Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом

(при избыточном давлении 0,3÷0,6 МПа) равна 200-300°С, а инертных газов – 120÷140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5-3 кг на 1 кг отгоняемого вещества,

для высококипящих – в 5÷10 раз больше. После десорбции пары конденсируют, и вещество извлекают из конденсата. Для регенерации углей может быть использована и экстракция (жидкофазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с водяным паром растворителями. При регенерации органическими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей из угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбированных слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную форму. При этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда их вымывают горячей водой, раствором кислот (для удаления органических оснований) или раствором щелочей (для удаления кислот).

В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем). Термическую регенерацию проводят в печах различной конструкции при температу-

ре 700÷800 °С в бескислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горения газа

или жидкого топлива и водяного пара. Она связана с потерей части адсорбента (15÷20 %). Разрабатываются биологические методы регенерации углей, при которых адсорбированные вещества биохимически окисляются. Этот способ регенерации значительно удлиняет срок использования сорбента.

Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные вещества утилизируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожаются. В зависимости от вида сорбционной очистки применяются различные методы регенерации сорбента или его уничтожения.

Для извлечения сорбированных веществ могут быть использованы:

-экстрагирование органическим растворителем;

-изменение степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе;

-отгонка адсорбированного вещества с водяным паром;

-испарение адсорбированного вещества током инертного газообразного теплоносителя. В отдельных случаях осуществляют химическое превращение сорбированных веществ с

последующей десорбцией.

Легколетучие органические вещества (бензол, нитробензол, толуол, этиловый спирт) десорбируют воздухом, инертными газами, перегретым паром. При этом температура воздуха

должна быть 120÷140 0С, перегретого пара – 200÷300 0С, а дымовых или инертных газов 300÷500 0С. Расход пара на отгонку легколетучих веществ из активированного угля состав-

ляет 3÷12 кг на 1 кг сорбированного вещества. В качестве десорбентов могут быть использованы низкокипящие легко перегоняющиеся с водяным паром органические растворители: бензол, бутилацетат, дихлорэтан, толуол и другие. Процесс десорбции осуществляется при нагревании или на холоде, затем растворитель отгоняется из сорбента острым водяным паром или теплоносителями.

При деструктивной очистке обычно применяют термические или окислительные методы. При применении термического метода следует учитывать потери сорбента (потери акти-

вированного угля составляют 5÷10 %). Из затрат на сорбционную очистку 30÷35 % составляют расходы на активированный уголь.

1.5.4. Экстракция

56

При относительно высоком содержании в производственных сточных водах растворимых органических веществ, представляющих техническую ценность (например, фенолы, жирные кислоты), эффективным методом очистки является экстракция органическими растворителями – экстрагентами (табл. 1.3). Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся (или слабо смешивающихся) растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения (или экстракции)

где Сэ, Сст – концентрация экстрагируемого вещества в эктстрагенте и сточной воде соответственно при установившемся равновесии.

Коэффициент распределения зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а также от наличия различных примесей в сточных водах и эктстрагенте. После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. Сконцентрированное в эктстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после этого вновь используется в технологическом процессе очистки.

Метод экстракционной очистки экономически целесообразен при значительной концентрации органических примесей или высокой стоимости извлекаемого вещества. Для большинства продуктов применение экстракции рационально при концентрации их 2 г/л и более.

Для успешного протекания процесса экстракции экстрагент должен иметь следующие свойства:

-хорошую экстрагирующую способность по отношению к экстрагируемому веществу, т.е. высокий коэффициент распределения;

-селективность – способность экстрагировать из воды одно вещество или определенную

57

их группу;

-малую растворимость в воде;

-плотность, отличающуюся от плотности воды;

-температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры кипения экстрагируемого вещества;

-небольшую удельную теплоту испарения и малую теплоемкость, что позволяет снизить расходы пара и охлаждающей воды;

-возможно меньшую огне- и взрывобезопасность;

-низкую токсичность;

-низкую стоимость.

Экстрагент не должен подвергаться заметному гидролизу и взаимодействовать с экстрагируемым веществом, материалом трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры экстракционной установки. Методы экстрагирования органических веществ по схемам контакта экстрагента и сточной воды можно подразделить (рис. 1.37) на перекрестно-точные, ступен- чато-противоточные, непрерывно-противоточные.

