МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

Иванов К.С., Графкина М.В., Сурикова Т.Б., Сотникова Е.В.

АДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ВОДЫ

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Промышленная экология» для студентов специальности 280202.65 «Инженерная защита окружающей среды» и направления подготовки 280700.62 «Техносферная безопасность»

Одобрено методической комиссией «Техносферная безопасность»

Москва 2011 Разработано для подготовки специалистов и бакалавров на основе рабочей программы дисциплины «Промышленная экология»

Рецензенты: профессор кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности» МГТУ «МАМИ», д.т.н.

Б.Н. Нюнин доцент кафедры «Химия» МГТУ «МАМИ», к.т.н.

Леснова Л.А.

Работа подготовлена на кафедре «Экология и безопасность жизнедеятельности »

Адсорбционная очистка воды / Иванов К.С., Графкина М.В.,Сурикова Т.Б.

Сотникова Е.В. М.: МГТУ «МАМИ», 2011. – 11с В методических указаниях производится изучение процесса адсорбционной очистки воды, рассматриваются основные параметры адсорберов.

Выполняется контроль содержания химических веществ в исходной и очищенной воде.

поводится расчет эффективности очистки.

© Иванов К.С., Графкина М.В., Сурикова Т.Б.,Сотникова Е.В.

© МГТУ «МАМИ», 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучить процесс адсорбционной очистки питьевой воды и глубокой очистки сточных вод

2. ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

2.1. Изучить основные параметры адсорбентов.

2.2. Ознакомиться с методами контроля содержания химических веществ в воде с использованьем тест-комплектов.

2.3. Оценить эффективность адсорбционной очистки воды.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Адсорбцию применяют для очистки питьевой воды, глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ, солей, газов, красителей, поверхностно-активных веществ и др. Особенно эффективна адсорбция при очистке сточных вод и извлечении из них ценных растворенных веществ и повторном использовании очищенной сточной воды.

Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых твердых тел с ультрамикроскопической структурой селективно извлекать и концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты растворенных в питьевых и сточных водах веществ.

В пористых телах с капиллярной структурой поверхностное поглощение дополняется капиллярной конденсацией. Адсорбция подразделяется на физическую адсорбцию и хемосорбцию. При физической адсорбции молекулы прилипают к поверхности твердого тела под действием межмолекулярных сил притяжения (силы Ван-дер-Ваальса).

Преимущество физической адсорбции – обратимость процесса. При определенных условиях возможно выделение поглощенных веществ из адсорбента. Такой процесс называется десорбцией, а по отношению к адсорбенту регенераций его. При насыщении адсорбента поглощенным веществом его регенерируют обработкой водяным паром, нагретыми инертными газами, органическими растворителями или водными растворами химических реагентов.

Обратимость данного процесса исключительно важна, если экономически выгодно повторное использование уловленного вещества или адсорбента.

В основе хемосорбции лежит химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбируемым веществом. Действующие при этом силы сцепления значительно больше, чем при физической адсорбции. Ввиду большой теплоты адсорбции энергия, необходимая для взаимодействия хемосорбированной молекулы с молекулой другого сорта, может быть существенно меньше энергии, необходимой для реакции молекул двух различных видов, т. е. поверхность твердого вещества может оказаться катализатором, увеличивающим скорость некоторых химических реакций.

Процесс хемосорбции, как правило, необратим – при десорбции меняется химический состав адсорбента. Поэтому если желательна регенерация адсорбента или рекуперация адсорбента, то адсорбирующую среду следует выбирать таким образом, чтобы преобладали процессы физической адсорбции.

В качестве адсорбентов или поглотителей применяют вещества, имеющие большую площадь поверхности на единицу массы Удельная поверхность сорбентов составляет от 20 до 2000 м2/г, размер пор от 0, до 2 мкм. Наиболее универсальными из адсорбентов являются активированные угли, сырьем для которых является уголь, древесина, кости животных, промышленные отходы. В качестве адсорбентов применяют также простые и комплексные оксиды (активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия, синтетические цеолиты или молекулярные сита), которые обладают большей селективной способностью, чем активированные угли. Некоторые адсорбенты иногда пропитывают соответствующими реактивами, повышающими эффективность адсорбции, так как на поверхности адсорбента происходит хемосорбция.

