Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Процессы и аппараты очистки воды в металлургии. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 1413 14 > Следующая >>>

Объем обрабатываемой воды в электролизере (электродном бло-



ке) V, м

, ориентировочно определяется по формуле

где d

– расстояние между электродами, м (d2 = 0,003…0,008 м).

VSd

 ,

Время обработки сточных вод t, с, определяется из формулы

tVq

и не должно превышать 3 мин.

Площадь одной электродной пластины S

2Sah

, м2:

где а – ширина, м, а = 0,3…0,6 м;

h – рабочая высота электрода, м, h = 0,5…1 м.

Общее количество анодов определяется по формуле

nSS

а общее количество электродов – по формуле

Расход металлического железа q

21nn

 .

, м3, для обработки 1 м3 сточных

вод может быть определен по формуле

2,5 1 000ΘqC

Fe 0

где 2,5 – коэффициент среднего удельного расхода железа;

 – коэффициент использования материала анода (0,7 – 0,9 в за-

висимости от его начальной толщины).

По данным эксплуатации многих установок электрохимической очистки хромсодержащих сточных вод способ позволяет получить эффект по сравнению с реагентным.

В присутствии 6-валентного хрома, при его концентрации, превышающей суммарное содержание ионов тяжелых металлов (меди, никеля, цинка, кадмия и др.), последние

также эффективно удаляют-

ся из сточных вод.

Электродиализ. Метод электродиализа может использоваться для

удаления из сточных и природных соленых вод минеральных солей, а

121

также для переработки высококонцентрированных сточных вод (регенерации некоторых отработанных технологических растворов).

Электродиализ – это процесс переноса ионов через мембрану под действием постоянного электрического поля. Для очистки сточных вод электродиализом используются электрохимически активные ионитовые мембраны: катионитовые (МК-40) и анионитовые (МА-40, МА-41), которые представляют собой измельченные ионообменные смолы, нанесенные на неэлектропроводную основу

(полиэтилен, по-

листирол, фторопласт и др.).

В электролитической ванне мембрана действует как ионный фильтр, пропуская из одной электродной камеры в другую лишь ионы, заряд которых совпадает со знаком заряда подвижных (обменных) ионов смолы, из которой изготовлена мембрана. Она непроницаема для ионов, знак заряда которых совпадает со знаком

заряда

неподвижных ионогенных групп.

Катионитовые мембраны пропускают только катионы, анионитовые – только анионы.

Процесс удаления солей из воды осуществляется в многокамерных аппаратах – электродиализаторах, камеры которых отделены друг от друга плоскими ионитовыми мембранами, расположенными параллельно относительно друг друга.

Процесс обессоливания воды схематично представлен на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Схема процесса обессоливания воды методом электродиализа:

1 – анод; 2 – катод; 3 – анионитовая мембрана; 4 – катионитовая мембрана

122

Обрабатываемая вода помещается в среднюю (четную) камеру и обессоливается. В нечетных камерах циркулирует и концентрируется рассол.

Для наложения электрического поля в электролизер помещаются соответствующие электроды, которые изготавливаются из стойких к окислению материалов (платина, магнетит, графит, ОТР). На 100– 200 камер одного аппарата устанавливается только по одному катоду и аноду, благодаря чему сокращается

бесполезный расход электро-

энергии на разряд ионов на соответствующих электродах.

При обессоливании сточных вод электролизером можно получать слабые растворы кислот и щелочей.

Метод электродиализа широко применяется для опреснения природных вод и может использоваться для очистки и обессоливания сточных вод.

Существенный недостаток метода – необходимость тщательного предварительного удаления взвешенных и коллоидных частиц

, которые могут засорять мембраны, а также катионов кальция, образующих на мембранах отложения Ca

SO или CaCO

, снижающих прони-

цаемость мембран.

Электрохимические методы переработки высококонцентри-

рованных сточных вод.

Электродиализ в сочетании с электродными процессами позволяет перерабатывать многие виды концентрированных сточных вод с регенерацией ценных веществ: кислот, щелочей, металлов.

Разработаны электрохимические способы регенерации хромовой, серной, фосфорной, соляной, плавиковой кислот из различных отработанных травильных растворов (ОТР). Обработка таких растворов проводится с использованием одного или двух типов мембран (

катионитовые и анионитовые) и основана на принципе удаления из растворов кислот загрязняющих их катионов или анионов. Процесс проводится в 2- или 3-камерных электродиализаторах, камеры которых отделены друг от друга ионитовыми мембранами.

