ZASTOSOWANIE JONITÓW WŁÓKNISTYCH W FILTRACH DO DEZODORYZACJI POWIETRZA APPLICATION OF FIBROUS ION EXCHANGER IN FILTERS FOR AIR DEODORIZATION

Transkrypt

1 ZASTOSOWANIE JONITÓW WŁÓKNISTYCH W FILTRACH DO DEZODORYZACJI POWIETRZA APPLICATION OF FIBROUS ION EXCHANGER IN FILTERS FOR AIR DEODORIZATION Henryk Wasąg Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 40B, Lublin, h.wasag@wis.pol.lublin.pl ABSTRACT Although a number of existing technologies are available for odour abatement and control, sorption technique is still more attractive due to its low operating cost and ease of maintenance. A newly innovated filters with fibrous ion exchangers (FIE) were designed and constructed. The paper presents two principally different type of contactors for the air purification with fibrous ion exchanger (FIE). The first type, (frame type FIF-filters) contains layers of the ion exchange non-woven filtering material fixed on the rigid frames. The feed air passes through the filters medium in which the ionized impurity reacts with the filaments and retained in the filtering material. The second type of contactor contains layers of ion exchange material fixed on the parallel plates. The air does not cross the layer of the material. It moves in the narrow slits between the ion exchange fabric. The filter could be operated in automatic regime independently of the type of the contactor. Keywords: air deodorization, ion exchange, filters for odour removal 1. Wstęp Zapachowa jakość otaczającego powietrza już od dawna wymieniana jest jako jeden z najbardziej uciążliwych problemów związanych z naturalnym środowiskiem człowieka. Zanieczyszczenie powietrza substancjami złowonnymi zaliczane jest obecnie do najważniejszych ekologicznie problemów na świecie. Niewątpliwa uciążliwość odorów stałą się przyczynkiem do wprowadzania standardów zapachowej jakości powietrza, zgodnie z którymi emisja substancji złowonnych może być mierzona i oceniana w kategoriach ilościowych. Działania te pociągają za sobą konieczność opracowania i rozwoju nowych metod i technologii dezodoryzacji powietrza. Dotychczas znane i stosowane urządzenia oraz technologie do dezodoryzacji powietrza opierają się w znacznej części przypadków na procesach sorpcji. Większość z metod sorpcyjnych z kolei bazuje na zastosowaniu wkładów filtracyjnych z węglem aktywnym preparowanym na różne sposoby i z różnymi dodatkami. W przypadku tego typu rozwiązań regeneracja węgli aktywnych jest uciążliwa i mało efektywna, przez co wkłady filtracyjne są zazwyczaj jednorazowe i wymagają po pewnym czasie użytkowania wymiany. Wydaje się więc, że powodzenie technologii opartych na procesach sorpcji uzależnione jest w znacznej mierze od rodzaju i właściwości zastosowanego sorbentu. Wymaganiom tym są w stanie sprostać opracowane w ostatnich latach jonity włókniste. Unikalne właściwości i forma włóknistych materiałów jonowymiennych otwierają nowe możliwości rozwoju niekonwencjonalnych technologii dezodoryzacji powietrza. Stanowią świetną podstawę do konstrukcji różnego rodzaju filtrów do oczyszczania powietrza z substancji zapachowych o charakterze jonowym, a przykładowe rozwiązania prezentuje niniejsza praca... Metody dezodoryzacji powietrza W opublikowanych naukowych pracach przeglądowych poświęconych odorom (Burgess i inni, 001; Schlegelmilch i inni, 005) dokonane zostały podsumowania technologii dezodoryzacji powietrza, z których wynika, że obecnie praktyczne znaczenie mogą mieć następujące metody dezodoryzacji powietrza: - skrubery mokre, - sorpcja (adsorpcja i absorpcja), - reagenty chemiczne, - metody biologiczne, - spalanie. Oparte na powyższych procesach technologie, z wyjątkiem metod sorpcyjnych, mogą znaleźć