Прямоток в процессах экстракции не применяется при многоступенчатой перекрестной (рис. 1.37, а) схеме сточная вода на каждой ступени контактирует со свежим экстрагентом, что требует значительных его расходов.

Практическое применение получили методы ступенчато-противоточной (рис. 1.37, б) и непрерывно-противоточной экстракции. При ступенчато-противоточной экстракции каждая ступень включает перемешивающее устройство для смешения фаз и отстойник для их гравитационного разделения. Могут применяться также центробежные сепараторы, обладающие более высокой разделительной способностью по сравнению с гравитационными.

Вода и экстракт движутся навстречу друг другу, причем экстракт последующей ступени смешивается в смесителе с водной фазой предыдущей ступени.

Рис. 1.37.а – схема многоступенчатой перекрестноточной очистки;

б– схема ступенчато-противоточной экстракции:

1– подача сточной воды; 2, 3, 4 – экстракционные установки; 5 – подача чистой воды; 6 – выпуск обработанной сточной воды;

7 – отвод отработанного экстрагента; 8 –отстойники

58

Смеситель должен обеспечить максимальную степень диспергирования экстракта в воде, исключающую, однако, возможность образования стойких эмульсий, которые препятствуют разделению фаз.

Конечная концентрация экстрагируемого из раствора вещества в воде может быть определена по формуле

где Cк, Cн – конечная и начальная концентрация экстрагируемого вещества, кг/м3; n – число экстракций; b – удельный расход экстрагента для одной экстракции, м3/м3

b=W / (n·Q).

Здесь W – общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию, м ; Q – количество сточных вод, подвергающихся экстракции, м3; kp – коэффициент распределения.

Анализируя уравнение (1.37) можно, сделать вывод о большой эффективности многократной экстракции.

Ступенчато-противоточная экстракция может быть непрерывной или периодической (при малых расходах сточных вод). При непрерывно-противоточной экстракции вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающим диспергирование экстрагента в воде. При этом примеси сточной воды непрерывно переходят в экстрагент.

Если плоскость обрабатываемой сточной воды больше плотности экстрагента (γcт > γэ), то вода вводится в экстракционную колонну сверху, а экстрагент – снизу (рис. 1.38, а). При γэ > γcт экстрагент вводится в верхнюю часть колонны, а обрабатываемая сточная вода - в нижнюю (рис.1.38, б).

Для определения концентрации экстрагируемого вещества в обработанной сточной во-

Рис. 1.38. Схема непрерывно-противоточной экстракции: а – сверху; б – сточной воды снизу; 1 – подача экстрагента; 2 – подача сточной воды; 3 – отвод отработанного экстрагента; 4 – отвод обработанной сточной воды

де можно воспользоваться формулой

Требуемый удельный расход экстрагента при заданных начальной и конечной концентрациях экстрагируемого вещества в сточной воде определяется из выражения

59

сти. Ионный обмен используется в кожевенной, фармацевтической, гидролизной промышленности, а также для удаления солей из сахарных сиропов молока, вин. Иониты широко используются для снижения жесткости воды и её обессоливания, для выделения и разделения разнообразных органических и неорганических ионов. С помощью ионитов улавливают ионы ценных элементов из природных растворов и отработанных сточных вод. Применение этого метода для очистки производственных сточных вод позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть и др. металлы), ПАВ (поверхностно-активные вещества) и радиоактивные вещества, очищать сточную воду до предельно допустимых концентраций с последующим ее использованием в технологических процессах или системах оборотного водоснабжения. Ионный обмен делает возможным промышленное производство многих продуктов жизнедеятельности микроорганизмов (антибиотиков, аминокислот).

По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты и аниониты, проявляющие соответственно кислотные и основные свойства. Катиониты извлекают из растворов электролитов положительные ионы, аниониты – отрицательные. Если иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными. В качестве ионитов могут использоваться неорганические и органические материалы, способные к обмену ионов и практически нерастворимые в воде. Иониты подразделяются на природные и искусственные, или синтетические. Синтетические ионообменные материалы выпускаются в виде зернистых порошков,

волокон и мембран. Мелкозернистые порошки имеют размер частиц 0,04÷0,07 мм, крупнозернистые – 0,3÷2,0 мм. Последние предназначены для работы в фильтрах со слоями значи-

тельной высоты 1÷3 м, а порошкообразные мелкозернистые – со слоями высотой 3÷10 мм. Размер частиц ионита влияет на перепад давления в фильтрах. С уменьшением размера частиц перепад давления в слое увеличивается. Следовательно, измельчение ионитов в процессе очистки нежелательно. Это приводит не только к росту сопротивления фильтра, но и к неравномерному распределению скоростей потока сточной воды по сечению фильтра. В результате столкновения зерен ионита друг с другом и о стенки аппаратуры происходит их истирание. Механически прочными принято считать иониты, степень истираемости которых не превышает 0,5 %.

