3. Электрохимическое и радиационное окисление

Электрохимические методы очистки основаны на электролизе ПСВ. Химические превращения при электролизе могут быть весьма различными в зависимости от вида электролита, а также материала электродов и присутствия различных веществ в растворе. Основу электролиза составляют два процесса: анодное окисление и катодное восстановление.

На аноде (платина, графит), в зависимости от солевого состава СВ и условий электролиза выделяются кислород и галогены, а также окисляются некоторые присутствующие в СВ органические вещества.

На катоде (свинец, цинк, сталь) происходит выделение водорода и восстановление некоторых присутствующих в СВ органических веществ.

Этот метод применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно – бумажной промышленности СВ которых содержат фенолы, нитросоединения, амины, кетоны, спирты, альдегиды, толуол и т.д.

Применение такой очистки не требует предварительного разбавления СВ, не вызывает увеличения их солевого состава, сокращает площади под очистные сооружение.

Недостаток значительные энергетические затраты и расход металла, необходимость очистки поверхности электродов и межэлектродного пространства от механических примесей.

Чтобы предотвратить смешение продуктов электролиза, особенно газов (водорода и кислорода), которые могут образовать взрывоопасные смеси, применяют диафрагмы из изоляторов (керамика, асбест, стекло) разделяющие А и К пространство.

В процессе анодного окисления происходят деструкция органических веществ с получением промежуточных или конечных продуктов окисления (органических кислот, вода). Процесс осуществляется в электроантических ванных, разделенных на несколько отсеков, в которых обрабатываемые воды перемешиваются сжатым воздухом.

Достоинством этого метода является еще то, что в процессе очистки может происходить и регенерации некоторых исходных реагентов и металлов. Например, при электролизе отработанных тривиальных растворов, содержащих сульфат железа и свободную серную кислоту регенерируется 80 – 90 % серной кислоты и получается 25 – 50 кг порошко – образного железа из 1 м³ СВ.

В целях повышения электропроводимости СВ, снижения расхода электроэнергии и ускорения процесса окисления в СВ добавляют минеральные соли, чаще поваренную соль, который разлагается с выделением на основе атомов хлора, участвующих в процессе окисления:

2CI^- - 2e → CI₂

CI₂ + CN^- + 2OH^- → CNO^- +2CI + H₂O

При действии излучений высокой энергий на водные среды, содержащие различные органические вещества, возникает большое число окислительных частиц, обусловливающих процессы окисления. Рационно химические превращения протекают не за счет радиолиза загрязняющих воду веществ, а за счет реакции этих веществ с продуктами радиолиза воды: ОН^-, (в присутствии кислорода) Н⁺, Н₂О₂, первые три из которых являются окислителями. В качестве источника излучение используют: радиоактивный Со и Се ускорители электронов, радиационные контуры. Уже есть опыт, на уровне пилотных установок, радиационной очистки СВ содержащих ПАВ, фенолы, красители, лигнин.

Лекция 10 (4ч).

Физико—химичеокие методы очистки(4ч).

1.Коагуляция. Физико-химическая природа коагуляции. Коагулянты и флокулянты. Технологическая схема коагуляционной очистки

2. Сорбция. Физико-химическая природа сорбции. Сорбенты. Устройство и принцип действия сорбентов.

3. Флотация. Физико-химическая природа флотации. Устройство и принцип действия флотаторов.

4. Экстракция. Экстрагенты. Физико-химическая природа экстракции. Технологические схемы экстракционных установок очистки стоков.

5.Ионообменная очистка. Ионообменники. Физико-химическая природа ионного обмена. Технологическая схема ионообменной очистки.

6. Очистка сточных вод методами электродиализа, эвапорации, азеотропной ректификации, термоокисления, выпаривания, кристаллизации.

1.Коагуляция. Физико-химическая природа коагуляции. Коагулянты и флокулянты. Технологическая схема коагуляционной очистки.

Коагуляция - это слияние частиц коллоидной системы при их столкновейии в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещение во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) части­цы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодейс­твия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсион­ной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных гетерокоагуляцией.

ПСВ представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,1 - 10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. Последние удаляются при механической очистки, остальные образуют агрегативно устойчивую среду и для удаления их сначала коагулируют.