Одним из основных параметров при выборе адсорбента является адсорбционная способность по извлекаемому компоненту. Адсорбционная способность, или масса вещества, поглощенная единицей массы адсорбента в произвольный момент времени, зависит от концентрации адсорбируемого вещества у поверхности адсорбента, общей площади этой поверхности, физических, химических свойств адсорбента, температурных условий и присутствия других примесей. Максимально возможная при данных условиях поглотительная способность адсорбента называется равновесной статической емкостью.

Процесс адсорбции складывается из трех стадий:

- переноса вещества из воды к поверхности адсорбента (внешняя диффузия);

- диффузия вещества внутри адсорбента (внутренняя диффузия);

- адсорбция на поверхности пор.

Процесс адсорбционной очистки сточных вод осуществляют в аппаратах периодического или непрерывного действия. Выбор схемы адсорбционной очистки определяется характером производства, составом сточных вод, требованиям, предъявляемыми к очищенным водам и наличием других очистных сооружений.

Ионообменной сорбцией называется процесс обмена ионами, находящимися в растворе и ионами ионита. Ионообменная очистка применяется для излечения из сточных вод металлов, мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки сточных вод. Этот метод широко применяется для умягчения и обессоливания в процессе водоподготовки. В качестве ионитов используются природные и синтетические вещества: цеолиты, полевые шпаты, силикагели, гидроксиды некоторых металлов, ионообменные смолы и др.

Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность (объемная емкость). Она определяется количеством граммэквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита.

Различают полную, статическую и динамическую объемную емкость.

Полная емкость – это количество поглощенного иона при полном насыщении единицы объема или массы ионита.

Статическая емкость – это объемная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях.

поглощаемых ионов в фильтрат.

Иониты выпускают в виде порошка с размером частиц 0,04 – 0,07 мм, зерен размером 0,2 – 2,0 мм, волокнистых материалов, листов и плиток.

После исчерпания в процессе сорбции объемной емкости ионита (насыщение), его регенерируют, обрабатывая растворами кислот, щелочей или солей.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4..1. Требования безопасности:

- Лабораторная работа выполняется только в присутствии и под руководством преподавателя Работа состоит из двух взаимосвязанных частей: экспериментальной – проведение очистки водопроводной воды и расчетно-теоретической – выполнение химического анализа исходной и очищенной воды и расчет эффективности очистки.

Оформление работы см. раздел 5.

4.2. Описание установки и перечень оборудования Для очистки водопроводной воды от железа и нитратов используют разнообразные очистные устройства (водоочистители) типа РУЧЕЕК МINI, РОСА, АКВАФОР, БАРЬЕР и др.

Перечень используемого оборудования, принадлежностей растворов:

- прибор для доочистки питьевой воды выше перечисленных типов;

- колба на 50 мл для отбора пробы очищенной воды;

- тест-комплекты: «Железо», «Нитраты», «Нитриты», «Активный хлор».

4.3. Эксплуатация водоочистителя Установите водоочиститель на кран, надев резиновую прокладку на излив, надавливая при этом на днище. Сливной шланг опустите в раковину.

Медленно открывая кран холодной воды, отрегулируйте расход чистой воды из шланга до 8-12 л/ч (1 стакан в минуту). При первичном использовании прибора слейте в раковину очищенную воду в течение 20минут (при установленном расходе 8-12 л/ч). Наличие в воде угольной пыли не является признаком неисправности прибора.

При последующей эксплуатации прибора достаточно слить воду в течение 2-3 минут.

Для набора чистой воды шланг опустите в емкость – ведро, бутыль, стеклянную банку или другую посуду.

Набрав необходимое количество воды закройте кран; снимите прибор, потянув его корпус вниз. Воду, оставшуюся в приборе, можно не сливать.

По истечении вышеуказанного времени отбирают пробу воды в объеме 50мл и проводят анализ на содержание железа, нитратов, нитритов, активного хлора в исходной и очищенной воде, используя тест-комплекты на соответствующие примеси.