К неорганическим природным ионитам относят цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты, различные слюды. Катионообменные свойства обусловлены содержанием алюмосиликатов типа Nа2-Al2O3-nSiO2-mH2O. Ионообменными свойствами обладает также фторопатит [Ca5(PO4)]F и сидопатит [Са5(РО4)]ОН. К неорганическим синтетическим ионитам относят силикагели, пермутиты, трудно растворимые оксиды и гидроксиды некоторых металлов (например, алюминия, хрома циркония). Катионообменные свойства, например, силикагеля, обусловлены обменом ионов водорода гидроксидных групп на катионы металла, проявляющиеся в щелочной среде. Катионообменные свойства присущи и пермутитам, получаемым сплавлением соединений, содержащих алюминий и кремний.

Органические природные иониты – это гуминовые кислоты почв и углей. Они проявляют слабокислотные свойства. Для усиления кислотных свойств и обменной емкости угли измельчают и сульфируют в избытке олеума. Сульфоугли являются дешевыми полиэлектролитами, содержащими сильно- и слабокислотные группы. К недостаткам таких электролитов следует отнести их малую химическую стойкость и механическую прочность зерен, а также небольшую обменную емкость, особенно в нейтральных средах. К органическим искусственным ионитам относят 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.

Практическое значение имеют неорганические природные, искусственные алюмосиликаты, гидроокиси и соли многовалентных металлов; применяются также иониты, полученные химической обработкой угля, целлюлозы и лигнина.

Однако ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам – ионообмен-

61

ным смолам. Иониты получают методом сополимеризации и сополиконденсации с последующим сшиванием образующих цепей. В конденсационных ионитах сшивание осуществляется за счет метиленовых (-СН2-) или метиновых (=СН-) мостиков, а также азотсодержащих группировок. В полимеризационных – чаще при помощи n-дивинилбензола и его изомеров. Число таких поперечных связей определяет размер ячеек сетки и жесткость матрицы, представляющей собой пространственную углеводородную сетку – трехмерный каркас. В каркас включены несущие заряд группы атомов, называемые фиксированными ионами или анкерными. Они являются потенциалопределяющими. Ионы противоположного знака называются противоионами, они и являются обменными. Противоионы связаны с потенциалопределяющими ионами каркаса электростатическими силами, а потому способны к обмену на другие ионы. При сокращенном написании ионита матрицу обозначают в общем виде R, а активную группу указывают полностью. Например, сульфокатионит запишется как RSO3H, где R – матрица, Н – противоион, SО3 – анкерный ион. К веществам, обладающим ионообменными свойствами, принадлежат некоторые марки стекол. Структуру стекла составляет трехмерная сетка кремнекислородных (силикатных) ионов. В пустотах этой трехмерной решетки находятся катионы щелочных или щелочноземельных металлов, удерживаемые электростатическими силами и способные к обмену на другие катионы (в частности, на катионы водорода).

Срок службы синтетических катионитов больше, чем анионитов. Это объясняется низкой стабильностью групп, которые в анионитах выполняют роль фиксированных ионов.

Различают следующие виды ионитов:

1.Сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы (SO3H) и фосфорные группы [РО(ОН)2], и сильноосновные анионы, содержащие четвертичные аммониевые основания

(R3NOH).

2.Слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные (СООН) и фенольные груп-

пы (С6Н5ОН), диссоциирующие при рН > 7, а также слабоосновные аниониты, содержащие первичные (- NH2) и вторичные (=NH) аминогруппы, диссоциирующие при рН > 7.

3.Иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильных и слабых кислот или оснований.

