Физико-химические процессы водоподготовки

49

Министерство по образованию РФ

Московский государственный горный университет

Кафедра химии

Реферат на тему:

Физико-химические процессы водоподготовки.

Выполнил:

ст. группы ТПУ-1-09

Валуевич А.В.

Москва 2009

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ВОДОПОДГОТОВКА

СОРБЦИЯ

АКТИВНЫЕ УГЛИ В ПРОЦЕССАХ ВОДОПОДГОТОВКИ

НЕУГЛЕРОДНЫЕ СОРБЕНТЫ В ПРОЦЕССАХ ВОДОПОДГОТОВКИ

ЭКСТРАКЦИЯ

ЭВАПОРАЦИЯ

КОАГУЛЯЦИЯ

ФЛОТАЦИЯ

ВАКУУМНАЯ ФЛОТАЦИЯ

НАПОРНАЯ ФЛОТАЦИЯ

ИМПЕЛЛЕРНАЯ ФЛОТАЦИЯФЛОТАЦИЯ С ПОДАЧЕЙ ВОЗДУХА ЧЕРЕЗ ПОРИСТЫК МАТЕРИАЛЫ

ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИЯ

ИОННЫЙ ОБМЕН

НЕОРГОНИЧЕСКИЕ ИОНИТЫ

ОРГАНИЧЕСКИЕ ИОНИТЫ

КРИСТАЛИЗАЦИЯ

ДИАЛИЗ

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

ВОДА (оксид водорода) НОН, мол. м. 18,016, простейшее устойчивое соед. водорода с кислородом. Жидкость без запаха, вкуса и цвета.

Изотопный состав. Существует 9 устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее (мол. %): - 99,13; - 0,2; -0,04; -0,03; остальные пять изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожных кол-вах (а именно:,,,,). Кроме стабильных изотопных разновидностей, в воде содержится небольшое кол-во радиоактивного (или ). Изотопный состав природной воды разного происхождения неск. варьирует. Особенно непостоянно отношение 1Н/2Н: в пресных водах - в среднем 6900, в морской воде -5500, во льдах - 5500-9000. По физ. свойствам заметно отличается от обычной воды. Вода, содержащая , по св-вам ближе к воде с .

Строение молекулы и физические свойства. Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи О--Н 0,0957 нм; валентный угол Н--О--Н 104,5°; дипольный момент 6,17*10-30 Кл*м; поляризуемость молекулы 1,45*10-3 нм3; средний квадрупольный момент -- 1,87*10-41 Кл*м2, энергия ионизации 12,6 эВ, сродство к протону 7,1 эВ. При взаимод. молекулы воды с др. атомами, молекулами и ионами, в т.ч. с другими молекулами воды в конденсир. фазах, эти параметры изменяются.

Объем потребляемой в мире воды достигает 4 трлн. м³ в год, а преобразованию со стороны человека подвергается практически вся гидросфера. Так при получении ядерной энергии в США вовлекается в использование почти половина всех водных ресурсов страны. Радиоактивное и тепловое загрязнение может поставить под угрозу их применение в хозяйственно-бытовых и промышленных целях.

Химическая и нефтехимическая отрасли промышленности способствуют проникновению в водную среду веществ, нормально отсутствующих в ней, или превышению естественного уровня их концентрации, ухудшающим качество среды.

За время существования человечества в природную среду было введено около миллиона новых веществ (всего известно свыше 6 млн. химических соединений). Ежегодно в мире синтезируется около 250 тысяч новых химических соединений, многие из которых получают широкое применение и могут поступать в окружающую среду. В практике используется 500 тысяч химических соединений, из них по оценке международных экологических организаций, около 40 тысяч обладают вредными для человека свойствами, а 12 тысяч являются токсичными.

Вредные химические элементы и вещества попадают в водоемы, ухудшая их санитарное состояние и вызывая необходимость специальной глубокой очистки воды перед использованием ее для хозяйственно-питьевых и некоторых промышленных целей

Различают природную, сточную и денатурированную воду. Природная вода - это вода, которая качественно и количественно формируется под влиянием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия и качественные показатели которой находятся на естественном среднемноголетнем уровне. Сточная вода - это вода, бывшая в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а также прошедшая через какую-либо загрязненную территорию, в том числе населенного пункта. Природная вода, подвергаемая антропогенному загрязнению, например, путем смешения со сточной водой, называется денатурированной или природно-антропогенной.

Для очистки сточных вод используют очистные сооружения трех основных типов: локальные, общие и районные или городские.

Очистные сооружения локального типа предназначены для обезвреживания сточных вод непосредственно после технологических цехов, имеющих вредные химические вещества, например, после резервуарного парка технологических коммуникаций, насосных станций, хранящих и перекачивающих этилированные бензины. Применение таких установок дает возможность избежать необходимости пропускать сточные воды предприятия через установки для извлечения из воды определенных химических веществ.

Очистные сооружения общего типа предназначены для очистки всех нефтесодержащих вод нефтетранспортного предприятия. Обычно эти очистные сооружения включают механическую, физико-химическую и биологическую очистки. К сооружениям механической очистки относятся песколовки, нефтеловушки, отстойники, флотационные и фильтрационные установки и др. На этих сооружениях удаляют грубодисперсные примеси. К сооружениям физико-химической очистки относятся флотационные установки с применением химических реагентов, установки с применением коагулянтов для коллоидных примесей. К сооружениям биологической очистки относятся аэротенки, биофильтры, биологические пруды и др.

Очистные сооружения районного или городского типа предназначены в основном для механической, физико-химической и биологической очистки сточных вод. Если на эти очистные сооружения направляют производственные сточные воды, то в них не должно быть примесей, которые могут нарушить нормальный ритм работы канализации и очистных сооружений.

С точки зрения водоподготовки, наиболее общие и характерные признаки загрязняющих воду веществ - формы нахождения их в воде. Исходя из этого, академиком АН УССР профессором Леонидом Адольфовичем Кульским была предложена классификация примесей воды, основанная на их фазовом состоянии и дисперсности. Эта классификация имеет широкое практическое применение, т.к. дает приемлемое обоснование технологическим приемам водообработки и преследует цель упорядочить выбор оптимальных методов очистки и технологических схем.

