ТЕХНОЛОГИЯ РЕГЕНЕРАЦИИ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ ПОСЛЕ АДСОРБЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ КОНТАМИНАНТОВ

ТЕХНОЛОГИЯ РЕГЕНЕРАЦИИ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ ПОСЛЕ АДСОРБЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ КОНТАМИНАНТОВ

Научная статья

Тимощук И.В.^1, *, Горелкина А.К.², Голубева Н.С.³, Беляева О.В.⁴, Юстратов В.П.⁵, Ананьев В.А.⁶

¹ ORCID: 0000-0002-1349-2812;

² ORCID: 0000-0002-3782-2521;

³ ORCID: 0000-0002-2188-8331;

⁴ ORCID: 0000-0003-3030-9140;

⁵ ORCID: 0000-0002-1779-433X;

^1–6 Кемеровский государственный университет, Кемерово, Россия

* Корреспондирующий автор (irina_190978[at]mail.ru)

Аннотация

Проблема очистки сточных вод угольной промышленности кардинально не решена ни в одной стране, так как отсутствует возможность предложить и отработать единую и универсальную схему очистки стоков даже для тех предприятий, которые работают со сходными типами добываемого угля и по близким технологиям. Для очистки карьерных вод от органических соединений целесообразно использовать адсорбционные методы. В процессе эксплуатации эффективность фильтров с сорбирующими материалами снижается, в связи с этим необходима периодическая их регенерация для восстановления адсорбционной способности активных углей. На основе экспериментальных исследований разработана технология восстановления сорбционной емкости сорбентов марок СКД-515, АГ-3, КАУ, АГ-ОВ-1 после адсорбции трилена прогревом в течение 2 часов потоком воздуха с температурой 150 °С. Регенерация данным способом восстанавливает сорбционную способность активных углей на 92–96 %.

Ключевые слова: адсорбция, активные угли, регенерация, сточные воды.

TECHNOLOGY FOR THE REGENERATION OF ACTIVE COALS AFTER THE ADSORPTION OF ORGANIC CONTAMINANTS

Research article

Timoshchuk I.V.^1, *, Gorelkina A.K.², Golubeva N.S.³, Belyaeva O.V.⁴, Yustratov V.P.⁵, Ananyev V.A.⁶

¹ ORCID: 0000-0002-1349-2812;

² ORCID: 0000-0002-3782-2521;

³ ORCID: 0000-0002-2188-8331;

⁴ ORCID: 0000-0003-3030-9140;

⁵ ORCID: 0000-0002-1779-433X;

^1–6 Kemerovo State University, Kemerovo, Russia

* Corresponding author (irina_190978[at]mail.ru)

Abstract

The problem of wastewater treatment of the coal industry has not been fundamentally solved in any country, since there is no opportunity to offer and work out a single and universal scheme for wastewater treatment, even for those enterprises that work with similar types of extracted coal and use similar technologies. It is advisable to use adsorption methods to purify quarry waters from organic compounds. During operation, the efficiency of filters with sorbing materials decreases, therefore their periodic regeneration is necessary to restore the adsorption capacity of active coals. Based on experimental studies, the article introduces a technology for restoring the sorption capacity of sorbents SKD-515, AG-3, KAU, AG-OV-1 after adsorption of trilene by heating for 2 hours with airflow at a temperature of 150 °C. Regeneration using this method restores the sorption capacity of active coals by 92-96 %.

Keywords: adsorption, active coals, regeneration, wastewater

Введение

На сегодняшний день к приоритетному направлению деятельности любого государства относится защита окружающей среды. В настоящее время это один из значимых факторов, оказывающих влияние на дальнейшее развитие человечества, так как в последние годы обострились проблемы, связанные с загрязнением водной оболочки среды. Сброс в поверхностные водоисточники сточных вод, которые вообще не подвергались или подвергались недостаточной очистке на предприятиях, в том числе карьерных вод, образующихся на предприятиях угольной промышленности, приводит к снижению биологической продуктивности экосистем и в конечном итоге к истощению водных ресурсов. Одним из основных загрязнителей поверхностных водных объектов на сегодняшний день является трихлорэтилен, который относится к 1-му классу опасности, его ПДК для питьевой воды составляет 0,005 мг/дм³ в соответствии с СанПиН 1.2.3685-21.