Одним из видов К является флокуляция (Ф), при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специ­ально добавленных веществ (флокулянтов) образуют интенсивно осе­дающие рыхлые хлопья видные скопления.

Коллоидные частицы содержащиеся в воде в деспергированном состоянии, при перемешивании прочно удерживают покрывающий их слой воды. Обладая большой удельной площадью поверхности, колло­идные частицы адсорбируют находящиеся в воде ионы, преимуществен­но одного знака, значительно понижающие свободную поверхностную энергию коллоидных частиц. Ионы, не посредственно перемещающиеся к ядру, образуют слой поверхностно-ядерных ионов, или адсорбционный слой, В этом слое может находиться также небольшое число противо­положно заряженных ионов, заряд которых, однако, не компенсирует заряда поверхностно-ядерных ионов. В связи с тем, что на границе адсорбционного слоя создается электрический заряд, вокруг гранулы (ядра с адсорбционным слоем) образуется диффузионный слой, в ко­тором находятся остальные противоположные ионы, компенсирующие заряд гранул. Гранула вместе с диффузионным слоем наз-ся мицел­лой.

А- адсорбционный слой

Б – диффузионный слой

1 - ядро

На рисунке показано изложение напряженности электрического поля мицеллы. Потенциал на границе ядра термодинамический по­тенциал (Е -потенциал) - равен сумме зарядов всех поверхност­но-ядерных ионов. На границе адсорбционного слоя потенциал умень­шается на величину, равную сумме зарядов, находящихся в адсорбци­онном слое противоположно заряженных ионов. Потенциал на границе адсорбционного слоя называется электрокинетическим потенциалом. На частицы коллоидов действуют диффузионные силы, и частицы стре­мятся равномерно распределиться во всем объеме жидкости. Наличие у частиц электрических зарядов одного знака вызывает их взаимное отталкивание. Одновременно, между коллоидными частицами имеются молекулярные силы взаимного притяжения, которые проявляются лишь при небольших расстояниях между частицами. При снижении эл. заряда частиц, т.е. при уменьшении силы отталкивание уменьшаются и становится возможный слипание частиц - процесс коагуляции коллоидов. При потенциале = О, коагуляция проходит с мах. интенсивностью, состояние коллоидной системы в этом случае носит название изоэлектрического состояния, а величина рН называется изоэлектрической точкой системы.

Одним из методов увеличения коагуляции коллоидной системы является увеличение концентрации в воде электролитов. Способность электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом, который противоположен заряду коллоидных частиц.

При коагуляции хлопья образуются сначала за счет взвешенных частиц и коагулянта или только коагулянта. Образовавшиеся хлопья последнего сорбируют вещества, загрязняющие сточные воды, осаждаясь вместе с ними, очищают воду. Основный процессом коагуляционной очистки производственным сточных вод является гетерокоагуляция взаимодействие коллоидный и мелкодисперсных частиц сточных вод с агрегатами, образующиеся при введении в сточную воду коагу­лянтов. Для очистки ПСВ применяют различные минеральные коагулян­ты.

I- Соли алюминия

Образуются малорастворимые соли.

Кислоту затем нейтрализуют известью или щелочами. NaAlO₃ -алюминат натрия, Al₃(OH)₅Cl - оксихлорид алюминия, квасцы,

4. Известь.

5. Шламовые отходы, и отработанные растворы.

Хлорид алюминия (производство этилбензола), сульфат 2-х валентного железа (травление металлов), известковый шлам.

Количество коагулянта, необходимое для осуществления процес­са коагуляции, зависит от вида коагулянта, расхода состава, тре­буемой степени очистки и определить экспериментально. Образующие­ся в . результате К осадки представляют собой хлопья размером от нескольких мкм до 80 мм. Из-за большого расхода К, больших осадков. Коагуляционный метод очистки применяется в основном при небольших расходах СВ.

