Инженерная экология. Часть 4. Основы экологии производства. Учебное пособие

де(вероятностьразрушенияагрегатоввсистеме«пузырек–частица» сведена к минимуму), затрата энергии на процесс минимальна. Недостатки заключаются в незначительной степени насыщения стоков пузырьками газа, поэтому этот способ нельзя применять при высокой концентрации взвешенных частиц (не более 250...300 мг/л); в необходимости сооружать герметически закрытые флотаторы и размещать в них скребковые механизмы.

Напорные установки имеют большее распространение, чем вакуумные. Они просты и надежны в эксплуатации. Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4...5 г/л. Для увеличения степени очистки в воду добавляют коагулянты.

Аппаратынапорнойфлотациипосравнениюснефтеловушкамиобеспечивают от 5 до 10 раз меньшее остаточное содержание загрязнений и имеют от 5 до 10 раз меньшие габариты. Процесс осуществляется в две стадии:

•насыщение воды воздухом под давлением;

•выделение растворенного газа под атмосферным давлением. Схема напорной флотации показана на рис. 11 [11].

Рис. 11. Схема установки напорной флотации:

1 – емкость; 2 – насос; 3 – напорный бак; 4 – флотатор

Пневматические установки применяют для очистки сточных вод, содержащих растворенные примеси, агрессивные по отношению к механизмам, имеющим движущиеся части (насосы, импеллеры).

51

Измельчение пузырьков воздуха достигается при пропускании его через специальные сопла на воздухораспределительных трубках. Обычно применяют сопла с отверстиями диаметром 1,0...1,2 мм (рабочее давление 0,3...0,5 МПа). Скорость струи воздуха на выходе из сопел достигает 100...200 м/с. Продолжительность флотации в каждом случае устанавливают экспериментально, обычно в пределах 15...20 мин.

Кдругим способам флотации относят химическую, биологическую

иионную флотацию.

Химическая флотация. При введении в сточную воду некоторых веществ для ее обработки могут протекать химические процессы с выделением газов: O2, CO2, Cl2 и др. Пузырьки этих газов при некоторых условиях могут прилипать к нерастворимым взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое явление, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введением коагулянтов. Схема флотационной камеры для химической флотации показана на рис. 12. Сточные воды поступают в реакционную камеру. Туда же подаются реагенты. Во избежание дегазации время пребывания сточной воды в камере должно быть минимальным. После насыщения вода поступает во флотационную камеру. Недостаток метода – большой расход реагентов [11].

Рис. 12. Схема установки для химической флотации:

1 – мешалка; 2 – скребок; 3 – шламоприемник; 4 – флотационная камера; 5 – реакционная камера

52

Биологическая флотация. Этот метод применяют для уплотнения осадка из первичных отстойников при очистке бытовых сточных вод. Для этой цели осадок подогревают паром до +35...+55 ºС в специальной емкостииприэтихусловияхвыдерживаютнесколькосуток. Врезультате деятельности микроорганизмов выделяются пузырьки газов, которые уносятчастицы впенныйслой, гдеониуплотняютсяиобезвоживаются. Таким путем за 5...6 секунд влажность осадка можно снизить до 80 % и тем самым упростить дальнейшую обработку осадков.

Ионная флотация. Этот процесс происходит следующим образом. В сточную воду вводят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо способом, исобиратель(поверхностно-активныевещества). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противоположный заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и загрязнений концентрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся ими в пену. Пену удаляют из флотационной камеры и разрушают; из пены извлекают сконцентрированные ионы удаляемого вещества.

Этот процесс можно использовать для извлечения из сточных вод металлов (Mo, W, V, Pt, Ce, Re и др.). Процесс эффективен при низких концентрациях извлекаемых ионов – 10–3...10–2 моль ион/л.

Адсорбция

Метод основан на поглощении примесей адсорбентом, т. е. процессе поглощения веществ из окружающей среды твердыми телами. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое – сорбатом. Этот метод применяется для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ, если концентрация этих веществ в воде невелика. Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ПАВ, красителей, спиртов, нефтепродуктов.

