Физико-химические методы очистки

Для очистки воды и сточных вод от примесей эффективны следующие физико-химические методы: коагуляция, флотация, кристаллизация, сорбция, ионообмен, экстракция, ректификация.

Коагуляция (лат. coagulatio — свертывание) тонкодисперсных взвесей, эмульсий — широко используемый метод очистки воды от загрязнений. В качестве коагулянтов обычно используют 1017% растворы сульфатов и хлоридов алюминия (III) и железа (III) по отдельности или совместно.

Коагуляция происходит за счет разряда заряженных коллоидных частиц электролитом и при соосаждении примесей вследствие их сорбции хлопьевидной, очень развитой поверхностью гидроксидов алюминия (III) и железа (III), образующихся при гидролизе. Они захватывают ионы тяжелых металлов, бактерии, гуминовые вещества. При очистке сточных вод доза коагулянта составляет от 50 до 700 мг/л, при обработке природных вод — 25-80 г/м³.

Более эффективно дополнительное использование флокулянтов (лат. flocculi — клочки, хлопья) — высокомолекулярных соединений типа крахмала, белковых дрожжей, силиката натрия, полиакриламида в количестве 0,5-2 г/м³. Они позволяют ускорить осаждение хлопьев, снизить расход коагулянтов.

Процесс очистки воды коагуляцией слагается из следующих стадий: добавление и смешение реагентов с водой, хлопьеобразо вание, осаждение хлопьев, их удаление из воды. Смешение природной или сточной воды с растворами коагулянтов проводят в смесителях различного типа. Это аппараты: с дырчатыми перегородками или с отверстиями в виде проемов, вертикальные емкости с вводом смеси через нижнюю коническую часть со скоростью около 1 м/с и понижением в верхней части до 0,025 м/с, баки с механическим перемешиванием смеси лопастными или пропеллерными мешалками. Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветителях.

Флотация (англ. flotation — всплывание) — это увлечение всплывающими пузырьками воздуха прилипающих к ним дисперсных частиц. Затем образующуюся пену удаляют с поверхности воды. Флотацию используют для удаления из сточных вод всплывающих примесей: масел, нефтепродуктов, смол, ПАВ, полимеров. Степень очистки — до 80-95%. В зависимости от способа образования пузырьков воздуха различают несколько видов флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, биологическую, электрофлотацию и т.п. Из ряда способов чаще используются напорная и импеллерная (крыльчатая) флотация.

Рис. 4.76. Схема установки флотатора: 1 — приемная камера воды; 2 — импеллер; 3 — вал; 4 — воздушная труба

Рис. 4.7а. Схема установки напорной флотации: 1 — резервуар воды; 2 — напорный насос; 3 — сатуратор; 4 — флотатор

В установке напорной (т.е. под давлением) флотации (рис. 4.7а) сточная вода с содержанием примесей до 4-5 г/л из резервуара 1 поднимается с помощью насоса 2 и вместе с засасываемым через трубопровод воздухом подается под давлением 0,15-0,4 МПа в сатуратор 3 (лат. saturatio — насыщение). В нем происходит насыщение воды воздухом, который начинает выделяться в виде пузырьков во флотаторе 4, в котором давление уменьшается до атмосферного. Всплывающие пузырьки воздуха увлекают вверх прилипающие к ним частицы примесей. Пенообразный шлам удаляется через верхний слив, очищенная вода — через нижний слив.

В импеллерном (англ. impeller — рабочее колесо, крыльчатка) флотаторе (рис. 4.7б) сточная вода с содержанием примесей более 2 г/л поступает в приемную камеру 1 и по трубопроводу попадает на лопатки импеллера 2, который вращается на нижнем конце вала 3. Вал размещен в трубе 4, через который засасывается воздух. Скорость поступления воздуха, число образующихся мелких пузырьков воздуха и эффективность флотации зависят от скорости вращения импеллера, которая ограничивается разрушением хлопьев при высокой турбулентности потока.