Принципиальная схема регенерации, например, ОТР хромовой

кислоты представлена на рис. 5.2.

Процесс осуществляется в 2-камерном электродиализаторе с од-

ной катионитовой

мембраной. ОТР хромовой кислоты помещается в анодную камеру, катодная камера заполняется при этом 3–5 %-ным раствором серной кислоты.

123

Рис. 5.2. Схема регенерации ОТР хромовой кислоты



3 +

2 +

В процессе электролиза катионы Cr

, Cu

2 +

, Zn

и других металлов, являющиеся загрязняющими примесями, переходят из анодной камеры в катодную и концентрируются в ней. В анодной камере происходит также окисление Cr

3 +

-ионов до Cr2O

–

-ионов. На анодах

протекают следующие реакции:

2H O 4H O 4e

2Cr 7H O 2 Cr O 14He

 .

227



;



Реакции на катодах:



2H 2 He



Cu 2 Cue

;

Fe 3 Fee

 .





В анодных камерах происходит дополнительное образование

хромовой и серной кислот:



Cr O 2H H Cr O

 ;

27 2 27



SO 2H H SO

 .

424

Поверхность катодов в катодных камерах покрывается осадками

металлических меди и железа.

Электролиз растворов хромовой кислоты проводится при плотно-

сти тока 500…1 000 А/м

с применением свинцовых анодов и сталь-

ных катодов.

124

Расход электроэнергии в зависимости от степени загрязненности

ОТР составляет 800…1500 кВт

 ч/м

Регенерированный раствор хромовой кислоты возвращается в производство. ввиду ее высокой стоимости способ экономически целесообразен.

Электрохимические технологии предложены для регенерации концентрированных медьсодержащих и других растворов.

Электрохимическая переработка концентрированных сточных вод позволяет предотвратить сброс в окружающую среду большого количества токсичных веществ.

5.3. Использование мембранных технологий в процессах очистки сточных вод

Перспективным направлением в создании замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий и отдельных производств является применение технологий мембранного разделения сред.

Процесс мембранного разделения, согласно определению, представленному Ю.И. Дытнерским, – это процесс преобразования потока разделяемой смеси в два потока, обогащенных различными компонентами смеси, при преимущественном проникновении одного из них через полупроницаемую мембрану.

Имеются два основных признака, по которым фильтрование, позволяющее выделять частицы размером более 5 мкм, и микрофильтрование (МФ), обеспечивающее выделение частиц размером больше нескольких микрометров, отличаются от ультрафильтрации (УФ), в процессе которой выделяются молекулы с молярной массой от 10 до

100 кг/моль в зависимости от используемой мембраны

, и обратного

осмоса (гиперфильтрации), при котором могут выделяться ионы и молекулы с молярной массой в несколько сот граммов на моль.

Признак А.

Микрофильтрование не изменяет химических свойств растворов, между тем как в процессах выделения растворенных примесей УФ и ООС изменяется химический потенциал и создается градиент, при котором возникает тенденция диффундирования выделенного вещества в обратном направлении. Чтобы привести систему в равновесное состояние, необходимо воспрепятствовать равновесной диффузии путем наложения давления

на «фильтруемую» жид-

кость. Установленная в условиях равновесия разность давлений из-

125

вестна как осмотическое давление системы. Простое уравнение связывает осмотическое давление с концентрацией:

π = Δ

С – разность концентраций, моль/м

где Δ

C RT,

;

R – универсальная газовая константа, равная 8,314 Дж/(моль К);

Т – температура, К;

π – осмотическое давление, Па.

Следовательно, чем меньше молярная масса, тем выше возникающее осмотическое давление при той же разности концентраций. Это объясняет причину меньшего роста обратного осмотического давления при ультрафильтрации, чем при обратном осмосе.

Признак Б

. При фильтровании и микрофильтровании вся обрабатываемая жидкость проходит через фильтрующее устройство. Взвешенные частицы остаются на материале фильтра. При достаточно длительном использовании фильтр очищается механически, либо «забитую» мембрану заменяют другой.

В случае обратного осмоса и ультрафильтрации кроме нерастворенных частиц на мембранах задерживаются также молекулы и ионы раствора, концентрирование

которых в непосредственной близости от мембраны вызывает поляризацию, что способствует росту обратноосмотического давления, за которым иногда следует осаждение (кристаллизация). Эти трудности могут быть устранены следующими путями:

1) пропусканием через мембрану только части обрабатываемого раствора и непрерывным удалением «вредного» потока, который содержит ионы и молекулы, задерживаемые мембраной;

2) использованием избыточного

по сравнению с теоретическим

давления.