Катиониты в качестве противоионов могут содержать ионы металлов вместо ионов водорода, т.е. находиться в солевой форме. Точно так же и аниониты могут находиться в солевой форме, если в качестве противоионов содержат ионы тех или иных кислот вместо ионов гидроксида.

Реакция ионного обмена протекает следующим образом:

- при контакте с катионитом RSO3H + NaCl ↔ RSO3 + НСl; - при контакте с анионитом RSO3H + NaCl ↔ RSO3 + НСl.

Ионный обмен происходит в эквивалентных соотношениях и в большинстве случаев является обратимым. Реакция ионного обмена протекает вследствие разности химических потенциалов обменивающихся ионов. В общем виде эти реакции можно записать в виде

Реакция идет до установления ионообменного равновесия. Скорость установления равновесия зависит от внешних и внутренних факторов:

-гидродинамического режима жидкости;

-концентрации обменивающихся ионов;

-структуры зерен ионита;

-проницаемости ионита для ионов.

Функциональную зависимость состава противоионов ионита внешнего раствора при постоянных температуре и давлении называют изотермой ионного обмена. Графически изотерма изображается в безразмерных координатах a-a

62

где ai , ai – эквивалентные доли i-го иона соответственно в фазе ионита и в растворе;

– концентрации i-гo иона в ионите и растворе в условиях равновесия системы, моль ионов на один грамм ионита; zi: – заряд i-гo иона.

Величины ai , и ai , изменяются в интервале от 0 до 1, изотерма изображается в квадра-

те со стороной равной 1. Отношение Кpi = ai ai , называют коэффициент распределения i- гo иона при ионообменной сорбции. Этот коэффициент является мерой обогащения или обеднения ионита данным веществом. Кр < 1 – ионит обеднен, Кр >1 – ионит обогащен i-ым компонентом по сравнению с равновесным раствором.

Если в растворе содержится не один а несколько компонентов, то селективность ионита оценивается по избирательности К равной соотношению коэффициентов распределения кон-

где КА,В > 1 – ионит селективен к одному иону А, при КА,В < 1 – избирательно сорбируется ион В, при КА,В = 1 – ионит не проявляет селективности ни к одному из ионов.

Если обменная реакция описывается в общем виде уравнением (1.16), то равновесие ионообменных процессов можно выразить следующей формулой

где КА,В – константа равновесия; С – концентрация ионов в твердой фазе; С – концентрация ионов в жидкой фазе; Х – безразмерная концентрация в жидкой фазе

ХA=СА / С0, ХB = СB / С0,

Y – безразмерная концентрация в твердой фазе:

YА = СА / и, YB=СB / и,

где и – обменная емкость ионита; С0 – общая "эквивалентная" концентрация ионов жидкости. Иониты, содержащие одинаковые активные группы, называются монофункциональными, а иониты, которые содержат функциональные группы различной химической природы –

полифункциональными. Полифункциональные иониты обладают смешанными сильно- и слабоосновными свойствами.

Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность, так называемая обменная емкость. Максимальное количество ионов, которое поглощается обменным путем одним граммом ионита, есть емкость поглощения, или обменная емкость. Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости. Полная емкость ионита – количество находящихся в сточных водах грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м3 ионита до полного насыщения. Статическая емкость – это обменная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях. Статическая обменная емкость обычно меньше полной. Динамическая обменная емкость – это емкость ионита до проскока ионов в фильтрат. Динамическая емкость меньше статической. Рабочая емкость ионита оценивается по количеству находящихся в воде грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1м ионита до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов. Ионообменное равновесие определяется природой ионита, гидратацией обменивающихся ионов, их концентрацией в фазе ионита и растворе. Обмен разновалентных ионов зависит также и от величины их заряда.

Если катиониты находятся в Н- или Na-форме, обмен катионов будет проходить по ре-

63

акциям

Ме++Н[К] ↔ Ме[К]+Н+,

Ме+ + Na[K] ↔ Me[K] + Na+,

где Ме+ – катион, находящийся в сточной воде; [К] – сложный комплекс катионита. Величина рН сточной воды, при которой происходит обмен ионами, зависит от констан-

ты диссоциации ионообменных групп. Сильнокислотные катиониты позволяют осуществлять процесс ионного обмена при любых значениях рН, а слабокислотные – в щелочных и нейтральных, при рН > 7. Так катиониты с карбоксильными группами обмениваются ионами при рН > 7, а с фенольными – при рН > 8.