Кристаллизация

Она используется обычно тогда, когда образующиеся кристаллы пригодны для использования в производственных целях. Ее варианты:

а) кристаллизация с охлаждением раствора; охладитель обычно вода, реже воздух;

б) кристаллизация с частичным удалением растворителя испарением или вымораживанием;

в) комбинированная кристаллизация.

Пример 1. Вакуум-кристаллизация. Это прогрессивный метод. При создании вакуума в аппарате раствор, обычно сначала горячий, начинает кипеть и охлаждаться. Испарение и особенно охлаждение приводит к кристаллизации примесей из пересыщенного раствора.

Пример 2. Испарение части растворителя путем пропускания через раствор воздуха. При испарении воды идет охлаждение раствора.

Аппаратура для кристаллизации: выпарные аппаратыкристаллизаторы, вакуумные кристаллизаторы и емкости с охлаждением раствора: вертикальные аппараты со змеевиком, башенные градильни с разбрызгиванием горячего раствора. Последние наиболее просты, производительны, энергоэкономны.

Адсорбция

Она используется для глубокой очистки сточных вод от органических веществ, фенолов, гербицидов, ПАВ, пестицидов, красителей. Эффективность очистки зависит от химической природы и структуры адсорбента и адсорбируемые примесей и достигает 80-95%.

Адсорбенты: активированный уголь, силикагель, шлаки, торф. Требования к адсорбентам: гидрофильность (смачиваемость водой), устойчивость к истиранию, высокая адсорбционная емкость при небольшой удерживающей способности (возможность регенерации), низкая стоимость и т.п. Наиболее широко используются различные марки активированного угля: порошкообразного — с размером частиц менее 0,25 мм и гранулированного — более 1 мм.

Адсорбция проводится фронтальным способом в статических или динамических условиях. При статической адсорбции жидкость движется вместе с частицами сорбента, обычно активированного угля, размером 0,1 мм и менее. Происходит интенсивное перемешивание. Для более эффективной очистки сточной воды от примесей используют многоступенчатые установки или с последовательным введением свежего, дешевого адсорбента в каждую ступень и вывода из нее отработанного адсорбента, или с противоточным введением более дорогого адсорбента, начиная с последней ступени.

Последний процесс иллюстрирует рисунок 4.8.

Рис. 4.8. Схема противоточной адсорбционной установки: 1 — смесители; 2 — отстойники; 3 — приемники адсорбента; 4 — насосы

При динамической адсорбции используется противоточное движение: сточная вода подается снизу в колонну, заполненную сорбентом высотой 1-2 м. Размеры частиц абсорбента 0,8-5 мм. Скорость фильтрования воды 5-20 см/мин (3-12 м/ч). Процесс ведут до проскока загрязнений, после чего воду подают в другую колонку. В первой колонне проводят регенерацию сорбента (угля), обычно обрабатывая его перегретым водяным паром (200-300 ^оС) или экстрагируя примеси органическим растворителем. Реже для регенерации сорбента используют деструктивные методы: термические (500-1000 ^оС), окисление хлором, озоном.

Ионный обмен. Его применяют для глубокой очистки прозрачных сточных вод, содержащих до 3-4 г/л солей, от ионов цветных и тяжелых металлов, цианидов, мышьяка, радиоактивных веществ.

Иониты — твердые вещества (с матрицей R), содержащие на своей поверхности функциональные группы, способные к ионизации и обмену образующихся ионов на ионы раствора.

Типы реакций ионного обмена

Катиониты — иониты, которые обладают кислотными свойствами и способны обменивать свои катионы, обычно Н+ (в Н-форме), на катионы электролита.

Аниониты. Они обладают щелочными свойствами и обменивают свои анионы, обычно ОН^- (в ОН-форме), на анионы электролита.