К достоинствам метода относят возможность проводить адсорбцию веществ из многокомпонентных смесей, а также высокую эффективность при очистке низкоконцентрированных сточных вод.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, алюмогели, активные глины и т. д. Эффективными сорбентами являются активные угли различных марок.

53

Взависимости от характера сорбционного взаимодействия адсорбата и адсорбента различают физическую адсорбцию, активированную адсорбцию и хемосорбцию [1].

• Физическаяадсорбцияобусловленасиламимежмолекулярноговзаимодействия, не избирательна, полностью обратима, протекает с высокойскоростью. Адсорбцияпротекаетмолекулярно, т. е. преимущественно адсорбируются соединения в недиссоциированном состоянии.

• Активированная адсорбция обусловлена взаимодействием адсорбата и адсорбента с образованием поверхностного соединения особого рода, характерного тем, что молекулы адсорбента, вступающие во взаимодействие с молекулами адсорбата, остаются в кристаллической решетке адсорбента. Активированная адсорбция избирательна, как правило, протекает медленно (с повышением температуры скорость адсорбции заметно возрастает) и необратима [1].

• Хемосорбция – обычная химическая реакция, протекающая на поверхности адсорбента.

Адсорбция – процесс обратимый, т. е. адсорбированное вещество (сорбат) может переходить обратно в раствор. При прочих равных условиях скорости прямого (сорбция) и обратного (десорбция) процессов пропорциональны концентрации вещества в растворе и на поверхности сорбента.

Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м3, кг/кг).

Впромышленности процесс адсорбции осуществляют по периодической, полупериодической и непрерывной технологическим схемам.

Вкачестве адсорбентов используются гранулированные (крупнозернистые), мелкозернистые и высокодисперсные (пылевидные) активированные угли. Наиболее проста с технологической точки зрения схема периодического процесса адсорбции. При периодической адсорбции в качестве адсорбента используют высокодисперсионные активированные угли (или другие сорбенты), причем адсорбцию проводят в одну или несколько ступеней.

Один из наиболее простых по аппаратному оформлению полунепрерывный метод адсорбционной очистки сточных вод – фильтрование воды через колонку, загруженную слоем адсорбента. Скорость фильтрованиязависитотконцентрациивеществ, растворенныхвсточныхводах,

иобычно колеблется от 2 до 6 м3/м2·ч, высота слоя угля в адсорберах ко-

54

леблется от 1 до 6 м. Наиболее рациональное направление фильтрации жидкости через колонку с адсорбентом – снизу вверх, так как при этом она равномерно заполняет все сечение колонны и относительно легко вытесняет пузырьки воздуха или газов, попадающих в слой вместе со сточными водами.

Регенерация сорбента – один из основных вопросов, возникающих при адсорбционной очистке промышленных сточных вод. Цель регенерации с одной стороны, десорбция адсорбированных молекул или их разрушение и, с другой стороны, восстановление адсорбционной способности адсорбента.

Поглощенные вещества могут быть извлечены из активированного угля способом экстракции с помощью органического растворителя, методом отгонки адсорбированного вещества с водяным паром и испарением адсорбированного вещества с помощью тока инертного газообразного теплоносителя. В отдельных случаях осуществляют химические превращения сорбированных веществ с последующей десорбцией.

Легколетучие органические вещества (бензол, нитробензол, толуол, этиловыйспирт) десорбируютвоздухом, инертнымигазами, перегретым паром. При этом температура воздуха должна быть 120…140 ºС, перегретогопара200…300 ºС, адымовыхилиинертныхгазов– 300…500 ºС. Расход пара на отгонку легколетучих веществ из активированного угля составляет 3…12 кг на 1 кг сорбированного вещества.

При деструктивной регенерации обычно применяются термические или окислительные методы. При применении термического метода следует учитывать потери сорбента (так, потери активированного угля составляют 5…10 %).

