Adsorbimento su colonne a carbone attivo

Il fenomeno dell'adsorbimento rappresenta il passaggio di un inquinante dalla fase liquida alla fase solida.

L'equilibrio tra due fasi può essere descritto dall'isoterma di Freundlinch che mette in relazione la quantità di un inquinante presente in fase liquida [mg/l] e quello presente in fase solida [mg/kg].

L'equilibrio verso il carbone è favorito dalle basse temperature (è ovviamente preferibile visto che lo scopo è quello di adsorbire l'inquinante), ma non sempre è detto che una curva più spostata verso il carbone abbia cinetiche più elevate di una spostata verso il liquido.

La particella di inquinante deve prima muoversi nel liquido e raggiungere la superficie solida, successivamente deve diffondersi attraverso i canalini e infine attaccarsi sulla superficie del solido, passando quindi per tre resistenze. Pertanto il flusso sarà pari a:

dove K è una costante di proporzionalità, A la superficie di scambio liquido-solido, e c-c* la differenza di concentrazione dell'inquinante prima dell'immissione (c) e in condizioni di equilibrio con il solido (c*). Prima che venga raggiunto l'equilibrio dovrà passare un po' di tempo:

Si consideri ora una colonna a carbone attivo granulare, in cui vengono immessi una portata Q di acqua contenente una concentrazione c₀ di inquinante. Si può scrivere il seguente bilancio:

in cui il primo termine rappresenta la diminuzione di concentrazione nel liquido, il secondo termine l'aumento di concentrazione di inquinante nel solido e il terzo termine lo scambio di materia tra le due fasi.

In una sezione volumetrica infinitesima della colonna, l'adsorbimento crea il raggiungimento dell'equilibrio con conseguente fissazione sul solido delle particelle adsorbite.

Successivamente tale fenomeno prosegue, per cui altre particelle di inquinante vengono appiccicate. Dopo un tempo più o meno lungo tutto l'inquinante viene adsorbito. Tale tempo prende il nome di tempo di trasferimento, e viene dichiarato dai fornitori delle colonne.

L'andamento delle concentrazioni x di inquinante nella colonna di adsorbimento ovviamente varia nel tempo.

Ad un tempo t₁ la colonna è vergine, ad un tempo t₂ si osserva una zona esaurita (in cui x=x₀) dove non vi è più adsorbimento, una zona di trasferimento di massa (zona di mass transfer) e una zona vergine.

Al tempo t₃, quando la zona di trasferimento di massa raggiunge il bottom della colonna, si inizia ad avere in uscita una concentrazione di inquinante diversa da zero fino al totale esaurimento della colonna in cui si ha in uscita la stessa quantità di inquinante in ingresso.

Si può scrivere quindi un bilancio per la quantità di inquinante adsorbito nel tempo:

in cui V rappresenta il volume del carbone saturato. Tali valori coincidono nel caso sia assente la zona di mass transfer. In quest'ultimo caso è possibile definire il parametro uso del carbone (UC) nel modo seguente:

dove x₀ è la concentrazione del carbone nella zona satura.

Si definisce il tempo di residenza del fluido all'interno della colonna (empty bed contact time) come:

EBCT = V/Q

Al crescere dell'EBCT aumenta l'uso del carbone, in quanto si riduce il volume della zona di mass-transfer.

Per quanto riguarda le scelte impiantistiche è preferibile optare per una scelta di più colonne a carbone attivo in parallelo in modo da poter essere rigenerate una per volta in momenti diversi. Difatti, posta una concentrazione limite in un punto C in cui convergono gli n flussi delle n colonne in parallelo, si ha, in caso di malfunzionamento della colonna o quando la concentrazione in ingresso C₀ della colonna è pari alla concentrazione in uscita (e quindi la colonna deve essere rigenerata), una concentrazione risultante comunque inferiore a quella limite.