Font Size

Cpanel

Повышение эффективности использования очистительных свойств сорбентов совершенствованием оборудования для их активации

Авторами статьи предложены меры по повышению эффективности использования очистительных свойств сорбентов путем совершенствования оборудования для их активации на основе анализа поведения сорбентов в процессах сорбционной очистки загрязненных вод и рационального выбора способа измельчения сорбционного материала. Полученные результаты позволяют начать работу по созданию новых устройств для активации сорбентов и усовершенствованной технологии сорбционной очистки на их основе для повышения степени (полноты) очистки и экономии сорбента.

В современной промышленности и бытовой сфере в настоящее время широко используется сорбционная очистка воды от различных загрязнителей, например, от тяжелых металлов. При этом известно, что 100%-е использование очистительных свойств сорбентов и полное взаимодействие их частиц с очищаемой жидкостью до сих пор не достигнуто [1,2,3].

Реакционная и очистительная способность сорбента определяются в основном удельной площадью поверхности его частиц. Проведя анализ, можно предположить существование четырех факторов, снижающих эффективность сорбционной очистки:

1) Большая доля малоактивных крупнодисперсных частиц, то есть низкая степень эффективного использования единицы объема сорбента в процессе очистки.

2) Флокуляция (слипание) частиц сорбента, в результате которой реальная площадь реакционной поверхности значительно меньше расчетной.

3) Неудовлетворительные условия для распределения тонкодисперсного сорбента в объеме очищаемой фазы, так, чтобы каждая частица сорбента была одинаково окружена очищаемой фазой, в результате чего формируются зоны с различными физико-механическими параметрами в которых процессы очистки идут с разной скоростью.

4) Недостаточное время взаимодействия очищаемой фазы с частицами сорбента, в результате чего за это время загрязнения не успевают выделиться из воды.

В связи с этим актуальна работа по поиску способов и оборудования для повышения степени использования технологических свойств сорбентов. В настоящее время для повышения эффективности процесса сорбционной очистки вод от различных видов загрязнений применяется метод активации сорбентов. Правильный выбор способов активации сорбентов может значительно повысить показатели их активности и реакционной способности, качество и эффективность сорбционной очистки воды и послужить основой для улучшения экономических показателей процесса, например, за счет экономии сорбента.

Идея заключается в том, что повысить эффективность сорбционной очистки можно за счет совершенствования оборудования для активации сорбентов на основе рационального обоснованного выбора способа активации (измельчения) сорбционного материала.

В данной работе кратко рассмотрена техническая сторона этого вопроса на основе опыта, накопленного, в основном, в области активации строительных вяжущих [4-9].

Анализ показывает, что при смешении сорбентов в неактивированном состоянии с очищаемой фазой (водой), сорбенты являются дискретными грубодисперсными телами с обширной гранулометрией, обладающими различной и относительно невысокой поверхностной энергией, и потому недостаточно эффективно взаимодействующими с очищаемой фазой. Поэтому для устранения вышеназванных проблем сорбционной очистки необходимо усилить химическое взаимодействие сорбента с водой, для чего необходимо обеспечить как можно большую вскрытую пробужденную активную поверхность сорбента, то есть обработать сорбент таким образом, чтобы получить наиболее полное технически достижимое на данный момент разрушение зерен сорбента, флокуляционных структур, образование свежих развитых и химически активных поверхностей сорбента с высокой реакционной способностью. Это и называется активацией. Также необходимо обеспечить равномерный контакт очищаемой фазы с активированной поверхностью сорбента.

Оптимальный размер зерен дисперсной фазы еще нуждается в определении. Здесь же рассмотрим, проанализируем и постараемся обосновать способы измельчения, с помощью которых наилучшим образом можно получить мелкодисперсный высокоактивный сорбент.

В современной технологической практике применяют три базовых способа активации химический, физический и механический [4,5]. Основными недостатками первых двух способов, ограничивающими их практическое применение, являются их стоимость, влияние на окружающую среду, низкая скорость протекания процессов, зависимость от состава воды, слабая изученность процессов, в особенности, применительно к сорбентам.

