книги / Общая химия.-1

продукты переработки углей и т.п. На производство 1 кВт ч электро­ энергии требуется 200—400 л воды. Для работы ТЭЦ мощностью 1000 МВт необходимо 1,2— 1.6 км3 воды в год, а АЭС такой же мощ­ ности — 3 км3 в год. На станциях большой мощности в сутки сбрасы­ вается 1000 т и более воды, загрязненной примесями.

В зависимости от назначения исходной воды сточные воды мож­ но разделить на следующие основные виды:

а) реакционные воды, в которых вода является продуктом реакции; б) исходные воды, содержащиеся в сырье или реагентах, напри­

мер воды углей; в) маточные водные растворы, образующиеся в результате проте­

кания реакций в водных средах; г) промывные воды, образующиеся после промывки сырья, про­

дуктов реакции и оборудования; д) охлаждающие воды, используемые дДя охлаждения аппаратов

и продуктов.

Загрязненность разных видов вод существенно отличается. На­ пример, охлаждающие воды, как правило, мало загрязнены. Поэтому для каждого вида вод применяют свой метод очистки.

Хотя сточные воды существенно отличаются по составу, однако все примеси этих вод можно подразделить на группы. В зависимости от размеров частиц примеси можно разделить на грубодисперсные, коллоидные и истинно растворенные. Последние в свою очередь подразделяются на примеси ионного и молекулярного характера,

В зависимости от рН сточные воды могут быть щелочные, кислые или нейтральные.

Сточные воды характеризуются рядом технологических показате­ лей, таких как, содержание нерастворимых и растворимых примесей ВПК (см. §12.3), окисляемость, рН, жесткость, кислотность, общее содержание солей и др.

Методы очистки сточных вод. Так как состав вод весьма разно­ образен, то разнообразны и методы их очистки. Все методы воздей­ ствия на примеси можно подразделить на две группы: деструктивные и регенеративные. При д е с т р у к т и в н ы х методах примеси разру­ шаются и выводятся из воды в виде газов или остаются в воде в обез­ вреженном состоянии. При р е г е н е р а т и в н ы х способах примеси извлекаются и передаются для использования. Применение того или иного метода определяется экономическими соображениями.

491

По технологическому признаку все методы обезвреживания сточ­ ных вод можно подразделить на три группы: очистка от суспензиро­ ванных и эмульгированных примесей, очистка от растворенных при­ месей, устранение или уничтожение сточных вод.

Очистка сточных вод ог суспензированных и эмульгирован­ ных примесей. Грубодисперсные примеси удаляются из сточных вод отстаиванием, фильтрованием и флотацией. Отстаивание проводится в специальных емкостях периодического и непрерывного действия. Очистка от примесей ускоряется при пропускании воды через слой взвешенного осадка. Флотация заключается в образовании комплек­ сов частиц примесей с пузырьками газа, подъема комплексов и уда­ лении их с поверхности воды. Фильтрование обычно проводится как завершающая стадия после других видов очистки. В зависимости от состава обрабатываемой воды и ее кислотности фильтрующими ма­ териалами служат песок, кварц, антрацит, мрамор, доломит, магне­ зит, полимеры и др. Очистка от коллоидных примесей проводится методом коагуляции (см. §8,7).

Очистка сточных вод от растворенных неорганических при­ месей. В зависимости от вида и концентрации примесей применяют реагентные, ионообменные, электрохимические и другие методы очистки.

Реагентные методы очистки включают в себя нейтрализацию, осаждение, окисление и восстановление примесей. Если сточные воды имеют кислотный характер, то их нейтрализуют основными реа­ гентами (известью Са(ОН)2, едким натром №ОН, известняком СаС03, содой ИагСОз, магнезитом М§0 или М§С03, аммиаком ИНз и др.).

В промышленности применяют и метод взаимной нейтрализации кислотных и щелочных сточных вод.

