ESERCITAZIONE L adsorbimento su carbone attivo

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1 ESERCITAZIONE adsorbimeto su carboe attivo ezioi di riferimeto: Processi basati sul trasferimeto di materia Adsorbimeto su carboi attivi Testi di riferimeto: Water treatmet priciples ad desi, WH Pricipi di Ieeria Saitaria Ambietale, Sirii Water quality ad treatmet, AWWA Wastewater Eieeri, etcalf & Eddy RICHIAI TEORICI ADSORBIENTO: Processo fisico-chimico che cosete il trasferimeto di uo o più composti da ua fase liquida a ua fase solida a causa di forze di attrazioe che si eerao sulla superficie di iterfaccia solido/liquido. Adsorbimeto fisico Prodotto da forze di atura fisica Forze di attrazioe elettrostatica e Forze di Va der Waals Adsorbimeto chimico Prodotto da l istaurarsi di leami chimici fra le molecole dell adsorbete (carboe attivo)e le molecole dell adsorbato (sostaza iquiate rimossa). Il carboe attivo può essere utilizzato i due forme: i polvere o i rauli. G.A.C. Graular Activated Carbo (forma raulare) P.A.C Powdered Activated Carbo (polvere) Il carboe attivo è u materiale adsorbete prodotto a partire da diversi tipi di sostaze (come leo, ossa, oci, cocco) a seuito di processi di disidratazioe,di carboizzazioe (a 600 C per alcue ore) e attivazioe. Processo di attivazioe Processo che permette di coferire al la caratteristica di elevata porosità che si riflette i u elevata superficie specifica Attivazioe fisica a circa 000 C i ambiete ricco di CO e vapore acqueo. Attivazioe chimica a C i preseza di reaeti chimici come PO5 o ZCl

2 Alcue delle pricipali caratteristiche del soo: a raulometria - U di piccole dimesioi raulometriche corrispode a ua maiore velocità di adsorbimeto ma ache a maiori perdite di carico. Tipicamete le dimesioi dei rai soo 0.5 mm a superficie specifica Superficie totale (tutti i pori compresi) per uità di volume. a desità apparete Desità del materiale determiata seza cotare il volume dei pori coteuti el siolo rao e dei vuoti lasciati liberi fra rao e rao. Capacità adsorbete tale caratteristica viee stimata rispetto a dei composti stadard caratterizzati da particolari dimesioi molecolari. Geeralmete si ricorre ad alcui idici, come idice di Iodio e idice Blu di etilee, di cui viee valutata la quatità adsorbita per rammo di. Si ottiee così u idicazioe sul comportameto del ei cofroti di molecole simili a queste.

3 Per determiare esattamete la capacità adsorbete del ei cofroti di ua determiata sostaza che deve essere rimossa dall acqua si ricorre alla determiazioe sperimetale dell isoterma di adsorbimeto. Isoterma di adsorbimeto - è ua relazioe che lea la quatità di ua certa sostaza adsorbita sul alla quatità della stessa sostaza che resta i soluzioe i codizioi di equilibrio e di temperatura costate. Isoterma Freudlich isoterma di Freudlich è descritta dalla seuete equazioe: X KC dove: X è la massa di iquiate adsorbita all equilibrio è la massa del presete el sistema C è la cocetrazioe di iquiate che resta i acqua all equilibrio. Determiazioe sperimetale dell isoterma di adsorbimeto e isoterme si determiao sperimetalmete per u determiato tipo di carboe e per u determiato tipo di sostaza iquiate che può essere adsorbito. a procedura di determiazioe delle isoterme è la seuete:. Applicazioe di differeti dosai di allo stesso volume di acqua di cui sia ota la cocetrazioe iiziale di iquiate. V () V () V () V () V () () () () 4 () 5 (). Aitazioe dei campioi d acqua dosati co per il tempo ecessario al raiuimeto dell equilibrio.

4 . Determiazioe della cocetrazioe di iquiate ei campioi co differeti dosai di. Cocetrazioe Iquiate (m/) Grezza Campioe Campioe Campioe Campioe 4 Campioe 5 C 0 C C C C 4 C 5 4. Elaborazioe dei risultati sperimetali: Campioe i Cocetrazioe i soluzioe C (m/) C i Cocetrazioe adsorbita sul (m/) C 0 C i Cocetrazioe adsorbita sul q (m/) ( C C ) 0 i i X V ( ) C e q soo C e X/ ell isoterma di Freudlich: X KC Per trovare i parametri K e / dell isoterma di Freudlich si deve liearizzare la relazioe: o(q a ) o(k) + o(c a ) Si plottao i valori del loaritmo di C a cotro i valori del loaritmo di q a e si determia la retta di reressioe. Il coefficiete aolare di tale retta corrispode al parametro / metre l itercetta corrispode al loaritmo del parametro K. Capacità di adsorbimeto del, q e. a quatità di adsorbato che può accumularsi sul fio al suo esaurimeto (q e ) si determia a partire dall equazioe dell isoterma poedo C i soluzioe all equilibrio uuale alla cocetrazioe iiziale (C 0 ): q e KC 0