Весьма действенным и при этом доступным способом обработки веществ является механическая активация, которую можно разделить на мокрую (проводимую в присутствии воды) и сухую. При этом в основе процессов как мокрой, так и сухой активации лежит измельчение в том или ином виде, которое можно осуществлять следующими основными воздействиями на обрабатываемый материал – сжатием, истиранием, стесненным или свободным ударом. В настоящее время известно довольно широкое разнообразие механических активаторов различных конструкций и принципа действия.

Достаточно эффективно активацию сорбента можно проводить в вибромельницах с мелющими телами, эффект активации в которых достигается благодаря действию стесненного удара и истирания с высокими градиентами скоростей [5,6,7]. Однако вибромельницы имеют небольшую производительность, циклический режим работы, а значит, отсутствие отвода из зоны измельчения уже измельченного материала, и их применение в производстве, в отличие от лабораторных условий, сильно затруднено.

В вибромельницах осуществляют, как правило, мокрую активацию. Так, известен способ получения сорбционного материала на основе бентонитовой глины, включающий смешивание бентонитовой глины, древесных опилок, дистиллированной воды и активацию компонентов способом мокрого измельчения в вибромельнице периодического действия [10]. Полученный сорбционный материал имеет пастообразную форму. Осуществление мокрой активации облегчается явлением адсорбционного диспергирования, когда вода глубоко проникает в зерна сорбента, а с зерен механически удаляются верхние слои, благодаря чему обнажаются свежие поверхности зерен и увеличивается общая площадь реакционной поверхности [4,7,8]. Также в процессе осуществляется перемешивание компонентов сорбционного материала.

Мокрую активацию сорбента можно осуществлять в роликовых активаторах как периодического, так и непрерывного действия, которые лишены недостатков, присущих вибромельницам, но при этом не мене эффективны при мокрой активации [4,8]. Достигается это за счет вовлечения обрабатываемой смеси сорбента и воды вращающимся ротором в коаксиальные полости с малыми зазорами между ротором и корпусом и создания принудительной циркуляции смеси с ее интенсивным истиранием, приводящим к снятию поверхностных слоев с зерен материала и увеличению суммарной площади реакционной поверхности. Основным недостатком являются большие затраты мощности на трение в малом зазоре.

Эффективность процессов мокрой активации зависит от количественного соотношения воды и сорбента, химико-минералогического состава сорбента, температуры и др. С увеличением количества воды эффект активации повышается, а при ее недостатке и образовании вязкой массы условия для измельчения ухудшаются из-за значительного гашения кинетической энергии рабочих органов активаторов. Кроме того, в процессе мокрой активации возможно вступление сорбента в химическую реакцию с водой и продуктами износа рабочих органов активатора, что требует применения дистиллированной воды и химически инертных материалов рабочих органов, что значительно удорожает процесс активации. Также возникают проблемы с выгрузкой и последующим транспортированием пастообразного сорбционного материала.

Применение при активации стесненного удара, сжатия и истирания (как в вибрационных, шаровых, роликовых и других подобных активаторах) приводит к тому, что зерна сорбента, как правило, имеют продолговатую, лещадную, либо округлую форму, относительно сглаженную поверхность и неравномерный гранулометрический состав, что снижает их реакционную способность [4,5,7,9]. Причем повлиять на гранулометрический состав порошка сорбента при таких способах воздействия практически невозможно (попросту, нечем). Неравномерный гранулометрический состав порошка сорбента приводит, например, к тому, что мелкие частицы сорбента занимают пространство между крупными, вследствие чего уменьшается пористость сорбционного материала, то есть ухудшаются условия взаимодействия частиц сорбента с очищаемой фазой. С этих позиций аппараты, реализующие стесненный удар, сжатие и истирание, не являются оптимальными.

