- •Учебно-методические разработки для самостоятельной работы студентов по курсу «Теоретические основы защиты окружающей среды»
- •Часть I
- •Обезвоживание и методы очистки сточных вод
- •Введение
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу
- •1.1 Понятие «энтропия». Принцип существования и возрастания энтропии
- •1.2. Энергоэнтропийная концепция аварийности и травматизма
- •1.3. Воздействие промышленного производства на природу. Ресурсосберегающая технология. Материальный баланс производства
- •1.4. Классификация основных процессов
- •1.5. Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов
- •1.5.1. Материальный баланс
- •1.5.2. Энергетический баланс
- •1.5.3. Интенсивность процессов и аппаратов
- •1.5.4. Определение основных размеров аппаратов
- •1.5.5. Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем
- •2.1. Методы обезвоживания
- •2.2. Формы связи воды с твердым телом. Энергия связи различных форм воды с твердым телом
- •2.3. Влагоудерживающая способность твердых тел. Влияние основных факторов на степень обезвоживания
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов
- •3.1. Обезвоживание кускового материала дренированием
- •3.1.1. Гидродинамика течения жидкости под влиянием собственного веса в порах осадка
- •3.2. Отстаивание под действием силы тяжести
- •3.2.1. Основные понятия. Классификация суспензий
- •3.2.2. Способы выражения и расчета концентрации твердого в пульпе
- •3.2.3. Исследование скорости расслоения суспензий I-го и II-го классов методом длинной трубки
- •3.2.4. Качественное описание процесса расслоения суспензий III и IV классов
- •3.2.5. Расчет удельной поверхности сгущения по методу Коу и Клевенжера
- •3.2.6. Расчет удельной поверхности по методу Кинча
- •3.2.7. Определение высоты сгустителя
- •3.2.8. Пример расчета сгустителя по методу Кинча
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании
- •4.1. Основные понятия
- •4.2. Особенности применения гидроциклонов для обезвоживания
- •Порядок расчета гидроциклона.
- •4.3. Особенности применения центрифуг для сгущения суспензий
- •4.4. Основные закономерности разделения суспензий в осадительных центрифугах. Индекс производительности
- •4.5. Физические основы разделения суспензий в фильтрующих центрифугах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Фильтрование
- •5.1. Основные понятия. Классификация
- •5.2. Физические основы фильтрации с образованием осадка. Гидродинамика течения жидкости через пористые и зернистые слои
- •5.3. Основное уравнение фильтрации
- •5.4. Определение оптимальных условий работы фильтров. Экономически выгодный цикл фильтрации
- •5.5. Применение уравнения фильтрации. Определение удельного сопротивления осадка и его сжимаемости
- •5.6. Фильтровальные перегородки
- •5.7. Конструкции фильтров. Периодически и непрерывно действующие. Классификация. Фильтры, работающие под давлением. Вакуум-фильтры. Способы снятия осадка
- •5.8. Выбор и расчет фильтров
- •5.9. Схемы подсоединения вакуум-фильтров
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Агрегирование
- •6.1. Теория процесса агрегирования. Механизмы встреч частиц друг с другом. Понятие о расклинивающем давлении Теория процесса агрегации
- •Два механизма соударения или встречи частиц
- •6.2. Три слагающие поверхностных сил (расклинивающего давления). Двучленный закон взаимодействия
- •6.3. Силы Ван-дер-Ваальса. Слагающие сил Ван-дер-Ваальса. Ван-дер-ваальсово взаимодействие между молекулами и конденсированными фазами Силы Ван-дер-Ваальса
- •Электромагнитная теория взаимодействия конденсированных фаз
- •6.4. Природа ионно-электростатических сил. Закономерность изменения их вглубь раствора
- •6.5. Гидратационная слагаемая поверхностных сил (расклинивающего давления)
- •6.6. Три механизма агрегирования: коагуляция, флокуляция, мостиковая флокуляция
- •6.7. Основные принципы селективной агрегации частиц
- •6.8. Характеристика применяемых высокомолекулярных синтетических флокулянтов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7. Абсорбция
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Равновесие при абсорбции
- •7.3. Материальный и тепловой балансы процесса
- •7.4. Скорость процесса
- •Контрольные вопросы
- •Глава 8. Адсорбция
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Характеристики адсорбентов и их виды
- •8.3. Равновесие при адсорбции
- •8.4. Кинетика адсорбции
- •8.5. Десорбция
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Флотация
- •9.1. Общие сведения
- •9.2. Теоретические основы процесса флотации
- •9.3.Флотационные реагенты и их классификация
- •9.4. Механизм действия собирателей
- •9.5. Реагенты-депрессоры
- •9.6.Реагенты-активаторы
- •9.7. Реагенты-регуляторы среды
- •9.8. Реагенты-пенообразователи
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Экстракция
- •10.1 Процессы экстракции в системах жидкость-жидкость