Иониты в контакте с водой не растворяются, но поглощают некоторое количество воды, являясь гелями с ограниченной набухаемостью. При соприкосновении с водой, вследствие

осмотических явлений, происходит их набухание; размер пор увеличивается от 0,5÷1,0 нм до

4,0 нм. Объем ионитов обычно увеличивается в 1, 2÷3 раза. Степень набухания зависит от строения ионита, природы противоионов, от состава раствора. Набухание влияет на скорость и полноту обмена ионов, а также на селективность ионита. Оно прекращается после того, как разность осмотических давлений до и после обмена уравновесится упругими силами растяжения и сжатия ионита. Сильно набухающие смолы, называемые гелеобразными, имеют

удельную обменную поверхность 0,1÷0,2 м2/г. Макропористые иониты обладают развитой

обменной поверхностью, равной 60÷80 м2/г. Синтетические иониты набухают больше и имеют большую обменную емкость, чем природные.

На кинетику ионного обмена влияют также температура, концентрация ионов и др. Иониты должны обладать термической и химической стойкостью. При нагревании ионитов в воде и на воздухе возможно разрушение их зерен, отщепление активных групп, что приводит к снижению емкости. Для каждого ионита имеется температурный предел, выше которого его нельзя использовать. В общем случае термическая устойчивость анионитов ниже, чем катионитов. Химическая стойкость оценивается по изменению полной обменной емкости и изменению массы ионита.

Характерной особенностью ионного обмена является его обратимость, т.е. возможность проведения реакции в обратном направлении, что и лежит в основе регенерации ионитов.

Регенерация отработанных катионитов осуществляется 2÷8 % растворами кислот (при Н-катионите) или раствором хлористого натрия (при Na-катионите). Регенерационные растворы – элюаты – содержат катионы. После взрыхления и промывки катиониты заряжаются

2Ме[К] + Н2SО4 ↔ 2H[K] + Me2SO4 ,

Me[K] + NaCl ↔ Na[K] + MeCl

Поскольку в сточных водах, как правило, содержится несколько катионов, большое значение имеет селективность их поглощения, которая зависит от степени набухания в порах и размера пор ионита. При малом размере пор большие ионы не могут достичь внутренних активных групп. В целях повышения селективности ионитов к определенным металлам в его состав вводят вещества, способные образовывать с ионами этих металлов внутрикомплексные соединения – хилаты.

Для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вытеснения. На-

пример, для сильнокислого сульфокатионита КУ-2: Н+ < Na+ < NH4+ < Mg2+ < Zn2+ < Co2+ < Cu2+ < Cd2+ < Ni2+ < Ca2+ < Sr2+ < Pb2+ < Ba2+, для слабокислого катионита КБ-4: Mg2+ < Са2+ < Ni2+ < Со2+ < Cu2+.

Слабоосновные аниониты поглощают анионы сильных кислот

2[А]ОН + H2SO4 ↔ [A]2 SO4 + 2H2O,

где [А] – сложный органический комплекс анионита.

Для большинства анионов справедлив следующий ряд по поглощающей способности

SO42- > NO3- > Сl-.

Регенерация отработанных слабоосновных анионитов достигается фильтрованием через

64

слой анионита 2÷6 % водных растворов щелочей (например NaOH Na2CO3 или NH4OH). Аниониты при этом переходят в ОН-форму

[А]2SO4 + 2NaOH ↔ 2[A]OH+N2SO4 .

Элюаты содержат в сконцентрированном виде все извлеченные из сточных вод анионы. При необходимости регенерируемый анионит можно перевести в С1 – форму, пропуская раствор NaCl. В отработанном заряжающем растворе накапливается едкий натрий.

Элюаты представляющие собой отработанные растворы кислот и щелочей, нейтрализуют или обрабатывают с целью рекуперации ценных продуктов. Нейтрализацию проводят смешением кислых и щелочных элюатов, а также дополнительным введением кислоты или

где ив – восстановленная обменная емкость; ип – полная обменная емкость.

На степень регенерации влияют: тип ионита, состав насыщенного слоя, природа концентрация и расход регенерирующего вещества, температура, время контакта и расход реагентов. Процесс регенерации ионитов состоит из трех стадий: взрыхления ионита, регенерации, отмывки ионита от продуктов регенерации и избытка регенерирующего вещества. Объем промывных вод обычно составляет 75-100 % объема регенерационных растворов.