Некоторые ионы ( Н§2+, РЪ2+, СН2+, Са2+ и др.) можно вывести из сточных в виде их малорастворимых солей. Как известно, для мало­ растворимых срлей произведение растворимости постоянно. Напри­ мер, для соли РЬЗОд:

. ™ =

где а^ 2+ >а^02- — активность ионов свинца и сульфат-ионов.

Увеличивая концентрацию ионов противоположного знака, на­ пример, сульфат-ионов, можно уменьшить концентрацию вредных ионов, в данном примере ионов свинца.

492

С помощью окислительно-восстановительных реакций можно превратить вредные вещества в безвредные или в соединения, легко выводимые из раствора. В качестве окислителя используют хлор, озон, гипохлорит натрия. Например, цианид-ион можно окислить гипохлоритом до азота и диоксида углерода

2СК + 50СГ + 2 ^ = 2С02 +N2 + 5СГ+ Н20

Гидразин можно окислить кислородом воздуха до азота

N2^ + 03 = N2 + 2 ^ 0

Если сточные содержат легко восстанавливаемые примеси, то их можно отделить методом восстановления. В качестве восстановите­ лей используют водород, гидразин, алюминий, диоксид серы и др.

Например, триоксид хрома можно восстановить диоксидом серы

2Сг03+ 3302 = Сг2(804)з

Ионообменные методы получают все более широкое применение для удаления примесей из сточных вод. Общие принципы ионного обмена описаны в §8.6. Для очистки сточных вод используют как катионирование, так и анионирование. При катионировании вредные катионы сточных вод обмениваются на безвредные ионы ионита. Например, для удаления ионов Сс12+ из сточной воды последнюю можно подвергнуть №-катионированию:

2К"‘ нЫа+ + иСс12+ <-> К2П~иСс!2' + Ъ г Ы а

Катионирование сточных вод обычно проводят как одну из за­ ключительных стадий для глубокой очистки, так как стоимость ионитной обработки достаточно высока. Если концентрация примесей в воде высокая, то основную часть примесей предварительно удаляют другими, более дешевыми методами.

С помощью ионообме'нных смол можно очистить сточные воды от радиоактивных катионов, например от ионов стронция:

Особенно эффективен ионообменный метод очистки от радиоак­ тивных ионов сточных вод, имеющих небольшое солесодержание.

При анионировании вредные ионы сточных вод заменяются на ионы анионита. Например, анионированием можно удалить из сточ­ ных вод цианид-ионы:

нСЫ' + К"+ «ОН' <-»К"+ лСЫ’ + ЮН'

493

Для очистки сточных вод используют также электрохимические методы: электродиализ, электробкисление и электровосстановление. Метод электродиализа описан в §12.3. Электроокисление и электро­ восстановление заключаются в пропускании сточных вод через элек­ тролизер с нерастворимыми электродами. При этом вредные примеси либо окисляются на аноде, либо восстанавливаются на катоде.

Так, ионы хрома, свинца, серебра, меди, олова, мышьяка, ртути, кадмия и цинка можно восстановить до металлов на катоде с высоко­ развитой поверхностью, например:

А§+ + е -> А§

Очистка сточных вод от растворенных органических приме­ сей. Обезвреживание сточных вод, содержащих органические приме­ си, проводят деструктивным и регенеративным методами. К деструк­ тивным методам относится термоокисление и электроокисление. Термоокисление заключается либо в сжигании сточных вод совмест­ но с топливом (огневое обезвреживание), либо в окислении примесей кислородом воздуха, озоном, хлором и другими окислителями. При электроокислении сточные воды пропускаются через электролизер, в котором происходит электрохимическое окисление органических примесей на нерастворимом аноде. Например, фенол окисляется на аноде до оксида углерода и малеиновой кислоты:

С6Н5ОН + 7Н20 + 16е = 2С 02 + (СНСООН)2 + 16Н

При регенеративной очистке происходит как обезвреживание сточных вод, так и извлечение ценных примесей. Для этих целей ис­ пользуют методы экстракции, перегонки, адсорбции, ионного обме­ на, осаждения и др.

