Нейтрализация сточных вод

Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах нейтрализуют. Практически нейтральными считаются воды, имеющие pH 6,5...8,5.

Нейтрализацию можно проводить различным путем: смешением кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, абсорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами. В процессе нейтрализации могут образовываться осадки.

Для нейтрализации кислых вод используют: NaOH, КОН, Na₂CO₃, NH₄OH (аммиачная вода), СаСO₃, MgCO₃, доломит (CaCO₃·MgCO₃), цемент. Наиболее доступным реагентом является гидроксид кальция (известковое молоко) с содержанием 5...10% активной извести Са(ОН)₂. Иногда для нейтрализации применяют отходы производства, например шлаки металлургических производств.

Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации кислой сточной воды. Различают три вида кислотосодержащих сточных вод:

воды, содержащие слабые кислоты (Н2СO3, СН3СООН);

воды, содержащие сильные кислоты (НС1, HNO3);

воды, содержащие серную и сернистую кислоты.

При нейтрализации производственных сточных вод, содержащих серную кислоту, реакция в зависимости от применяемого реагента протекает по уравнениям:

При нейтрализации известковым молоком сточных вод, содержащих серную кислоту, в осадок выпадает гипс (CaSO₄·2Н₂O), что вызывает отложение его на стенках трубопроводов.

Для нейтрализации щелочных сточных вод используют различные кислоты или кислые газы, например отходящие газы, содержащие СO₂, SO₂, NO₂, N₂O₃ и др. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно очищать от вредных компонентов сами газы.

Количество кислого газа, необходимого для нейтрализации, может быть определено по уравнению массоотдачи:

 (12.1)

где М - количество кислого газа, необходимого для нейтрализации; k - фактор ускорения хемосорбции; β_ж - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе; S - поверхность контакта фаз; ΔС - движущая сила процесса.

Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами является ресурсосберегающей технологией, так как при этом ликвидируется сброс сточных вод, сокращается потребление свежей воды, экономится тепловая энергия на подогрев свежей воды, а также очищаются дымовые газы от кислых компонентов (СO₂, SO₂ и др.) и от пыли.

13

Метод окисления-восстановления основан на применении реакций окисления-восстановления для определения концентраций растворов. В зависимости от применяемого титрованного раствора окислителя различают несколько частных методов оксидиметрии. 

Методом окисления-восстановления можно определять и вещества, которые не являются ни окислителями, ни восстановителями, но реагируют с окислителем или восстановителем в стехиометрическом соотношении. 

В основе методов окисления-восстановления лежат окислительно-восстановительные реакции, связанные с изменением валентности-реагирующих между собою веществ. При окислении валентность элементов повышается, при восстановлении - понижается. Изменение валентности обусловлено переходом электронов: окислители присоединяют электроны, восстановители отдают. Титрованные растворы, применяемые в этих методах, являются либо растворами окислителей, либо растворами восстановителей и дают возможность определять разнообразные вещества, способные окисляться или восстанавливаться. Кроме того, некоторые вещества ( не окислители и не восстановители), вступающие в реакцию с окислителем или восстановителем в стехиометрическом отношении с образованием осадков или комплексных соединений, также могут быть определены методами окисления-восстановления. Например, соединения кальция вступают в реакцию с оксалат-ионом с образованием оксалата кальция. 

В основе методов окисления-восстановления лежат окислительно-восстановительные реакции, связанные с изменением валентности реагирующих между собою веществ. При окислении валентность элементов повышается, при восстановлении - понижается. Изменение валентности обусловлено переходом электронов: окислители присоединяют электроны, восстановители отдают. Титрованные растворы, применяемые в этих методах, являются либо растворами окислителей, либо растворами восстановителей и дают возможность определять разнообразные вещества, способные окисляться или восстанавливаться. Кроме того, некоторые вещества ( не окислители и не восстановители), вступающие в реакцию с окислителем или восстановителем в стехиометрическом отношении с образованием осадков или комплексных соединений, также могут быть определены методами окисления-восстановления. Например, соединения кальция вступают в реакцию с оксалат-ионом с образованием оксалата кальция. 