Все примеси им были разделены на четыре группы.

Примеси первой группы - нерастворимые в воде суспензии и эмульсии (а также планктон и бактерии), кинетически неустойчивые и находящиеся во взвешенном состоянии благодаря гидродинамическому воздействию водного потока. В состоянии покоя эти взвешенные вещества выпадают в осадок.

Примеси второй группы - гидрофобные и гидрофильные органические и минеральные коллоидные частицы, а также нерастворимые и недиссоциированные формы гумусовых веществ, детергенты и вирусы, которые по своим размерам близки к коллоидным примесям.

Примеси третьей группы - молекулярно-растворимые вещества (органические соединения, растворимые газы и т.п.).

Примеси четвертой группы - вещества, диссоциированные на ионы.

Жесткостью называется свойство воды, обусловленное содержанием в ней ионов кальция Са2+и магния Mg2+. Жесткость определяют по специальной методике, описанной в ГОСТах на питьевую воду, единицы ее измерения -- моль на кубический метр (моль/м3) или миллимоль на литр (ммоль/л).

Различаются несколько видов жесткости -- общая, карбонатная, некарбонатная, устранимая и неустранимая; но чаще всего говорят об общей жесткости, связанной с суммой концентраций ионов кальция и магния.

Тяжёлая вода, как, известно кристаллизуется при более высокой температуре +3,8 0C, чем чистая.

Очистка сточных вод обычно включает три последовательных стадии, называемые первичной, вторичной и третичной обработкой. Приблизительно 10% сточных вод вообще не получают обработки, около 30% получают только первичную обработку и около 60% подвергаются еще вторичной обработке. Третичная обработка в настоящее время применяется редко, но, по-видимому, она станет более распространенной, когда для этого появятся материальные возможности, что позволит приблизить качество обработки к более высоким стандартам.

Первичная очистка по существу представляет собой отфильтровывание твердых примесей, песка и ила и хлорирование воды для обезвреживания находящихся в ней инфекционных бактерий.

Вторичная очистка включает медленную фильтрацию либо аэрацию. На стадии медленного фильтрования сточные воды просачиваются через слой гравия, в котором находятся бактерии, разлагающие 75% содержащихся в воде органических веществ. При аэробной биологической очистке сточные воды обезвреживают, пропуская их сквозь слой бактерий, окисляющих и минерализующих органические вещества, а затем обогащают воздухом и дают отстояться, чтобы удалить осаждающиеся примеси. Этот метод обладает 90%-ной эффективностью.

Третичная очистка воды связана с удалением из нее растворимых ионных веществ и остатков органических веществ, не извлеченных при вторичной очистке. Третичная очистка проводится не всегда одинаково, а зависит от конкретного характера сточных вод и самого метода очистки. В некоторых случаях для её проведения используются фильтры из активированного древесного угля, в других случаях для осаждения фосфат-иона PO проводится обработка воды гидроксидом кальция Са(ОН)2. Возможно также применение электродиализа, хотя этот метод сопряжен с большими расходами.

Мембранные методы очистки отличаются типами используемых мембран, движущими силами, поддерживающими процессы разделения, а также областями их применения.

Существуют мембранные методы шести типов:

микрофильтрация - процесс мембранного разделения коллоидных растворов и взвесей под действием давления;

ультрафильтрация - процесс мембранного разделения жидких смесей под действием давления, основанный на различии молекулярных масс или молекулярных размеров компонентов разделяемой смеси;

обратный осмос - процесс мембранного разделения жидких растворов путем проникновения через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного раствору давления, превышающего его осмотическое давление;

диализ - процесс мембранного разделения за счет различия скоростей диффузии веществ через мембрану, проходящий при наличии градиента концентрации;

электродиализ - процесс прохождения ионов растворенного вещества через мембрану под действием электрического поля в виде градиента электрического потенциала;

разделение газов - процесс мембранного разделения газовых смесей за счет гидростатического давления и градиента концентрации.

ВОДОПОДГОТОВКА

Водоподготовка - удаление из воды всех примесей - начиная от взвешенных частиц и заканчивая солями металлов. Иначе говоря, водоподготовка - процесс приведения любой воды к стандартам, которые требуют и здоровье людей, и работа различных котлов и пр. Эти требования различны, и если бытовая водоподготовка ограничивается лишь умягчением воды до требуемого уровня, промышленная водоподготовка в ряде случаев уничтожает примеси практически полностью.

В пром-сти применяют мех., хим., физ.-хим., биохим. и термич. методы очистки, подразделяемые на рекуперационные и деструктивные. Рекуперац. методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных в-в. С помощью деструктивных методов в-ва, загрязняющие сточные воды, подвергаются разрушению путем окисления или восстановления; продукты деструкции удаляются из стоков в виде газов или осадков. Основными методами очистки промышленных сточных вод, водоочистки и водоподготовки является физико-химическая очистка: 1) сорбция; 2) экстракция; 3) эвапорация; 4) коагуляция; 5) флотация; 6) ионный обмен; 7) кристаллизация; 8) диализ.

Сорбция -- выделение из сточной воды растворенных в ней органических веществ и газов путем концентрации их на поверхности твердого тела (адсорбция) либо путем поглощения вещества из раствора, или смеси газов твердыми телами или жидкостями (абсорбция), или, наконец, путем химического взаимодействия растворенных веществ с твердым телом (хемосорбция).

Экстракция -- выделение растворенных органических примесей, находящихся в сточных водах, путем обработки последних каким-либо не смешивающимся с водой растворителем (экстрагентом), в котором примеси, загрязняющие воду, растворяются лучше, чем в воде (например, растворение фенола в бутилацетате в 12 раз больше, чем в воде).

Эвапорация -- отгонка с водяным паром загрязняющих сточную воду растворенных веществ (например, летучего фенола из сточных вод коксохимических заводов).

Коагуляция -- осветление и обесцвечивание сточных вод с применением реагентов (коагулянтов), вызывающих свертывание взвешенных и коллоидных веществ в хлопья, которые при осаждении (отстаивании) увлекают нерастворимые тонкодисперсные вещества в осадок.

