6.3.5. Хімічні методи очищення води

Ці методи застосовують тоді, коли забруднення можна відділити лише після певної хімічної взаємодії, а іншими методами не вдається. Використовують хімічні реакції нейтралізації, окиснення та відновлення, осадження, утворення летких сполук. Утворені малорозчинні сполуки випадають в осад, інші компоненти перетворюються у малотоксичні комплекси (ціаніди у фероціаніди).

Кислі води з рН<6,5 нейтралізують дією гідроксидів натрію, калію, кальцію, карбонатів кальцію, магнію, натрію. Відходи після дії кислоти термічно розкладають при 1100-1200С до SO₂, який іде на виробництво сульфатної кислоти. Лужні води нейтралізують додаванням СО₂, SO₂, NO₂, технічної сульфатної кислоти. Одержані лужні відходи ідуть на виробництво цементу.

Реакції осадження часто застосовують для виділення слідових кількостей важких металів. Спочатку воду очищають від колоїдно-диспергованих часточок і зависів коагуляцією та фільтруванням, після чого додають відповідний реагент, а одержаний осад відділяють.

Наприклад, солі меркурію осаджують дією Na₂S:

Hg²⁺(або Hg₂²⁺) +S^2-  HgS (або Hg₂S).

Осадженням гідроксидами та карбонатами лужних та лужноземельних металів видаляють з води розчинні гідрогенкарбонати, сульфати, фосфати, фториди: Ca(HCO₃)₂+Ca(OH)₂2CaCO₃+2H₂O,

CaSO₄+Na₂CO₃Na₂SO₄+CaCO₃, CaF₂+Na₂CO₃ CaCO₃+ 2NaF.

Враховуючи різну розчинність гідроксидів та карбонатів, можна послідовно видалити з води гідроксиди, гідроксокарбонати та карбонати важких металів.

Для того, щоб не створювати локальних пересичень розчину та не додавати надлишку реагенту, осадження проводять у декілька етапів, залишаючи в апараті для осадження порцію осаду, який виконує роль центру кристалізації для наступного етапу осадження. Іноді для кращого відділення осади витримують для старіння, при цьому осад переходить у більш стійку форму, змінюється його склад. Залежно від типу осадів їх одержують або повільним приливанням розбавленого розчину реактиву при помірному нагріванні (кристалічні) та перемішуванні, або швидким вливання гарячого концентрованого розчину реактиву за наявності коагулянту або флокулянта (аморфні осади). Осад не слід залишати у контакті з розчином, щоб зменшити співосадждення. На осадження впливає величина рН стічної води.

Якість очищення води за методом осадженням контролюють, визначаючи залишкову кількість іонів у воді.

Виділення металів здійснюють витисканням більш активним металом менш активного з розчину його солі. Переважно електролітичне виділення металів проводять з вод, попередньо сконцентрованих іншими методами. Цим методом видаляють солі з сильномінералізованих вод. Коли вилучають тільки благородні та кольорові метали, то діють Zn або Fe; коли видаляють більшість металів, то застосовують метал, який потім виділяють з очищеної води.

Для очищення воду просочують через шар металевої стружки або порошок металу перемішують з порцією води. Замість порошку іноді застосовують гранули металу або листовий метал.

Витіснення металу тим повніше, чим більша різниця потенціалів двох металів. На швидкість виділення впливає величина загальної поверхні металу, швидкість проникнення води у метал, наявність сторонніх електролітів на поверхні металу, величина рН розчину, температура розчину. Побічним процесом є відновлення сполук металів у вищих ступенях окиснення до нижчих ступенів окиснення. У лужному розчині виділяються гідроксиди та основні солі, які гальмують процес виділення металів, у сильнокислому можливе виділення водню.

У стічній воді з різними важкими металами можливим є проведення селективного виділення, діючи точно розрахованою кількістю активного металу, а одержаний осад виділеного металу відразу необхідно відділяти з реакційної системи. Недоліком методу є те, що більш активний метал переходить у розчин.

Реакції окиснення застосовують для руйнування органічних сполук, а також для дезінфекції води. Найбільш вживаними окисниками є KMnO₄, MnO₂, H₂O₂, Cl₂ та інші сполуки хлору.

Наприклад, хлоровмісні окисники (хлор, хлорати, гіпохлорити, хлорне вапно) руйнують ціаніди в лужному середовищі:

CN^-+2OH^-+Cl₂ = CNO^-+2Cl^-+H₂O,

2CNO^-+4OH^-+3Cl₂ = 2CO₂+6Cl^-+N₂+2H₂O.

Перманганат легко окиснює органічні сполуки багатьох класів. У деяких випадках окиснення відбувається як в кислому, так і в лужному середовищі. Так окиснюються спирти та альдегіди:

Перманганат окиснює гомологи ароматичних вуглеводнів за участю проміжних сполук мангану (ІІІ) у бензойну кислоту:

У сильнолужному середовищі окиснюються ненасичені вуглеводні, двоатомні спирти, гідроген біля третинного атома карбону:

Манган діоксид застосовують часто. Його одержують окисненням сполук мангану (ІІ) у сильнолужному середовищі. При нагріванні дією MnO₂ окиснюються феноли до карбон діоксиду:

легко окиснює сульфуровмісні сполуки:

Він також каталізує окиснення формальдегіду до карбон діоксиду:

а також виступає каталізатором при застосуванні як окисників H₂O₂, O₃.

Гідроген пероксид – один із найсильніших окисників як у лужному, так особливо в кислому середовищі. У лужному середовищі він окиснює ціаніди, а процес прискорюється дією ультрафіолетового випромінюванням:

CN^-+Н₂О₂  CNO^-+H₂O.