Окислительно-восстановительные методы являются разновидностью реагентного способа очистки и подготовки воды. В их основе лежит способ использования различных соединений для осуществления химических реакций. В качестве реагентов применяют вещества, обладающие окислительными и (или) восстановительными свойствами.

Окислительно-восстановительные процессы могут протекать самопроизвольно в природных водных системах или использоваться для очистки вторичных промышленных вод.

Наиболее целесообразно этот метод применять в том случае, когда в результате осуществления реакции происходит разрушение примесей с образованием нетоксичных или малотоксичных веществ.

Метод окисления используется для обезвреживания сточных вод, содержащих токсичные примеси, а также для извлечения из сточных вод веществ, которые нельзя или нецелесообразно извлекать другими способами.

Напомним, что реакции, в результате которых изменяются степени окисленности элементов, называют окислительно-восстановительными.

Отдача электрона, сопровождающаяся повышением степени окисленности элемента, называется окислением. Присоединение электронов, сопровождающееся понижением степени окисленности элемента, называется восстановлением.

Вещество, в состав которого входит окисляющийся элемент, называется восстановителем, вещество, содержащее восстанавливающийся элемент, — окислителем.

Число электронов, отдаваемых молекулами восстановителя, равно числу электронов, присоединяемых молекулами окислителя.

Любую окислительно-восстановительную реакцию можно представить в виде двух полуреакций — окисления и восстановления.

Пример. Рассмотрим окислительно-восстановительную реакцию: 2НС1 + Fe FeCl2 + H2

Эту реакцию можно представить в виде двух полуреакций:

• реакция окисления: Fe — 2е Fe2+

• реакция восстановления: 2Н+ + 2е Н2

Окислительно-восстановительные реакции имеют большое значение в природных биологических системах. Фотосинтез и биогенез протекают при осуществлении окислительно-восстановительных реакций. В природных водных источниках в реакциях такого типа участвуют биологические организмы.

Существует электрохимический ряд элементов, который отражает относительную реакционную способность элементов к окислению и восстановлению. По термодинамическим и физико-химическим параметрам на основе окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и значения рН можно предсказать, какие вещества в воде могут окисляться, какие — восстанавливаться.

В качестве окислителей в промышленности при очистке воды используют кислород воздуха, хлор и его соединения, озон, перекись водорода, перманганат калия.

Окислительно-восстановительный потенциал некоторых окислителей Вещество Реакция № реакции ОВП при 25 «С, В Озон 03 + 2Н+ + 2е —> 02 + Н20 Перекись водоро¬да в кислой среде Н202 + 2Н+ + 2е —> 2Н20 Перманганат Мп04 + 8Н+ +5е Мп2++ 4Н20 Хлорноватистая кислота НС10 + Н+ +2е CI» + Н20 Хлор С12 +2е 2С1- Оксид хлора(1У) С102 + е СЮ2 Бром Вг2 +2е 2Вг Гипохлорит СЮ» + Н20 + 2е С1~ + 20Н~ Перекись водоро¬да в щелочной среде Н202 + 2е—> 20Н~ Кислород 02 + 2Н20 + 4е —> 40Н~

Кислород из всех представленных окислителей имеет наименьшее значение потенциала, и, следовательно, обладает наименьшей окислительной способностью. Его используют при проведении процессов термоокисления. С помощью кислорода окисляют Fe2+, если концентрация железа в растворе достаточно высокая.

Кислород воздуха применяют для окисления органических веществ в растворах только в сочетании с биологическими компонентами, например в процессах ферментативного окисления — активным илом.

