3.4 Физико-химические основы процесса экстракционной очистки воды

При относительно высоком содержании в сточных водах растворенных органических веществ, представляющих собой техническую ценность (например, фенолы и жирные кислоты), эффективным ме­тодом очистки является экстракция органическими рас­творителями – экстрагентами. Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на рас­пределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его раст­воримости в них. Отношение взаимно уравновешиваю­щихся концентраций в двух несмешивающихся (или слабосмешивающихся) растворителях при достижении рав­новесия является постоянным и называется коэффициен­том распределения ( ):

где C_э, С_ст – концентрация экстрагируемого вещества соответствен­но в экстрагенте и сточной воде при установившемся равновесии, кг/м³.

Таким образом, жидкостная экстракция (лат. Extractio – извлечение, от extraho – вытягиваю, извлекаю), перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент).

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.

Технология экстракционной очистки включает три основных процесса, от простоты и экономичности которых зависит целесообразность метода:

• смешение сточной воды с экстрагентом в условиях максимального развития поверхности соприкосновения;

• возможно более быстрое разделение жидкостей после экстракции;

• удаление и регенерация экcгpагента из водной и органической фаз.

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.

Экстрагент должен равномерно распределяться в объеме сточной воды. Скорость подачи экстрагента в сточную воду должна быть минимальной. Она зависит от степени очистки и коэффициента распределения, который выражается отношением растворенного вещества в экстрагенте и воде. Это выражение является законом равновесного распределения и характеризует динамическое равновесие между концентрациями экстрагируе­мого вещества в экстрагенте и воде при данной температуре. Коэффициент распределения устанавливают опытным путем, он зависит от природы компонентов системы, содержания при­месей в воде и экстрагенте и температуры. Это соотношение справедливо, если экстрагент совершенно нерастворим в сточной воде. Однако экстрагент частично растворим в сточной воде, поэтому коэффициент распределения будет зависеть не только от температуры, но и от концентрации извлекаемого вещества в рафинате, т. е. будет величиной переменной.

При достижении равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. Сконцентрированное в экстрагенте веще­ство отделяется от растворителя и может быть утилизи­ровано. Экстрагент после этого используется в техноло­гическом процессе очистки.

Метод экстракционной очистки экономически целесо­образен при значительной концентрации органических примесей или при высокой стоимости извлекаемого ве­щества.

Для успешного протекания процесса экстракции экстрагент должен иметь следующие свойства:

• хорошую экстрагирующую способность по отношению к экстрагируемому веществу, т. е. высокий коэффициент распреде­ления;

• селективность, т. е. способность экстрагировать из воды одно вещество или определенную их группу;

• малую растворимость в воде;

• плотность, отличающуюся от плот­ности воды;

• температуру кипения, значительно отличаю­щуюся от температуры кипения экстрагируемого веще­ства;

• небольшую удельную теплоту испарения и малую теплоемкость, что позволяет снизить расходы пара и охлаждающей воды;

• возможно меньшие огне- и взрывоопасность, токсичность;

• низкую стоимость.

Экстрагент не должен подвергаться заметному гидролизу и взаимодействовать с экстрагируемым веществом, материалом трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры экстракционной установки.

При содержании в сточной воде нескольких примесей целесооб­разно извлекать экстракцией сначала один из компонентов – наиболее ценный или токсичный, а затем, если это необходимо, другой и т д. При этом для каждого компонента может быть разный экстрагент. При необходимости одновременной экстракции нескольких ве­ществ из сточной воды экстрагент не должен обладать селектив­ностью извлечения, а должен иметь близкие и достаточно высокие коэффициенты распределения для всех извлекаемых веществ. Про­ведение такого процесса очистки затрудняет выбор экстрагента и его регенерацию

Необходимость извлечения экстрагента из экстракта связана с тем, что его надо вновь вернуть в процессе экстракции. Регенерация мо­жет быть проведена с применением вторичной экстракции – с другим растворителем, а также выпариванием, дистилляцией, химичес­ким взаимодействием или осаждением. Не проводить регенерацию экстрагента возможно в случае, если нет необходимости возвращать его в цикл. Например, после извлечения какого-либо вещества мож­но использовать экстракт для технологических целей или в качестве топлива. В последнем случае экстрагируемые вещества при сжига­нии разрушаются. Это целесообразно делать, когда они не представ­ляют большой ценности.

Так как совершенно нерастворимых в воде жидкостей нет, то в процессе экстракции часть экстрагента растворяется в сточной воде, становится новым загрязнителем ее, поэтому необходимо удалять эк­страгент из рафината. Это также необходимо производить и в целях сокращения потерь растворителя. Потери растворителя с рафинатом допустимы лишь при условии его растворимости в воде не выше ПДК, но лишь при его очень низкой стоимости. Наиболее распрост­раненным способом извлечения растворителя из рафината является адсорбция или отгонка паром (газом). Для этой цели целесообразно использовать отработанный пар или отходящие дымовые газы.

Наиболее широко методы экстракции применяют для очистки сточных вод предприятий по термической пере­работке твердых топлив (каменного и бурого углей, торфа), содержащих значительное количество фенолов. Утилизация извлекаемых из сточных под фено­лов позволяет не только покрыть расходы на их извле­чение, но и при начальной концентрации фенолов выше 3 – 4 г/дм³ обеспечивает рентабельность их очистки. Эффективность извлечения фенолов из сточных вод достигает 80 – 97 %.