Dynamics of Adsorption of Copper Ions in Fixed-Bed Column and Mathematical Interpretation of the First Stage of the Process

Abstract

Експериментально досліджено динаміку процесу адсорбції у нерухомому шарі адсорбенту на прикладі системи природний цеоліт – водний розчин солі купруму низьких концентрацій, які характерні для процесів очищення стічних вод від токсичних забруднень. Побудовано вихідні криві процесу адсорбції для висоти шару сорбенту 5 та 7см. Рівновагу таких процесів можна описати лінійним рівнянням Генрі. Процес адсорбції у шарі складається з двох стадій, які розглянуто у дослідженні. Перша стадія полягає у формуванні фронту концентрацій, друга – у переміщенні фронту. Сума часу першої та другої стадій становлять загальний час адсорбції, який визначається до проскоку. Перша стадія адсорбції математично сформульована диференціальним рівнянням молекулярної дифузії з граничною умовою першого роду. Друга стадія доповнена балансовим рівнянням, що враховує не лише зміну концентрації у часі, але і по вертикальній координаті та визначає час переміщення фронту концентрацій до проскоку. Розроблено математичну модель процесу адсорбції у нерухомому шарі сорбенту. Порівняно експериментальні дані та теоретичні розрахунки. Результати статистичного розрахунку результатів досліджень показали задовільну збіжність експериментальних та теоретичних даних.The dynamics of the adsorption process in the fixed-bed column was experimentally studied on the example of the system natural zeolite - water solution of copper salt with low concentrations, which are characteristic for wastewater treatment processes from toxic contaminants. The initial curves of the adsorption process for the height of the sorbent layer of 5 and 7 cm were constructed. The equilibrium of such processes can be described by Henry's linear equation. The adsorption process in the layer consists of two stages, which are examined in the study. The first stage is the formation of concentration front and the second one – its moving. The sum of the time of the first and second stages is the total adsorption time, which is determined before breakthrough time. The first stage of adsorption is mathematically formulated by the differential equation of molecular diffusion with a boundary condition of the first type. The second stage is supplemented by the balance equation, which takes into account not only the change of concentration in time, but also in the vertical coordinate and determines the time of movement of concentration front to breakthrough time. A mathematical model of the adsorption process in a fixed-bed column has been developed. Experimental data and theoretical calculations were compared. The results of statistical calculation of research results showed a satisfactory convergence of experimental and theoretical data.