ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Стадии массопереноса и кинетика адсорбции растворенных веществ из "Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении" Массоперенос при адсорбции независимо от условий контакта адсорбента с адсорбирующимся веществом состоит из следующих стадий внешнего переноса молекул сорбируемого вещества из потока к поверхности частицы (массоотдача), внутренней диффузии молекул вещества от поверхности в глубь зерна по порам различного сечения (массопроводность) и стадии установления адсорбционного равновесия. Равновесие при адсорбции устанавливается практически мгновенно [1]. Поэтому общая скорость массопереноса при адсорбции зависит от скоростей внешнего и внутреннего переносов массы и определяется (лимитируется) наиболее медленной из этих стадий. Для технологических расчетов важно установить лимитирующую стадию и оценить ее количественно. [c.112] Перенос массы вещества возникает между областями с разными химическими потенциалами. В изотермических условиях разность химических потенциалов является однозначной функцией разности концентраций. [c.112] Рассмотрим основные закономерности стадий массопереноса при адсорбции растворенных веществ на активных углях (массоперенос в системе жидкость — твердое тело). [c.112] Толщина диффузионного пограничного слоя различна в различных участках поверхности, она зависит от природы вещества, т. е. каждому веществу отвечает свой пограничный диффузионный слой. [c.113] Отношение толщин гидродинамического и диффузионного пограничных слоев равно Рг [2]. Следовательно, для капельных жидкостей диффузионный пограничный слой полностью локализуется внутри гидродинамического пограничного слоя — области, где скорость жидкости изменяется от нулевого значения до скорости внешнего потока. Толщина диффузионного слоя мала в сравнении с размерами зерна и возрастает вдоль поверхности от нулевого значения в точке набегания по закону квадратичной параболы. [c.113] Течение у тел необтекаемой формы происходит с отрывом пограничного слоя. Оценка массоотдачи в зоне после точки отрыва производится по соотношениям для диффузионного потока при турбулентном обтекании поверхности. На шероховатых поверхностях локальная турбулизация системы приводит к увеличению общего диффузионного потока на такую поверхность. [c.113] Учитывая сложность структуры потока вблизи тел необтекаемой формы, внешнедиффузионный массоперенос сорбционных процессов обычно рассчитывают по упрощенным уравнениям массоотдачи, в основу которых положена концепция движущей силы процесса. [c.113] Уравнение (V-5) применялось для исследования внешнедиффузионной кинетики сорбционных процессов в ряде работ (на-пример в [1, 2, 7—11]). [c.114] При адсорбции из растворов точность и простота измерений величины адсорбции как функции времени достигается при ус-лойии переменной концентрации растворенного вещества в жидкости на границе раздела раствор — адсорбент в случае постоянного и ограниченного объема системы (аппараты с перемешиванием). [c.114] Построив с помощью уравнения (У-9) зависимость а Т), легко получить зависимость относительной величины адсорбции у = а а-р от безразмерного времени Т, показывающую сте-нень использования емкости адсорбента к моменту, Т. [c.115] Из уравнения (V-12) ири известных величинах d, v. Dm, V p, p, N можно рассчитать коэффициенты массоотдачи р. Коэффициент молекулярной диффузии растворенного вещества в воде можно найти по полуэмпирической зависимости Уилке — Чанга [13]. Величина Sq определяется по методике, описанной в [14]. Соотношение (V-12) можно использовать для расчета коэффициентов массоотдачи при адсорбции смеси двух веществ из разбавленных растворов. Теоретическая модель внешнедиффузионной кинетики адсорбции смеси двух органических веществ из водных растворов рассмотрена в [15]. [c.116] Внутридиффузионный массоперенос. При достаточно высокой турбулизации раствора скорость подвода растворенного веш,ества к внешней поверхности зерна адсорбента превосходит скорость его переноса внутри гранулы, следовательно, внутридиффузионный массоперенос будет определять общую скорость процесса уже на начальном его этапе. [c.117] Достижение адсорбционного равновесия прн виутридиффу-зионном механизме массопереноса зависит от величины энергии взаимодействия системы адсорбат — адсорбент и ряда других факторов размёров гранулы адсорбента, структуры зерна пористости, геометрии пор, соотношения между