img005

dla adsorpcji z roztworów wieloskładnikowych zastosowanie ma równanie Langmuira w postaci zmodyfikowanej. Na przykład, dla układu adsorbent-dwa związki adsorbowane (A i B), równanie Langmuira ma postać

X, =-

^A ‘ C A

l + b_A-C_A+b_B -C_B

(5.5)

oraz

X„=-

X_mę ' ^B ' Cb l + b_A-C_A+b_B -C_B

(5.6)

gdzie:

X_mA, X_mB - liczby moli adsorbatów A i B tworzących monowarstwę, bA, be, - stałe będące miarą energii adsorpcji,

Ca, Cb - stężenia równowagowe poszczególnych substancji rozpuszczonych w roztworze [mol/1],

Z równań (5.5) i (5.6) wynika, że zdolność adsorpcyjna adsorbentu wobec danego zanieczyszczenia zawartego w roztworze wieloskładnikowym jest mniejsza (zwiększony mianownik równania) niż z roztworu jednoskładnikowego, w którym nie zachodzi adsorpcja konkurencyjna.

5.3. ADSORBENTY STOSOWANE DO UZDATNIANIA WODY

Adsorbenty to wiele materiałów porowatych różnego pochodzenia i wykazujących różne właściwości chemiczne. Adsorbentem może być każde ciało stałe mające zdolność do zagęszczania znacznych ilości innych substancji na swojej powierzchni lub wewnątrz porów. Ponieważ adsorpcja jest zjawiskiem powierzchniowym, jedną z najistotniejszych właściwości adsorbentów jest ich powierzchnia właściwa (powierzchnia przypadająca na jednostkę masy, wyrażana najczęściej w m²/g). Parametr ten zależy od porowatości adsorbentu. Generalnie, powierzchnia właściwa rośnie z udziałem porów o najmniejszych średnicach. Ponieważ adsorpcja na materiałach porowatych jest związana z dyfuzją adsorbatu do wnętrza porów, ze strukturą porowatą adsorbentów wiążą się pewne ograniczenia. Dla przykładu, pory o małym rozmiarze mogą ograniczać dyfuzję (a tym samym adsorpcję) adsorbatów o dużych rozmiarach cząsteczek. Podobnie podczas regeneracji wyczerpanego adsorbentu mogą występować trudności z desorpcją zanieczyszczeń zaadsorbowanych w małych porach. W celu ułatwienia oceny właściwości adsorpcyjnych adsorbentów i dokonania odpowiedniego wyboru do konkretnych zastosowań praktycznych, pory podzielono na trzy grupy, w zależności od ich rozmiaru [1, 6] (dla uproszczenia kształt porów w węglu aktywnym jest przybliżany do cylindrycznego):

- mikropory - pory o średnicy poniżej 2 nm, najsilniej wpływające na powierzchnię właściwą adsorbentu (kilkaset m²/g), zwykle o wymiarach porównywalnych z wielkością adsorbowanych cząsteczek,

-    mezopory - pory o średnicy zawierającej się w przedziale od 2 do 50 nm, o dość znacznym wpływie na powierzchnię właściwą adsorbentu (do kilkuset m²/ g),

-    makropory - pory o średnicy powyżej 50 nm, o niewielkim wpływie na powierzchnię właściwą adsorbentu (tylko 0,5-2 m²/g), stanowiące arterie transportowe adsorbatu do mniejszych porów.

5.3.1.    WĘGLE AKTYWNE

Adsorbentem najczęściej stosowanym w procesach oczyszczania wody jest węgiel aktywny. Adsorbenty węglowe używane były do usuwania barwy i zapachu z wody już w XVIII wieku [3], Obecnie węgieł aktywny znajduje zastosowanie w wielu różnorodnych procesach oczyszczania - do adsorpcji zarówno z fazy gazowej, jak i z ciekłej [7, 8, 9], a oczyszczanie wody jest jednym z najważniejszych kierunków jego wykorzystania.

5.3.1.1.    OTRZYMYWANIE I WŁAŚCIWOŚCI WĘGLI AKTYWNYCH

Na skalę przemysłową węgiel aktywny jest produkowany głównie metodą tzw. aktywacji fizycznej. Najczęściej używanymi surowcami (prekursorami węgla) są węgle kopalne, drewno i skorupy orzechów kokosowych, a ostatnio nawet niektóre odpadowe materiały syntetyczne (polimery). Proces produkcji obejmuje etap zwęglania (karbonizaq'i) surowca w atmosferze gazu obojętnego (temp. ok. 800-1000 °C) oraz etap końcowy - aktywaq'ę. Aktywacja polega na reakcji chemicznej (częściowym zgazowaniu) karbonizatu (produktu etapu zwęglania) z czynnikami aktywującymi (parą wodną lub/i CO2) w temperaturze 850-1000 °C [10]. Na skutek zgazowania część karbonizatu ulega przemianie w produkty gazowe. W efekcie zachodzących procesów powstaje materiał porowaty - węgiel aktywny. Inną, obecnie nieczęsto spotykaną metodą produkcji węgli aktywnych, jest piroliza prekursora węgla aktywnego zmieszanego z pewnymi domieszkami, jak np. H3PO4, ZnCh lub KOH.

Węgiel aktywny jest materiałem o charakterze hydrofobowym, zbudowanym z bardzo drobnych krystalitów o strukturze grafitu o nieregularnym rozkładzie, związanych węglem amorficznym [1], Charakterystyczny dla tego materiału jest nierównomierny rozkład atomów węgla oraz obecność licznych mikropęknięć i szczelin (porów). Rozmiary porów w węglu aktywnym zawierają się w szerokich granicach - od łatwo zauważalnych szczelin do porów o rozmiarze cząsteczek, choć w procesach adsorpcyjnych znaczenie mają pory o wielkości rzędu nanometrów (rozdział 5.3). Dzięki dużej sumarycznej objętości porów o średnicach rzędu nanometrów, węgiel aktywny wykazuje dużą powierzchnię wewnętrzną (nawet ponad 1000 m²/g), co stanowi o jego wyjątkowych właściwościach adsorpcyjnych. Poglądową ilustrację ziarna węgla aktywnego z wyróżnieniem wszystkich typów porów stanowi rysunek 5.4.