کربن فعال رایجترین جاذب است که در حذف آلایندههای مختلف کاربرد دارد ]33[. جذب سطحی با کربن فعال یکی از روشهای مورد استفاده در حذف است. در این روش آلاینده تخریب نشده بلکه از فاز مایع به فاز جامد منتقل میشود. نیترات بسیار محلول در آب بوده که این امر جذب آن را به وسیله مواد جاذب دشوار نموده است. در فرآیند جذب عواملی نظیر نوع، میزان حلالیت و ساختار مولکولی بر کارایی حذف اثرگذار است.
1-5-1 )جذب سطحی
جذب سطحی یک فرایند فیزیکی- شیمیایی است که به طور کلی در فاز جامد – مایع اتفاق میافتد و در اکثر مواقع وقتی به کار برده میشود که نیاز باشد نوع خاصی از مواد که بطور موثر نمیتوان با تکنولوژیهای دیگر آنها را از جریان فاضلاب حذف کرد بکار برده میشود. اگر چه جذب سطحی در فاز های مایع- مایع و همچنین گاز- مایع به طور کامل جواب میدهد اما بیشتر برای تصفیه فاضلاب و در فاز جامد – مایع کاربرد دارد.Absorption وAdsorption که تعلق به یک دسته فرایندهای فیزیکی و شیمیایی دارند و جذب نامیده می شوند دو پدیده متفاوت هستند تفاوت اصلی این دو در فاز تعادلی فرم نهایی آنهاست که اگر همگن باشند Absorption نامیده می شوند و در غیر این صورت Adsorption نامیده میشوند [36].
به عبارتی دیگر جذب سطحی یا Adsorption عبارتست از جمع آوری مواد روی سطح ماده جاذب ولی جذب نفوذ مواد جمع شده به درون جاذب است و از آن جا که این دو پدیده غالباًً هم زمان رخ می دهد از واژه جذب یا Sorption برای این پدیده استفاده می گردد. جذب سطحی و جذب هر دو در فرایند جذب با جاذب و سایر مواد رخ می دهد. ولی واحد عملیاتی معمولا جذب سطحی نامیده می شود[37].
جذب سطحی فرایندی است که بر اثر آن مولکولهای یک ماده مایع یا گاز به یک جسم جامد متصل میشود. در واقع این فرایند تجمع مواد در سطح مشترک بین دو فاز است. درتصفیه آب و فاضلاب این سطح مشترک بین مولکولهای یک ماده مایع و یک جامد به طور مصنوعی ایجاد میشود. به تعبیری دیگر، جذب مولکولها به وسیله سطوح داخلی یا خارجی یک جسم جامد را میتوان جذب سطحی نامید.
در فرایند جذب، ماده حذف شده از فاز مایع را ماده جذب شده و ماده فراهم کننده سطح جذب را ماده جاذبمینامند. نیروهای تأثیرگذار در فرایند جذب عمدتاً شامل نیروهای واندروالس و نیروهای کووالانس هستند. جذب انجام شده بر اثر نیروهای واندروالس را جذب فیزیکی، و جذب ناشی از نیروهای کووالانسی (که با ایجاد پیوند بین ماده جاذب وماده جذب شونده همراه است) را جذب شیمیایی نیز مینامند فرایند جذب با آزادسازی گرما همراه است، گرمای حاصل از جذب فیزیکی 5 تا 10 کیلوکالری، برای جذب شیمیایی 10 تا 100 کیلوکالری به ازاء هر مول ماده جذب شده است. به طور کلی سطوح همه مواد دارای قدرت جذب هستند اما یک جاذب قوی باید دارای مساحت زیادی در واحد جرم باشد.
علت انجام جذب، نیروهای جاذبهای است که بین اتمها یا مولکولهای سازنده سطوح وجود دارد در طی فرایند جذب مولکولهای ماده جذب شونده به تدریج به وسیله جاذب، جذب میشوند. در این مکانیسم اکثر ماده جذب شونده به وسیله سطوح داخلی تخلخلها جذب میشود و فقط مقدار کمی از آلایندهها به وسیله سطوح خارجی جاذب جذب میشوند. در این فرایند انتقال ماده جذب شونده از محلول به جاذب تا زمانی ادامه مییابد که غلظت ماده جذب شونده باقیمانده درمحلول با غلظت ماده جذب شوندهای که برروی سطح جاذب، جذب شده به تعادل برسد. بعد از برقراری تعادل، انتقال جرم و در واقع، فرایند جذب متوقف خواهد شد[38].
مدت زمان تعادل تابع نوع ماده جاذب، ماده جذب شونده، غلظت و… می باشد، اما بطور کلی در یک مدت زمان 2 تا 6 ساعته اتفاق می افتد[37].
به طور کلی فرایند جذب دارای سه مرحله متمایز است:
1-مولکول جذب شونده باید از فاز مایع به سطح ذره جاذب انتقال یابد. برای این منظور باید لایه نازکی از حلال (آب) تشکیل شود و مولکول ماده جذب شونده در آن انتشار یابد. این مرحله را انتشار لایهای میگویند.
