UNIVERSITATEA “CONSTANTIN BRANCUSI” DIN TG-JIU FACULTATEA DE INGINERIE SPECIALIZAREA: MANAGEMENTUL PROTECTIEI MEDIULUI IN INDUSTRIE

REFERAT

Procedee de epurare

a apelor uzate

orasenesti

Masterand:Giogia Gabriel Razvan

1

Procesul de adsorbţie

Adsorbţia este procesul de epurare care are la bază fenomenul de reţinere pe

suprafaţa unui corp a moleculelor unei substanţe dizolvate în apă. Material care realizează

adsorbţia poate fi un solid sau lichid şi poartă denumirea de adsorbant, iar substanţa care

este reţinută din apa uzată se numeşte adsorbat.

Procedeul este utilizat pentru purificarea unor produse sau pentru reţinerea unor

substanţe dintr-un lichid. După reţinerea substanţelor de regulă prin încălzire în cazul

substanţelor solide sau prin extracţie în cazul substanţelor lichide, adsorbantul îşi recapătă

aproape integral proprietăţile şi deci poate fi folosit din nou. Acest procedeu prezintă

avantajele următoare:

Se pot reţine substanţe aflate în concentraţii mici;

Adsorbanţii au selectivitate pentru anumite substanţe.

Procesul de adsorbţie este caracterizat prin indicatorul numit echilibru de adsorbţie,

care exprimă repartiţia cantitativă la echilibru a substanţei adsorbite între adsorbant şi

soluţia care conţine substanţa respectivă, precum şi prin indicatorul cinetica de adsorbţie,

care urmăreşte mecanismul procesului şi viteza cu care se desfăşoară procesul.

Elementul principal al dimensionării procesului de adsorbţie este izoterma de

echilibru, care exprima raportul de distribuţie a substanţei care trebuie adsorbită între

adsorbant şi mediul din care se face adsorbţia la o anumita temperatură data şi după un

timp suficient de mare pentru stabilirea echilibrului.

In figura 1.1 este prezentată izoterma de adsorbţie a fenolului pe cărbune activ, la

temperatura ambiantă.

Fig.1.1 Izoterma de adsorbţie a fenolului pe cărbune activ la temperatura ambiantă

Fenomenul de adsorbţie a fost mult studiat căutându-se relaţii care să exprime

condiţiile de echilibru ale procesului. Astfel au apărut o serie de teorii care s-au concretizat

în ecuaţii. Astfel Langmuir a emis teoria care consideră că adsorbantul formează pe 2

suprafaţa absorbantului un strat monomolecular şi a ajuns la următoarea expresie pentru

izotermă, numită şi izoterma lui Langmuir:

a=ambC

(1+bc )

In ecuaţia de mai sus avem următoarele notaţii:

a este cantitatea de adsorbat reţinut pe un gram de adsorbant la concentraţia de

echilibru C, în moli / g;

C este concentraţia adsorbantului în soluţie (apă) la echilibru, în moli / l;

am este cantitatea maximă de adsorbant reţinută pe un gram de adsorbant pentru a

forma un strat monomolecular, în moli / g;

b este o constantă referitoare la energia de adsorbţie.

Tinând seama de unele teorii cu privire la mecanismul adsorbţiei dar în principal pe

baza unor experimente Freundlich a propus o ecuaţie a izotermei care se verifică practic şi

are următoarea expresie:

a=KCn

iar pentru viteza de adsorbţie:

dadt

=k (C−Ce )

In cele două expresii avem următoarele notaţii:

a este cantitatea adsorbită pe un gram de adsorbant, în g / g;

t este durata procesului de adsorbţie în secunde;

k este coeficientul de viteză;

C este concentraţia adsorbantului în faza fluida în mg / l;

Ce este concentraţia adsorbantului în faza fluidă în condiţii de echilibru, în mg / l.

