Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский Химико-Технологический Университет имени Д.И. Менделеева

Факультет технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов

Кафедра технологии электрохимических производств

РЕФЕРАТ

по теме: «Экстракция - метод очистки сточных вод»

Выполнила: Андросова Евгения

Проверил: Колесников В.А.

Москва 2012

Содержание

Введение

1. История развития экстракции

2. Источники загрязнения внутренних водоемов

3. Методы очистки сточных вод

4. Очитка сточных вод методом жидкостной экстракции

Заключение

Список литературы

Введение

Вода - ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.

Потребности в воде огромны и ежегодно возрастают. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 км³. При этом 70 % всего водопотребления используется в сельском хозяйстве. Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в воде. Значительное количество воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.

Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

На современном этапе определяются такие направления рационального использования водных ресурсов: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

1. История развития экстракции

1) Неорганический период развития экстракции.

Экстракция как метод извлечения, концентрирования, разделения и идентификации давно интересовала специалистов. Расцвет экстракционных методов приходится на середину XX века. Именно в то время проявился особый интерес к выделению элементов, применяемых в атомной промышленности.

Чем привлекла экстракция специалистов? Рентабельностью извлечения ценных компонентов и устранения вредных примесей, возможностью разделения родственных компонентов с близкими физико-химическими свойствами, низкими рабочими температурами процессов, возможностью сочетания экстракции с ректификацией, относительной простотой аппаратурного оформления, возможностью автоматизации процессов. Другое направление в практическом приложении экстракции связано с выделением редкоземельных элементов и развитием лазерной техники, созданием новых оптических устройств, изготовлением мощных магнитов постоянного тока и сверхпроводящих материалов.

Исторически сложилось так, что объектами экстракции в течение длительного времени были только неорганические соединения. "Неорганический" период развития экстракции и экстракционных методов оказался чрезвычайно плодотворным. Именно в то время опубликованы ставшие классическими монографии Д. Моррисона, Г. Фрейзера, Р. Трейбала, отечественных ученых Ю.А. Золотова, Н.М. Кузьмина, Г.А. Ягодина, Б.И. Браунштейна, А.С. Железняка, А.М. Розена, М.И. Кабачника и др. Эти работы доступны широкому кругу специалистов и представляют несомненный интерес для учителей, желающих расширить знания в области экстракции и экстракционных методов.

2) Новое направление - экстракция органических соединений.

В начале 60-х годов были опубликованы работы в области экстракции, в которых распределяемыми веществами являются органические соединения. В те годы экстракцию применяли в основном для извлечения из растворов биологически активных веществ, например: гормонов гипофиза, ферментов, витаминов, а также антибиотиков из препаратов различного генезиса. Родоначальники этого направления - американские биохимики C. Hansch, A. Leo и их сотрудники опубликовали многочисленные работы в основном в журналах медицинского профиля. В монографии [1] обобщены известные к середине 70-х годов исследования по экстракции биологически активных веществ, а также органических соединений разных классов.

Несомненная заслуга C. Hansch и его сотрудников состоит в широком применении метода корреляций для установления взаимосвязей между коэффициентами распределения родственных органических соединений. При этом наши американские коллеги ограничились одной системой (октиловый спирт - вода), но и на этом единичном примере убедительно проиллюстрировали связь между коэффициентами распределения и строением органических веществ (характер, положение и число функциональных групп). В работах C. Hansch приведены многочисленные корреляционные уравнения, их общий вид:

lg Dx = s lg Do + p,

где Dx и Do - коэффициенты распределения замещенного и эталонного (не содержащего заместителя) соединений между октиловым спиртом и водой; s и p - константы, количественно описывающие влияние физико-химических свойств экстрагента и распределяемого соединения на коэффициент D.

3) Объекты исследования - фенолы.

Итак, осталось выбрать объекты экстракции, причем такие, которые позволяли бы проводить многоплановые исследования в области физической органической химии и решать актуальные задачи органического анализа. Выбор был сделан сразу и оказался снайперским - фенолы. При этом руководствовались следующими соображениями:

- широким представительством соединений этого класса, возможностью изучать экстракцию изомеров, гомологов, моно- и полизамещенных, родственных соединений с разнохарактерными заместителями, многоядерных соединений (например, нафтолов);

- разнообразным применением фенолов - продуктов многотоннажного производства в промышленности, сельском хозяйстве, медицине; это обстоятельство обеспечивало практическое использование будущих разработок в различных отраслях народного хозяйства, науки, технологии;

- исключительной токсичностью многих фенолов, с одной стороны, и бальнеологическим действием микродоз фенольных соединений - с другой.