Трилен - это промышленный растворитель, который применяется в производстве красителей, типографских красок, клея, пятновыводителей, хладагентов, пестицидов. Трихлорэтилен также используется в текстильной промышленности при очистке хлопка, шерсти и других тканей. Трилен содержится в сточных водах кожевенных, металлообрабатывающих, пищевых производств и др.

В настоящее время среди наиболее эффективных и перспективных методов очистки воды от органических контаминантов целесообразно применение адсорбционных методов [4]. Адсорбционная очистка от органических соединений активными углями в отличие от других методов характеризуется высокой эффективностью, способностью очищать воду, содержащую различные концентрации органических веществ, до величины предельно допустимых концентраций, соответствующих нормативам СанПиН 1.2.3685-21 и ниже, возможностью выделять ценные продукты из воды, в то время как другие современные методы требуют значительных затрат тепла и электроэнергии, применения высоких температур, различных химических реагентов, а также сопровождаются образованием вторичных поллютантов. Адсорбционная очистка от органических контаминантов, в том числе содержащихся в карьерных сточных водах угольной промышленности, позволит решить проблему охраны окружающей природной среды и ресурсосбережения.

Раннее нами исследована возможность и разработана технология адсорбционной очистки природных вод от трилена с использованием активных углей (АУ) [5], [6].

Однако следует учитывать, что эффективность адсорбционных фильтров по извлечению контаминантов органической и неорганической природы в процессе эксплуатации снижается. Для восстановления адсорбционной емкости АУ требуется периодическая их регенерация, которая способствует многократному использованию сорбентов [7].

Целью данной работы является разработка эффективной технологии регенерации сорбентов, отработанных в процессах извлечения трихлорэтилена.

Основная часть

Выбор способа регенерации зависит от свойств вещества. Чаще всего для регенерации сорбентов применяют реагентные (химические) и термические методы (см. таблицу 1) [8].

Объектами исследования являлись: АУ марок АГ-3, КАУ, АГ-ОВ-1, СКД-515 (производитель ОАО «Сорбент», г. Пермь), отличающиеся технологией получения и техническими характеристиками; модельные растворы трилена с концентрацией 0,0020 – 25,0000 ммоль/дм³. Содержание трилена определяли по стандартной методике методом газо-жидкостной хроматографии [9].

 

Таблица 1 – Основные методы восстановления сорбционной емкости активных углей

Метод	Условия метода	Продукты регенерации	Восстановление сорбционной емкости
Термическая регенерация	при температуре 500-1000 0С в бескислородной среде	смесь низкомолекулярных летучих продуктов азота и оксидов азота, аммиака СО2	99-100%
Низкотемпературная термическая регенерация	при температуре до 400 0С	смесь низкомолекулярных летучих продуктов СО2, H2O	90-95% в связи с естественной потерей АУ
Химическая регенерация	при температуре до 110 0С используется газообразный или жидкий реагент, например, NaOH, NaCl, органические растворители (метанол, бензол, толуол и др.)	зависят от реагента и состава сорбата, в том числе СО2, H2O	до 80%

 

Для выбора наиболее эффективного метода регенерации АУ, отработанных в процессе извлечения трилена была исследована десорбция трилена на активных углях марок АГ-3, КАУ, АГ-ОВ-1 и СКД-515 потоком воздуха, нагретым до температуры 150^оС, паром и водой, нагретой до 90^оС. Данная температура воды выбрана с учетом температуры кипения трилена (86,7^оС). Для оценки полноты восстановления сорбционной емкости АУ изучена адсорбция трихлорэтилена на исходных сорбентах и восстановленных АУ (см. рисунки 1,2).

Риc. 1 – Изотермы адсорбции трилена сорбентами марок CКД-515 и АГ-3:

1 – исходный технический уголь; 2 – после регенерации нагретым потоком воздуха (150^оС); 3 – после регенерации паром; 4 – после регенерации горячей водой (90^оС)

Рис. 2 – Изотермы адсорбции трилена сорбентами марок КАУ и АГ-ОВ-1:

1 – исходный технический уголь; 2 – после регенерации нагретым потоком воздуха (150^оС);

3 – после регенерации паром; 4 – после регенерации горячей водой (90^оС)

 

Установлено, что при использовании для восстановления сорбционной емкости АУ потока нагретого воздуха (150 ⁰С) и пара адсорбционная способность сорбентов восстанавливается на 94-98 %, что связано с естественной потерей сорбента, которая находится в пределах 4-6 %. Регенерация водой нагретой до температуры 90 ⁰С, приводит к значительному снижению адсорбционной емкости сорбентов (50-60 % от первоначального значения). Это связано с частичной десорбцией веществ при регенерации, то есть свидетельствует о нецелесообразности применения воды, нагретой до 90 ⁰С.