Datorita faptului ca nu a fost cercetat suficient din punct de vedere teoretic acest

proces, aplicarea în practica a procedeului se bazează mai mult experimente practice. O

serie de experimente s-au realizat pe cărbune activ în vederea reţinerii unor substanţe

organice aflate în apele uzate. După lungi experimente s-a ajuns la următoarea concluzie:

Capacitatea de adsorbţie este puternic influenţată de greutatea moleculara a

substanţei reţinute, în sensul că creşte cu aceasta;

Creşterea temperaturii duce la micşorarea capacităţii de adsorbţie;

Scăderea pH-ului apei are ca efect o creştere a capacităţii şi a vitezei de adsorbţie;

Capacitatea de adsorbţie creşte o data cu micşorarea granulaţie adsorbantului;

Capacitatea de adsorbţie creşte o data cu creşterea perioadei de contact între

adsorbant şi adsorbat, deci condiţiile statice favorizează procesul.3

Ca materiale adsorbante fie pentru gaze sau pentru lichide se utilizează o mare

diversitate, funcţie de afinitatea faţa de substanţele ce trebuiesc reţinute şi funcţie de costul

acestor materiale. Este de dorit ca granulaţia acestor substanţe să fie cât mai mica pentru a

avea astfel la o aceeaşi greutate o suprafaţa de contact cât mai mare.

Pentru epurarea apelor uzate se utilizează încă de foarte mult timp ca materiale

adsorbante cărbunele activ, cocsul granulat, cenuşi de la furnale, de la centralele de

termoficare, cărbune fosil, talaş, rumeguş, diverse minerale granulate, cum sunt calcarul,

dolomita etc.

Cel mai bun material adsorbant este cărbunele activ, care se obţine prin încălzirea la

temperaturi ridicate în spaţii închise a unor materiale din categoria resturilor vegetale,

cum ar fi coji de nucă, sâmburi de fructe, cu sau fără adaosuri de substanţe minerale, cum

ar fi clorura de zinc, de magneziu sau calciu sau acidul fosforic, urmata de un proces de

activare prin tratare cu vapori de apa, oxizi de carbon, clor, sau aer. Cărbunele activ este

sub formă granulară cu un diametru cuprins între 1 – 6 mm, sau sub formă de pulbere cu

diametrul cuprins între 0,1 şi 0,5 mm.

Procedeul se aplică de regula la epurarea apelor uzate, pentru îndepărtarea din apa a

unor impurităţi în concentraţii scăzute şi care au rămas în apă după aplicarea celorlalte

procedee şi când se impune un grad ridicat de epurare.

După modul de aplicare a adsorbţiei putem avea doua situaţii:

Adsorbţia statică;

Adsorbţia dinamică.

Adsorbţia statică se considera ca fiind aceea in care materialul adsorbant sub formă

de praf sau granulara este introdusă în apa uzată, care apoi este agitată o anumită

perioada de timp, după care adsorbantul este separat prin sedimentare sau filtrare şi apoi

adsorbantul este regenerat.

4

Fig.1.2 Schema instalaţiilor de adsorbţie în regim dinamic

a) instalaţie cu trei coloane de adsorbţie; b) instalaţie cu o coloană de adsorbţie.

Procedeul de adsorbţia dinamică ( vezi fig.1.2) este numită astfel întrucât apa cu

impurităţi străbate în mod continuu un strat fix de adsorbant, stat mobil sau strat în

suspensie.

Cele mai multe instalaţii de acest tip au un strat de cărbune activ de o înălţime

cuprinsă între 1 şi 3 metri, iar granulaţia cărbunelui este cuprinsa între 0,5 şi 2,5, mm.

Practic aceste instalaţii funcţionează ca nişte filtre ce pot fi deschise, deci cu presiune

atmosferică sau închise cu suprapresiune.

Pentru prelungirea duratei de utilizare a materialului adsorbant se recomanda

aplicarea metodelor clasice de epurare şi doar în final să se utilizeze acest procedeu. Datele

practice arată că un astfel de filtru de cărbune activ poate reţine circa 5 % din greutatea sa

substanţe toxice. Cărbunele activ după utilizare poate fi regenerat prin metode termice,

respectiv încălzire la o temperatură de 925 0 C într-o atmosfera formată din 66% aer şi 34

% vapori de apa, dar după circa 10 astfel de regenerări capacitatea de adsorbţie a

cărbunelui a scăzut la 50 %.