Впоследствии круг объектов исследования расширился за счет бензойной кислоты и ее замещенных, анилина и нитроанилинов, дифениламина, нафтолов и нафтолсульфокислот, других ароматических соединений. Таким образом, с самого начала (1965 год) теоретические исследования проводились на стыке трех областей химической науки (физическая, органическая, аналитическая химия), практические разработки имели явно выраженный эколого-аналитический характер.

4) Новейшие достижения в области экстракции органических соединений.

Новые задачи, решаемые с применением экстракции, обусловили расширение круга экстрагентов. До середины 80-х годов в качестве экстрагентов применяли в основном гидрофобные спирты (пентиловый - дециловый), эфиры уксусной кислоты (бутилацетат - гептилацетат), ароматические и алифатические углеводороды, их галоген- и нитропроизводные, а также бинарные смеси гидрофобных экстрагентов.

Систематизация коэффициентов распределения органических соединений разных классов показала, что даже в наиболее эффективных системах гидрофобный растворитель - вода величины D редко превышают 100-1000.

В последние годы появились работы, в которых обсуждается экстракция ароматических соединений эфирами фосфорной кислоты (в частности, триалкилфосфатами), ранее применявшимися только для экстракции неорганических компонентов. Мы показали, что с уменьшением числа углеродных атомов в молекулах растворителей - гомологов (спирты, эфиры) их экстрагирующая активность систематически повышается [5]. Такая закономерность приводит к выводу о целесообразности экстракции низшими гомологами. Однако вследствие частичной или полной растворимости в воде эти гомологи для экстракции из водных сред до недавнего времени не применялись. В этой связи важное значение приобретают исследования экстракции фенольных соединений и анилина кетонами различного строения (алифатические, ароматические, циклические), некоторыми лактонами и лактамами. Среди этих кетонов немало гидрофильных растворителей, заметно или неограниченно смешивающихся с водой. К таким экстрагентам относятся, например, метилэтилкетон, метилпропилкетон, ацетилацетон, циклогексанон, ацетон, ацетонитрил, N-метилпирролидон, 4-бутиролактон. В качестве экстрагентов стали применять также бутиловый и пропиловый спирты нормального и изомерного строения, метил- и этилацетаты, этилформиат, эфиры этилен-гликоля, диоксан.

При экстракции гидрофильными растворителями расслаивание системы (образование самостоятельной органической фазы) происходит в результате введения в водную пробу больших количеств нейтральных солей. Детальные исследования высаливания фенолов при экстракции гидрофобными и гидрофильными растворителями подтвердило эффективность последних. Помимо достижения высоких коэффициентов распределения такие экстрагенты решают еще одну важную задачу - расширяют круг методов детектирования экстрактов. При этом отпадает необходимость в реэкстракции (эта стадия сопряжена с дополнительными погрешностями и увеличением продолжительности анализа) и становится возможным анализ неводных концентратов электрохимическими методами. В первую очередь это относится к потенциометрическому титрованию по протолитическому и окислительно-восстановительному механизмам, кондуктометрическому и амперометрическому титрованию, вольтамперометрическим определениям.

На основе теоретических разработок создан комплекс экстракционно-электрохимических методов раздельного определения микроколичеств ароматических соединений в объектах окружающей среды. Методы применимы для селективного определения изомеров, гомологов, моно- и полизамещенных соединений, характеризуются точностью, воспроизводимостью получаемых результатов, экспрессностью, простотой аппаратурного оформления. Эти разработки доступны широкому кругу лабораторий и предназначены для выполнения серийных анализов.

2. Источники загрязнения внутренних водоемов

Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения. Загрязнение поверхностных и подземных вод можно распределить на такие типы:

- механическое - повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;

- химическое - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

- бактериальное и биологическое - наличие в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

- радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;

- тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.

Основными источниками загрязнения и засорения водоемов является недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов, отходы производства при разработке рудных ископаемых; воды шахт, рудников, обработке и сплаве лесоматериалов; сбросы водного и железнодорожного транспорта; отходы первичной обработки льна, пестициды и т.д.

Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, приводят к качественным изменениям воды, которые в основном проявляются в изменении физических свойств воды, в частности, появление неприятных запахов, привкусов и т.д.; в изменении химического состава воды, в частности, появление в ней вредных веществ, в наличии плавающих веществ на поверхности воды и откладывании их на дне водоемов.

Производственные сточные воды загрязнены в основном отходами и выбросами производства. Количественный и качественный состав их разнообразен и зависит от отрасли промышленности, ее технологических процессов; их делят на две основные группы: содержащие неорганические примеси, в том числе и токсические, и содержащие яды.

К первой группе относятся сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд и т.д., в которых содержатся кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов и др. Сточные воды этой группы в основном изменяют физические свойства воды.

Сточные воды второй группы сбрасывают нефтеперерабатывающие, нефтехимические заводы, предприятия органического синтеза, коксохимические и др. В стоках содержатся разные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вредоносное действие сточных вод этой группы заключается главным образом в окислительных процессах, вследствие которых уменьшается содержание в воде кислорода, увеличивается биохимическая потребность в нем, ухудшаются органолептические показатели воды.

Нефть и нефтепродукты на современном этапе являются основными загрязнителями внутренних водоемов, вод и морей, Мирового океана. Попадая в водоемы, они создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, растворенные или эмульгированные в воде. Нефтепродукты, осевшие на дно тяжелые фракции и т.д. При этом изменяется запах, вкус, окраска, поверхностное натяжение, вязкость воды,

уменьшается кол-во кислорода, появляются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и представляет угрозу не только для человека. 12 г нефти делают непригодной для употребления тонну воды.

Довольно вредным загрязнителем промышленных вод является фенол. Он содержится в сточных водах многих нефтехимических предприятий. При этом резко снижаются биологические процессы водоемов, процесс их самоочищения, вода приобретает специфический запах карболки.

На жизнь населения водоемов пагубно влияют сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности. Окисление древесной массы сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Волокна и другие нерастворимые вещества засоряют воду и ухудшают ее физико-химические свойства. На рыбах неблагоприятно отражаются молевые сплавы. Из гниющей древесины и коры выделяются в воду различные дубильные вещества. Смола и другие экстрактивные продукты разлагаются и поглощают много кислорода, вызывая гибель рыбы, особенно молоди и икры. Кроме того, молевые сплавы сильно засоряют реки, а топляк нередко полностью забивает их дно, лишая рыб нерестилищ и кормовых мест.

Атомные электростанции радиоактивными отходами загрязняют реки. Радиоактивные вещества концентрируются мельчайшими планктонными микроорганизмами и рыбой, затем по цепи питания передаются другим животным. Установлено, что радиоактивность планктонных обитателей в тысячи раз выше, чем воды, в которой они живут.

Рост населения, расширение старых и возникновение новых городов значительно увеличили поступление бытовых стоков во внутренние водоемы. Эти стоки стали источником загрязнения рек и озер болезнетворными бактериями и гельминтами.

В еще большей степени загрязняют водоемы моющие синтетические средства, широко используемые в быту. Они находят широкое применение также в промышленности и сельском хозяйстве. Содержащиеся в них химические вещества, поступая со сточными водами в реки и озера, оказывают значительное влияние на биологический и физический режим водоемов. В результате снижается способность вод к насыщению кислородом, парализуется деятельность бактерий, минерализующих органические вещества.

Вызывает серьезное беспокойство загрязнение водоемов пестицидами и минеральными удобрениями, которые попадают с полей вместе со струями дождевой и талой воды. В результате исследований, например, доказано, что инсектициды, содержащиеся в воде в виде суспензий растворяются в нефтепродуктах, которыми загрязнены реки и озера. Это взаимодействие приводит к значительному ослаблению окислительных функций водных растений. Попадая в водоемы, пестициды накапливаются в планктоне, бентосе, рыбе, а по цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно как на отдельные органы, так и на организм в целом.

В связи с интенсификацией животноводства все более дают о себе знать стоки предприятий данной отрасли сельского хозяйства.

Сточные воды, содержащие растительные волокна, животные и растительные жиры, фекальную массу, остатки плодов и овощей, отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясомолочной, консервной и кондитерской промышленности, являются причиной органических загрязнений водоемов.

В сточных водах обычно около 60 % веществ органического происхождения, к этой же категории органических относятся биологические (бактерии, вирусы, грибы, водоросли) загрязнения в коммунально-бытовых, медико-санитарных водах и отходах кожевенных и шерстомойных предприятий.

