбционные центры эквивалентны. Второе: адсорбированные молекулы не взаимодействуют. Третье: вся адсорбция происходит по одному и тому же механизму. И четвертое: при максимальной адсорбции образуется только монослой: молекулы адсорбата не осаждаются на других, уже адсорбированных, молекулах адсорбата, а только на свободной поверхности адсорбента. Впрочем, эти четыре предположения редко бывают верными в комплексе.

Уравнение обычно строится для произвольного значения K (часто называется изотермой ленгмюровского поглощения). Поверхность участков насыщается по мере увеличения концентрации. Величина K определяет относительное сродство данного растворенного вещества к поверхностной адсорбции. Как и все константы равновесия, K зависит от температуры. Часто молекулы действительно образуют многослойные структуры, то есть некоторые из них адсорбируются на уже адсорбированных молекулах, и изотерма Ленгмюра в этом случае недействительна. В 1938 году Стивен Брунауэр, Пол Эммет и Эдвард Теллер разработали свою изотерму, которая учитывает эту возможность. Их теория называется теорией BET по первым буквам их фамилий. Они модифицировали механизм Ленгмюра. Выводы ученых оказались следующими. Адсорбенты используются в виде сферических гранул, стержней, отливок или монолитов с гидродинамическим диаметром от 0,5 до 10 мм. Они должны обладать высокой стойкостью к истиранию, высокой термической стабильностью и малым диаметром пор, что приводит к увеличению площади открытой поверхности и, следовательно, к высокой способности поверхности к адсорбции. Адсорбенты также должны иметь отчетливую пористую структуру, обеспечивающую быстрый перенос газообразных паров.