Sisteme Adsorbante - Geluri de Silice

Capitolul 1

Sisteme adsorbante

1.1 Adsorbţia-generalităţi:

Adsorbţia (v. Adsorbţie) este procesul unitar bazat pe reţinerea substanţelor impurificatoare (sorbaţi) pe corpuri solide sau lichide (sorbenţi). În cadrul proceselor de sorbţie se disting: reţinerea substanţei în toată masa sorbentului lichid (absorbţie) şi în stratul superficial al sorbentului solid sau lichid (adsorbţie).

Adsorbţia şi materialele adsorbante:

În industria chimică şi în alte domenii, adsorbşia este folosită ca operaşie de separare, purificare şi recuperare a diferiţilor componenţi dintr-un mediu fluid. Numeroase aplicaţii tehnice ale adsorbţiei rezultă din trei caracteristici care deosebesc adsorbţia de celelalte procedee de separare:

• reţinerea particulelor de dimensiuni mici, de exemplu coloizi.

• Reţinerea unor componenţi care se găsesc în concentraţii minime, de exemplu impurităţi care produc miros, au gust sau coloraţii nedorite.

• Selectivitatea adsorbanţilor faţă de unii componenţi ai amestecului.

Adsorbţia pe sorbent solizi poate constitui unul din cele mai eficiente procedee de epurare avansată a apelor de substanţe organice solubile şi poate fi aplicată atât la tratarea (purificarea) apelor de suprafaţă cât şi la epurarea apelor reziduale. Procedeul se poate aplica independent sau asociat cu epurarea biologică. Totodată, după caz poate fi utilizat ca un procedeu de epurare sau ca un procedeu de epurare finală sau avansată.

Avantajele procedeului: posibilitatea reţinerii impurificatorilor din amestecuri policomponente, eficienţă ridicată de epurare, îndeosebi la concentraţii foarte scăzute ale poluanţilor. Adsorbţia poluanţilor pe sorbenţi solizi este rezultatul trecerii moleculelor substanţei dizolvate din lichid pe suprafaţa sorbentului sub acţiunea câmpului de forţe de la interfaţă, care înving interacţiunile de hidratare din soluţie. Procedeul este raţional pentru epurarea apelor reziduale, dacă în ele sunt conţinute predominant substanţe aromatice, neelectroliţi sau electroliţi slabi, coloranţi, compuşi saturaţi sau hidrofobi (compuşi cloruraţi sau cu grupe nitro) ş.a. Procedeul nu este indicat la o impurificare excesivă anorganică sau la impurificările cu alcooli inferiori.

Cărbunele activ, de diferite sorturi, este unul din cei mai eficienţi sorbenţi pentru epurarea apelor. În general, ca sorbenţi se mai pot folosi diverse materiale artificiale şi naturale ca: cenuşă, cocs mărunţit, tuf vulcanic, silicagel, argile active, polimeri poroşi ş.a. Structura microporoasă condiţionează capacitatea de adsorbţie iar macroporii constituie canale transportoare.

Sorbentul poate fi macroporos, microporos sau mixt. Procesul de sorbţie se poate conduce în condiţii statice (fără decalaj între mişcarea lichidului şi sorbentului) sau dinamice, cu mişcare relativă (defazaj) sorbent – lichid (filtre – coloane, pat fluidizat). Cel mai raţional sens de filtrare prin patul de sorbent, dispus în adsorbere, este de sus în jos, prin aceasta realizându-se trecerea uniformă prin secţiunea coloanei şi eliminarea bulelor de gaz. Viteza de filtrare depinde de concentraţia impurificatorilor şi variază între 1 – 6 m/h. Substanţele absorbite pot fi recuperate (sorbţie recuperativă) sau nu, când nu prezintă valoare economică. Sorbentul poate fi regenerat. În cazul utilizării cărbunelui activ ca sorbent, pentru regenerare sau recuperarea substanţelor adsorbite se pot utiliza: extracţia cu solvenţi organici, desorbţia antrenarea cu vapori de apă supraîncălziţi, striparea cu un gaz inert cald, desorbţia cu insuflare de aer cald, desorbţia cu acizi sau baze ş.a. În cazul când nu se urmăreşte recuperarea substanţelor adsorbite (regenerarea distructivă) se aplică procedee termice sau oxidative. La regenerarea termică are loc o pierdere de sorbent de 5 – 10%. La utilizarea filtrelor biologic active din cărbune activ, are loc o regenerare continuă.

1.2 Epurarea apelor tehnologice cu adsorbanţi

Adsorbţia, ca proces de epurare, are la bază fenomenul de reţinere pe suprafaţa unui corp a moleculelor unei substanţe dizolvate în apă. Materialul solid sau lichid pe care are loc reţinerea se numeşte adsorbant iar substanţa care este reţinută adsorbat.

Substanţele reţinute pot fi îndepărtate prin încălzire sau extracţie, astfel încât adsorbantul îşi recapătă aproape în întregime proprietăţile iniţiale. Adsorbţia permite reţinerea unor poluanţi chiar când aceştia sunt prezenţi în concentraţii mici şi prezintă selectivitate pentru anumite substanţe.

Procesul de adsorbţie este caracterizat prin echilibrul de adsorbţie, care exprimă repartiţia cantitativă, la echilibru, a substanţei adsorbite între faza de adsorbant şi faza apoasă supusă epurării şi prin cinetica de adsorbţie, care urmăreşte mecanismul procesului şi viteza cu care se desfăşoară acesta.

Raportul de distribuţie al adsorbantului între adsorbant şi apă la o temperatură dată, după un timp de contact suficient pentru stabilirea echilibrului, se exprimă prin izoterma de adsorbţie.

Pe baza unor teorii cu privire la mecanismul adsorbţiei sau pe baza rezultatelor experimentale au fost propuse ecuaţii care reuşesc să descrie izotermele de adsorbţie (pe porţiuni limitate).

O ecuaţie frecvent utilizată, dezvoltată pe baze empirice, a fost propusă de Freundlich