Нагретые сточные воды тепловых ЭС и других производств причиняют “тепловое загрязнение”, которое угрожает довольно серьезными последствиями: в нагретой воде меньше кислорода, резко изменяется термический режим, что отрицательно влияет на флору и фауну водоемов, при этом возникают благотворные условия для массового развития в водохранилищах сине-зеленых водорослей - так называемого “цветения воды”. Загрязняются реки и во время сплава, при гидроэнергетическом строительстве, а с началом навигационного периода увеличивается загрязнение судами речного флота.

3. Методы очистки сточных вод

В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно-бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.

Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения - сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода).

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические. Когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным.

Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками и др.

Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75 % нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.

Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95 % и растворимых до 25 %.

При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях - электролизерах.

Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности.

Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.

Среди методов очистки сточных вод большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.

В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем. Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.)

4. Очистка сточных вод методом жидкостной экстракции

Экстракцией называют процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твёрдых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). В основе метода жидкостной экстракции лежит массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество. Для повышения скорости процесса исходный раствор (сточную воду) и экстрагент приводят в тесный контакт. В результате взаимодействия фаз получается экстракт - раствор извлекаемого компонента в экстрагенте, и рафинат - остаточно исходный раствор (очищенная сточная вода), из которого с той или иной степени полноты удалён экстрагируемый компонент.

Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяют друг от друга отстаивание, центрифугированием или другим механическим способом. После этого производят извлечение экстрагируемого вещества из экстракта с целью возврата экстрагента в процесс экстракции путём реэкстракции другим растворителем, а также выпаривание, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением.

В процессе очистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов методом жидкостной экстракции металлы переходят в органическую фазу, а за тем в результате реэкстракции - из органической фазы (экстракт) в водный раствор. Таким образом, достигается очистка сточных вод и концентрирование металла, то есть создаются условия для его регенерации.

Экстрагенты обеспечивают переход целевых компонентов из исчерпываемой (тяжелой) фазы, которая чаще всего представляет собой водный раствор, в извлекающую (легкую) фазу (обычно органическую жидкость). Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракционную систему. Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является раствором одного или нескольких экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физических (вязкость, плотность) и экстракционных свойств экстрагентов. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, которые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам раствора. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие растворимость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание: спирты, кетоны, трибутилфосфат и т.д.

К основным стадиям жидкостной экстракции 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 наиболее часто применяют реэкстракцию (процесс, обратный жидкостной экстракции), обрабатывая экстракт водными растворами веществ, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в раствор или осадок и их концентрирование;

4) промывка экстракта для уменьшения содержания и удаления механически захваченного исходного раствора.

В любом экстракционном процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены. Эмульсии, образующиеся при перемешивании, обычно термодинамически неустойчивы, что обусловлено наличием избыточной свободной энергии вследствие большой межфазной поверхности. 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.

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", который отстаивается довольно долго. Скорость расслаивания зачастую определяет производительность аппаратуры всего экстракционном процесса. На практике для интенсификации разделения фаз используют центробежные силы и применяют различные устройства или насадки, которые располагают в отстойниках (см. ниже). В ряде случаев расслаиванию способствует электрическое поле.

Основные требования к промышленным экстрагентам:

- высокая избирательность;

- высокая экстракционном емкость по целевому компоненту;

- низкая растворимость в рафинате; совместимость с разбавителями; легкость регенерации;

- высокая химическая, а в ряде случаев и радиационная стойкость, негорючесть или достаточно высокая температура вспышки (более 60 °С);

- невысокая летучесть и низкая токсичность; доступность и невысокая стоимость.

Наиболее распространенные промышленные экстрагенты подразделяют на следующие классы:

1) нейтральные, извлечение которыми осуществляется по разным механизмам в зависимости от кислотности исходного раствора, - вода, фосфорорганические соединения, нефтяные сульфоксиды, насыщенные спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны и др.;

2) кислые, которые извлекают катионы металлов в органическую фазу из водной, - фосфорорганические кислоты, карбоновые и нафтеновые кислоты, сульфокислоты, алкилфенолы, хелатообразующие соединения.

3) основные, с помощью которых извлекают анионы металлов из водных растворов, первичные, вторичные, третичные амины и их соли, соли четвертичных аммониевых, фосфониевых и арсониевых оснований и др.