Существует обоснованное предположение, что технологические свойства сорбента могут определяться не только удельной поверхностью, но и степенью неоднородности, зерновым составом и формой зерен порошка [7,9]. Как уже отмечалось, порошок исходного (неактивированного) сорбента не только имеет большие размеры зерен, но и неоднородный гранулометрический состав. При проведении процесса активации (измельчения), если не управлять этим процессом, можно получить в результате весьма неравномерный во времени и неудовлетворительный по качеству процесс сорбционной очистки все по той же причине неравномерности гранулометрического состава из-за переизмельчения одних зерен сорбента и недоизмельчения других. Таким образом, можно предположить, что по-разному измельчая при активации один и тот же сорбент и изменяя в общей массе порошка сорбента долю частиц того или иного размера, либо процентное содержание частиц активной фракции, оказывающей основное влияние на скорость и качество сорбционной очистки, можно получать разную скорость и качество очистки на разных ее этапах и для разных видов сорбентов. При этом увеличение частиц активной (мелкодисперсной) фракции необходимо осуществлять за счет измельчения малоактивных крупных зерен [7].

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что сорбенты лучше измельчать свободным ударом (односторонним сжатием), то есть разрывающими воздействиями, основанными на деформации сдвига со смещением. Гранулометрия продукта в этом случае зависит от скорости удара, подбирая которую, можно получить частицы с определенной, весьма узкой, но близкой к оптимальной гранулометрией и таким образом повысить активность сорбента наиболее рациональным способом. Применение активаторов ударного действия также позволяет влиять на форму и шероховатость частиц [5,7,9]. Разрушение истиранием, сжатием и стесненным ударом дает частицы шарообразной формы, а измельчение свободным ударом - почти кубообразную форму частиц. Как площадь, так и объем куба почти вдвое больше площади и объема шара при одинаковых линейных размерах частиц, а значит частицы сорбента кубообразной формы с острыми углами и сильно развитой конфигурацией, получаемые в результате свободного удара, будут иметь значительно большую удельную поверхность, что приведет к более высокой активности сорбента и более интенсивному взаимодействию его с очищаемой водой. Все это позволяет управлять протеканием процесса активации для получения наилучшего результата.

Эффективность использования активации сорбентов свободным ударом косвенно подтверждается результатами исследований [7,9], которые выявили, что, как скорость разрушения, так и модель разрушения, влияют на изменение величины теплоты смачивания, которая пропорционально характеризует степень активности материала. Так, для свободного удара величина увеличения теплоты смачивания почти прямо пропорциональна увеличению скорости разрушения. При стесненном ударе увеличение скорости разрушения очень мало влияет на увеличение теплоты смачивания. И практически неизменную теплоту смачивания имеют порошки, полученные статическим сжатием. Кроме того, увеличение тонкости помола порошкообразных материалов ударом приводит к значительному росту их водопотребности, что свидетельствует о том, что активность и эффективность использования единицы объема материала увеличивается. Из этого видно, что именно помольные агрегаты, реализующие свободный удар, способны в наиболее полной мере реализовать потенциал механохимической активации.

Учитывая, что измельчение свободным ударом можно эффективно осуществлять только для сухих материалов, то очевидно, что именно сухая активация свободным ударом является более предпочтительной, как по повышению реакционной способности сорбентов, так и по технологической и экономической эффективности процесса и позволяет ускорить прогресс в этой области. Также с помощью сухой активации, например, можно «оживлять» сорбент после долгого хранения, измельчать крупные агломераты сорбента и т.д. Кроме того, сухой активированный сорбент допускает большее разнообразие возможностей его дальнейшего использования.

Механоактивацию свободным ударом можно проводить в дезинтеграторах, струйных мельницах и других подобных устройствах [5, 6, 7, 9].

Дезинтеграторы, струйные мельницы и т.п. являются агрегатами непрерывного действия, а значит, имеют возможность отводить измельченный материал из зоны измельчения. В них измельчаемый материал подвергается высокоэнергетическому ударному воздействию, осуществляемому как рабочими органами измельчителей, так и за счет столкновении частиц во встречных воздушных потоках, что обеспечивает их глубокое измельчение и позволяет получать частицы преимущественно осколочной кубообразной формы, обладающие повышенной реакционной способностью, при равномерном гранулометрическом составе и небольшом проценте переизмельченного материала.