Процессы ионообменной очистки сточных вод осуществляются в установках, периодического или непрерывного действия. Установка периодического действия состоит из фильтра (или колонны) периодического действия, насоса, емкостей и контрольно-измерительных приборов. Фильтр периодического действия представляет собой закрытый цилиндрический резервуар с расположенным у днища щелевым дренажным устройством, обеспечивающим равномерное отведение воды по всему сечению фильтра, высота слоя загрузки ионита 1,5-2,5 м.

Фильтр может работать по параллельно-точной схеме (при подаче сточной воды и регенерирующего раствора сверху) и по противоточной схеме (сточная вода подается снизу, а регенерирующий раствор – сверху). На продолжительность фильтроцикла большое влияние оказывает содержание взвешенных веществ поэтому перед подачей воды в ионообменную установку следует обеспечить максимальное их удаление. При фильтровании сточной воды через неподвижный слой ионита со скоростью до 10 м/ч расчет фильтра производится на основании материального баланса. При очистке сточных вод, загрязненных взвешенными веществами, применяют ионообменные колонны с псевдоожиженным слоем ионита.

На рис. 1.39, а…в приведены схемы установок периодического действия с одним ионообменным аппаратом. Все приведенные схемы отличаются способом регенерации ионита. На схеме с проточной регенерацией (см. рис. 1.39, а) регенерирующий раствор готовят непрерывно при подаче в эжектор воды и концентрированного раствора кислоты или щелочи. Подачу кислоты прекращают после пропускания через ионит заданного объема регенерационного раствора. А подачу воды продолжают для отмывки ионита от регенерационного раствора. Элюат и промывные воды после нейтрализации можно сбрасывать в канализацию.

По схеме с оборотом части реагента (см. рис. 1.39, б) регенерирующий раствор готовится в специальной емкости 3. Этим достигается сокращение расхода регенерирующего реагента и объема регенератора, т.к.к регенерирующий раствор готовят путем добавления к первой порции промывочной воды концентрированного реагента. В результате часть реагента находится в обороте.

По схеме с фракционированием реагента (см. рис. 1.39, в) достигается наименьший расход реагентов. Регенерат разделяют на отдельные фракции и собирают в емкости. Первую фракцию, более концентрированную, направляют на переработку. Промывную воду также собирают в две емкости. При следующей регенерации в качестве первой фракции используют вторую фракцию от предыдущей регенерации, доведенную до заданной концентрации реагентом.

65

Рис. 1.39. Схемы ионообменных установок периодического действия:

а– с проточной регенерацией; б – с оборотом части реагента;

в– с фракционированием регенерата; г – с «плавающим» фильтром;

I – подача сточной воды; II – подача воды на регенерацию; III – промывная вода;

IV – очищенная вода; V – кислота, щелочь; VI – регенерат

Схема с плавающим фильтром (см. рис.1.39, г) дает возможность получить более концентрированные регенераты. Очищаемую воду последовательно пропускают через два фильтра. В начале проскока во втором фильтре подключают отрегенерированный третий фильтр, а первый по ходу воды выводится на регенерацию. Регенерация отработанного фильтра может производиться по описанным выше схемам с одним аппаратом.

Недостатки установок периодического действия: большие объемы аппаратов; значительный расход реагента; большая единовременная загрузка ионита; сложность автоматизации процесса – ограничивают возможность их применения на практике.

В качестве примера приведена технологическая схема ионообменной очистки сточных вод производства хлоранилина от смесей анилина с хлоранилином (рис. 1.40). Необработанная сточная вода по линии I поступает в резервуар 1, куда дозируется из мерников 2 соляная

кислота для снижения рН < 4÷4,5. Подкисленная сточная вода насосом 16 подается на фильтр 3, где отделяется от выпавших при подкислении взвешенных веществ. Фильтрат поступает в блок последовательно расположенных ионообменных колонн 7 с общей высотой слоя катионита КУ-2 не менее 3 м; скорость фильтрования около 2 м3/ч на 1 м2 площади поперечного сечения ионообменной колонны.

