37 Экстракция. Назначение метода. Схема процессов многоступенчатой экстракции. Принцип очистки сточных вод.

Жидкостная экстракция - это процесс извлечения вещества из водного раствора в жидкую органическую фазу, не смешивающуюся с водой. Процессы жидкостной экстракции используются для выделения из сточных вод ценных органических веществ (например, фенолов и жирных кислот), а также тяжелых цветных металлов (меди, никеля, цинка, кадмия, ртути и др.).

Экстрагент - это органическое вещество, образующее с извлекаемым загрязняющим веществом соединение, способное переходить в органическую фазу. Экстрагентами служат органические кислоты, спирты, эфиры, кетоны, амины и др.

Разбавителем называют органическую жидкость, не смешивающуюся с водой и служащую растворителем экстрагента (керосин, бензол, ксилол, уайт-спирит и др.). Иногда экстрагентом называют всю органическую фазу, т.е. р-р собственно экстрагента в разбавителе. В случае, когда экстрагент является твердым веществом, не растворяющимся в обычных разбавителях, для его перевода в жидкое состояние применяют специальные растворители (например спирты).

Органическая и водная фазы после проведения экстракционной стадии называют соответственно экстрагентом и рафинатом. Загрязняющие компоненты выделяются из экстрагента двумя путями: либо ректификацией, либо реэкстракцией, в результате которых обычно достигается и регенерация экстрагента. В качестве реэкстрагирующих растворов (реэкстрагентов) используют водные растворы кислот, солей и оснований. Водный раствор после реэкстракции называют реэкстрактом.

Основные количественные характеристики экстракционного процесса следующие: коэффициент распределения экстрагируемого вещества , коэффициент разделения или коэффициент селективности и степень извлечения Е.

Коэффициент распределения kp- это отношение общей концентрации загрязняющего элемента в органической и водной фазах при установлении равновесия:

kp = Cэ / Cст  сonst ( 6.0)

где Сэ, Сcт - концентрация экстрагируемого вещества соответственно в экстрагенте и сточной воде при установившемся равновесии, кг/м3

Коэффициент распределения зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а также от наличия различных примесей. Кроме того, такие факторы, как рН водной фазы и величина окислительно-восстановительного потенциала, могут вызвать изменение величины на несколько порядков, что придает процессу экстрагирования достаточную гибкость при практической реализации и управлении процессом.

Метод экстракционной очистки рекомендуется применять при достаточно высокой концентрации органических примесей или при высокой стоимости извлекаемого вещества. Для большинства загрязнителей сточных вод применение экстракционного способа эффективно при их концентрации 2 г/л и более.

Важным фактором в экстракционных процессах является быстрое и полное расслаивание жидкостей после их смешивания, а также малая растворимость экстрагента в воде, причем, хорошее расслаивание при малой растворимости обеспечивается наличием в молекуле экстрагента неполярной гидрофобной части - радикала, который чаще всего представлен углеводородными группами СnН2n+1 с n = 7  12.

Основным физико-химическим процессом экстракции является обмен между органической и водными фазами до достижения равновесия. Массообмен осуществляется на межфазной границе в результате перехода компонентов из фазы, где концентрация компонента выше равновесной в фазу, где концентрация ниже равновесной.

Схема многоступенчатой перекрестноточной экстракции представлена на рис.6.14.

Рис. 6.6. Схема процесса многоступенчатой перекрестноточной экстракции.

1 - подача сточной воды; 2,3,4 - экстакционные установки соответственно 1,II и Ш ступени; 5 - подача чистого экстракта; 6 - выпуск очищенной сточной воды; 7 - отвод экстракта.

При этой схеме очистки на каждую ступень экстракции подают свежий экстрагент, что приводит к значительным его расходам. Поэтому практическое применение получили методы ступенчато-противоточной и непрерывно-противоточной экстракции.

Рис. 6.7. Схема ступенчато-противоточной экстракции.

1-подача сточной воды, 2,3,4 - экстракционные установки соответственно 1, II и Ш ступени, 5-подача чистого экстрагента, 6-выпуск очищенной сточной воды, 7-отвод экстракта, 8-отстойники или сепараторы.

Каждая ступень рассматриваемой схемы состоит из перемешивающего устройства для смешения фаз и отстойник для их гравитационного разделения, либо используются центробежные сепараторы, обладающие более высокой разделительной способностью по сравнению с гравитационными. Чистый экстрагент и обрабатываемая сточная вода поступают с противоположных концов системы, последовательно соединенных ступеней экстракции. Сточная вода и экстрагент движутся непрерывно через систему противопотоком друг к другу, причем экстракт последующей ступени, смешивается в смесителе с водной фазой предыдущей ступени.

Конечная концентрация экстрагируемого вещества в воде определяют из следующего выражения:

С_к = С_н / (1 + bk_p)ⁿ ( 6.0)

где С_к и С_н - соответственно конечная и начальная концентрация экстрагируемого вещества в воде, кг/м³

n - число ступеней экстракций,

b - удельный расход экстрагента для одной экстракции, м³ /м³ , равный:

b =W/(nQ) ( 6.0)

здесь W - общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию,м³ ;

Q - количество сточных вод, подвергающихся экстракции, м³