4.4. Контроль содержания химических веществ Содержание железа, нитратов, нитритов, активного хлора в исходной и очищенной воде определяют, используя тест-комплекты на соответствующие примеси в соответствии с инструкциями, прилагаемыми к ним.

4.5. Расчет эффективности очистки Расчет эффективности очистки производится по формуле:

где Сн – концентрация железа в исходной воде; Ск – концентрация железа в очищенной воде.

Если задание предусматривает установление влияния скорости подачи водопроводной воды на эффективность очистки, то проводят опыты при нескольких значениях скоростей (трех-четырех) и оценивают влияние скорости подачи на эффективность очистки.

Для сравнительной оценки эффективности очистки и качества питьевой воды используются величины ПДК в питьевой воде.

5. ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

5.1. Лабораторная работа оформляется в специальной тетради для лабораторных работ, которая после сдачи зачета остается на кафедре.

5.2. Записывается название, цель и задание лабораторной работы.

5.3. Записывается дата, время и вариант проведения расчетов 5.4. Записываются результаты анализа исходной очищенной воды на содержание железа, нитратов, нитритов и активного хлора.

5.5. Делается вывод о соответствии соответствии качества исходной и очищенной воды санитарным нормам.

5.6. Оформленная работа подписывается исполнителем, а после проверки - преподавателем.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается принцип адсорбционной очистки питьевых и сточных вод?

2. Какие материалы используются в качестве сорбентов?

3. Что такое поглотительная емкость сорбента?

4. От чего зависит скорость процесса адсорбции?

5. Стадии процесса адсорбции.

6. Чем отличаются процессы физической сорбции и хемосорбции?

7. Как производится ионообменная сорбция? Область применения.

8. Как и с какой целью производится десорбция?

9. Что такое полная, статическая и динамическая емкость ионита?

10. Какие материалы используются в качестве ионитов?

11.Как производится анализ на содержание железа, нитратов, нитритов и активного хлора?

12. Как производится расчет эффективности очистки?

ЛИТЕРАТУРА

1. Графкина М.В., Михайлов В.А., Иванов К.С. Экология и экологическая безопасность автомобиля. Учебник (гриф УМО) «ФОРУМ», М., 2009г. с – (Высшее образование) 2. Иванов К.С., Сурикова Т.Б., Сотникова Е.В. Экологический мониторинг и контроль. Учебник по курсу «Методы и приборы экологического контроля. Экологический мониторинг» для студентов, обучающихся по специальности 280202.65 - МГТУ «МАМИ» М., 2011г – 192 с.

3. Сотникова Е.В., Калпина Н.Ю., Сурикова Т.Б. – Методические указания к лабораторным работам по курсу «Методы и приборы контроля окружающей среды и экологический мониторинг» для студентов, обучающихся по специальности 280202.65. МГТУ «МАМИ». 2011г. – 60 с.

4. Сотникова Е.В., Калпина Н.Ю., Иванов К.С. Нормирование антропогенных воздействий на техносферу. Учебное пособие по курсу «Методы и приборы экологического контроля и экологический мониторинг» для студентов, обучающихся по специальности 280202.65 МГТУ «МАМИ», М., 2011г. – 80 с.

5. Осадчая Н.А., Витковская Р.Ф., Муравьев А.Г., Данилова В.В.

Руководство к практически занятиям в лаборатории «Экология и охрана окружающей среды». Учебное пособие для вузов / Под ред. А.Г.

Муравьева – СПб.: Крисмас+, 2004г. – 60 с.

6. Муравьев А.Г., Пугал Н.А., Лаврова В.Н. Экологический практикум:

Учебное пособие с комплектом карт-инструкций. / Под ред. А.Г.

Муравьева. – СПб.: Крисмас+, 2003. – 176 с.

7. Муравьев А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. – СПб.: Крисмас+, 2004. – 248 с.

АДСОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ПИТЬЕВОЙ И СТОЧНОЙ ВОДЫ

Оригинал- макет подготовлен редакционно-издательским отделом МГТУ «МАМИ»

По тематическому плану внутривузовских изданий учебной литературы на 2011г.

Подписано в печать..2011 Формат 60х90 1/16. Бумага 80 г/м Гарнитура «Таймс». Ризография. Усл. печ. л. 1,6.