Процессы полного осветления и обесцвечивания сточной воды осаждением обычно завершаются фильтрованием -- пропуском воды через слой зернистого материала (песка или антрацита) с частицами различной крупности.

Флотация -- выделение из сточных вод примесей путем придания им плавучести за счет флотореагента, обволакивающего частички примесей и удаляемого из воды вместе с ними. Для флотации применяют часто воды, насыщенные пузырьками мелкодиспергированного воздуха. Частицы, содержащиеся в сточной воде (эмульгированная нефть, целлюлозно-бумажное волокно, шерсть и др.), прилипают к пузырькам воздуха и всплывают вместе с ними на поверхность воды, а затем удаляются из воды.

Ионный обмен -- извлечение из водных растворов различных катионов и анионов при помощи ионитов -- твердых природных или искусственных материалов, практически не растворимых в воде и в органических растворителях, или искусственных смол, способных к ионному обмену.

Кристаллизация -- очистки промышленных сточных вод, водоочистки и водоподготовки путем выделения загрязнений в виде кристаллов.

Диализ -- разделение истинно растворенных веществ и коллоидов с помощью специальных мелкопористых перегородок, не пропускающих коллоиды.

Перечисленные методы физико-химической очистки промышленных сточных вод, водоочистки и водоподготовки во многих случаях предусматривают извлечение из них ценных веществ и поэтому относятся к так называемым регенерационным методам. При других методах очистки, называемых деструктивными, загрязняющие воды вещества подвергаются разрушению (преимущественно путем окисления и реже восстановления); образующиеся при этом продукты удаляются из воды в виде газов или осадков либо остается в воде (например, такие безвредные для водоемов соединения, как: нитраты, нитриты и т. д.). Регенерационные методы обработки производственных вод применяются, как правило, для наиболее концентрированных отдельных стоков; такая обработка для слабо концентрированных общих стоков не целесообразна.

Сорбция

СОРБЦИЯ (от лат. sorbeo - поглощаю), поглощение твердым телом или жидкостью разл. в-в (жидкостей либо газов) из окружающей среды. Поглощающее тело наз. сорбентом, поглощаемое-сорбатом (сорбтивом). Различают поглощение всем объемом жидкого сорбента (абсорбция), а также твердого тела или расплава (окклюзия) и поверхностным слоем сорбента (адсорбция). Сорбция, обусловленная взаимод. хим. типа между пов-стью твердого сорбента и сорбатом, наз. хемосорбцией. При сорбции паров твердыми в-вами часто происходит капиллярная конденсация. Обычно протекает одновременно неск. сорбц. процессов. В качестве адсорбентов используют активные угли, силикагель, цеолиты и др., а также нек-рые отходы (шлаки, золы, опилки и т.д.).

В качестве сорбентов используют любые мелкодисперсные материалы (золу, торф, опилки, шлаки, глину); наиболее эффективный сорбент -- активированный уголь. Расход сорбента m = Q(С0 -- Ск)/a, где Q -- расход сточной воды, м3/с; С0 и Ск -- концентрации примесей в исходной и очищенной сточной воде, кг/м3; а -- удельная сорбция, характеризующая количество примесей, поглощаемых единицей массы сорбента, кг/с.

Активные угли в процессах водоподготовки

Фильтрование воды через слой гранулированного угля или введение в воду порошкообразного активного угля являются наиболее универсальными методами удаления из воды растворенных органических веществ природного и неприродного происхождения.

Поскольку содержание в питьевой воде органических веществ природного происхождения нормировано только косвенно (по цветности, запахам и привкусам воды), а цветность воды обычно достаточно хорошо снижается коагулированием и хлорированием, активный уголь, являющийся дорогим материалом, применяется на коммунальных водопроводах главным образом для удаления веществ, обуславливающих запахи и привкусы воды, а также для удаления из воды органических загрязнений неприродного происхождения - различных детергентов, пестицидов, нефтепродуктов и других токсичных веществ, попадающих в открытые водоемы со сточными водами городов и промышленных предприятий.

При удалении из воды веществ, придающих ей запахи и привкусы, их концентрацию нужно снизить до очень малых величин, при которых запах и привкус уже не ощущаются.

Концентрации различных веществ, при которых ощущается их запахи или привкус в воде, неодинаковы. Сероводород ощущается при концентрации его в воде более 0.2-0.3 мг/л, хлор - при концентрации более 0.3 мг/л, хлорфенол - при концентрации более 0.02 мг/л, продукты жизнедеятельности актиномицетов, придающие воде землистый запах, ощущаются при концентрации более 110^-8 мг/л.

Естественно, что при столь низких остаточных концентрациях удаляемого вещества степень использования сорбционной емкости активного угля в статических условиях при ввдении в воду угля в виде порошка будет мала. Так во время контакта порошкообразного угля (ПАУ) с очищаемой водой невелико, сорбируемое вещество обычно не успевает проникнуть вглубь частички угля, поэтому сорбционная способность ПАУ возрастает с увеличением степени его измельчения.

Косвенно сорбционная способность ПАУ характеризуется его фенольным числом - числом милиграммов активного порошкообразного угля, требуемого для снижения концентрации фенола в 1 л воды с 0.1 до 0.01 мг при перемешивании воды с активным углем в течение 1 ч. Чем выше фенольное число угля, тем меньше его сорбционная способность в отношении фенола, тем хуже, как правило, этот уголь будет сорбировать из воды вещества, обуславливающие привкусы и запахи воды. ПАУ, применяемые на фильтровальных станциях для удаления из воды привкусов и запахов, должны иметь фенольное число не более 30; хорошие образцы активных углей имеют фенольное число менее 15.

Практика обработки воды ПАУ на Тюменском водопроводе показала, что из числа порошкообразных углей наиболее эффективен уголь марки А-щелочной. В каждом конкретном случае марка ПАУ должна подбираться пробной обработкой воды в лабораторных условиях, при этом должны ставиться опыты, как с предварительным хлорированием воды, так и без него.