Метод экстракции заключается во взаимодействии сточных вод с растворителем-экстрагентом, в котором примеси лучше растворяют­ ся, чем в воде (см. гл. 8). Затем раствор примеси в экстрагенте отде­ ляют от сточных вод и от экстрагента.

Методом перегонки можно выпарить из сточных вод примеси, имеющие более низкую температуру кипения, чем вода, например, метанол.

Метод адсорбции (см. гл. 6) широко используется для очистки сточных вод. В качестве адсорбентов служат активированные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (зола, шлак, опилки и др.). Например, с помощью активированного угля из сточных вод удаляются бензол, спирт и другие вещества.

494

Свежая речная веща

Р и с . 15.7. Замкнутый водооборот на одном из химических заводов

Все более широкое применение для очистки сточных вод находит биологический метод, заключающийся в удалении органических примесей с помощью микроорганизмов.

Замкнутые водооборотные системы. Наилучшим путем реше­ ния проблемы охраны водного бассейна является создание замкнутых водооборотных систем (см. рис. 15.7). В этом случае полностью от­ сутствует сброс сточных вод в водоемы. Важную роль в решении этой проблемы играет химия, так как с помощью химических реак­ ций и физико-химических процессов удается удалить до необходи­ мых пределов примеси из сточных вод, которые после обработки снова поступают на производство. При создании замкнутых водообо­ ротных систем проводят регенерацию отработанных растворов с из­ влечением солей, чтобы сократить до минимума расход воды. На­ пример, заменяют водное охлаждение на воздушное, водные раство­ ры неводными, проводят многократное использование воды в техно­ логическом процессе, отказываются от воды как абсорбента и т.д. При проектировании промышленных замкнутых водооборотных сис­ тем воду пропускают от установок, где требуется более чистая вода, к установкам, где можно использовать загрязненную воду. В настоящее

495

время на многих предприятиях используют замкнутые водооборот­ ные системы. Например, на некоторых химических заводах в круго­ обороте находится до 95—97% всей потребляемой воды.

Итак, сточные воды промпредприятий, электростанций и других потребителей воды могут содержать большое количество разнообразных примесей, которые удаляются различными химическими, физико­ химическими, биологическими и физическими методами. Наиболее пер­ спективно создание технологий с замкнутыми водооборотами.

Задачи и вопросы для самоконтроля

15.7.Рассчитайте уменьшение концентрации цианид-ионов в сточных водах после ОН-анионирования, если концентрация ионов ОН' возросла на 34 мг/л.

15.8.Рассчитайте уменьшение концентрации ионов кадмия в сточных водах по­ сле №-катионирования, если концентрация ионов натрия возросла на 46 мг/л.

15.9.Рассчитайте уменьшение концентрации ионов ртути в сточных водах после Ыа-катионирования, если концентрация ионов натрия возросла на 69 мг/л.

15.10.Рассчитайте теоретический часовой расход гипохлорита натрия на окис­ ление цианид-иона в сточных водах, содержащих 26 мг/л СЫ', если в сутки сбрасыва­ ется сточная вода массой 1000 т (пл. 1,02 г/см3).

15.11.Сточная вода содержит коллоидные частицы, оксиды хрома, ионы Сй2+ и РЬ2+, СИ" и фенол. Предложите методы очистки сточной воды.

§15.4. ТВЕРДЫЕ ОТХОДЫ. БЕЗОТХОДНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Человек в своей жизнедеятельности образует большое число от­ ходов, которые можно подразделить на производственные и бытовые.