Мембраной называется область, разграничивающая две фазы. При этом подразумевается, что мембраны могут быть газообразными, жидкими, твердыми. Возможно создание газовых мембран, которые могут существовать как фронт ударной волны. К настоящему времени получили относительно широкое применение в различных областях техники мембраны в виде твердых пленок:

пористых и непористых; жидкие и твердые мембраны. По своему строению мембраны могут быть относительно грубыми структурами типа сита и крайне тонкими – толщиной в один молекулярный слой, например пленки жирных кислот на поверхности воды. Но ни одна из синтетических

126

мембран по своим свойствам еще не приблизилась к мембранам живых организмов.

В качестве движущей силы процесса мембранного разделения мо-

гут применяться:

давление (обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтра-

–

ция) – эти процессы также называют баромембранными;

электрическое поле (электродиализ);

–

разность концентраций вещества (диализ);

–

температура (мембранная дистилляция).

–

Наибольшее практическое применение в технологиях обработки

воды в настоящее время имеют

баромембранные процессы.

Баромембранные процессы

Обратный осмос

. Обратным осмосом называется метод очистки

и опреснения жидких сред (растворов), основанный на фильтровании воды под избыточным давлением через полупроницаемую мембрану, пропускающую молекулы воды, но задерживающую ионы растворенных в воде солей.

Если растворитель и раствор разделить полупроницаемой перегородкой, пропускающей молекулы растворителя и задерживающей молекулы растворенного вещества, то растворитель начнет перехо-

через перегородку в раствор. Этот самопроизвольный переход

дить молекул растворителя под действием разности концентраций называется

осмосом. Осмос может быть объяснен тем, что концентрация

молекул растворителя в единице его объема больше, чем концентрация молекул растворителя в единице объема раствора, или тем, что молекулы растворителя в растворе частично связываются молекулами растворенного вещества, образуя является вода, – гидраты).

сольваты (если растворителем

Обратный осмос становится возможным при использовании полупроницаемых мембран, которые свободно пропускают молекулы воды, но задерживают 90–99 % всех растворенных неорганических соединений, 95–99 % органических веществ и 100 % мельчайших коллоидных примесей, в том числе бактерии, вирусы, коллоидную кремниевую кислоту.

Скорость переноса воды через мембрану в процессе обратного осмоса прямо пропорциональна эффективному давлению, т. е. разно-

между приложенным давлением и осмотическим. Концентрация

сти в отдельном модуле изменяется в пределах от концентрации на входе

(

) до максимальной концентрации (Сc  Ψ), где Сc –концентрация

вх

солей в концентрате; Ψ – коэффициент поляризации. Поэтому, чтобы

127

получить удовлетворительную скорость фильтрования, следует приложить давление, значительно превышающее осмотическое давление концентрата.

Практически при осуществлении процесса обратного осмоса при-

меняют давление от 2 до 8 МПА.

Низконапорный обратный осмос и нанофильтрация. Наряду с

обратным осмосом в литературных источниках рассматриваются процессы низконапорного обратного осмоса и нанофильтрации. Эти процессы, в отличие от традиционного обратного осмоса, характеризуются более низкими величинами рабочего давления, а следовательно, и более низкими энергетическими затратами, но и более низкой селективностью. Применение этих процессов перспективно в технологиях глубокой

доочистки сточных вод от растворенных примесей с целью их возврата на повторное использование или с целью предотвращения поступления в окружающую среду высокотоксичных веществ.

Ультрафильтрация. Одним из важных этапов в развитии мем-

бранных технологий было получение в 60-х годах ХХ века анизотропных мембран из ацетата целлюлозы, состоящих из очень тонкого активного верхнего слоя, постепенно переходящего в сравнительно крупный и прочный поддерживающий слой.

Ультрафильтрация – процесс мембранного разделения, а также фракционирования и концентрирования растворов. Он протекает под действием разности давлений (до и после мембраны) растворов высокомолекулярных (ВМС) и низкомолекулярных (НМС) соединений.

Ультрафильтрация заимствовала у обратного осмоса способы получения мембран, а также во многом подобна обратному осмосу по аппаратному исполнению. Отличие заключается в гораздо более высоких требованиях к отводу концентрированного у поверхности мембран вещества, способного

формировать (в случае ультрафильт-

рации) гелеобразные слои и малорастворимые осадки.