ПАУ, применяемый для удаления из воды веществ, которые придают ей привкусы и запахи, может вводиться как перед отстойниками, так и после них, непосредственно перед фильтрами. Однако введение в воду пред фильтрами возможно только в тех случаях, когда его доза не превосходит 5-7 мг/л при длительном применении угля и 10-12 мг/л при кратковременном, эпизодическом. При поступлении на фильтры большого количества активного угля потеря напора в них обычно быстро растет и резко возрастает расход промывной воды. Двухслойные фильтры лучше обычных приспособлены к осветлению воды, содержащей ПАУ. При малых дозах активный уголь целесообразно вводить в воду после отстойников; в этом случае сорбционная способность угля используется более полно, чем при введении его в воду перед отстойниками, в которых уголь быстро оседает, не успев сорбировать содержащиеся в воде органические вещества.

Реализация процесса углевания не требует значительных капитальных затрат, необходимо лишь строительство блока приготовления и дозирования ПАУ и склада ПАУ.

Вследствие сильного пыления и взрывоопасности ПАУ в сухом виде в воду вводят редко. Обычно предварительно готовят суспензию 2-10% ПАУ в воде, которую и направляют в основной поток обрабатываемой воды. Дозу ПАУ выбирают с учетом загрязненности воды и сорбционных свойств угля. В нашей стране (1982 г) как правило, D_у=1-5 мг/дм³, в Финляндии 5-15 мг/дм³, в ФРГ (водозаборы на Рейне) 25-40мг/дм³, во Франции 5-40 мг/дм³, в Англии и США 5-30 мг/дм³.Большие дозы ПАУ свидетельствуют о сильной загрязненности источников за рубежом.

Постоянное использование ПАУ для водоподготовки обычно не выгодно из-за нерентабельности и невозможности его регенерации и потерь при дозировании.

Для постоянной сорбционной обработки воды используют гранулированные активные угли (ГАУ), которые можно регенерировать, что снижает стоимость очистки воды, хотя ГАУ и дороже, а их применение требует больших капитальных затрат. Фильтрование через ГАУ дает воду лучшего и более постоянного качества по сравнению с углеванием (срок службы ГАУ при очистке природных вод - от 2 до 30 мес.)

Одно из традиционных направлений использования активных углей в водоподготовке - дехлорирование питьевой воды, реализуемое на угольных фильтрах. Высоту фильтра назначают в зависимости от скорости фильтрования, начальной и конечной концентрации свободного хлора.

Дехлорирующие фильтры регенерируют один раз в месяц горячим раствором соды или едкого натра. До регенерации 1 кг ГАУ дехлорирует 50-100 м³ воды.

Механизм дехлорирования воды на ГАУ состоит из сорбции и последующего разложения хлорноватистой кислоты. Ион OCl^- менее реакционноспособен и хуже сорбируется, чем HOCl, поэтому сдвиг рН, приводящий к увеличению степени диссоциации HOClH⁺+OCl^-, снижает дехлорирующий эффект.

Неуглеродные сорбенты в процессах водоочистки

Для очистки воды все большее применение находят неуглеродные сорбенты естественного и искусственного происхождения (глинистые породы, цеолиты и некоторые другие материалы).

Использование таких сорбентов обусловлено достаточно высокой емкостью их, избирательностью, катионообменными свойствами некоторых из них, сравнительно низкой стоимостью и доступностью (иногда как местного материала).

Глинистые породы - наиболее распространенные неорганические сорбенты для очистки воды. Они обладают развитой структурой с микропорами, имеющими различные размеры в зависимости от вида минерала. Большая часть из них обладает слоистой жесткой или расширяющейся структурой.

Механизм сорбции загрязнений на глинистых материалах достаточно сложен и включает Ван-дер-ваальсовые взаимодействия углеводородных цепочек с развитой поверхностью микрокристаллов силикатов и кулоновское взаимодействие заряженных и поляризованных молекул сорбата с положительно заряженными участками поверхности сорбента, содержащими ионы Н⁺ и Al³⁺.

Наибольшее распространение глинистые материалы получили для обесцвечивания воды, удаления неорганических примесей и особо токсичных хлорорганических соединений и гербицидов, различных ПАВ.

Природные сорбенты добывают в непосредственной близости от места потребления, что постоянно расширяет масштаб их применения для очистки воды.

Цеолиты - разновидности алюмосиликатных каркасных материалов. Эти материалы имеют отрицательный трехмерный алюмосиликатный каркас со строго регулярной тетраэдрической структурой. В промежутках каркаса находятся гидратированные положительные ионы щелочных и щелочноземельных металлов, компенсирующих заряд каркаса, и молекулы воды. В адсорбционные полости цеолитов сорбируется лишь молекулы веществ, критический размер которых меньше эффективного размера входного окна, от этого и их второе название - молекулярные сита.

Известно более 30 видов природных цеолитов, но лишь часть из них образует крупные месторождения (80% концентратов) удобные для промышленной переработки. Наиболее распространенные природные цеолиты:

шабазит (Na₂Ca)OAl₂O₃4SiO₂6H₂O с размером окон 0.37-0.50 нм;

морденит (Na₂K₂Ca)OAl₂O₃10SiO₂6.7H₂O с размером окон 0.67-0.70 нм;

клинопптиломит (Na₂K₂Ca)OAl₂O₃10SiO₂8H₂O

Для получения прочных и водостойких фильтрующих материалов из природных цеолитов их, так же, как и глины, нагревают в печах с хлоридом карбонатом натрия при 1000⁰С.

Обработка поверхности цеолитов кремнийорганическими соединениями делает ее гидрофобной, что улучшает сорбцию нефти из воды.

Природные цеолиты используются в виде порошков и фильтрующих материалов для очистки воды от ПАВ, ароматических и канцерогенных органических соединений, красителей, пестицидов, коллоидных и бактериальных загрязнений.

Кроме цеолитов и природных глин перспективными являются неорганические иониты.

Экстракция

ЭКСТРАКЦИЯ ЖИДКОСТНАЯ (позднелат. extractio - извлечение, от extraho - вытягиваю, извлекаю), перевод одного или неск. компонентов р-ра из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней др. жидкую фазу, содержащую избират. р-ритель (экстрагент); один из массообменных процессов хим. технологии. Используется для извлечения, разделения и концентрирования растворенных в-в.