Жидкостная экстракция применяется для очистки производственных сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, анилин, ионы металлов и др. при относительно высоком их содержании, что позволяет компенсировать затраты на извлечение. Для большинства продуктов применение экстракции целесообразно при концентрации их 2 г/л и более. Наиболее широко методы экстракции применяются для очистки сточных вод предприятий по термической переработке твердых топлив (каменного и бурых углей, сланцев, торфа), содержащих значительное количество фенолов. Эффективность извлечения фенолов из сточных вод достигает 80 - 97 %.

Экстракционный метод основан на распределении загрязняющего вещества между двумя взаимонерастворимыми жидкостями соответственно его растворимости в них. Извлеченное вещество распределяется между водой и добавленным растворителем согласно закону равновесного распределения:

Кр = СЭ/СВ,

где Сэ и CB - концентрации извлекаемого вещества соответственно в экстрагенте и в воде при установившемся равновесии .

Коэффициент распределения Кр характеризует динамическое равновесие при экстракции и зависит от природы компонентов системы, наличия примесей в воде и экстрагенте и температуры. В качестве экстрагентов для извлечения примесей из воды используют различные органические растворители: простые и сложные эфиры, спирты, четыреххлористый углерод, бензол, толуол, хлорбензол. Применяется экстракция смесью растворителей. В качества экстрагентов экономически выгодно использовать различные технические продукты и отходы производства.

Очистка сточных вод экстракцией состоит из нескольких стадий: смешение сточной воды с органическим экстрагентом, разделение образующихся жидких фаз, регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Методы экстрагирования по способу контакта экстрагента и сточной воды подразделяются на перекрестноточные, ступенчато-противоточные и неарерывно-противоточные. Практическое применение получили два последних метода. При ступенчато-противоточной экстракции вода и экстрагент движутся навстречу друг другу, при этом достигается высокая эффективность очистки.

Также экстракцией называют процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). В основе метода жидкостной экстракции лежит массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество. Для повышения скорости процесса исходный раствор (сточную воду) и экстрагент приводят в тесный контакт. В результате взаимодействия фаз получаются экстракт - раствор извлекаемого компонента в экстрагенте и рафинат - остаточный исходный раствор (очищенная сточная вода), из которого с той или иной степенью полноты удален экстрагируемый компонент.

Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяют друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими механическими способами. После этого производят извлечение экстрагируемого вещества из экстракта с целью возврата экстрагента в процесс экстракции путем реэкстракцией другим растворителем, а также выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием и осаждением.

Так как совершенно нерастворимых в воде жидкостей нет, то в процессе экстракции часть экстрагента растворяется в сточных водах, становясь при этом новым загрязнителем воды; поэтому необходимо извлекать экстрагент из рафината. Потери экстрагента со сточными водами допустимы лишь при условии его растворимости в воде не выше ПДК и низкой стоимости экстрагента. В процессе очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов методом жидкостной экстракции металлы переходят в органическую фазу, а затем в результате реэкстракции - из органической фазы (экстракт) в водный раствор. Таким образом достигается очистка сточных вод и концентрирование металла, т.е. создаются условия для его регенерации. Органическая фаза содержит экстрагент и органическую жидкость - растворитель экстрагента (керосин, бензол, хлороформ, толуол и т.д. В качестве экстрагентов используют органические кислоты, эфиры, спирты, кетоны, амины и др., а реэкстрагентов - водные растворы неорганических кислот и оснований.

Извлечение металлов из водной в органическую фазу проводят тремя способами: 1) катионообменной экстракцией - т.е. обменом извлекаемого катиона металла на катион экстрагента; 2) анионообменной экстракцией - т.е. обменом металлсодержащего аниона на анион экстрагента;

3) координационной экстракцией, при которой образуется координационная связь молекулы или иона экстрагента непосредственно с атомом (ионом) экстрагируемого металла.

Катионообменная экстракция в общем виде описывается уравнением:

Me + zHR <=> MeR_z + zH⁺,

где металл валентностью z, R -кислотный остаток органической кислоты. Катионообменными экстрагентами являются кислоты жирного ряда типа RCOOH (например, карбоновые кислоты) с числом углеродных атомов в радикале от 7 до 9 и нафтеновые кислоты, которые получают из сырой нефти.