2 56 zastosowanie do oczyszczania powietrza w dużej skali i w miejscu emisji odorów. Panuje przekonanie, że tylko i wyłącznie metody sorpcyjne są uniwersalne i mogą być stosowane w różnych systemach dezodoryzacji powietrza (Luo i inni, 006). W większości opublikowanych prac naukowych, tematycznie związanych z zagadnieniami dezodoryzacji powietrza, główna uwaga skupiona jest na dużych scentralizowanych systemach instalowanych w miejscu emisji substancji złowonnych (Gostelow i inni, 001). Jest to bardzo istotna część problemu, lecz podejście takie nie rozwiązuje wszystkich zagadnień związanych z jakością powietrza oddechowego. W wielu przypadkach źródła emisji odorów mają charakter obszarowy, a nawet mogą być trudne do zlokalizowania (np. składowiska odpadów, pożary lasów). W tego typu przypadkach łatwiejszym i bardziej opłacalnym wydaje się być instalowanie urządzeń do dezodoryzacji w miejscu użycia powietrza celem zapewnienia odpowiedniego mikroklimatu wewnętrznego w mieszkaniach i na stanowiskach pracy (Henshaw i inni, 006). Dodatkowo w wielu przypadkach istnieje konieczność stosowania indywidualnych środków ochrony zabezpieczających przed substancjami złowonnymi. Obecnie przeważająca część opracowywanych metod usuwania odorów z powietrza oparta jest na procesach sorpcji i biosorpcji. Wdrożenie tego typu technologii do praktyki codziennej uzależnione jest od wielu czynników wśród, których kluczową rolę odgrywa odpowiedni materiał sorpcyjny zapewniający wysoką efektywność procesu dezodoryzacji powietrza. Bardzo często materiałem tym są węgle aktywne, znane jako pospolity i najbardziej uniwersalny sorbent dla większości substancji organicznych o zróżnicowanych właściwościach chemicznych. Mimo wielu zalet węgle aktywne posiadają również dość istotne niedostatki. Do głównych wad węgli aktywnych należy zaliczyć ich małą skuteczność w przypadku sorpcji substancji o małych cząsteczkach jak chociażby amoniak i kwasy nieorganiczne (posiadające ostry zapach i wysoką toksyczność). Węgle aktywne czułe są na obecność w powietrzu substancji powodujących ich nieodwracalną dezaktywację. Dodatkowo regeneracja filtrów opartych na węglach aktywnych jest droga, energochłonna i prowadzi do powstawania rozcieńczonych odpadów wymagających dodatkowego oczyszczania. Mając powyższe na uwadze wydaje się, że metody oparte na sorpcji na węglach aktywnych powinny być poprzedzone metodami selektywnej chemisorpcji, które odciążą filtry węglowe i jednocześnie podniosą skuteczność procesu dezodoryzacji powietrza. W wielu praktycznych przypadkach substancje o charakterze zasadowym, bądź kwasowym są w głównej mierze przyczyną odorów i ich usunięcie może rozwiązać problem dezodoryzacji powietrza (Boholt i inni, 005). Dla przykładu zapachy pochodzące z ferm hodowlanych i rzeźni są w głównej mierze powodowane obecnością amoniaku i amin (Sheridan i inni, 004). Jako substancje o charakterze zasadowym mogą zostać usunięte za pomocą kationitów w formie wodorowej, a późniejsza regeneracja jonitu za pomocą kwasów prowadzi do powstania odpowiednich soli amonowych, które z kolei mogą być wykorzystane jako nawozy sztuczne (Schunkevich i inni, 001). Dotychczas metody jonowymienne nie mogły znaleźć szerszego praktycznego zastosowania, ponieważ produkowane na skalę przemysłową jonity granulowane w procesach gazowych charakteryzują się słabą kinetyką wymiany jonowej. W ostatnich latach opracowane zostały i wdrożone do praktyki oczyszczania powietrza nowe sorbenty, specjalnie dostosowane do procesów gazowych. Materiałami tymi są jonity włókniste, które mogą być formowane w postaci materiałów tkanych, filców i włókniny (Soldatov i inni, 004). W jonitach tych typowa granularna struktura zastąpiona została matrycą mikrowłókien przez co grupy funkcyjne są rozmieszczone na rozwiniętej powierzchni i tym samym łatwo dostępne. Opierając się na doniesieniach literaturowych (Soldatov i inni, 003) skuteczność sorpcji na włóknistych materiałach jonowymiennych w dynamicznych procesach gazowych jest o wiele wyższa w porównaniu do sorbentów granulowanych z uwagi na duże szybkości procesów wymiany jonowej. W porównaniu z klasycznymi jonitami granulowanymi wzrasta ona przynajmniej 100- krotnie. Dodatkowo unikalne właściwości i forma włóknistych materiałów jonowymiennych predysponują je do rozwoju nowych niekonwencjonalnych metod, w tym do konstrukcji filtrów do oczyszczania powietrza z substancji zapachowych o charakterze jonowym. Wiadomo bowiem, że jonity włókniste zastosowane w postaci cienkich warstw umożliwiają skuteczne oczyszczanie powietrza przy małych oporach przepływu i jednocześnie dużych szybkościach (Wasąg i inni, 008). Dlatego też, zastosowanie sorbentów włóknistych, zarówno w systemach małych, jak i dużych powinno otworzyć nowe możliwości przed technologiami dezodoryzacji powietrza.