- •10.1.1. Общие сведения
- •10.1.2. Равновесие в системах жидкость - жидкость
- •10.1.3. Методы экстракции
- •10.2. Процессы растворения и экстракции в системах твердое тело - жидкость
- •10.2.1. Общие сведения
- •10.2.2. Равновесие и скорость выщелачивания
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Сушка
- •11.1. Основные понятия. Параметры, подлежащие расчету
- •11.2. Равновесное содержание влаги при сушке. Кинетика сушки. Понятие о напряжении объема сушилки
- •11.3. Основные параметры влажного воздуха
- •11.5. Изображение процессов изменения состояния воздуха на j - X на диаграмме
- •11.6. Материальный и тепловой балансы сушки
- •11.7. Расчет удельных расходов воздуха и тепла на сушку
- •11.8. Расчет сушилки в случае частичной рециркуляции обработанного воздуха
- •11.9. Сушка топочными газами
- •11.10. Конструкции сушилок
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Оглавление
- •Глава 1. Основные законы термодинамики. Понятие энтропии как функции обесценивания энергии и стремления системы к хаосу 6
- •Глава 2. Классификация двухфазных систем 41
- •Глава 3. Отделение жидкости под действием механических методов 50
- •Глава 4. Применение центробежной силы при обезвоживании 75
- •Глава 5. Фильтрование 86
- •Глава 6. Агрегирование 117
- •Глава 7. Абсорбция 144
2.2. Формы связи воды с твердым телом. Энергия связи различных форм воды с твердым телом
На практике нельзя достичь необходимого обезвоживания за счет лишь одного приема или, другими словами, применением одного метода обезвоживания. Это связано с тем, что влага на поверхности частиц и в каналах осадка удерживается различными силами - химическими, физическими, капиллярными.
В зависимости от природы действующих сил между жидкостью и твердым телом различают следующие типы связей.
Химически связанную воду, например, в гидроокисях Fe(OH)2, Ca(OH)2 называют конституционной. Влага из этих соединений удаляется, как правило, при высокой температуре, порядка 500 - 1000 С.
Fe(OH)2 FeO + H2O,
Ca(OH)2 CaO + H2O.
Координационно-химически связанную воду в кристаллогидратах (CuSO45H2O) называют кристаллизационной водой.
Физически адсорбированную воду на поверхности твердых тел часто называют пленочной и гигроскопической. Гигроскопичность можно связать с поглощением паров за счет их конденсации в микропорах.
Увеличение адсорбции жидкости (например, воды) в тонких порах менее 10 Ǻ вызвано перекрыванием полей сил Ван-дер-Ваальса от противоположных стенок, что способствует возрастанию сил притяжения по сравнению с плоской поверхностью.
Давление паров воды зависит от кривизны поверхности раздела жидкость - газ и с радиусом пор связано уравнение Кельвина:
, (2.1)
где Р и Р0 - давление паров воды соответственно над искривленной и плоской поверхностями; - поверхностное натяжение; VM - молярный объем адсорбированной воды; - краевой угол смачивания; r - радиус пор; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.
Если вода смачивает поры размером больше 10 Ǻ, имеющиеся в твердом теле или осадке, то она будет задерживаться в них капиллярными силами.
Влага, удерживаемая в порах осадка капиллярными силами, называется капиллярной.
Вода имеет конечную скорость вытекания из капилляра. Скорость эта падает по мере уменьшения гидростатического напора при вытекании. Поэтому вода не успевает вытечь из пористой системы за время ее удаления в каком-либо аппарате.
Влага, остающаяся в осадке по этой причине, называется гравитационной. Она не удерживается ни поверхностными, ни капиллярными силами. Гравитационная влага обычно содержится в обводненных продуктах, когда количество воды настолько велико, что мениски в капиллярах отсутствуют.
Энергию связи воды с поверхностью твердого тела можно оценить. Энергия связи конституционной воды равна тепловому эффекту реакции разложения гидрооксида металла до его окисла, что в среднем составляет около 100 ÷ 200 ккал/моль.
Тепловой эффект реакции при отщеплении кристаллизационной воды составляет десятки ккал/моль. Дифференциальные теплоты адсорбции q паров воды зависят от степени заполнения поверхности.
При малых заполнениях q = (2 ÷ 3)L (L - скрытая теплота конденсации).
В тонких порах (диаметром менее Ǻ), где удерживается гигроскопическая влага, дифференциальная теплота адсорбции почти не уменьшается для второго и третьего слоев.
Энергию удаления капиллярной удерживаемой влаги можно оценить по величине работы перемещения объема жидкости с высоты, соответствующей капиллярному поднятию, до уровня жидкости в широком сосуде.
Аналогично оценивается энергия удаления гравитационной влаги по необходимому перепаду давления (против сил вязкости).
Для строгого проведения такого рода расчетов необходимо точно знать величины поверхностей твердых частиц, размер пор, а также диаметр капилляров, образующихся в осадке. Эти величины, как правило, неизвестны.