Производственные отходы и их переработка. Для обеспечения потребностей одного человека ежегодно извлекается из Земли в среднем 20—30 т минерального сырья в год, из них в конечные про­ дукты переходит не более 1—3 %. Соответственно на планете каж­ дый год появляется не менее 100 млрд.т производственных отходов. Это горные породы, отвалы производств цветных и черных металлов, шлаки и огарки домен, тепловых станций, печей, отходы химической и других отраслей промышленности и др. Так как население Земли и его потребности возрастают, а руды становятся беднее полезными компонентами, то объем производственных отходов непрерывно уве­ личивается. Прогнозируется, что годовой объем горных пород к 2000 г. возрастет до 600 млрд. т. Эти отходы занимают площади плодород­

496

ной земли, попадают в виде пыли в атмосферу и, растворяясь, посту­ пают в гидросферу. Так как твердые отходы содержат большое коли­ чество вредных веществ, то они экологически опасны. Поэтому име­ ется настоятельная потребность в переработке производственных отходов. Отходы многих производств содержат ценные компоненты. •Более правильно считать их сырьем для соответствующих произ­ водств. В отвалах производств черных металлов имеются титан, ни-

. кель, кобальт, медь, золото, платина и другие металлы. Золы углей и горючих сланцев содержат германий, молибден, ванадий, рений, се­ ребро, золото и другие элементы. Например, содержание германия в сжигаемых углях на порядок больше его мирового потребления. По­ этому при переработке этих отходов можно получить большое коли­ чество ценных компонентов.

Отходы многих производств могут быть использованы как сырье для получения строительных материалов. К таким производствам относится металлургия (шлаки), теплоэнергетика (золошлаковые отходы), химическая (фосфатные, пиритные огарки), горнодобываю­ щая и другие отрасли промышленности.

Однако более радикальным путем решения проблемы является создание безотходных производств, которые будут рассмотрены позднее,

Бытовые отходы и их переработка. Развитые страны произво­ дят более 13 млрд, т бытовых отходов. Количество бытовых отходов на человека в развитых странах мира колеблется в пределах 200—-500 кг/^од. В Москве на каждого жителя приходится около 300 кг/год. Масса бытовых отходов возрастает примерно 5% в год. Бытовые от­ ходы содержат много компонентов, однако основными составляю­ щими является бумага (30—40%), пищевые отбросы (около 30%), металлы (4—9%) и полимеры (2—3%). В настоящее время разработа­ но несколько технологий переработки бытовых отходов. По одной из наиболее прогрессивной с помощью специальных механизмов произ­ водится отбор металлов, полимеров, стекла, макулатуры, пищевых отходов, горючих компонентов. Это позволяет получать ценные ме­ таллы и полимерную пленку, корм для скота, а также тепло при сжи­ гании мусора. Однако, такие предприятия только в проекте. Пока работают мусоросжигающие заводы.

Безотходная технология и производство. Под безотходной тех­ нологией понимается такая производственная система, в которой цикл сырьем—производство—потребление организован с рациональ­ ным использованием всех компонентов сырья и вцдов энергии и без нарушения экологического равновесия. Безотходная технология мо­ жет осуществляться в рамках цеха, завода, объединения, отрасли, региона. Однако, полностью безотходное производство возможно лишь теоретически, так как определенные потери сырья и энергии неизбежны. Безотходная технология является целью и средством достижения. Реально осуществимы малоотходные производства.

Основными принципами безотходной технологии являются: ком­ плексная переработка сырья и ресурсосбережение, комплексное ис­ пользование энергетических ресурсов и энергосбережение, замкну­ тые водооборотные и газооборотные системы, новые высокопроизво­ дительные, экологически чистые и малоотходные процессы и аппара­ ты, переработка отходов, рациональное кооперирование в рамках территориальных производственных комплексов. Некоторые прин­ ципы были рассмотрены ранее.

Весьма сложной является проблема комплексной переработки

сырья в связи с его огромны м объемом и многоком! онентностыо состава в большинстве отраслей, особенно в цветной металлургии. Тем не менее имеются некоторые достижения в этой области. На­ пример, Хибинское месторождение содержит апатит — Са5(Р04)зР (30% и более), нефелин — алюминат натрия и калия (30% и более) и другие минералы. Долгое время использовался только апатит для производства фосфорных удобрений, все остальное шло в отвалы, резко ухудшая экологическую обстановку в регионе. Новая техноло­ гия позволяет использовать не только апатит, но и нефелин и другие минералы с получением новых продуктов и с переработкой отходов.

