Обратный осмос и ультрафильтрация

Обратным осмосом (гиперфильтрация) – процесс молекулярного разделения растворов путем фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие молекулы либо ионы растворенного вещества. При приложении давления выше осмотического осуществляется перенос растворителя в обратном направлении (от раствора к чистому растворителю через мембрану).

Ультрафильтрацией называют мембранные процессы разделения растворов, осмотическое давление которых мало.

Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества.

Конструкция аппаратов для проведения обратного осмоса и ультрафильтрации должна обеспечивать большую поверхность мембран в единице объема, простоту сборки и монтажа, механическую прочность, герметичность.

По способу укладки мембран аппараты подразделяются на следующие типы:

- фильтрпресс с плоскопараллельными фильтрующими устройствами;

- с трубчатыми фильтрующими элементами;

- с рулонными или спиральными элементами;

- с мембранами в виде полых волокон (волокна из ацетатцеллюлозы или нейлона, собранные в пучки длиной 2-3 м и располагаемые в аппарате линейно либо U-образно).

В этих аппаратах мембраны уложены с обеих сторон плоских пористых дренажных пластин, которые расположены на расстоянии 0.5-5 мм друг от друга. Фильтрующие элементы зажаты между двумя фланцами, стянутыми болтами. Сточная вода последовательно проходит через все элементы, концентрируется и удаляется из аппарата. Фильтрат, прошедший через мембраны, уходит через дренажные слои.

Достоинства метода: невысокие энергозатраты, простота и компактность установок, высокая эффективность очистки, возможность автоматизации. Недостатки метода - необходимость проведения процесса при высоком давлении в системе.

Принципиальная схема аппарата типа фильтрпресс

. Схема устройства и распределения потоков в аппарате:

/ — мембранный элемент; 2 — фланец; 3 — направляющая штанга; 4 — опорная пластина; 5 мембрана; 6 — проточное кольцо; 7 — замковое кольцо; 8 — заглушка; 9 — шланг; 10 коллектор пермеата

Эвапорация

Среди эвапорационных методов очистки производственных сточных вод наиболее широкое распространение получили пароциркуляционный метод и азеотропная ректификация.

Пароциркуляционный метод основан на отгонке растворенных загрязнений (фенолов, крезолов, нафтолов и др.) с циркулирующим водяным паром. Отгонка осуществляется в дистилляционных колоннах, в которых сточная жидкость движется навстречу острому пару, нагреваясь при этом до 100 С, что способствует переходу летучих примесей в паровую фазу.

Азеотропная ректификация основана на свойстве многих химических соединений образовывать азеотропные, нераздельнокипящие смеси с водой. Сточная вода направляется в колонну, обогреваемую острым паром, где отгоняется часть воды в виде азеотропной смеси с загрязняющим компонентом. Из нижней части колонны выходит очищенная вода. Пары, выходящие из верха колонны, поступают в конденсатор.

Конденсат после охлаждения направляется в сепаратор, где разделяется на два слоя – водный (сбрасывается в емкость исходной воды) и органический, представляющий собой загрязняющий компонент (поступает на дальнейшую переработку или повторное использование).

Выпаривание

применяют для увеличения концентрации солей, содержащихся в сточных водах, и ускорения их последующей кристаллизации, а также для обезвреживания небольших количеств высококонцентрированных сточных вод. Выпаривание может быть простым, одно- и многоступенчатым под вакуумом (сложны в аппаратурном оформлении).

Термоокислительные методы

обезвреживания сточных вод - парофазное окисление, жидкофазное окисление, парофазное каталитическое окисление.

Сущность метода парофазного окисления заключается в том, что сточная вода, вводимая в распыленном состоянии в высокотемпературные (900-1000 С) продукты горения топлива, испаряется и органические примеси воды сгорают, образуя продукты полного сгорания. Минеральные примеси образуют твердые или распыленные частицы, которые выводятся из печи или уносятся с дымовыми газами.

Сущность жидкофазного окисления состоит в окислении кислородом воздуха органических примесей сточной воды, находящейся в жидкой фазе, при повышенной температуре (350 С ) и давлении.