Ионный обмен

Ионный обмен – это процесс поглощения ионитами (ионообменными смолами) положительных или отрицательных ионов загрязнений в обмен на эквивалентное количество ионов ионита.

Ионы в воде образуются в результате электролитической диссоциации и обусловливают свойства электролита. Они делятся на два типа: катионы – положительно заряженные ионы (H+, Na+, Cu2+, K+, Fe2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+ и др.); анионы – отрицательно заряженные ионы (OH–, Cl–, NO2–, NO3–, CO32–, HCO3– и др.).

55

Иониты – это твердые, практически нерастворимые в воде и органических растворителях природные или искусственные материалы, способные к ионному обмену, т. е. к извлечению из растворов различных анионов и катионов.

Все иониты разделяют на две группы: катиониты и аниониты. Катиониты имеют кислотный характер, содержат активные кислотные группы(SO3H, COOH идр.), способныеобмениватьионыводорода(или другие положительно заряженные ионы) на ионы металлов. Аниониты проявляют основные свойства. В большинстве случаев это высокополимерные соединения, содержащие активные основные первичные NH2 и вторичные NH аминогруппы; они могут обменивать гидроксильные ионы (или другие отрицательно заряженные ионы) на анионы растворенных кислот или солей.

Иониты(катионитыианиониты) бываютнеорганические(минеральные) и органические. Это могут быть природные вещества или вещества, полученные искусственно.

Кнеорганическим природным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты, различные слюды и т. п. Их катионообменные свойства обусловлены содержанием алюмосиликатов типа

Na2O·Al2O3·nSiO2·mH2O. Ионообменными свойствами обладает также фторапатит [Ca5(PO4)3]F и гидроксидапатит [Ca5(PO4)3]OH. К неорганическим синтетическим ионитам относятся силикалели, труднорастворимые оксиды и гидроксиды некоторых металлов (алюминия, хрома, циркония и т. д.)

Органические природные иониты проявляют слабокислотные свойства. Дляусилениякислотныхсвойствиобменнойемкостиуглиизмельчают и сульфируют в избытке олеума. Сульфоугли являются дешевыми полиэлектролитами, содержащими сильно- и слабокислотные груп-

пы [11].

Корганическим искусственным ионитам относятся ионообменные смолы с развитой поверхностью. Синтетические ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами.

56

Основы процесса ионного обмена. Реакция ионного обмена проте-

кает следующим образом. При контакте с катионитом

RSO3H + NaCl ↔ RSO3Na + HCl.

При контакте с анионитом

ROH + NaCl ↔ RCl + NaOH.

Ионный обмен происходит в эквивалентных отношениях и в большинстве случаев является обратным.

Ионная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца и т. д.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных соединений:

2RNa+ + Me2+ ↔ R2Me2+ + 2Na+,

где R – сложный комплекс ионита; Me2+ – ион двухвалентного металла. Ионный обмен широко распространен при обессоливании в процес-

се водоподготовки.

Обессоливание воды проводят путем последовательной фильтрации через катионит и анионит [15]:

RH+ + Na+ ↔ RNa+ + H+

ROH– + Cl– ↔ RCl– – OH–

H+ + OH– → H2O.

Регенерация ионитов. Катиониты регенерируют 2–8 %-ми растворами кислот. При этом они переходят в H-форму. Отработанные аниониты регенерируют 2...6 %-ми растворами щелочи. Аниониты при этом также переходят в OH-форму.

Вводеионитынерастворяются, нонабухают, причемразмерыихвозрастают от 0,5...1,0 нм до 4 нм, а объем ионита увеличивается в 1,5–3,0 раза. Набухание влияет на селективность ионита.

Процесс ионообменной очистки сточных вод осуществляется в аппаратах периодического или непрерывного действия. На практике ионообменную очистку воды осуществляют в установках фильтровального типа, зернистой загрузкой являются гранулы диаметром 1...5 мм синтетических ионообменных смол (ионитов), катионообменного (катиониты) или аниобменного (аниониты) видов.