5 SISTEI DI CONTATTO ACQUA-: I FITRI

6 C.I.S. (Carico Idraulico Superficiale) Il CIS è la portata di acqua trattata per uità di superficie del filtro. Q CIS A i cui Q è la portata dell ifluete e A è l area del letto E.B.C.T. (Empity Bed Cotact Time): EBCT è il tempo di cotatto del filtro calcolato cosiderado vuoto lo spazio occupato dal. EBCT V Q i cui Q è la portata dell ifluete e V il volume occupato dal. Curva di foratura del filtro Caso: TZ 0 Caso: TZ 0 Q Q Q Q Q Q TZ Cocetrazioe Coc. effluete Coc. limite T. V Cocetrazioe Coc. effluete T. V PUNTO DI ROTTURA PUNTO DI RIGENERAZIONE PUNTO DI ESAURIENTO PUNTO DI ROTTURA PUNTO DI ESAURIENTO PUNTO DI RIGENERAZIONE

7 a differeza fra i due casi cosiste ella velocità co cui avviee il trasferimeto di materia. a codizioe di TZ di altezza ulla è spesso utilizzata come semplificazioe. NB: I etrambi i casi, l area evideziata sopra alla curva di foratura è pari al valore di q e che si può otteere ache dall equazioe dell isoterma. CUR (Carbo Usae Rate): Il CUR è uuale alla massa di che si esaurisce per litro di acqua trattata, ovvero; CUR Q t espressioe di CUR può essere ricavata cosiderado il seuete bilacio di massa dell iquiate el filtro ella codizioe di esaurimeto. Accumulo (sostaza adsorbita all esaurimeto) Iresso Uscita qe Q C0 t Q Ce t co t tempo di esaurimeto del carboe Q portata di acqua i iresso al filtro Co cocetrazioe di iquiate i iresso al filtro Ce cocetrazioe di iquiate i uscita dal filtro all esaurimeto ac massa di presete el filtro qe capacità massima di adsorbimeto Q t ( C C ) 0 q e e CUR

8 a quatità precedete è uuale al CUR ifatti al umeratore sta la massa totale del presete el sistema e al deomiatore il volume di acqua trattata fio al tempo di esaurimeto. iverso del CUR sarà quidi uuale al volume di acqua trattata per uità di massa di esaurito. Quidi moltiplicado la massa del ( ) i esercizio per l iverso del CUR si ottiee il volume totale di acqua tratto fio all esaurimeto. Per cooscere il tempo di vita del filtro basta quidi dividere tale volume d acqua per il valore della portata (assuta costate). t CUR Q

9 ESERCIZIO 0. Determiare l area della superficie di u co le seueti caratteristiche: Porosità: 50% Desità: /cm³ Dimesioe dei pori: m Assumere che la forma dei pori sia cilidrica. Soluzioe Il volume occupato dai pori è dato da: Vpori πr H dove: il umero di pori per uità di peso del R e H soo rispettivamete il raio e la profodità del poro. area della superficie dei pori è dato da: A pori πr H Quidi il rapporto fra l area e il volume dei pori è dato da: A V pori pori ππ πr H H R A V R pori pori Nel caso dell esercizio il ha ua porosità del 50 % e ua desità di / cm per cui cm di pesa e cotiee 0.5 cm di pori: V pori cm 0.5

10 Sostituedo ell espressioe precedete e iseredo il valore della dimesioe del poro (R 0.5 m) si ottiee: A 0.5m 0 cm 0.5 cm m pori cm Quidi oi di cotiee pori co ua superficie totale pari a 000 m². ESERCIZIO 0. Su u determiato tipo di viee codotto u test di determiazioe dell isoterma di adsorbimeto del tricloroetilee (TCE, peso molecolare.4 /mole) e i risultati soo riportati i tabella e i rafico. I base ai dati sperimetali ricavare i parametri dell isoterma di Freudlich. 0 TCE fase liquida (Ca) (m/) TCE adsorbito (qa) (m/) Campioe qa (m/) Ca (m/) Soluzioe isoterma di Freudlich è descritta dalla seuete relazioe: X KC dove: X è la massa di iquiate adsorbita all equilibrio è la massa del presete el sistema C è la cocetrazioe di iquiate che resta i acqua all equilibrio. Nel caso

11 dell esercizio X q a e C C a, quidi: q a KC a I parametri dell isoterma di Freudlich possoo essere determiati liearizzado l equazioe, mediate il passaio al loaritmo: o(q a ) o(k) + o(c a ) Se si poe y o(q ) y x + o(k) e x o(c ) a : a Quidi riportado i dati sperimetali i u rafico loaritmico e determiado la retta di reressioe lieare si otteoo i coefficieti dell isoterma di Freudlich come seue:.5 o qa y 0.4x o Ca o(k).78 K m m 0.4 OSSERVAZIONE: uità di misura i cui è espresso il parametro K è stabilito i modo da redere omoeee le radezze preseti ell equazioe dell isoterma.