Разновидностью катионообменной экстракции является экстракция комплексообразующими (хелатообразующими) экстрагентами. В этом случае экстракция происходит в результате ионного обмена и координации экстрагента с атомом (ионом) экстрагируемого металла с образованием внутрикомплексных соединений. В процессах анионообменной экстракции в качестве экстрагентов используют амины первичные RNH₂, вторичные R₂NH и третичные R₃N (R-C7-C9). В аминах азот имеет возможность образовывать координационные соединения: R₃N+HCl => (R₃NH)Cl.



При непрерывной противоточной экстракции (рисунок 2) вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающем диспергирование экстрагента в воде, при этом примеси сточной воды непрерывно переходят в экстрагент.

Рисунок 2. Схема непрерывной противоточной экстракции

Технологическая схема очистки производственных сточных вод экстракцией зависит от количества и состава сточных вод, свойств экстрагента, способов его регенерации и др. факторов и обычно включает следующие установки: подготовки воды перед экстракцией (отстойники, флотаторы, фильтры для механической очистки, нейтрализаторы и др.); собственно экстракции; регенерации растворителя из экстрагента и очищенной воды. Конструкции экстракционных колонн зависят от способа контакта сточной воды и экстрагента.

Существуют распылительные и инжекторные колонны. Часто применяют насадочные колонны, где в качестве насадки используют блочные конструкции из керамики, металла, пластических масс, а также засыпные элементы, выполненные из керамики, металла (кольца Рашига, кольца Палля, седла Берля и др.). Для повышения интенсивности и эффективности перемешивания применяют также тарельчатые колонны, колонны с пульсацией потоков или с движущимися сетчатыми тарелками. Выбор типа колонны определяется необходимым числом ступеней экстракции и допустимыми затратами энергии.

Высокая скорость экстрагирования достигается в центробежных экстракторах, в которых для создания развитой межфазной поверхности, жидкости дробятся на капли при движении через отверстия контактных элементов. Тяжелую жидкость вводят в центр ротора через полость, легкую - в периферическую часть его. Разделение жидкостей в центральной и периферической частях ротора ускоряется под давлением центробежных сил. Растворенный в воде реагент обычно регенерируют путем отгонки, которая осуществляется в насадочной колонне. Сверху колонны подают подогретую воду, а снизу - острый пар. Растворители, имеющие высокое давление паров, могут быть регенерированы путем отдувки воздухом или другими газами. Это позволяет снизить расход тепла на подогрев воды, а также уменьшить потери растворителя, вызванные гидролизом при повышенной температуре.

Для легкогидролизующихся растворителей, имеющих высокую стоимость и обладающих высокими температурами кипения, теплоемкостью и теплотой парообразования, может быть целесообразно применение метода реэкстракции. Сущность метода состоит в том, что растворитель из воды экстрагируется другим более дешевым растворителем, который затем может быть легко удален из воды методом перегонки. Регенерацию растворителя из экстрагента осуществляют, как правило, ректификацией.

По способу контакта фаз промышленные экстракторы подразделяют на дифференциально-контактные (колонные аппараты), ступенчатые и промежуточные конструкции. Аппараты первой группы отличаются непрерывным контактом фаз и плавным изменением концентрации извлекаемого компонента вдоль длины (высоты) аппарата. При таком профиле концентраций фазы ни в одной точке экстрактора не приходят в равновесие. Эти аппараты более компактны и требуют ограниченных производственных площадей, однако в них за счет продольного перемешивания (обусловлено конвективными осевыми потоками, застойными зонами, турбулентными пульсациями и т. д.) может значительно уменьшаться средняя движущая сила.

Аппараты второй группы состоят из дискретных ступеней, в каждой из которых осуществляется контакт фаз, после чего они разделяются и движутся противотоком в последующие ступени. Продольное перемешивание выражено слабее, но необходимость разделения фаз между соседними ступенями может приводить (при плохо отстаивающихся системах) к существенному увеличению размеров экстрактора.

Колонные экстракторы подразделяют на гравитационные и с внешним подводом энергии.

Гравитационные экстракторы. В них движение взаимодействующих жидкостей происходит под действием разности плотностей фаз; поверхность их контакта образуется за счет собственных энергии потоков. К этим аппаратам относятся распылительные, насадочные и ситчатые экстракторы.