Озон является самым сильным окислителем из всех веществ, представленных в таблице. Озонирование применяется для очистки сточных вод от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, мышьяка, ПАВ, цианидов, ароматических углеводородов, пестицидов, а также для обеззараживания питьевой воды. Для окисления озоновоздушную смесь вводят в воду, в которой озон диссоциирует. В слабощелочной среде 03 диссоциирует очень быстро, в кислотной среде проявляет большую стойкость. Озон получают в генераторах из кислорода воздуха под действием электрического разряда. Озон является дезинфицирующим веществом, его используют для нормализации микробиологического состава воды. Преимуществом применения озона является и тот факт, что после осуществления реакции с использованием Оэ образуется кислород, и вода не загрязняется побочными веществами. Широкое применение озона сдерживает его высокая стоимость.

Перекись водорода является сильным и чистым окислителем. При его распаде в воде не образуется побочных веществ. Следует учитывать различную окислительную способность этого вещества в зависимости от рН среды.

Перманганат используют в виде его соли перманганата калия. Это широко известный окислитель, обладающий высокой окислительной способностью, которая проявляется только в кислой или нейтральной среде. В щелочных средах перманганат калия окислительных свойств не проявляет.

Хлор является сильным окислителем. Различные соединения хлора могут быть использованы в качестве окислителей. Это хлор С12), хлорноватистая кислота НСЮ, соли хлорноватистой кислоты — гипохлорит натрия NaCIO или гипохлорит кальция Са(СЮ)2 и оксид хлора СЮ2.

Хлорирование применяют для удаления из сточных вод фенолов, крезолов, цианидов, сероводорода. Для борьбы с биологическими обрастаниями сооружений его используют в качестве биоцида. Применяют хлор и для обеззараживания воды.

Хлор поступает на производство в жидком виде с содержанием не менее 99,5 %. Хлор является высокотоксичным газом, он обладает способностью накапливаться и концентрироваться в небольших углублениях. С ним достаточно трудно работать. При попадании в воду происходит гидролиз хлора с образованием соляной кислоты. С некоторыми органическими веществами, которые присутствуют в растворе, С12 может вступать в реакции хлорирования. В результате образуются вторичные хлорорганические продукты, которые обладают высокой степенью токсичности. Поэтому применение хлора стремятся ограничить.

Хлорноватистая кислота НСЮ обладает такой же окислительной способностью, как и хлор. Однако ее окислительные свойства проявляются только в кислой среде. Кроме того хлорноватистая кислота является нестабильным продуктом — со временем и на свету она разлагается.

Широкое применение получили соли хлорноватистой кислоты. Гипохлорит кальция Са(СЮ)2 выпускается трех сортов с концентрацией активного хлора от 32 до 35 %. На практике используют также двухосновную соль Са(СЮ)2- 2Са(ОН)г 2Н20.

Наиболее устойчива соль гипохлорита натрия NaOCl * 5Н20, которую получают при химическом взаимодействии газообразного хлора с раствором щелочи или при электролизе поваренной соли в ванне без диафрагмы.

Оксид хлораСO2 — газ зеленовато-желтого цвета, хорошо растворим в воде, сильный окислитель. Его получают взаимодействием хлорита NaC102 с хлором, соляной кислотой или озоном. При взаимодействии оксида хлора с водой не ротекают реакции хлорирования, что исключает образование хлорорганических веществ. В последнее время проводятся широкие разработки по выяснению условий замены хлора на оксид хлора в качестве окислителя. На ряде российских заводов внедрены передовые технологии с использованием СO2.

Бром Вг2 также может быть использован в качестве окислителя. В ряде зарубежных работ его рассматривают как альтернативную замену хлора. В России в настоящее время подобные работы не проводятся.

14

Физико-химические методы играют значительную роль при очистке сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами.

К физико-химическим методам очистки сточных вод относятся коагуляция, флотация, адсорбция, ионный обмен, экстракция, ректификация, выпаривание, дистилляция (испарение), гиперфильтрация (обратный осмос) и ультрафильтрация, кристаллизация, а также методы, связанные с наложением электрического поля - электрокоагуляция, электрофлотация, электролиз и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных твердых и жидких частиц, растворимых газов, минеральных и органических веществ.