Иониты могут быть природными и искусственными. Это алюминаты, цеолиты (полевые шпаты), гидроксиды, силикагели, пермутиты, сульфоугли. Наибольшее применение находят органические искусственные материалы — ионообменные смолы.

Их классифицируют следующим образом:

1. сильнокислотные катиониты; содержат сульфогруппы SO3H или группы РО(ОН)2;

2. слабокислотные катиониты; содержат карбоксильные и фенольные группы C₂H₅OH;

3. сильноосновные аниониты, содержат четвертичные аммонийные основания NR₃OH;

4. слабоосновные аниониты; содержат первичные NH₂ и вторичные аминогруппы NH;

5. смешанные иониты, проявляют свойства смеси кислот и оснований разной силы.

В нашей стране наиболее известны катионные сульфоугли СМ и СК, катиониты КУ-1, КУ-2, КБ, КФ; аниониты АН-2ФН, АН-18-8, АВ-17-8 и др. Их выпускают в виде зерен диаметром ~1 мм.

Поглощающая способность ионитов характеризуется обменной емкостью — числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую обменную емкость.

Полная обменная емкость — это количество вещества, поглощенного до полного насыщения ионита.

Статическая (равновесная) емкость — количество вещества, поглощенного ионитом в данных рабочих условиях.

Динамическая емкость — это емкость ионита до «проскока» ионов в фильтрат. Она минимальна.

Аппаратура ионного обмена. Как правило, это цилиндрическая пластмассовая колонна высотой 1,5-3 м, заполненная ионитом. В аппаратах периодического действия очищаемая вода обычно подается сверху со скоростью 15-40 см/мин. В аппаратах непрерывного действия очищаемая вода подается снизу, а ионит — сверху. При этом ионит находится во взвешанном состоянии, что увеличивает эффективность очистки и уменьшает затраты.

Регенерация катионитов, т.е. обратный их перевод в Н-форму, осуществляется промывкой 5-10% раствором сильных кислот: HCl или H₂SO₄. Регенерация в натриевую форму (Na-форма) — промывка концентрированным раствором NaCl. Аниониты переводят в ОН-форму их промывкой 2-6% раствором NaOH, Na2CO3, а в хлоридную форму (Cl-форма) — 2-6% раствором NaCl.

Экстракция (лат. extrahere — извлечение) — это извлечение обычно органической жидкостью компонентов твердого вещества или другой жидкости, несмешивающейся с первой. Она применяется для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, анилин, тяжелые металлы в повышенной концентрации примесей: 3-4 г/л и более. Эффективность извлечения фенолов достигает 90-98%. Экстракционная очистка состоит из следующих стадий: смешение сточной воды с органическим экстрагентом, разделение образующихся фаз, регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Терминология экстракции. Экстрагент — органический растворитель или раствор, содержащий экстракционный реагент, извлекающий нужный компонент из другой фазы. Экстракционный реагент — вещество, которое образует с извлекаемым компонентом соединение, способное растворяться в органической фазе. Экстракт — органическая фаза, содержащая извлеченный компонент. Рафинат (фр. raffiner — очищать) — водной раствор, оставшийся после экстракции.

Экстрагенты. В качестве экстрагентов используются эфиры (бутилацетиловый, диизопропиловый), спирты, СС1₄, бензол, толуол, хлорбензол, трибутилфосфат в керосине и др.

При выборе экстрагентов учитывают следующее:

• избирательность к извлекаемому компоненту, коэффициент распределения; нерастворимость и несмешиваемость с водой, различие с ней в плотности;

• вязкость, летучесть; простоту и легкость реэкстракции извлекаемого компонента; токсичность, воспламеняемость; химическую и радиационную устойчивость;

• возможность регенерации экстрагента; низкую стоимость.