Количественно интенсивность перераспределения оценивается коэффициентом экстракции Кэ = Сэ/Св, где Сэ и Св -- концентрации примеси в экстрагенте и сточной воде по окончании процесса экстракции. В частности, при очистке сточных вод от фенола с использованием в качестве экстрагента бензола или бугилацетата Кэ составляет соответственно 2,4 и 8...12. Для интенсификации процесса |экстракции перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществляют в экстракционных колоннах, заполненных насадками из колец Рашига.

Экстрагенты обеспечивают переход целевых компонентов из исчерпываемой (тяжелой) фазы, к-рая чаще всего представляет собой водный р-р, в извлекающую (легкую) фазу (обычно орг. жидкость). Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракц. систему. Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является р-ром одного или неск. экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физ. (вязкость, плотность) и экстракц. св-в экстрагентов. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, к-рые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам р-ра. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие р-римость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание фаз (спирты, кетоны, трибутилфосфат и т.д.).

К осн. стадиям экстракции жидкостной относятся: 1) приведение в контакт и диспергирование фаз; 2) разделение или расслаивание фаз на экстракт (извлекающая фаза) и рафинат (исчерпываемая фаза); 3) выделение целевых компонентов из экстракта и регенерация экстрагента, для чего наряду с дистилляцией наиб. часто применяют реэкстракцию (процесс, обратный экстракции жидкостной), обрабатывая экстракт водными р-рами в-в, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в р-р или осадок и их концентрирование; 4) промывка экстракта для уменьшения содержания и удаления механически захваченного исходного р-ра.

В любом экстракц. процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены. Эмульсии, образующиеся при перемешивании, обычно термодинамически неустойчивы, что обусловлено наличием избыточной своб. энергии вследствие большой межфазной пов-сти. Последняя уменьшается из-за коалесценции (слияния) капель дисперсной фазы. Коалесценция энергетически выгодна (особенно в бинарных системах) и происходит до тех пор, пока не образуются два слоя жидкости (см. Коалесценция, Тонкие пленки).

Разделение эмульсий осуществляется, как правило, в две стадии. Сначала довольно быстро осаждаются (всплывают) и коалесцируют крупные капли. Значительно более мелкие капли остаются в виде "тумана", к-рый отстаивается довольно долго. Скорость расслаивания зачастую определяет производительность аппаратуры всего экстракц. процесса. На практике для интенсификации разделения фаз используют центробежные силы и применяют разл. устройства или насадки, к-рые располагают в отстойниках. В ряде случаев расслаиванию способствует электрич. поле.

Осн. требования к пром. экстрагентам: высокая избирательность; высокая экстракц. емкость по целевому компоненту; низкая р-римость в рафинате; совместимость с разбавителями; легкость регенерации; высокие хим., а в ряде случаев и радиационная стойкость; негорючесть или достаточно высокая т-ра вспышки (более 60 °С); невысокая летучесть и низкая токсичность; доступность и невысокая стоимость.

Наиб. распространенные пром. экстрагенты подразделяют на след. классы: 1) нейтральные, извлечение к-рыми осуществляется по разным механизмам в зависимости от кислотности исходного р-ра,- вода, фосфорорг. соед. (гл. обр. трибутилфосфат), нефтяные сульфоксиды, насыщенные спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны и др.; 2) кислые, к-рые извлекают катионы металлов в орг. фазу из водной,- фосфорорг. к-ты [ди(2-этилгексил) фосфорная к-та], карбоновые и нафтеновые к-ты, сульфокислоты, алкилфенолы, хелатообразующие соед. (гидроксиоксимы, алкилгидроксихинолины,в-дикетоны); 3) основные, с помощью к-рых извлекают анионы металлов из водных р-ров,-первичные, вторичные, третичные амины и их соли, соли четвертичных аммониевых, фосфониевых и арсониевых оснований и др.

Эвапорация

ЭВАПОРА'ЦИЯ, и, мн. нет, ж. [латин. evaporatio] (науч). Выпаривание, испарение.

Эвапорацией называют отгонку водяным паром летучих веществ, которые загрязняют сточную жидкость. Эвапорация производится в периодически действующем аппарате или в непрерывно действующих дистилляционных колонках.

Сточная жидкость (например, содержащая фенол), нагретая в теплообменнике, поступает в колонну, через которую навстречу движению сточной жидкости пропускают острый пар. Летучие загрязнения сточной жидкости переходят в паровую фазу и распределяются между двумя фазами (паром и водой) в соответствии с уравнением СП/СВ = g, где СП и СВ -- концентрации примеси в паре и сточной воде, кг/м3; g -- коэффициент распределения. Для аммиака, этиламина, диэтиламина, анилина и фенола, содержащихся в сточной воде, коэффициент распределения соответственно равен 13, 20, 43; 5,5 и 2.

Насыщенный загрязнениями пар поступает в поглотительную колонну, где он очищается от загрязнений.

Концентрация примеси в сточной воде на выходе из эвапорационной колонны:

СВ = С0(qg -- 1)/( qgex --1),

где С0 -- концентрация примеси в исходной сточной воде, кг/м3; q -- удельный расход пара, кг/кг; х = [rsH(qg - 1)]/(bqg), здесь bqg -- эмпирическая постоянная насадки; b -- плотность орошения колонны водой, м3/м2; r -- эмпирическая постоянная, м/с; s -- удельная площадь поверхности насадки, м3/м2; Н -- высота слоя насадки, м.

Схема эвапорационной установки

а -- непрерывной экстракции; 6 -- схема эвапорационной установки; 1 -- отстойник; 2 -- смолоотделитель; 3 -- аппарат для подкисления сточной жидкости серной кислотой; 4 -- теплообменник; 5--эвапорационная колонка; 6 -- сборник обесфеноленной воды; 7 -- аппарат для биологической доочистки; 8 и 9 -- скрубберы для промывки пара; 10 и 11 -- приемники свежей щелочи; 12 -- сборник отработанной щелочи

Если сточную жидкость нужно очистить от фенола, то пар освобождают от него пропусканием через нагретый до 100 раствор щелочи.