размерами молекул вещества и радиусами пор), концентрационных условий проведения процесса. [c.117] При изучении внутридиффузионного процесса необходимо учитывать особенности пористой структуры сорбентов. В некоторых активных углях (КАД, АГ-3, СКТ) поры с различной энергией адсорбции образуют в грануле угля сплошные структуры, причем поры каждого вида выходят на поверхность зерна. Для углей с такой структурой развиты представления о параллельном массопереносе адсорбированных и неадсорбирован-ных молекул внутри гранулы [19, 20]. Для расчета внутри-диффузионной кинетики адсорбции в таких сорбентах может быть использована модель однородного адсорбента, учитывающая массоперенос во внутрипоровой жидкости, заполняющей транспортные каналы (макро- и мезопоры) и в адсорбционном пространстве угля (в микропорах). Хорошее согласование экспериментальных кинетических кривых с данными расчетов по такой модели свидетельствует о корректности ее применения к изучению кинетики адсорбции растворенных веществ на активных углях [19, 21—24]. [c.117] Задача нахождения кинетической кривой в случае нелинейных изотерм адсорбции связана с численными методами решения и требует применения ЭВМ (см., например [30, 34]). [c.119] Величины Оа можно также рассчитать сопоставлением экспериментальной кинетической кривой с теоретически рассчитанной, являющейся решением исходной системы уравнений (У-15). Данные такого сопоставления, проведенного нами, свидетельствуют о том, что 0 а в пределах одного кинетического опыта удовлетворительно описывается моделью с постоянной величиной Оа [уравнения ( -15)] вплоть до относительно высокой степени приближения к равновесию. Измерение кинетики адсорбции одного и того же вещества на данном адсорбенте при различных начальных и конечных состояниях системы, показало, что величина 0 а несколько изменяется от опыта к опыту. [c.121] Рассмотрим методы расчета внутридиффузионной кинетики адсорбции органических загрязнений из биологически очищенных сточных вод. По нашим оценкам, величина эффективного уменьшения дифференциальной мольной свободной энергии адсорбции органических загрязнений из ряда бытовых и промышленных сточных вод равна 16,5 кДж/моль. Для веществ, которые адсорбируются активным углем с близкими к этой величине значениями —А , показано, что внутридиффузионная кинетика адсорбции в основном определяется миграцией адсорбированных молекул в микропорах активного угля [19]. При этом внутридиффузионную кинетику адсорбции такой сложной смеси можно рассчитывать по модели ( / -15) для такого растворенного вещества, ХПК которого равно ХПК смеси органических загрязнений. Величина коэффициента Оа в этом случае имеет порядок 10 см /с [37]. [c.121] Методы разграничения лимитирующих стадий. Для обоснования технологического рел има работы адсорбционных установок с перемешиванием требуется, прежде всего, установить наиболее медленную стадию массопереноса, контролирующую общую скорость адсорбционного процесса. Существует несколько методов определения лимитирующей стадии. [c.122] Разграничения лимитирующих стадий на основе критерия Био [1, 38, 41, 42] или критерия Н [43] имеют качественный характер, поскольку утверждение о том, какой перенос определяет процесс, выносится на основании предельно больших или предельно малых значений этих критериев. [c.122] Методика выявления области внешнего массопереноса основана на сопоставлении экспериментальной кинетической кривой с теоретически рассчитанной [например, по уравнению (У-9)] при одинаковых значениях относительной величины адсорбции V [18]. График зависимости безмерного времени Т от, времени процесса / во внешнедиффузионной области должен укладываться на прямую, проходящую через начало координат. Отклонение значений Т (i) от прямой (рис. У-2) указывает на выход процесса из области внешнего массопереноса вследствие приближения его к равновесному. Другими словами, при фиксированной гидродинамической обстановке с ростом времени увеличивается внутридиффузионное сопротивление. Поскольку в некотором временном интервале величина р постоянна, для него характерен внешнедиффузионный массоперенос. При до-., статочно низкой турбулизации системы в аппарате с перемешиванием прямолинейная зависимость наблюдается вплоть до большой степени приближения к равновесию. Это позволяет утверждать, что при данном гидродинамическом режиме процесса находится во внешнедиффузионной области. [c.122] Вернуться к основной статье