Технологические возможности ультрафильтрации во многих случаях гораздо шире, чем у обратного осмоса. Так, при обратном осмосе, как правило, происходит общее задерживание всех частиц. Однако на практике часто возникает задача селективного разделения компонентов раствора, т. е. фракционирования. Решение

этой задачи является очень важным, поскольку при этом возможно отделение и концентрирование ценных или редких веществ, в частности комплексов редких металлов.

В зависимости от назначения процесса мембраны пропускают:

128

– растворитель и преимущественно или только НМС (при разде-

лении ВМС и НМС);

растворитель и определенные фракции ВМС (при фракциони-

–

ровании ВМС);

только растворитель (при концентрировании ВМС).

–

Ультрафильтрацию, в отличие от обратного осмоса, используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Например, для водных растворов принимают, что ультрафильтрация применима тогда, когда хотя бы один из компонентов системы имеет молекулярную массу от 500 и выше.

В традиционном плане

ультрафильтрация рассматривается как метод разделения растворов и в первую очередь как метод очистки растворов макромолекул и коллоидов от низкомолекулярных примесей. Аналогичную задачу можно решать диализом или электродиализом. Однако первый из этих методов характеризуется низкой интенсивностью и производительностью, а второй, будучи весьма эффективным, позволяет разделять лишь низкомолекулярные

электролиты.

Практически при реализации процесса ультрафильтрации приме-

няют давление от 0,2 до 0,6 МПа.

Мембраны. Свойства и характеристики. Мембраны являются

основной частью мембранных элементов, называемых модулями. Определяющей проблемой при реализации мембранных технологий является разработка и изготовление высококачественных полупроницаемых мембран, которые отвечали бы следующим основным требованиям:

высокая разделяющая способность (селективность);

–

высокая удельная производительность (проницаемость);

–

химическая стойкость к воздействию среды разделяемой сис-

–

темы;

неизменность характеристик в процессе эксплуатации;

– –

достаточная механическая прочность, отвечающая условиям

монтажа, транспортирования и хранения мембран;

низкая стоимость.

–

В настоящее время на рынке имеются мембраны двух основных типов, изготавливаемые из ацетилцеллюлозы (смесь моно-, ди- и триацетата) и из ароматических полиамидов.

Для ацетилцеллюлозных мембран характерна высокая удельная производительность. По форме эти мембраны подразделяются на

129

трубчатые, листовые (спирально свернутые) и выполненные в виде полых волокон.

Полиамидные мембраны имеют более низкую удельную производительность. Их выпускают в виде рулонных элементов, что позволяет обеспечивать максимальную площадь поверхности на единицу объема, которая примерно в 15 раз больше, чем у элементов в плоских конструкциях.

Важное свойство полиамидных мембран – высокая

устойчивость к воздействию химических и биологических факторов. Это обеспечивает их бóльшую долговечность по сравнению с ацетилцеллюлозными мембранами, гидролиз которых неизбежен, хотя и может быть сведен к минимуму при строгом контроле значений рН и температуры и постоянном поддержании их оптимальных величин.

Имеются также мембраны, предназначенные специально для

обработки морской воды. Изготовленные из тех же полимеров, они имеют более плотную структуру, которая позволяет обессоливать и очищать растворы, подобные морской воде, содержащие десятки граммов солей в 1 л, в одну ступень. С 1975 года применение полиамидных мембран послужило толчком для создания ряда установок большой производительности с целью получения деминерализован-

воды из морской.

ной

Мембранные аппараты и установки. Простейшая мембранная

система, применяемая на практике, состоит из питающего насоса и мембранного модуля, соединенных последовательно. Очищаемая вода проходит через мембрану под давлением, а концентрат непрерывно удаляется через управляемый клапан. Отношение расхода очищенной воды к расходу воды, подаваемой на установку, называется коэффициентом выхода фильтрата и выражается в процентах.

К аппаратам

промышленных масштабов предъявляются требования, определяемые условиями их изготовления и эксплуатации. Прежде всего, промышленные аппараты для осуществления мембранных процессов, в том числе обратного осмоса и ультрафильтрации, должны иметь большую поверхность мембран в единице объема аппарата. Они должны быть простыми в сборке и монтаже в связи с необходимостью периодической

смены мембран. При движении жидкости по секциям и элементам аппарата она должна распределяться равномерно над мембранной поверхностью и иметь достаточно высокую скорость движения для снижения влияния концентрационной поляризации. При этом перепад давления в аппарате должен быть по возможности небольшим. Кроме того, при конструировании

130

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 / 1413 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]