За счет активации практически полностью решаются проблемы наличия в материале крупных частиц и флокулянтов, и, частично, неравномерного распределения частиц сорбента в очищаемой фазе и недостаточного времени для протекания реакции. Окончательно проблемы равномерного распределения и увеличения скорости реакции сорбента можно решить за счет динамической схемы организации взаимодействия сорбента с очищаемой фазой, а именно, вибротурбулентного перемешивания активированного сорбента с очищаемой фазой, что позволяет достичь равномерного распределения сорбента по объему и равномерного окружения зерен сорбента очищаемой фазой, разобщения слипшихся зерен сорбента (дефлокуляции), повышения реакционной способности и скорости реакции системы, интенсификации процесса взаимодействия.

Исходя из того, что технология сорбционной очистки должна опираться на использование сухой активации свободным ударом и использование активированного порошка сорбента сразу после активации, можно дать первое общее описание усовершенствованного метода двухстадийной сорбционной очистки. Сорбент низкой активности подается в агрегат измельчения ударного действия, где грубая фракция сорбента получает прирост удельной поверхности и равномерный гранулометрический состав. Далее активированный порошок из дезинтегратора сразу используется для сорбционной очистки, для чего смешивается с очищаемой фазой вибротурбулентным способом. После очистки сорбент отделяется от очищенной фазы (воды) и последняя направляется по назначению.

По результатам работы можно сделать следующие выводы.

В настоящее время достичь 100%-го использования технологических свойств сорбентов практически невозможно.

Для повышения степени использования очистительных свойств сорбентов рекомендуется применять двухстадийную технологию сорбционной очистки, предусматривающую сухую активацию сорбента свободным ударом и последующее вибротурбулентное перемешивание сорбента с очищаемой водой.

Предложенные подходы к повышению эффективности использования сорбентов на основе совершенствования оборудования для их активации позволяют перейти далее к разработке новых устройств для активации и усовершенствованной технологии сорбционной очистки на их основе. При этом может быть обеспечена экономия сорбента при том же качестве очистки, или улучшено качество очистки при сохранении расхода сорбента.

Литература

1. Ensing, Kees; Berggren, Christine; Majors, Ronald E. Selective Sorbents for Solid-Phase Extraction // LC-GC Europe; Jan. 2002, Vol. 15, Issue 1, p. 16 

2. Katzel, Jeanine. Dry Sorbent Injecting // Pollution Engineering; Jan. 2014, Vol. 46, Issue 1, p. 44 

3. Griffin, P.G.; Morrison, R.J.S.; Campisi, A.; Chadwick, B.L. Microporous Sorbents Industry // American Ceramic Society Bulletin; Jan. 2002, Vol. 81, Issue 1, p. 12 

4. Веригин Ю.А. Разработка и создание аппаратов для приготовления стройматериалов на основе анализа процессов активации дисперсных сред: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. – М.: МИСИ, 1990. – 322 с.

5. Ружинский С.И. Внешние механические воздействия в технологии бетонов. – Санкт-Петербург: 2005. – 120 с.

6. Черниговский А. Внедрение новых технологий в производство бетонных изделий с целью экономии энергии и цемента // «ЖБИ и конструкции», №2 (апрель) 2010. С. 42 – 48.

7. Аввакумов Е.Г., Гусев А.А. Механические методы активации в переработке природного и техногенного сырья. – Новосибирск: Академ. Изд-во «Гео», 2009. – 155 с.

8. Веригин Ю.А. Развитие исследований в области активации дисперсных сред механическими способами // Сб. науч. Трудов «Проблемы НТП и отраслей народного хозяйства». Усть-Каменогорск, УКСДИ. 1993. – С. 123-129.

9. Федоркин С.И. Механоактивация вторичного сырья в производстве строительных материалов / С.И. Федоркин. – Симферополь: Таврия, 1997. – 180 с.

10. Способ получения сорбционного материала. Инновационный патент РК № 29377, бюл. № 12 от 25.12.2014 г.

О.Ю. Васильева,
старший преподаватель,
кафедра «Безопасность жизнедеятельности
и охрана окружающей среды»,
Г.А. Гурьянов,
к.т.н., профессор,
кафедра «Технологические машины и оборудование»,
Восточно-Казахстанский государственный
технический университет им. Д. Серикбаева (ВКГТУ),
г. Усть-Каменогорск.