Сущность термокаталитического окисления в парогазовой фазе применяется при очистке сточных вод, загрязненных летучими органическими веществами. Сточная вода подается в выпарной аппарат, где пары воды и органических вещесв, а также газы и воздух подогреваются до 300 С, затем смесь подается в контактный аппарат, загруженный катализатором. Обезвреженная парогазовая смесь охлаждается и образующийся конденса используется в производстве. Метод применяется при небольших расходах высококонцентрированных сточных вод.

ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, окисление и восстановление. Эти методы используются для удаления растворимых веществ и взвешенных частиц. Химическая очистка проводится иногда как предварительная перед биологической очисткой или после нее как метод доочистки сточных вод.

Нейтрализация сточных вод

Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах подвергаются нейтрализации. Практически нейтральными считаются воды, имеющие рН 6.5-8.5.

Нейтрализацию можно проводить: смешением щелочных и кислых сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, абсорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами.

Нейтрализация смешением

Этот вид нейтрализации может быть осуществлен, если на одном предприятии имеются кислые и щелочные воды, не загрязненные другими компонентами. Смешение кислых и щелочных вод производится в емкости с мешалкой или без мешалки.

Нейтрализация кислыми газами

Для нейтрализации щелочных сточных вод используют отходящие газы, содержащие СО₂, SO₂, NO₂, N₂O_3. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно производить высокоэффективную очистку самих этих газов от вредных компонентов.

Процесс нейтрализации может быть осуществлен в реакторах с мешалкой, в распылительных, пленочных, тарельчатых колоннах.

Нейтрализация добавлением реагентов

Для нейтрализации кислых сточных вод могут быть использованы щелочи (NaOH, КОН), сода (Na₂CO₃), аммиачная вода (NH₄OH), карбонаты кальция и магния (СаСО, MgCO₃). Однако наиболее дешевым реагентом является известковое молоко с содержанием активной извести Са(ОН)₂ 5-10%. Известь для нейтрализации вводится в сточную воду в виде сухого порошка (“сухое дозирование”) или в виде известкового молока (“мокрое” дозирование).

Схема установки для нейтрализации кислых вод известковым молоком.

известь коагулянт

в ода

2 3 3

4 4

сточ.вода

1 5

Очищ.вода 6

осадок

1 - усреднитель; 2 - аппарат для гашения извести; 3 - растворные баки;

4 - дозаторы; 5 - нейтрализатор; 6 - отстойник.

Для нейтрализации щелочных сточных вод используют различные кислоты или кислые газы.

Нейтрализация фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы

Для нейтрализации кислых вод проводят фильтрование их через слой магнезита, доломита, известняка, твердых отходов (шлак, зола).

Очистка вод окислителями и восстановителями

Для очистки сточных вод используют следующие окислители: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорную известь, гипохлориты кальция и натрия (NaClO₃, Ca(ClO)₂), перманганат калия, бихромат калия, перекись водорода, кислород воздуха, озон, пиролюзит и др.

Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому методы окисления применяют в тех случаях, когда вещества, загрязняющие сточные воды, нельзя или нецелесообразно извлечь другими способами (очистка от цианистых соединений и мышьяка).

Окисление хлором

При введении хлора в воду образуется хлорноватистая и соляная кислоты:

Cl₂ + H₂O = HOCl + HСl

Далее происходит диссоциация хлорноватистой кислоты

HOCl ®¬ H⁺ + Ocl^-

Сумма Cl + HOCl + OСl^- называется свободным активным хлором.

Процесс хлорирования проводят в хлораторах периодического и непрерывного действия.

Схема установки для очистки воды хлорированием

хлор 3 4

сточная вода 1 очищ. вода

2 5

1 - усреднитель; 2,5 - насосы; 3 - инжектор; 4 - емкость.

Хлорирование происходит в емкости 4. В инжекторе 3 газообразный хлор захватывается сточной водой, циркулирующей в системе до тех пор, пока не будет достигнута заданная степень окисления.