Расширенно оптимальных областей коагуляции способствуют флокулянты, повышающие плотность и прочность образующихся хлопьев, снижа­ющих расход коагулянтов, повышающие надежность работ и пропускную способность очистных сооружений. При растворении в сточным водах Ф - могут находится в неионизированном и ионизированном состоянии. Последние носят название растворимых полиэлектролитов (пэл). В зависимости от состава полярных групп Флокуленты бывают: неионотентные -- полимеры, содержащие неионотентные группы: - ОН, > СО (крахмал, поливиниловый спирт, оксицеллюлоза, и тд., анионные — CОOH, -SОзН, -OSO₃H (полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и тд.) катионные-полимеры, содержащие катионные группы: ~ NH₂ = NH (полиэтиленамин, сополимеры винилпиридина), амфотерные — полимеры, содержащие одновременно анионные и катион­ные группы (полиакриламид, белки и др.).

Скорость и эффективность процесса Ф обусловлена сорбцией од­ной и той же молекулы 2-х или более частицах с образованием между ними "мостиков", что и приводит к возникновению в дисперсии круп­ных быстро сегментирующих агрегатов. В соответствии с этим вна­чале происходит первичная абсорбция, когда каждая молекула прикрепляется частью сегментов к одной частице, а затем - вторичная, при которой свободные сегменты адсорбированных молекул закрепля­ются на других частицах, объединяя их полимерными мостиками.

В реагентное хозяйство на очистных сооружениях входят склады для хранения коагулянтов. Сейчас широко применяется мокрое хране­ние коагулянтов (растворы или кускового продукта в концентриро­ванном растворе) в баках резервуарах. Растворение К в воде осу­ществляется в растворных баках с устройствами для барбатажа сжа­тым воздухом, или лопастными, пропеллерными мешалками.

Из растворных баках растворы К перекачивают в расходные ба­ки, а оттуда дозируют в обрабатываемую воду с помощью дозаторов различным конструкций.

К. смешивают с СВ в смесителях, продолжительность нахождения воды в которых составляет 1-2 мин. Применяют перегородчатые, дыр­чатые и др. смесители с мешалками. После смешения СВ с К. начина­ется процесс образований хлопьев, который происходит в камерах хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, а также с механическим перемешиванием. Для избегания разрушения хлопьев, чаще применяют гидравлическое пере­мешивание. Водоворотные камеры хлопьеобразования представляют со­бой цилиндры, в верхнюю часть которого из смесителя вводится сточная вода с вращательной скоростью на выходе из сопла 2-3 м\с. В нижней части камеры перед выходом в отстойник находятся гасите­ли вращательного движения воды. Продолжительность пребывания воды в камере 15—20 мин.

В горизонтальной от перегородчатой камере СВ протекает по нескольким, последовательно соединенным коридорам.

Перемешивания осуществляется за счет восьмидесяти поворотов.

Продолжительность пребывания воды в перегородках камер 2О—30 мин.

Высота камер определяется высотой отстойника, а ширина коридоров составляет >0,7м.

Последующие осветление СВ производится в горизонтальных, ра­диальных и вертикальных отстойникам. Наиболее целесообразной явля­ется 3-х ступенчатая схема отстаивания вод. На 1 - ступени осущест­вляется простое отстаивание в отстойнике без К, а на 2 - обработка СВ К. и Ф. с последующим отстаиванием в отстойниках.

Если в ПСВ концентрация взвешенных частиц, способных к агрегации < 4 г\л, то применяют осветлители со взвешенным слоем осад­ка, В осветлителях происходят 3 основных процесса: смешение, коа­гуляция и осветление СВ. Обрабатываемая в осветлителях СВ прохо­дит снизу вверх через слой ранее выделившегося шлама с такой ско­ростью, при которой взвешенные частицы не уносятся из зоны взве­шенного осадка. При движении СВ через взвешенный слой увеличива­ется эффект задержания мелких суспензированных частиц»

Для обеспечения нормальной работы осветлителя СВ после сме­шения с коагулянтами направляют в воздухоотделитель, где она ос­вобождается от пузырьков воздуха, выделяющихся в результате реак­ции.

Осветлитель со взвешенным слоем осадка. 1-воздухоотделитель, 2-опускные трубы 3-осадкоотводные трубы 4-осадкоуплотнитель 5-выпуск осадка 6 - выпуск осветленной воды