5. Метод жидкостной экстракции
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 реэкстракцей другим растворителем, а также выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием или 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 и 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 концентрированно металла, т.е. создаются условия для его регенерации (например, электролизом).
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.
Катионообмейными 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 неподеленную пару электронов, что дает возможность образовывать координационные соединения. Образующиеся при обработке кислотой соли аминов могут обменивать анион кислоты на металлсодержащие анионы.
В щелочной среде амины могут находиться не в виде солей, способных обменивать анион, а в виде нейтральных молекул, поэтому их применяют только в кислых средах.
Еще одним классом анионообменных экстрагентов являются четвертичные аммониевые основания и их соли.
К нейтральным экстрагентам относятся: органические спирты ROH (в углеродном радикале от 7 до 9 атом углерода, кетоны R2CO, из которых наиболее широко используется метилизобутилкетон СНзСОС4Н9, простые эфиры, сложные эфиры, образующиеся при взаимодействии спиртов с неорганическими кислотами и некоторые другие вещества.
Экстракция может быть экономически выгодным процессом, если стоимость извлекаемых веществ компенсирует все затраты на его проведение. Для каждого вещества существует концентрационный предел рентабельности извлечения его из сточных вод. В общем случае можно считать, что большинство веществ при концентрации выше 3-4 г/л рациональнее извлекать зкстракцией, чем адсорбцией. При концентрации меньше 1 г/л экстракцию следует применять только в особых случаях.
Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной многоступенчатой экстракции и непрерывной противоточной экстракции.
Схема многоступенчатой экстракционной установки представлют собой батарею смесителей и отстойников: каждая ступень состоит из смесителя воды с экстрагентом и отстойника. Свежий экстрагент и сточная вода поступают с противоположных сторон.
Схема непрерывной экстракции в противоточной установке с регенерацией экстрагента показана на рис. 5.
Рис. 5. Принципиальная схема жидкостной экстракции:
1-сборник промывной воды, 2-насос, 3-пертрактор, 4-накопитель концентрата кислого раствора, 5-механические мешалки.