Распылительные экстракторы (рис. 3) - полые колонны, снабженные соплами, инжекторами и др. распылителями для диспергирования взаимодействующих фаз. Такие аппараты отличаются простотой и высокой производительностью, но сравнительно невысокой эффективностью. Несколько более эффективны, но менее производительны насадочные экстракторы, не отличающиеся по устройству от других подобных массообменных аппаратов. Ситчатые экстракторы представляют собой колонны с перфорированными тарелками, снабженными переливными устройствами. Одна из взаимодействующих жидкостей, проходя через отверстия тарелок, диспергируется; благодаря этому создается большая поверхность контакта с встречной жидкостью, протекающей по переливным устройствам в виде сплошной фазы. Ситчатые экстракторы уступают по производительности только распылительным экстракторам, надежны в работе (вследствие простоты конструкции и отсутствия движущихся частей), однако имеют низкую эффективность.

По сравнению с другими колонными аппаратами все гравитационные экстракторы малоэффективны из-за относительно небольшой площади удельной поверхности контакта фаз, обусловленной крупными размерами капель (до нескольких мм). Подвод энергии позволяет раздробить капли (до десятых долей мм), в результате чего требуемую высоту колонны можно уменьшить на порядок.

Рис. 3. Распылительный экстрактор: 1,2 - распылители.

Экстракторы с внешним подводом энергии подразделяются на пульсационные, вибрационные, с механическим перемешиванием. К аппаратам последнего типа относятся экстракторы роторно-дисковые и с чередующимися смесителями и отстойными насадочными секциями (колонны Шайбеля). В роторно-дисковых аппаратах (рис. 4) вращающиеся диски перемешивают и диспергируют контактирующие жидкости, после чего они расслаиваются. В колоннах Шайбеля (рис. 5) лопастные или турбинные мешалки размещены на общем вертикальном валу попеременно со слоями неподвижной насадки. Перемешанные жидкости, пройдя через слой насадки, расслаиваются.

Рис. 4. Роторно-дисковый экстрактор: 1 - ротор (вал с дисками); 2 - кольцевые перегородки статора.

Рис. 5. Экстрактор с чередующимися смесительными и отстойными секциями (колонна Шайбеля): 1 -вал; 2 - мешалка; 3 - насадка.

Ступенчатые экстракторы. К ним относятся различные типы смесителей-отстойников. Секция такого аппарата по эффективности приближается к одной теоретической ступени. Требуемого числа ступеней достигают соединением секций в каскад. Зачастую несколько секций, разделенных перегородками, объединяют в одном корпусе (ящичные экстракторы; рис. 6). Каждая секция (ступень) имеет смесительную и отстойную камеры. Перемешивание фаз может быть пульсационным или механическим (чаще всего применяют турбинные мешалки, одновременно транспортирующие жидкости из ступени в ступень).

сточный вода экстракция жидкостный



Рис. 6. Ящичный экстрактор: 1,3 - смесительная и отстойная камеры; 2 - перегородка; 4 - граница раздела фаз; 5 - рециркуляционная труба; 6 - всасывающий коллектор; 7 - турбинная мешалка.

Среди аппаратов, занимающих промежуточное положение между дифференциально-контактными и ступенчатыми, наиболее распространены центробежные экстракторы, в которых разделение, а иногда и перемешивание фаз происходят в поле действия центробежных сил. Рабочий орган (ротор) этих аппаратов состоит из набора перфорированных с обоих концов цилиндров, спиральных лент и др. Исходный раствор и экстрагент движутся навстречу один другому, причем более тяжелая фаза - от центра к периферии, а более легкая - в обратном направлении. Контакт жидкостей происходит на пути их движения, а диспергирование - при прохождении через перфорирированные части цилиндров.

Центробежные экстракторы подразделяют на камерные (дискретно-ступенчатые) и дифференциально-контактные. Аппараты первой группы состоят из отдельных ступеней (камер), в каждой из которых движущиеся противотоком фазы последовательно перемешиваются и разделяются (например, экстракторы "Лувеста" и "Робатель"). В аппаратах второй группы процесс протекает при близком к непрерывному контакту движущихся встречных потоков фаз; движение происходит по каналам, образованным внутренними перегородками ротора (например, экстракторы Подбильняка).

Центробежные экстракторы отличаются высокой производительностью (потоки до сотен м³/ч) и эффективностью (3-10 теоретических ступеней), малой продолжительностью контакта фаз (несколько секунд и менее), интенсивным массообменом. Такие аппараты перспективны в производствах неустойчивых соединений (например, антибиотики), при переработке высокорадиоактивных растворов и стойких эмульсий, систем с близкими плотностями фаз.