3 57. Koncepcje filtrów z jonitami włóknistymi Na podstawie otrzymanych i opublikowanych wyników prac badawczych nad możliwością usuwania zapachowych zanieczyszczeń powietrza na jonitach włóknistych opracowane zostały koncepcje nowego rodzaju filtrów do dezodoryzacji powietrza (Wasąg i inni, 008: Wasąg, 009). Filtry te opierają swoje działanie na procesach sorpcji substancji zapachowych o charakterze jonowym prowadzonych na włóknistych materiałach jonowymiennych. Z uwagi na warunki pracy tego typu urządzeń opracowane zostały dwie odmienne konstrukcje filtrów, a mianowicie filtr ramowy oraz filtr szczelinowy. Filtr ramowy Podstawowymi założeniami przy opracowywaniu tego typu konstrukcji filtra jest jego efektywność działania oraz prostota budowy. Filtr ramowy składa się z szeregu ramek, na których jest rozpostarty i przymocowany jonowymienny materiał włóknisty. W oparciu o dane literaturowe przyjęto, że grubość jednej warstwy jonitu powinna wynosić 9 mm (Wasąg i inni, 008). W filtrze ramowym oczyszczane powietrze rozdzielane jest na równoległe strumienie powietrza, które wpływają do poszczególnych ramek filtra co schematycznie przedstawia rysunek powietrze zanieczyszczone powietrze oczyszczone Rys. 1. Schemat przepływu powietrza przez moduł filtra ramowego (1 - wlot filtra, - warstwa włóknistego materiału jonowymiennego, 3 wylot powietrza oczyszczonego). Każda ramka po stronie przeciwnej do wlotu jest zamknięta przez co strumień powietrza zmuszany jest do przepływu przez warstwę jonitu rozpiętą wzdłuż ramek. Powietrze przepływa tylko przez jedną warstwę jonitu, a następnie opuszcza filtr po stronie przeciwnej w stosunku do wlotu. Widok ogólny modułu filtra ramowego schematycznie przedstawiony zastał na rysunku.

4 Rys.. Budowa modułu jonowymiennego filtra ramowego (1 - warstwa włóknistego materiału jonowymiennego, - elementy dystansowe, 3 - ramka). Ogólny widok filtra ramowego i rozmieszczenie jego najważniejszych elementów przedstawia rysunek 3. Opracowana konstrukcja pozwala na ciągłą pracę urządzenia. Proces regeneracji jonitu włóknistego prowadzony jest automatycznie. Warunki pracy pompy podającej roztwór regeneranta mogą być programowane w szerokim zakresie. Po załączeniu pompy roztwór regenerujący, poprzez szereg otworów w systemie rozprowadzającym, jest równomiernie podawany na jonit, po którym spływa samoczynnie w dół. Roztwór poregeneracyjny gromadzi się w dolnej części filtra w zbiorniku z którego jest recyrkulowany w kolejnych cyklach regeneracyjnych. Roztwór ten jest w sposób ciągły poddawany pomiarom ph. W momencie gdy ph osiągnie zaprogramowaną wartość wówczas zawartość zbiornika po uprzedniej neutralizacji wymieniana jest na nową porcję roztworu regeneracyjnego.

5 59 pokrywa filtra system rozprowadzający roztwór regeneranta Powietrze oczyszczone jonit rama filtra zbiornik roztworu regeneranta Powietrze zanieczyszczone pompa recyrkulacyjna Rys. 3. Widok ogólny filtra ramowego. W zaproponowanym rozwiązaniu filtra ramowego oczyszczane powietrze przepływa przez warstwę jonitu. Zaletą takiego rozwiązania jest wysoka skuteczność usuwania zapachowych zanieczy-szczeń powietrza o charakterze jonowym. Jednak w przypadku dezodoryzacji powietrza o znacznym zapyleniu może dochodzić do odkładania się na jonicie cząstek pyłu i blokowania aktywnej warstwy materiału, a tym samym do wzrostu oporów przepływu powietrza i dezaktywacji jonitu. Rozwiązaniem pozwalającym na eliminację tego typu niedogodności jest druga z proponowanych koncepcji filtrów jonowymiennych jaką stanowi opisany poniżej filtr szczelinowy. Filtr szczelinowy Cechą charakterystyczną filtra szczelinowego jest to, że oczyszczane powietrze nie przepływa przez warstwę jonitu, a jedynie ją omywa. Filtr szczelinowy w proponowanej koncepcji składa się z szeregu płyt do których przymocowane są warstwy jonitu (po każdej stronie płyty jedna warstwa). Zanieczyszczone powietrze podawane jest do komory filtra gdzie przepływa szczelinami wzdłuż umieszczonych równolegle płyt. W trakcie przepływu powietrza przez filtr następuje jego kontakt z włóknistym materiałem jonowymiennym przez co uzyskuję się sorpcję zawartych w powietrzu zanieczyszczeń o charakterze jonowym. Schematycznie przepływ powietrza przez filtr szczelinowy przedstawia rysunek 4.