57

Для проведения процесса ионного обмена используют также кассетные фильтры, которые после насыщения снимаются и направляются на регенерацию в центральный регенерационный центр, а на их место устанавливаются кассеты с отреагированным ионитом.

Недостатки ионного обмена: значительный расход агрессивных реагентов; эксплуатационные расходы и большие затраты на утилизацию регенерационных растворов.

Экстракция

Экстракция – это процесс разделения смеси жидких или твердых веществ с помощью избирательных растворителей.

Метод основан на различной растворимости извлекаемого химического соединения в воде и растворителе, используемом в качестве экстрагента.

Процесс выделения из водной среды растворенных неорганических и органических веществ осуществляется с помощью растворителя – экстрагента, в котором извлекаемое вещество растворяется лучше, чем в воде.

Сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после отделения экстрагируемоговеществавновьиспользуетсявтехнологическомпроцессе очистки.

При очистке сточных вод в качестве экстрагентов обычно применяют органические растворители, которые не смешиваются с водой (бензол, четыреххлористый углерод, бутилацетат и т. п.). Для экстракции элементовподгруппымеди, цинка, галлия, германия, мышьякаижелеза, их отделения от ряда металлов и друг от друга применяют алифатические и ароматические амины, длинноцепочные алкилдитиофосфорные кислоты и другие экстрагенты.

Жидкостную экстракцию также применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты и т. п.

Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий. Первая стадия – интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). В условиях развитой поверхности контракта между жидкостями образуются две жидкие фазы. В одной фазе экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент, в другой – рафи-

58

нат – сточную воду и экстрагент. Вторая стадия – разделение экстракта и рафината; третья стадия – регенерация экстрагента из экстракта и рафината [11].

Необходимость извлечения экстрагента из экстракта связана с тем, что его надо вновь вернуть в процесс экстракции. Регенерация может быть проведена с применением вторичной экстракции – с другим растворителем, а также методами выпаривания, дистилляции, химического воздействия или осаждения. Не проводить регенерацию экстрагента возможно в случае, если нет необходимости возвращать его в цикл.

Целесообразность использования экстракции для очистки сточных вод определяется концентрацией в них органических примесей. 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. Недостатком процесса экстрации является загрязнение воды используемыми экстрагентами, а также входящими в их состав примесями, что требует дополнительной очистки сточных вод.

Обратный осмос и ультрафильтрация

Осмос – это односторонний перенос растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации.

Обратный осмос – это метод фильтрования растворов под давлением через полупроницаемые мембраны с диаметром пор 1 нм, пропускающие молекулы растворителя и полностью или частично задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ.

Ультрафильтрация – это процесс разделения высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений в жидкой фазе с использованием селективных мембран с диаметром пор от 5 до 200 нм, пропускающих преимущественно или только молекулы низкомолекулярных соединений. Применяется для очистки сточных вод от высокомолекулярных органических соединений, в частности от поверхностно-активных веществ (ПАВ).

При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул рас-

59

творителя. При ультрафильтрации размер отдельных частиц dч на порядок больше. Условные границы применения этих процессов приведены ниже.

Таким образом, от обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса 6...10 МПа, значительно больше, чем для процесса ультрафильтрации 0,1...0,5 МПа.

Обратный осмос широко используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности. Простейшая установка обратного осмоса состоит из насосавысокогодавленияимодуля(мембранногоэлемента), соединенных последовательно (рис. 13).

Рис. 13. Схема установки обратного осмоса:

1 – насос высокого давления; 2 – модуль обратного осмоса; 3 – мембрана; 4 – выпускной клапан

Скорость обратного осмоса прямо пропорциональна эффективному давлению (разности между приложенным давлением и осмотическим). Эффективное давление значительно превосходит осмотическое. Осмотическое давление для растворов некоторых солей концентрацией 1000 мг/л представлено ниже.

60