Коагуляция

КОАГУЛЯЦИЯ (от лат. coagulatio- свертывание, сгущение), объединение частиц дисперсной фазы в агрегаты вследствие сцепления (адгезии) частиц при их соударениях. Соударения происходят в результате броуновского движения, а также седиментации, перемещения частиц в электрич. поле (электрокоагуляция), мех. воздействия на систему перемешивания... Наиболее часто в качестве коагулянта используют полигидраты солей алюминия и железа, например, полиалюмогидрохлорид или полиалюмогидросульфат, или полигидрат сульфата железа (II). Последний реагент применяется при совмещении процессов коагуляции и известкования.

Процесс осветления коагуляцией - сложное физико-химическое явление, успех которого зависит от массы параметров. Тем не менее, можно выделить четыре основных фактора, которые определяют скорость и качество протекания реакции.

1. Скорость потока. Поскольку глубина процесса детерминирована временем образования и укрупнения флокул, следует учитывать, что режим потока может существенно влиять на возникающие первичные рыхлые хлопья. В пределе, они могут даже разрушаться. Поэтому скорость потока воды в зоне реакции и отстаивания не должна превышать 1-1,5 мм/с.

2. рН среды. В связи с тем, что скорость и глубину гидролиза коагулянта определяет кислотность среды, она должна находиться в заданных для данного реагента параметрах. Например, для сульфата алюминия эмпирическое значение оптимального рН находится в пределах 5,5-7,5. В более кислой (рН? 4,5) среде гидролиз реагента не происходит, а в более щелочной (свыше 8) получившийся гидроксид алюминия, благодаря амфотерности металла, диссоциирует, как кислота, в результате чего эффективность процесса падает.

3. Температура. Подогрев (до 40єС) и перемешивание очищаемой воды увеличивает скорость процесса и повышает размер флокул.

4. Дозировка коагулянта. Оптимальная дозировка коагулянта определяется на основе анализа природной воды и может варьировать в достаточно широких пределах, в зависимости от времени года и пр.

Следует заметить, что последний фактор может иметь решающее значение в стоимости первичной обработки воды, поскольку реагенты для такой обработки достаточно дороги. Для снижения расходов оптимальным выходом становится внедрение автоматизированных систем первичной обработки. Они позволяют существенно сократить расход химикатов (за счет высокой точности подачи - до 1-1,5% по объему) и оптимизировать процессы первичной очистки. Такие системы сегодня нашли достаточно широкое применение в водозаборах. Например, на Западном водозаборе г. Москвы, откуда вода поступает, в том числе, и на ТЭЦ, вода из реки проходит обработку флокулянтами (полиалюмогидрохлорид) при помощи установок GRUNDFOS POLYDOS, при этом станция также самостоятельно поддерживает оптимальный рН. Система полностью автоматизирована и контролируется, через специальные шкафы управления, из центрального диспетчерского пункта.

Флотация

Флотация (франц. flottation, от flotter - плавать), процесс разделения мелких твёрдых частиц (главным образом минералов), основанный на различии их в смачиваемости водой.

Известно, что при флотации мелкие частицы уносятся мелкими газовыми пузырьками, крупные-крупными, а эффективность флотации зависит еще и от электрического заряда пузырька.

Флотация - способ промышленно очистки воды, основанный на удалении загрязнений с помощью пузырьков воздуха. Всплывая, они захватывают частицы примесей, в том числе масел и нефтепродуктов, и выносят их на поверхность воды, образуя там пленку или пенный слой, который затем снимается специальными пеносборными механизмами. Флотаторы предназначены для доочистки сточных вод от мелких частиц минерального происхождения и нерастворимых нефтепродуктов, которые присутствуют в воде в виде мелких капель.

Процесс образования комплекса пузырек-частица происходит в три стадии: сближение пузырька воздуха и частицы в жидкой фазе, контакт пузырька с частицей и прилипание пузырька к частице.

Прочность соединения пузырек-частица зависит от размеров пузырька и частицы, физико-химических свойств пузырька, частицы и жидкости, гидродинамических условий и других факторов.

Процесс очистки стоков при флотации заключается в следующем. Поток жидкости и поток воздуха (мелких пузырьков) в большинстве случаев движутся в одном направлении. Взвешенные частицы загрязнений находятся во всем объеме сточной воды и при совместном движении с пузырьками воздуха происходит агрегатирование частицы с воздухом. Если пузырьки воздуха значительных размеров, то скорости воздушного пузырька и загрязненной частицы различаются так сильно, что частицы не могут закрепиться на поверхности воздушного пузырька. Кроме того, большие воздушные пузырьки при быстром движении сильно перемешивают воду, вызывая разъединение уже соединенных воздушных пузырьков и загрязненных частиц. Поэтому для нормальной работы флотатора во флотационную камеру не допускаются пузырьки более определенного размера.

Флотационная очистка сточных вод

Процесс флотации широко применяют при обогащении полезных ископаемых, а также при очистке сточных вод.

В зависимости от способа получения пузырьков в воде существуют следующие способы флотационной очистки:

флотация пузырьками, образующимися путем механического дробления воздуха (механическими турбинами-импеллерами, форсунками, с помощью пористых пластин и каскадными методами);

флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная).

Вакуумная флотация

Вакуумная флотация основана на понижении давления ниже атмосферного в камере флотатора. При этом происходит выделение воздуха, растворенного в воде. При таком процессе флотации образование пузырьков воздуха происходит в спокойной среде, в результате чего улучшается агрегирование комплексов частица-пузырек и не нарушается их целостность вплоть до достижения ими поверхности жидкости.

Создание вакуума в большом закрытом резервуаре представляет большие технические трудности из-за необходимости большой герметизации системы и усиления конструкции установки.