Обычно две колонны работают в режиме ионного обмена, а одна регенерируется. Регенерационный аммиачно-метанольный раствор насосом 15 из мерника 8 подается в регенери-

66

руемую колонну снизу вверх. Подогретая до 35÷40 0С вода для промывки отрегенерированной колонны поступает в нее через тот же мерник 8. Из колонны отработанный регенерационный раствор выпускается в приемник 12, откуда центробежным насосом 11 подается в ректификационную колонну 9 для отгонки метанола и аммиака.

Кубовый осадок из этой колонны направляется в отстойник, где происходит разделение фаз: водный слой направляется в сборник, а слой сырых аминов на разгонку и утилизацию. Разделение фаз происходит простым отстаиванием, и эта операция требует много времени.

После регенерации водно-метанольным раствором аммиака катионит для перевода в во-

дородную форму промывают 8÷10 % раствором соляной кислоты, поступающем из емкости 4. Кислота, вытекающая из колонны, собирается в емкость 13 и насосом 14 подается в мерники 2 для регенерирования рН сточной воды. Туда направляются промывные воды. Обработанная сточная вода имеет слабокислую реакцию и должна перед сбором нейтрализоваться известковым раствором.

Процесс ионного обмена может быть представлен в виде нескольких стадий:

-перенос ионов А из ядра потока жидкости к внешней поверхности пограничной жидкой пленки, окружающей зерно ионита; диффузия ионов через пограничный слой;

-переход ионов через границу раздела фаз в зерно ионита;

-диффузия ионов А внутри зерна ионита к ионообменным функциональным группам;

-собственно химическая реакция двойного обмена ионов А и В;

-диффузия ионов В внутри зерна ионита к границе раздела фаз;

-переход ионов В через границу раздела фаз на внутреннюю поверхность пленки жидкости;

-диффузия ионов В через пленку;

-диффузия ионов В в ядро потока жидкости.

67

Химическая реакция ионного обмена происходит быстро и не определяет суммарную скорость процесса. А диффузия в пленке жидкости и диффузия в зерне ионита протекают медленно. Они и определяют скорость ионного обмена. Для того чтобы оценить зависимость скорости реакции от концентрации вещества, введем понятие числа био:

где β – коэффициент массоотдачи; r0 – радиус зерна иона; Кr – константа Генри; D – коэффициент массопроводности.

При Bi < 1 (концентрация вещества в сточных водах менее 0,003 моль/л) – скорость обмена определяется диффузией ионов через пленку жидкости – пленочная кинетика). При Bi < l (концентрация вещества не менее 0,1моль/л) – скорость процесса определяется диффузией ионов внутри зерна – гелевая кинетика. Если концентрация раствора находится в пределах

0,003÷0,1моль/л – скорость ионного обмена определяют оба вида диффузии. Коэффициенты диффузии различных ионов в смоле имеют порядок 10–6÷10–9 см2/с, а в воде 10–4÷10–5 см2/с. Коэффициент диффузии снижается при увеличении размера гидратированных ионов в растворе и росте заряда обменивающихся противоионов. Для внешнедиффузионной области

при значениях числа Рейнольдса Rеэ=2÷30 для расчета коэффициента массоотдачи может быть использована следующая формула:

где Reэ = u·dэ / ν – число Рейнольдса; Nuэ = β dэ / D – число Нуссельта; PrD = ν/D – число Прандтля.

Для определения основных параметров установки подсчитывает суммарную оптимальную площадь сечения ионообменных колонн, по расходу сточных вод и скорости фильтрования через псевдоожиженный слой ионита:

Sобщ = Q / uопт ,

где uопт – скорость фильтрования на 1 м: поперечного сечения колонны, м3/ч; Q – расход сточной воды, м3/ч.

Общее количество ионов, которое должно быть задержано в ионообменной колонне за 1 ч, зависит от их начальной Сн и конечной Ск концентраций и составляет Q·(Cн – Ск). Для поглощения этого количества ионов необходимо подать определенное количество воздушносухого ионита с динамической емкостью Ед

где Мч – требуемая масса воздушно-сухого ионита, т/ч.

Если продолжительность рабочего цикла ионообменных колонн между двумя регенерациями равно t ч, то общая их загрузка

Объем загрузки ионообменных колонн до образования псевдоожиженного слоя

где dн – насыпная плотность ионита, т/м3.

Поскольку суммарная площадь ионообменных колонн определяется оптимальной скоростью фильтрования, то высота набухшего слоя ионита до псевдоожижения составит:

69