12 ESERCIZIO 0. U filtro è stato proettato per aratire ua rimozioe di 0 µ/ di bromoformio (CHBr ) da ua determiata acqua i iresso. a desità apparete del è 500 / e i parametri dell isoterma di Freudlich per il bromoformio soo m K 0 e 0.5. Calcolare il rateo di utilizzo del carboe (CUR, Carbo m Usae Rate) e il volume di acqua che è possibile trattare per uità di volume di. soluzioe isoterma di Freudlich è descritta dalla seuete relazioe: X KC dove: X è la massa di bromoformio adsorbita all equilibrio è la massa del el filtro C è la cocetrazioe di bromoformio che resta i acqua all equilibrio (uscita dal filtro C OUT ). a codizioe di esaurimeto del filtro si ottiee poedo C C IN di iresso ell equazioe dell isoterma di Freudlich. I questo modo è possibile calcolare la massima quatità di bromoformio che può essere adsorbita per uità di massa di (q e,max ). q e,max X(m ( CHBr ) (0.00) ).8 m/

13 OSSERVAZIONE: Si oti che 0 µ/ è stato trasformato i m/ per coereza co le uità di misura delle altre radezze e dei parametri i ioco. Il CUR si calcola el modo seuete: CUR (C IN C q e,max OUT ) m (0.0-0) m.8 CHBr CHBr H O H O A partire dal CUR si calcola il volume d acqua che è possibile trattare per uità di volume di. H O H O CUR Cooscedo la desità apparete del si calcola quato volume occupa di : Sostituedo ell equazioe precedete si ottiee: H O HO 9000BVs OSSERVAZIONE: BV (Bed Volumes Volumi di letto filtrate ) è l uità di misura che esprime il volume di acqua trattata i base al volume di utilizzato.

14 ESERCIZIO 0.4 Si cosideri u sistema di filtrazioe su per la rimozioe del TCE (tricloroetee) co le seueti caratteristiche: Desità apparete del : 450 K/m³; 0.48; K 55.9 m/ /m Parametri dell isoterma di Freudlich: ( )( ) Cocetrazioe di TCE ell ifluete: m/ Portata ifluete: 78.5 /mi EBCT: 0 mi Calcolare: il CUR il volume e il volume specifico di acqua trattata; il tempo di vita del filtro (bed life). Soluzioe Per il CUR vale l espressioe: CUR C i (per la quale si rimada alle ote teoriche iiziali) Q t e q e Iseredo l equazioe dell isoterma di Freudlich ella relazioe precedete si ottiee: C C i i HO CUR q e K( C ) 0.48 m i ( )( ) 55.9 m/ /m m Il volume specifico di acqua trattata è uuale all iverso del CUR, per cui: CUR 55.6 H O VSpecificoH O

15 Il volume di acqua trattata si ricava a partire dal volume specifico di acqua trattata e dalla massa di presete el sistema. Il volume occupato dal è dato da: V EBCT(mi) Q(/mi) a massa si ricava moltiplicado per la desità apparete del : V ρ / Quidi il volume totale d acqua trattata fio all esaurimeto è: V 6 7 O Vspecifico H O H O H a vita del filtro (bed life) si può calcolare el modo seuete: bed life V Q mi mi d H O 7 d ESERCIZIO 0.5 Si dimesioi il comparto di filtrazioe su per la rimozioe del DOC i u effluete co portata di 0 m /h assumedo u carico idraulico superficiale di m 6 e u EBCT di 0 miuti. m h Stimare il rateo di utilizzo del carboe e il tempo di vita utile del filtro cooscedo: m i parametri dell isoterma di Freudlich: 50 e 0.5 ; m

16 la cocetrazioe media di DOC i iresso: 5 m/; K desità apparete : 500 m Soluzioe A partire dalla portata d acqua trattata e dal carico idraulico superficiale (C.I.S.) fissato si ricava l area del filtro: m Q 0 proetto A h 8 m C.I.S. m 6 m h altezza del letto filtrate si determia a partire da volume del e EBCT: V A Q EBCT A m 0 0mi m h 8 m ac proetto h h 60 mi m Attraverso l isoterma di Freudlich si calcola la quatità di DOC adsorbito per uità di massa di q K (DOCi ) 50 x (5) m DOC/ DOC/ l tempo di vita del filtro si calcola (come da ote teoriche iiziali) tramite l espressioe del CUR: Q t C q 0 e CUR / HO Quidi il volume specifico di acqua trattata (/CUR) è pari a 7.5 /.

17 Calcolado la massa totale di presete el filtro che abbiamo dimesioato si ottiee: Volume 8 m x m 76 m assa 76 m x 500 K/m K (8 to) Volume totale di acqua trattata : Volume specifico x assa 7.5 / x 8x x x 0 m Quidi il tempo di fuzioameto si stima cosiderado la portata tratta, 0 m /h. T 665 x 0 / h 0 iori (4 mesi).

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