2- مولکولهای ماده جذب شونده باید به جایگاهی در داخل منافذ انتقال یابد، این مرحله را انتشار داخل تخلخلها گویند که عبارت است از پخش ماده جذب شونده در داخل خلل و فرجها در صورتی که جاذب خلل وفرجدار باشد.
3-ماده جذب شونده باید به سطح ماده جاذب بچسبد و از این طریق عمل جذب انجام شود. در طی این مرحله بین ماده جذب شونده و جاذب پیوندهایی تشکیل می شود.
به طور کلی سرعت عمل جذب به وسیله انتشار لایهها و انتشار در تخلخل ها قابل کنترل بوده و به میزان اختلاط در محیط وابسته است. اگر میزان اختلاط محدود باشد، انتشار لایهای محدود کننده سرعت جذب است. اما اگر اختلاط کافی باشد، سرعت انتشار لایهای افزایش مییابد تا حدی که انتشار در تخلخلها محدود کننده سرعت جذب شود[38].
1-5-2)کاربرد فرایند جذب سطحی
از آنجا که نتیجه فرایند جذب سطحی جدا شدن یک جز یا اجزائی از فاز سیال و تجمع آن بر روی سطح یک جسم جاذب است، بنابراین از این روش میتوان برای جداسازی اجزا یک مخلوط از یکدیگر و یا جداسازی برخی ناخالصیها از سیال مورد نظر استفاده نمود. البته شرایط جسم جاذب و شرایط انجام فرایند به نحو مناسب و مطلوب باید انتخاب و تنظیم گردد. در زمینه مطالعات محیطی مهمترین کاربرد این فرایند در تصفیه فاضلابهای شهری و صنعتی است. زیرا بخش عمدهای از اینگونه فاضلابها را مواد آلوده کننده تشکیل میدهند که به راحتی با استفاده از فرایند جذب سطحی قابل جداسازی میباشند[39].
پدیده جذب سطحی را می توان به سه دسته کلی تقسیم کرد:
الف) جذب سطحی فیزیکی
در نتیجه نیروهای جاذبه بین مولکولهای جذب شونده و مولکولهای جسم جاذب انجام میپذیرد که به آن نیروهای واندروالس گفته میشود. چنین تصور می شود که ذرات جذب سطحی فیزیکی شده میتوانند آزادانه در سطح جامد جابه جا شوند. محققان این نوع جذب را چند لایه می دانند؛ یعنی لایه جدید مولکولهای جذب شده، بر روی لایههای جذب شده قبلی، جذب میگردند. تجربه نشان میدهد که این نوع جذب در دماهای پایین بهتر انجام میشود، زیرا حرارت باعث افزایش انرژی جنبشی و حرکت براونی میشود.
ب) جذب سطحی شیمیایی
هر گاه جز جذب شونده با جسم جاذب یک واکنش انجام دهد، جذب سطحی از نوع شیمیایی خواهد بود به عبارت دیگر این دو با هم باندهای شیمیایی تشکیل میدهند و در نتیجه در مقایسه با جذب فیزیکی با انرژی بیشتری به هم متصل میگردند. زیرا واکنشهای شیمیایی معمولاً در دماهای بالاتر بهتر صورت میگیرد. در این نوع جذب بدلیل ویژگی پیوندهای شیمیایی، جزء جذب شونده بیش از یک لایه مولکولی نمی تواند بر سطح جاذب، جذب گردد. یعنی فرآیند جذب تک لایه می‌باشد. به طور کلی جذب سطحی فیزیکی، انرژی جذب نسبتاً کمی دارد و در دماهای پایین، این نوع جذب بیشتر صورت می گیرد (غالب است). زیرا حرارت بالا سبب افزایش انرژی جنبشی و حرکت براونی مولکولها میگردد. در جذب شیمیایی انرژی جذب بدلیل تشکیل پیوندهای قویتر، بالاتر است. به همین علت این نوع جذب در دماهای بالاتر بهتر انجام می شود زیرا اغلب واکنشهای شیمیایی، در دماهای بالاتر بهتر پیشرفت میکنند.
ج) جذب سطحی تبادلی
این نوع جذب سطحی، ناشی از نیروهای جاذبه الکترواستاتیک میان یونهای حاضر در فاز مایع و اجزای باردار موجود در سطح جاذب میباشد. فرآیند جذب به این ترتیب است که اجزاء باردار موجود در سطح جامد، توسط یونهای موجود در محلول جایگزین میگردد. از این رو این فرآیند را در زمره فرآیندهای تبادل یونی نیز می توان ذکر کرد. در این نوع جذب، یونهایی که بار یکسان دارند؛ اندازه آنها تعیین کننده شدت جذبشان خواهد بود زیرا هرچه یون کوچکتر باشد، تراکم بار الکتریکی روی آن بیشتر خواهد بود[38].
1-5- 3 )عوامل مؤثر بر فرآیند جذب
1-5-3-1)نوع و خصوصیات جسم جاذب