Pentru alegerea celei mai economice metode de aplicare a metodei de adsorbţie este

necesar efectuarea unor experimentări pentru obţinerea optimului, fapt ce ar asigura

costurile minime.

1.1.2. Epurarea apei prin distilare

Procedeul este cunoscut de mult timp şi constă în transformarea prin încălzire a apei

în vapori şi apoi condensarea vaporilor. Datorita faptului că în general impurităţile

5

dizolvate în apă, de natură minerală sau organică au o volatilitate mult mai redusa decât a

apei se obţine o apă de bună calitate, dar cu costuri mai ridicate. Dacă în viitor se vor găsii

surse de energie ieftine sau regenerabile atunci probabil că procedeul va lua o mare

amploare.

Prin distilare se îndepărtează şi microorganismele din apa uzată.

In zonele globului unde este lipsa de apa procedeul se aplica la obţinerea apei potabile

din apa mărilor, dar cu costuri încă ridicate. Dacă se fac eforturi pentru recuperarea

căldurii din vapori în faza de condensare se pot reduce mult costurile energetice cu acest

procedeu.

Deocamdată procedeul se aplica doar în zonele cu mare deficit de apa si unde apa este

extrem de scumpă.

1.1.3. Epurarea apei prin îngheţare

Procedeul se bazează pe faptul că la îngheţarea apei, impurităţile se separa într-o

soluţie reziduală, iar cristalele de gheaţă formate sunt constituite din apă aproape pură.

Fazele procesului sunt prezentate în figura 1.3

Fig.1.3. Fazele procesului de epurare prin îngheţare

Procesul se desfăşoară după următoarele etape: răcirea bruscă a apei până la punctul

de îngheţare, cu producerea de cristale solide de gheaţă, urmată de separarea cristalelor şi

topirea acestora cu apa curată.

O variantă a acestui procedeu de epurare prin îngheţare este cel referitor la

formarea de hidraţi. Această tehnologie se bazează pe proprietatea unor substanţe, cum

sunt hidrocarburile cu greutate moleculara mică sau derivaţi lor hidrogenaţi, de a forma 6

cu apa la temperaturi joase combinaţii solide în care moleculele unuia dintre componenţi

sunt prinse în reţeaua cristalină a celuilalt. Ca şi în cazul cristalelor de apă şi aceste

substanţe sau combinaţii ale acestora nu includ în reţeaua lor decât apa lipsita de

impurităţi. După separarea cristalelor astfel formate de lichidul cu impurităţile rămase se

trece la topirea cristalelor formate si astfel se obţin două lichide nemiscibile, apa si

respectiv hidrocarbura care se poate separa relativ uşor. Avantajul metodei este faptul că

obţinerea de astfel de cristale se poate face şi la temperaturi mai ridicate decât

temperatura de îngheţare a apei. De exemplu în cazul folosirii ca agent de hidratare a

propanului, temperatura la care se formează cristalele este +5, 7 0C în loc de 0 0C, cât este

pentru apă.

Procedeul s-a aplicat pentru desalinizarea apei sau pentru epurarea superioara a

unor ape uzate, după treapta biologică şi au dat rezultate extrem de bune.

1.1.4. Epurarea apelor uzate prin spumare

Este o metoda relativ simplă pentru epurarea apelor uzate şi constă în insuflarea de

aer comprimat în apa uzată şi formarea de spumă în care se acumulează o serie de

impurităţi. Procesul este influenţat pozitiv de introducerea în apa a unor substanţe

tensoactive, care asigură formarea uşoara a spumei şi menţinerea un timp mai îndelungat.

Daca apele conţin aceste substanţe tensoactive, cum sunt detergenţii sau proteinele în

descompunere, atunci procesul se desfăşoară fără a necesita adaosuri suplimentare. După

separarea spumei acesta conţine cantităţi însemnate de impurităţi.

Procedeul este aplicat experimental în Statele Unite ale Americii şi în Franţa şi a

contribuit la scăderea cantităţii de substanţe organice din apă, uşurând astfel faza de

epurare biologică.

Consumul de aer comprimat este de circa 3,7 – 7,5 l / litru de apă uzată. Se remarca

faptul ca în urma spumării concentraţia în substanţe minerale a rămas nemodificată.

7