При очистке сточных вод обычно используют ступенчато-противоточную экстракцию в ряде аппаратов (рис. 4.9а) и непрерывно-противоточную экстракцию в одном аппарате (рис. 4.96). Насадками служат кольца Рашига, блочные структуры из керамики, пластмассы. Тяжелая фаза — обычно сточная вода.

Рис. 4.9а. Схема противоточной Рис. 4.9б. Схема протиступенчатой экстракции: 1 — смесительные воточной непрерывной камеры; 2 — отстойники экстракции

Расчет конечной концентрации экстрагируемой примеси:

Здесь С_н — начальная концентрация извлекаемой примеси в воде; n — число ступеней экстракции; b = V/Q — удельный расход экстрагента, V — его объем, Q — объем воды; К_р — коэффициент распределения, К_р= С_э / С_в, где С_э и С_в — концентрация извлекаемой примеси в экстрагенте и в воде.

Регенерацию растворителя из экстракта обычно осуществляют ректификацией, из очищенной воды — путем отгонки острым паром в насадочной колонне.

Перегонка и ректификация. Их включают в состав технологических схем основных производств и применяют, когда необходимо практически полное выделение из сточных вод малых концентраций примесей, обычно растворенных органических жидкостей. Выделенные вещества, как правило, используются снова в технологическом процессе.

Виды перегонок: простая, с водяным паром, азеотропная. Простую перегонку проводят путем постепенного испарения сточной воды в перегонном кубе с конденсацией дистиллята в холодильнике. Ее применяют для очистки сточных вод от примесей, кипящих ниже 100 ^оС: ацетон, метиловый спирт и т.п. Перегонка острым паром, т.е. непосредственное введение его или воздуха, азота или других газов в сточную воду, позволяет упростить конструкцию аппаратов, снизить расход тепла. Азеотропная отгонка нераздельно кипящих смесей воды с органическими веществами (бензол, толуол, хлороформ, CC1₄, бутилацетат и др.) происходит при температуре ниже температуры кипения воды. Отгонка ведется в насадочной колонне, в нижнюю часть которой подается острый водяной пар. Затем в отстойнике-сепараторе конденсат органического вещества отделяется от водяного конденсата.

Ректификация (лат. rectificare — исправлять, очищать) способ разделения и очистки легко кипящих жидкостей путем многократного их нагрева до кипения и конденсации. Виды ректификации: простая, азеотропная и пароциркуляционная.

Простую ректификацию проводят в ректификационных колоннах тарельчатого или насадочного типа. Сточная вода подается на верхнюю тарелку (или насадку) и с нижней тарелки поступает в кипятильник. В нем при кипячении образуется поток паров, которые, проходя через колонну, увлекают пары органических примесей (бензол, хлорбензол, бутилацетат и др.) в верхнюю часть колонны. Затем пары поступают в конденсатор. Очищенная вода из кипятильника (кубовый остаток) отводится как конечный продукт.

Пароциркуляционная ректификация, или эвапорация (лат. evaporatio — выпаривание), сточных вод проводится в ректификационных колонках с использованием циркулирующего водяного пара. Основой этого метода очистки является разное распределение примесей между жидкой и паровой фазами. Она применяется для отгонки из сточных вод органических веществ, являющихся слабыми электролитами: крезолы, нафтолы, карбоновые кислоты, фенолы. Эффективность извлечения фенолов составляет 85-92%.

Эвапорация проводится в колоннах, которые делятся на эвапорационную (нижнюю) часть, где происходит очистка сточных вод, и поглотительную (верхнюю) часть, где идет регенерация пара. Сточная вода подается не сверху, а на эвапорационную часть колонны и стекает по насадке в приемник очищенной воды. Снизу колонны подается острый пар, который нагревает сточную воду до 100 ^оС. Пары примесей вместе с паром проходят в верхнюю часть колонны через нагретый примерно до100 ^оС поглотитель, в котором из пара удаляются летучие примеси (регенерация пара). Очищенный пар снова направляется в колонну для очистки сточных вод.