После адсорбции трилена сравнительные исследования известных способов регенерации сорбентов позволили рекомендовать для практического применения наиболее эффективный метод восстановления сорбционных свойств сорбента - нагретым потоком воздуха (150°С) в течение 2 часов (см. рисунок 3).

При содержании трилена в исходном растворе в концентрации 1,1000 мг/дм³ для оценки степени восстановления сорбционной способности активных углей выполнено 10 циклов сорбция - десорбция сорбентом марки СКД-515, рекомендованном ранее на основе экспериментальных исследований [10] (см. рисунок 4). Установлено, что при семикратном повторении регенерации потоком воздуха, нагретым до 150^оС, сорбционная емкость АУ восстанавливается на 90%, а после 10-го цикла - на 82%.

Рис. 3 – Регенерация углеродных сорбентов различных марок потоком воздуха (150^оС) после адсорбции трилена

Рис. 4 – Десятикратная регенерация углеродного сорбента СКД-515 потоком воздуха (150^оС) после адсорбции трилена

  Заключение

На основании результатов системного подхода к изучению адсорбции из водных объектов сорбентами различной природы и по результатам проведенных экспериментальных исследований предложена технология регенерации активных углей после адсорбции трилена, включающая прогрев в течение 2 часов потоком воздуха с температурой 150 °С. Данная технология является высоко эффективной, так как адсорбционная способность сорбентов восстанавливается через 10 циклов сорбция-десорбция более чем на 80%. 

Благодарности Статья подготовлена в рамках комплексной научно-технической программы «Чистый уголь – Зеленый Кузбасс».	Acknowledgement The article was prepared within the framework of the comprehensive scientific and technical program "Clean coal - Green Kuzbass".
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. 1. Itoh S. Regulations and perspectives on disinfection by-products: importance of estimating overall toxicity / S. Itoh, Gordon, P. Callan // Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua. – 2011. –Vol. 60(5). – P. 261–274. DOI:10.2166/aqua.2011.068
2. Baytak D. Seasonal variation in drinking water concentrations of disinfection by-products in IZMIR and associated human health risks / D. Baytak, A. Sofuoglu, F. Inal and others // Science of The Total Environment. – 2008. –Vol. 407(1). – P. 286-296. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2008.08.019
3. Jeong C. Occurrence and toxicity of disinfection byproducts in European drinking water in relation with the HIWATE epidemiology study / C. Jeong, E. Wagner, V. Siebert // Еnvironmental Science & Technology. – 2012. –Vol.46(21). – Р. 12120-12128. DOI:10.1021/es3024226
4. Парфит Г. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел / Г. Парфит, К. Рочестер. – М.: Мир, 1996. – 488 с.
5. Краснова Т. А. Адсорбционные технологии очистки воды при производстве фруктово-сывороточных напитков / Т. А. Краснова, И. В. Тимощук, А. К. Горелкина и др. // Экология и промышленность России. – 2018. – Т.22, № 10. – С.4–10. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-10-4-10.
6. Krasnova T. A. The choice of sorbent for adsorption extraction of chloroform from drinking water / T. A. Krasnova, I. V. Timoshсhuk, A. K. Gorelkina and other // Foods and Raw materials. – 2017. – Vol.5(2). – P.189–196. DOI 10.21603/2308-4057-2017-2-189-196
7. Когановский А. М. Адсорбция органических веществ из воды / А. М. Когановский, Н. А. Клименко, Т. М. Левченко и др. –Л.: Химия, 1990. – 256 с.
8. СухановаТ. Б. Методы регенерации активированных углей, используемых в процессах доочистки биологически очищенных нефтесодержащих сточных вод / Т. Б. Суханова, Ю. В. Куликова // Вестник Пермского государственного технического университета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. – 2010. – №1. – С. 25–31.
9. Corwin C. J. Adsorption and desorption of trace organic contaminants from granular actiated carbon adsorbers after intermittent loading and thoughout backwash cycles / C. J. Corwin, R. S. Summers // Water research. -– 2011. – № 45(2). – P. 417–426. DOI: 10.1016/j.watres.2010.08.039
10. Krasnova T. A. Adsorption processes in solving environmental problems in water sources of Urban Territories Development / T. A. Krasnova, M. P. Kirsanov, O. V. Belyaeva and other // MATEC Web of Conferences. – 2018. –Vol. 170, – Art. 04005. – 10 p. DOI: 10.1051/matecconf/201817004005