6 powietrze zanieczyszczone powietrze oczyszczone Rys. 4. Schemat przepływu strumienia powietrza przez filtr szczelinowy (1 - wlot filtra, płyta z warstwą jonitu włóknistego, 3 wylot filtra). Budowa wkładu filtra szczelinowego i widok ogólny filtra szczelinowego przedstawiają rysunki 5 i Rys. 5. Budowa filtra szczelinowego (1 płyta z naklejoną warstwą jonitu włóknistego, jonit włóknisty, 3 szczelina, 4 - sworznie mocujące, 5 - elementy dystansowe).

7 61 pokrywa filtra system rozprowadzający roztwór regeneranta Powietrze oczyszczone płyty z jonitem zbiornik roztworu regeneranta Powietrze zanieczyszczone pompa recyrkulacyjna Rys. 6. Widok ogólny filtra szczelinowego z włóknistym materiałem jonowymiennym. 3. Podsumowanie Opracowane koncepcje filtrów opartych na zastosowaniu metod chemisorpcji w systemach ze złożem stacjonarnym pozwalają na osiąganie dowolnie założonego stopnia dezodoryzacji powietrza poprzez zmiany grubości warstwy filtracyjnej i szybkości przepływu powietrza. Przedstawiona technologia dezodoryzacji powietrza za pomocą włóknistych materiałów jonowymiennych jest w stanie sprostać nawet najostrzejszym normom międzynarodowym akceptowanym przez Wspólnotę Europejską. Dodatkowo prostota przedstawionych rozwiązań, ich wysoka niezawodność i brak konieczności zapewnienia ciągłej obsługi czynią je ekonomicznie konkurencyjnymi w stosunku do innych znanych i stosowanych metod usuwania substancji złowonnych z powietrza. Praca wykonana w ramach projektu badawczego zamawianego PBZ-MEiN-5//006 Nowe metody i technologie dezodoryzacji w produkcji przemysłowej, rolnej i gospodarce komunalnej, Projekt 3/8 Usuwanie zapachów specyficznych za pomocą włóknistych materiałów jonowymiennych. LITERATURA BOHOLT K., ANDREASEN K., den BERG F., HANSEN T., 005, A new method for measuring emission of odour from a rendering plant using the Danish Odour Sensor System (DOSS) artificial nose, Sensors and Actuators B, 106, BURGESS J. E., PARSONS S. A., STUETZ R. M., 001, Developments in odour control and waste gas treatment biotechnology: a review, Biotechnology Advances, 19, GOSTELOW P., PARSONS S. A., STUETZ R. M., 001, Odour measurements for sewage treatment works, Water Research, Vol. 30, No 1,

8 6 HAYES E. T., CURRAN T. P., DODD V. A., 006, Odour and ammonia emissions from intensive pig units in Ireland, Bioresources Technology, 97, HENSHAW P., NICELL J., SIKDAR A., 006, Parameters for the assessment of odour impact on comunities, Atmospheric Environment, 40, LUO J., LINDSEY S., The use of pine bark and natural zeolite as biofilter media to remove animal rendering process odours, 006, Bioresources Technology, 97, SCHLEGELMILCH M., STREESE J., STEGMANN R., 005, Odour management and treatment technologies: An overview, Waste Management, 5, SHERIDAN B. A., HAYES E. T., CURRAN T. P., DODD V. A., 004, A dispersion medelling approach to determining the odour impact of intensive pig production units in Ireland, Bioresources Technology, 91, SHUNKEVICH A.A., MED JAK G.V., MARTSINKEVICH R.V., GRACHEK V.I., SOLDATOV V.S. - Fibrous chelating carboxylic acid ion exchangers. Sorpt. & Chromatogr. Processes, 1 (001) SOLDATOV V. S., SHUNKEVICH A., WASĄG H., PAWŁOWSKI L., PAWŁOWSKA M. - Prospects of Fibrous Ion Exchangers in Technology of Water Purification, [in:] Environmental Engineering Studies - Polish Research on the Way to the EU, Kluwer, , 003. SOLDATOV V.S., PAWŁOWSKI L., WASĄG H., SCHUNKEVICH A.- New materials and technologies for environmental engineering. Part I Synthesis and structure of ion exchange fibers. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, 1, 1-17, 004. WASAG H., SOLDATOV V., KOSANDROVICH E., SOBCZUK H., Odour control by fibrous ion exchangers, Chemical Engineering Transactions, 15, , 008. WASĄG H, Perspektywy zastosowania jonitów włóknistych w procesach dezodoryzacji powietrza, Przemysł Chemiczny 88(5), 009.