Напорная флотация

Этот вид очистки сточных вод выполняется в две стадии: насыщение воды воздухом под давлением; выделение пузырьков воздуха соответствующего диаметра и всплытие взвешенных и эмульгированных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха. Если флотация проводится без добавления реагентов, то такая флотация относится к физическим способам очистки сточных вод. Если флотационный процесс идет с добавлением химических реагентов, то такая очистка сточных вод считается физико-химической. Применение химических реагентов улучшает качество очистки воды, но вызывает образование большого количества шлама, нуждающегося в дальнейшей переработке.

Современные схемы флотационных установок можно разделить на три основные группы:

с насыщением всего потока сточной воды воздухом;

с насыщением части потока сточной воды воздухом;

с насыщением части очищенной воды воздухом и смешением ее со сточной водой, поступающей на очистку.

Первая схема является наиболее простой. Сточная вода насыщается воздухом под давлением и поступает в напорный резервуар, в котором воздух растворяется, а не растворившиеся пузырьки отделяются от воды. Воздух подается во всасывающую линию насоса при помощи эжектора. Подача воздуха во всасывающий коллектор насоса способствует более интенсивному растворению воздуха в воде по отношению к предполагаемому растворению, рассчитанному по имеющимся эмпирическим формулам. Основной процесс растворения воздуха в воде происходит в напорных резервуарах. В функции напорных резервуаров входит также отделение нерастворившихся пузырьков воздуха от воды. При использовании во флотационном процессе химических реагентов напорные резервуары служат также для процессов образования хлопьев. Наибольшее распространение получили напорные резервуары с вертикальной перегородкой. Время пребывания воды в напорном резервуаре обычно составляет 1-2 мин.

Образование пузырьков происходит в редукционном клапане, который поддерживает давление «до себя», т.е. в системе насос - напорный резервуар - трубопровод. Редукционный клапан поддерживает практически постоянное давление.

Дальнейшее движение пузырьков воздуха происходит во флотационной камере. Здесь пузырьки агрегируются с частицами. В промышленности используют флотаторы двух типов в зависимости от формы в плане: прямоугольный и круглый.

В прямоугольном флотаторе сточная вода подается в приемную камеру флотатора с помощью распределительной перфорированной трубы. Смесь сточной воды и воздуха из приемной камеры переливается через струегасящую перегородку в отстойную камеру. Здесь происходит разделение сточной жидкости на очищенную воду и шлам. Очищенная вода отводится из отстойной камеры с помощью перфорированной трубы. Шлам сбрасывается в камеру пены скребками ленточного транспортера.

Современные горизонтальные флотаторы имеют длину 2-36 м и ширину до 6 м. На этой длине флотаторы могут иметь не одну, а несколько флотационных камер. В многокамерной флотационной установке сток, содержащий нефть, с помощью гидроэлеватора, потребляющего около 50% рециркуляционного расхода, поднимается в камеру грубой очистки, в центре которой установлен гидроциклон, а затем последовательно проходит три флотационных отделения и отстойную камеру. Флотационная очистка по этой схеме является наиболее простой.

Недостатки ее: повышенное эмульгирование нефтепродуктов и смол при перекачке центробежными насосами, а также необходимость перекачки под давлением всего объема сточной жидкости.

Вторая схема флотационной очистки отличается от первой тем, что воздухом насыщается только часть сточной воды. Эта схема не избавляет от эмульгирования нефтепродуктов, но снижает энергетические затраты.

По третьей схеме сточная вода подается непосредственно во флотатор, а часть очищенной воды насыщается воздухом и перемешивается со стоками перед флотатором.

Цилиндрические флотаторы более компактны и широко используются в промышленности. Они работают также по трем выше перечисленным схемам. Цилиндрические флотаторы рассчитаны на производительность 100-4000 м3/ч, т.е. на гораздо большую производительность по сравнению с прямоугольным флотатором.

Импеллерная флотация

Флотаторы импеллерного типа применяют для очистки сточных вод нефтяных предприятий от нефти, нефтепродуктов и жиров. Их также можно использовать для очистки сточных вод других предприятий. Данный способ очистки в промышленности применяют редко из-за его небольшой эффективности, высокой турбулентности потоков во флотационной камере, приводящей к разрушению хлопьевидных частиц, и необходимости применять поверхностно-активные вещества.

Сущность этого процесса заключается в диспергировании воздуха в воде с помощью механической мешалки (импеллера). Импеллер, установленный на дне флотационной камеры, приводится в движение от электродвигателя, который расположен выше уровня воды во флотаторе. При вращении импеллера образуется зона пониженного давления и через центральную трубу на его лопатки попадает воздух. Одновременно через отверстия на лопасти импеллера поступает небольшое количество воды, которая перемешивается с воздухом и выбрасывается через боковые отверстия во флотационную камеру, где пузырьки воздуха прилипают к частицам и флотируют их на поверхность воды.

Степень измельчения пузырьков воздуха зависит от окружной скорости импеллера. Для экономичного расходования электроэнергии и полного использования объема камеры флотатора диаметр импеллеров крупных флотационных машин редко превышает 750 мм, что обусловливает установку большого числа флотационных камер. Это в свою очередь усложняет технологическую обвязку и удорожает эксплуатационные расходы. Импеллерные флотаторы целесообразно применять при очистке с высокой концентрацией (выше 2000-3000 мг/л) нерастворенных загрязнений, т.е. когда для флотации требуется высокая степень насыщения воздухом сточной воды (0,1-0,5 объема воздуха на один объем воды).

Преимущество таких машин заключается в полной имитации процесса и возможности быстрого получения предварительных данных для расчета флотатора.

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы

Для получения пузырьков воздуха небольших размеров можно использовать пористые материалы, которые должны иметь достаточное расстояние между отверстиями, чтобы не допустить срастания пузырьков воздуха над поверхностью материала. На размер пузырька большое влияние оказывает скорость истечения воздуха из отверстия. Для получения микропузырьков необходима относительно небольшая скорость истечения.

Преимущество такой флотации заключается в простоте конструкции установки и уменьшении затрат электроэнергии. Недостатки этого метода - засорение пор, разрушение пористого материала (керамики), а также трудности, связанные с подбором мелкопористых материалов, обеспечивающих постоянство во времени определенного размера пузырьков воздуха.