В кислому середовищі Н₂О₂ окиснює нітрити, сульфіди, сполуки металів у нижчих ступенях окиснення:

HNO₂ + H₂O₂  NO₃^- + H₂O +H⁺,

S^2- + 4H₂O₂  SO₄^2- + 4H₂O,

2Fe²⁺ + H₂O₂ +2H⁺  2Fe³⁺ + 2 H₂O.

Каталізаторами є сполуки Ag⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, бо при цьому утворюються активні радикали ОН, завдяки яким руйнуються спирти, альдегіди; формальдегід в лужному середовищі перетворюється у форміат, а карбонові кислоти у пероксокислоти. У присутності Fe²⁺ та під впливом світла окиснюються ароматичні кислоти, хлориди. Алкілбензолсульфонат окиснюється на 98%:

Застосовуючи як окисник Н₂О₂ у присутності каталізаторів, можна окиснити до 65% органічних сполук у воді.

Озон один з найсильніших окисників. Ним можна легко окиснити сполуки нітрогену та металів у нижчих ступенях окиснення, сульфіди:

NO₂^- + O₃ = NO₃^- + O₂,

NH₄⁺ + 4O₃ = NO₃^- +4O₂ + H₂O +2H⁺,

3H₂S + 4O₃ = 6H⁺ +3SO₄^2-,

2Mn²⁺ + 5O₃ + 3H₂O = 2MnO₄^- + 5O₂ + 6H⁺.

Важливо, що не лише вільні ціаніди, а й ціанідні комплекси руйнуються озоном з окисненням ціаніду:

CN^- + O₃ = CNO^- + O₂, потім CNO^- + 2H⁺ + H₂O = CO₂ + NH₄⁺.

Озоном можна окиснити галогени до їх оксидів, наприклад:

Cl₂ + 4O₃ = 2ClO₂ + 4O₂.

Озон руйнує багато органічних сполук. Так аміни можна перетворити у малотоксичні карбонові кислоти та нітрат:

CH3–NH2 +2O3

+NO3- + H+ + H2O.

Руйнування озоном ароматичних вуглеводнів проходить тим легше, чим більше вони мають конденсованих кілець. Наприклад, окиснення нафталіну відбувається до фталевої кислоти:

+3О3

+2СО2 + Н2О.

Швидкість реакції зростає в ряду бензол, нафталін, фенантрен, пірен, антрацен.

Найважче окиснюється бензол і гомологи. Окиснення бензолу йде через утворення нестійкого озоніду, який гідролітично розщеплюється на гліоксаль, гліоксалеву кислоту та оксалатну кислоту:

Ненасичені вуглеводні озон окиснює до альдегідів або кетонів. Спочатку у місці подвійного зв’язку утворюються нестійкі озоніди, які гідролізують і розпадаються по місці подвійного зв’язку, утворюючи альдегіди або кетони. Наприклад, озонування метилізобутену-2:

Альдегіди окиснюються до карбонових кислот:

а кетони при окисненні через проміжні сполуки дають суміш кислот:

Аліфатичні спирти окиснюються в альдегіди та карбонові кислоти:

R–CH2–OH + O3 

+ O2.

З насиченими вуглеводнями озон реагує з утворенням вуглеводневих радикалів, потім пероксидів R–O–OH, які розкладаються на спирти R–OH.

Органічні сполуки окиснює також кисень. Так феноли окиснюються в хінони, а останні навіть до карбон діоксиду:

Чим більше гідроксильних груп має фенол, тим легше він окиснюється.

Меркаптани перетворюються в сульфокислоти:

R–SH R–SO–OH R–SO₂–OH.

Під час високотемпературного окиснення води можна досягти повного руйнування органічних речовин до СО₂ і Н₂О. Є різні способи окиснення.

Окиснення можна проводити при підвищеному тиску, який би забезпечив кипіння води за температур 350-370С. Контролюють залишки органічних речовин за величиною окиснюваності води. Процес триває від півгодини до 3-4 годин. Так найповніше руйнуються вуглеводні, органічні кислоти, відходи нафтопереробних підприємств. Наприклад, ціаніди, сульфіди можна окиснити при температурах до 180С, альдегіди, аміни при температурах понад 225, а більшість інших речовин потребує температури, не нижчої за 300С.

За іншим способом воду випаровують, залишок прожарюють при 1000С. За цих умов органічні речовини повністю згоряють, термічно нестійкі неорганічні речовини розкладаються. Такий процес окиснення застосовують для руйнування особливо токсичних речовин, які не вдається знешкодити іншими методами; для видалення горючих речовин. Окисненню піддають невелику кількість води.

За участю каталізаторів спалювання проводять при температурах 300-500С. Як каталізатори використовують платинові метали, CuCoO₂, Cu(CrO₂)₂, нанесені на силікати або алюмосилікати. Парогазову очищену суміш охолоджують, конденсують і одержують воду, яку застосовують у технічних цілях. Таким способом очищають воду від сумішей органічних речовин, таких як спирти, бензол, феноли, альдегіди, нафталін та похідні, меркаптани.

Відновленням можна видалити зі стічної води K₂Cr₂O₇. Для цього його відновлюють дією FeSO₄, NaHSO₃, SO₂, а потім у лужному середовищі осаджують Cr(OH)₃ та відфільтровують одержаний осад:

Cr₂O₇^2-+3HSO₃^-+5H^{+ -}= 2Cr³⁺+3SO₄^2- + 4H₂O,

Cr³⁺+3OH^- = Cr(OH)₃.