Выбор экстракторов оптимальных конструкций для конкретных промышленных процессов должен базироваться на технико-экономическом сравнении аппаратов с учетом эффективности их работы, производительности, разделительной способности, энергетических, капитальных и эксплуатационных затрат.

В лабораторной практике применяют в основном те же, что и в промышленности, способы жидкостной экстракции, проводимой в стеклянных, металлических или полимерных экстракторах разнообразных конструкций, простейшие из которых - делительные воронки, прибор Льюиса (химический стакан с мешалками) и др.

Заключение

Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения и их рационального использования для нужд народного хозяйства - одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. В России широко осуществляются мероприятия по охране окружающей среды, в частности по очистке производственных сточных вод.

Одним из основных направлений работы по охране водных ресурсов является внедрение новых технологических процессов производства, переход на замкнутые (бессточные) циклы водоснабжения, где очищенные сточные воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах.

Замкнутые циклы промышленного водоснабжения дадут возможность полностью ликвидировать сбрасываемые сточных вод в поверхностные водоемы, а свежую воду использовать для пополнения безвозвратных потерь.

В химической промышленности намечено более широкое внедрение малоотходных и безотходных технологических процессов, дающих наибольший экологический эффект. Большое внимание уделяется повышению эффективности очистки производственных сточных вод.

Значительно уменьшить загрязненность воды, сбрасываемой предприятием, можно путем выделения из сточных вод ценных примесей, сложность решения этих задач на предприятиях химической промышленности состоит в многообразии технологических процессов и получаемых продуктов. Следует отметить также, что основное количество воды в отрасли расходуется на охлаждение. Переход от водяного охлаждения к воздушному позволит сократить на 70 - 90 % расходы воды в разных отраслях промышленности. В этой связи крайне важными являются разработка и внедрение новейшего оборудования, использующего минимальное количество воды для охлаждения.

Существенное влияние на повышение водооборота может оказать внедрение высокоэффективных методов очистки сточных вод, в частности физико-химических, из которых одним из наиболее эффективных является применение реагентов.

Использование реагентного метода очистки производственных сточных вод не зависит от токсичности присутствующих примесей, что по сравнению со способом биохимической очистки имеет существенное значение. Более широкое внедрение этого метода как в сочетании с биохимической очисткой, так и отдельно, может в определенной степени решить ряд задач, связанных с очисткой производственных сточных вод.

В ближайшей перспективе намечается внедрение мембранных методов для очистки сточных вод.

На реализацию комплекса мер по охране водных ресурсов от загрязнения и истощения во всех развитых странах выделяются ассигнования, достигающие 2-4 % национального дохода ориентировочно, на примере США, относительные затраты составляют (в %) : охрана атмосферы 35,2 %, охрана водоемов - 48,0, ликвидация твердых отходов - 15,0, снижение шума - 0,7, прочие 1,1. Как видно из примера, большая часть затрат - затраты на охрану водоемов.

Расходы, связанные с получением коагулянтов и флокулянтов, частично могут быть снижены за счет более широкого использования для этих целей отходов производства различных отраслей промышленности, а также осадков, образующихся при очистке сточных вод, в особенности избыточного активного ила, который можно использовать в качестве флокулянта, точнее биофлокулянта.

Таким образом, охрана и рациональное использование водных ресурсов - это одно из звеньев комплексной мировой проблемы охраны природы.

Список литературы

1. Виноградов С.С. Приложение к журналу «Гальванотехника и обработка поверхности», выпуск 3, Москва, «Глобус», 1998.

2. Проскуряков В.А. Очистка сточных вод в химической промышленности /В.А. Проскуряков, Л.И. Шмидт. Л.: Химия, 1977. 464 с.

3. Ягодин, Г.А. Основы жидкостной экстракции. / Г.А. Ягодин, С.З. Каган, В.В. Тарасов. - М.: Химия, 1982. 399 с.

4. Очистка сточных вод: Учеб. пособие для вузов по спец. «Водоснабжение и канализация» / М.П. Лапицкая, Л.И. Зуева, Н.М. Балаескул, Л.В. Кулешова. Минск: Выш. школа, 1983. 255 с.

5. Путилов А.В. Охрана окружающей среды: Учеб. пособие для техникумов / А.В. Путилов, А.А. Копреев, Н.В. Петрухин М.: Химия, 1991. 224с.

6. www.findpatent.ru

Размещено на Allbest.ru