Список литературы на английском языке / References in English

1. 1. Itoh S. Regulations and perspectives on disinfection by-products: importance of estimating overall toxicity / S. Itoh, Gordon, P. Callan // Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua. – 2011. –Vol. 60(5). – P. 261-274. DOI:10.2166/aqua.2011.068
2. Baytak D. Seasonal variation in drinking water concentrations of disinfection by-products in IZMIR and associated human health risks / D. Baytak, A. Sofuoglu, F. Inal et al. // Science of The Total Environment. – 2008. –Vol. 407(1). – P. 286–296. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2008.08.019
3. Jeong C. Occurrence and toxicity of disinfection byproducts in European drinking water in relation with the HIWATE epidemiology study / C. Jeong, E. Wagner, V. Siebert // Еnvironmental Science & Technology. – 2012. –Vol.46(21). – Р. 12120–12128. DOI:10.1021/es3024226
4. Parfit G. Adsorbcija iz rastvorov na poverhnostjah tverdyh tel [Adsorption from solutions on the surfaces of solid bodies] / G. Parfit, K. Rochester. – М.: Mir, 1996. – 488 p. [in Russian]
5. Krasnova T.A. Adsorbcionnye tehnologii ochistki vody pri proizvod-stve fruktovo-syvorotochnyh napitkov [Adsorption technologies of water purification in the production of fruit and whey drinks] / T. A. Krasnova, I. V. Timoshhuk, A. K. Gorelkina et al. // Jekologija i promyshlennost' Rossii [Ecology and industry of Russia]. – 2018. – № 10 (22). – P.4–10. [in Russian] DOI 10.18412/1816-0395-2018-10-4-10.
6. Krasnova T. A. The choice of sorbent for adsorption extraction of chloroform from drinking water / T. A. Krasnova, I. V. Timoshсhuk, A. K. Gorelkina et al. // Foods and Raw materials. – 2017. – Vol.5 (2). – P.189–196. DOI 10.21603/2308-4057-2017-2-189-196
7. Koganovskij A. M. Adsorbcija organicheskih veshhestv iz vody [Adsorption of organic substances from water] / A. M. Koganovskij, N. A. Klimenko, T. M. Levchenko et al. – L.: Himija, 1990. – 256 p. [in Russian]
8. Suhanova T. B. Metody regeneracii aktivirovannyh uglej, ispol'zuemyh v processah doochistki biologicheski ochishhennyh neftesoderzhashhih stochnyh vod [Methods of regeneration of activated carbons used in the processes of post-treatment of biologically purified oil-containing wastewater] / T. B. Suhanova, Ju. V. Kulikova // Vestnik Permskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Ohrana okruzhajushhej sredy, transport, bezopasnost' zhiznedejatel'nosti [Bulletin of the Perm State Technical University. Environmental protection, transport, life safety]. – 2010. – №1. – P. 25–31. [in Russian]
9. Corwin C. J., Summers R. S. Adsorption and desorption of trace organic contaminants from granular actiated carbon adsorbers after intermittent loading and thoughout backwash cycles / C. J. Corwin, R. S. Summers // Water research. -– 2011. – № 45(2). – P. 417–426. doi: 10.1016/j.watres.2010.08.039
10. Krasnova T. A. Adsorption processes in solving environmental problems in water sources of Urban Territories Development / T. A. Krasnova, M. P. Kirsanov, O. V. Belyaeva et al. // MATEC Web of Conferences. – 2018. – Vol. 170. – Art. 04005. – 10 p. DOI: 10.1051/matecconf/201817004005