Комплексное использование энергетических ресурсов и энерго­ сбережение предполагает такие электротехнологические процессы, в которых обеспечивается максимальный выход продуктов на единицу израсходованной энергии, утилизацию вторичных энергоресурсов, в конечном счете высокий энергетический КПД с экологической чис­ тотой процесса.

498

Коренное улучшение экологической ситуации достигается при создании и освоении принципиально новых процессов, например, прямого восстановления железа и железорудных концентратов с по­ мощью водорода и других восстановителей, бактериологического извлечения металлов из руд, получения энергии в топливных элемен­ тах, применение каталитических, мембранных, электрохимических и других процессов.

Очень важной особенностью безотходного производства является создание территориально-производственных комплексов, объеди­ няющих различные предприятия, причем отходы одних предприятий служат сырьем для других предприятий, где обеспечивается рацио­ нальное использование энергии. Например, вырабатываемый в часы провала нагрузки (ночные часы) водород может поступать на произ­ водство аммиака. Вместе с тем при воздействии на окружающую среду нескольких экологически вредных компонентов они могут вза­ имно усиливать токсичный эффект.

Следует однако учесть, что решение экологических проблем на­ ходится на базе компромисса между затратами и качеством жизни. Например, полное устранение пестицидов приведет к улучшению экологической обстановки, но при современном состоянии сельского хозяйства — к угрозе голода. Можно ликвидировать тепловые стан­ ции, но это приведет к энергетическому кризису.

Итак, ежегодно появляется огромное количество твердых отхо­ дов, многие из которых экологически опасны. Кардинальным путем решения проблемы является создание безотходных производств, в которых отходы одних технологий служат сырьем для других техно­ логий. Однако, создание экономически приемлемых безотходных и малоотходных производств находится еще в начале пути.

Вопрос для самоконтроля

15.12. Рассмотрите возможность создания единого территориального комплекса на базе месторождений черных металлов, угля, металлургического производства, тепловой электростанции и завода стройматериалов. Укажите энергетические и тех­ нологические связи между предприятиями.

17*

Глава шестнадцатая

ХИМИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВА

В практической деятельности специалистов часто возникает не­ обходимость идентификации (обнаружения) того или иного вещест­ ва, а также количественной оценки (измерения) его содержания. Та­ кая потребность может появляться у человека и в его повседневной жизни. Так, многие семьи, имеющие садовые, огородные и дачные уча­ стки, заинтересованы в анализе почвы, воды й химикатов. В последние годы возрос интерес к идентификации и анализу тяжелых металлов и не­ которых токсичных соединений, находящихся в окружающей среде.

Химические идентификация (качественный анализ) и измерения (количественный анализ) являются предметом специальной химиче­ ской науки - аналитической химии. В настоящей главе будут рас­ смотрены некоторые общие принципы химической идентификации и количественного анализа веществ на основе изученных ранее зако­ номерностей химических процессов и свойств неорганических и ор­ ганических веществ.

§16.1. ХИМИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВЕЩЕСТВА

Общие понятия. Химическая идентификация (обнаружение) — это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов и других составных частей вещества на основе сопоставления экспе­ риментальных и соответствующих справочных данных для извест­ ных веществ. Идентификация является целью качественного анали­ за. При идентификации обычно определяется комплекс свойств ве­ ществ: цвет, фазовое состояние, плотность, вязкость, температуры плавления, кипения и фазового перехода, растворимость, электрод­ ный потенциал, энергия ионизации и (или) др. Для облегчения иден­ тификации созданы банки химических и физико-химических данных. При анализе многокомпонентных веществ все более используются универсальные приборы (спектрометры, спектрофотометры, хрома­ тографы, полярографы и др.), снабженные компьютерами, в памяти которых имеется справочная химико-аналитическая информация. На базе этих универсальных установок создается автоматизированная система анализа и обработки информации.

500