В зависимости от количества сточной жидкости применяют вертикальные и горизонтальные флотаторы. Вертикальные флотаторы небольшой производительности могут быть поточными и противоточными.

В противоточном флотаторе сточная жидкость по трубопроводу подается в верхнюю часть флотатора, представляющего собой цилиндр высотой 2-4 м. В нижнюю часть флотатора закачивается воздух. Последний поступает в поддон, а оттуда через отверстия керамических колпачков, которые закреплены на поддоне, во флотационную камеру. Здесь пузырьки воздуха движутся снизу вверх, а сточная вода - сверху вниз и из нижней части флотатора отводится по трубопроводу и регулятор уровня из флотатора. Образовавшаяся во флотаторе пена отводится с помощью желоба и шламоотводящей трубы за пределы флотатора.

Для очистки больших количеств сточных вод применяют горизонтальные флотаторы. Воздух во флотационную камеру поступает через мелкопористые фильтросы, уложенные на дне. Сточная вода подается в верхнюю часть флотационной камеры, а отводится из нижней через регулятор уровня. В этом случае пузырьки воздуха движутся вверх вместе с потоком воды. Время пребывания воды во флотаторе определяется из условия максимального отделения загрязнений из сточной воды и возможности всплытия пены на ее поверхности.

Габариты флотаторов зависят от их производительности, размера воздушных отверстий, давления воздуха под фильтросами, уровня воды и др.

Электрофлотация

В настояще время на станциях очистки широко используют электрофлотацию, так как протекающие при этом электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Кроме того, применение для электрофлотации алюминиевых или стальных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц механических примесей сточной воды.

Сточная жидкость при пропускании через нее постоянного электрического тока насыщается пузырьками водорода, образующегося на катоде. Электрический ток, проходящий через сточную воду, изменяет химический состав жидкости, свойства и состояние нерастворимых примесей. В одних случаях эти изменения положительно влияют на процесс очистки стоков, в других - ими надо управлять, чтобы получить максимальный эффект очистки.

При прохождении воды через межэлектродное пространство протекают такие процессы, как электролиз, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные реакции, а также реакции между отдельными продуктами электролиза. Интенсивность происходящих процессов зависит от химического состава сточной воды, материала электродов, которые могут быть растворимыми и нерастворимыми, и от параметров электрического тока (напряжение и плотность).

Образование дисперсной газовой фазы в процессе электрофлотации происходит вследствие электролиза воды. Основной составляющей электролизных газов является водород; при этом выделяется незначительное количество кислорода, хлора, оксидов углерода и азота.

При расчете электрофлотатора определяют расход газа, необходимого для обеспечения заданной эффективности очистки, qг = 100Q(С0 - Ск)6М, где С0 и Ск -- концентрации маслопродуктов в исходной и очищенной сточной воде, кг/м3; М -- удельная адсорбция маслопродуктов газовой фазой, л/кг. Затем находят силу тока для получения требуемого количества электролизного газа I = qг/aг, где aг -- выход газа по току; aг = 0,0076 дм3 / (л*мин).

Расход водорода (дм /мин) в смеси электролизного газа

qН2 =22,4 qгaн (aг МН2),

где (aн -- электрохимический эквивалент водорода, aн = 0,627 мг/(А*мин); МН2 -- молекулярная масса водорода.

Задают расход воздуха, подаваемого под границу раздела «сточная вода -- воздух рабочей зоны» в камере флотации, исходя из соотношения qв3 50 qН2 и определяют суммарный расход газовоздушной смеси, выходящей через открытую поверхность флотатора qсм = qг + qв. Выбирают удельный расход газовоздушной смеси через поверхность ценообразования w = 300...600 дм3/(м3* мин) и определяют площадь поверхности пенообразования f = qсм /w.

Определяют объемную плотность тока (А/м3), обеспечивающую необходимую величину газонаполнения j = (j + 0,261 Кф + 0,1) /(0,022 -- 0,011Кф), где j -- степень газонаполнения сточной воды в процессе флотации; j = 1...5 дм3/м3; Кф = 0,3...1,2 -- коэффициент формы флотационной камеры.

Находят объем и площадь поперечного сечения флотационной камеры V= I/j; F= (Кф)2 и затем ее основные размеры.

Применение растворимых электродов (железных или алюминиевых) вызывает анодное растворение металла. В результате этого процесса в воду переходят катионы железа или алюминия, которые, встречаясь с гидроксильными группами, образуют Al2O3, Al(OH)3 или Fe2O3, Fe(OH)3, являющиеся распространенными в практике обработки водой коагулянтами. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает предпосылки для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях, интенсивной коагуляции загрязнений, энергичного протекания процессов сорбции, адгезии и, как следствие, более эффективной флотации.

Коагуляция загрязнений в межэлектродном пространстве может происходить не только за счет растворения анода, но и в результате электрофизических явлений, разряда заряженных частиц на электродах, образования в растворе веществ (хлора и кислорода), разрушающих сольватные оболочки на поверхности частиц. Эти процессы особенно выявляются в случае применения нерастворимых электродов.

Выбор материала электродов может быть увязан с агрегативной устойчивостью частиц загрязнений в сточной жидкости. Материал и геометрические параметры электродов влияют на размер пузырьков газа. Замена пластинчатых электродов на проволочную сетку приводит к уменьшению крупности пузырьков и, следовательно, к повышению эффективности очистки воды.

Ионный обмен

ИОННЫЙ ОБМЕН - это обратимая химическая реакция, при которой происходит обмен ионами между твердым веществом (ионитом) и раствором электролита.

В водоподготовке ионный обмен применяют для умягчения, обессоливания воды, селективного удаления различных ионов и т.д.

ИОНИТЫ (ионообменники, ионообменные сорбенты), полимерные в-ва и материалы, содержащие ионогенные и (или) комплексообразующие группы, способные к обмену ионов при контакте с р-рами электролитов. Большинство ионитов - твердые нерастворимые полиэлектролиты аморфной или кристаллич. структуры. Ионогенные группы закреплены на мол. каркасе (матрице) и диссоциируют, давая полиионы (фиксир. ионы) и подвижные противоионы, компенсирующие заряды полиионов.