Физико-химические методы

Для очистки воды и сточных вод от примесей эффективны следующие физико-химические методы: коагуляция, флотация, кристаллизация, сорбция, ионообмен, экстракция, ректификация.

Коагуляция (лат. coagulatio – свертывание) тонкодисперсных взвесей, эмульсий – широко используемый метод очистки воды от загрязнений. В качестве коагулянтов обычно используют 10–17% растворы сульфатов и хлоридов алюминия (III) и железа (III) по отдельности или совместно.

Коагуляция происходит за счет разряда заряженных коллоидных частиц электролитом и при соосаждении примесей вследствие их сорбции хлопьевидной, очень развитой поверхностью гидроксидов алюминия (III) и железа (III), образующихся при гидролизе. Они захватывают ионы тяжелых металлов, бактерии, гуминовые вещества. При очистке сточных вод доза коагулянта составляет от 50 до 700 мг/л, при обработке природных вод – 25–80 г/м³.

Более эффективно дополнительное использование флокулянтов (лат. flocculi – клочки, хлопья) – высокомолекулярных соединений типа крахмала, белковых дрожжей, силиката натрия, полиакриламида в количестве 0,5–2 г/м³. Они позволяют ускорить осаждение хлопьев, снизить расход коагулянтов.

Процесс очистки воды коагуляцией слагается из следующих стадий: добавление и смешение реагентов с водой, хлопьеобразование, осаждение хлопьев, их удаление из воды. Смешение природной или сточной воды с растворами коагулянтов проводят в смесителях различного типа. Это аппараты: с дырчатыми перегородками или с отверстиями в виде проемов, вертикальные емкости с вводом смеси через нижнюю коническую часть со скоростью около 1 м/с и понижением в верхней части до 0,025 м/с, баки с механическим перемешиванием смеси лопастными или пропеллерными мешалками. Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветителях.

Флотация (англ. flotation – всплывание) – это увлечение всплывающими пузырьками воздуха прилипающих к ним дисперсных частиц. Затем образующуюся пену удаляют с поверхности воды. Флотацию используют для удаления из сточных вод всплывающих примесей: масел, нефтепродуктов, смол, ПАВ, полимеров. Степень очистки – до 80–95%. В зависимости от способа образова-ния пузырьков воздуха различают несколько видов флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, биологическую, электрофлотацию и т.п. Из ряда способов чаще используются напорная и импеллерная (крыльчатая) флотация.

Рис. 20. Схема напорной флотации: 1 – резервуар воды; 2 – напорный насос; 3 – сатуратор; 4 – флотатор

В установке напорной (т.е. под давлением) флотации (рис. 20) сточная вода с содержанием примесей до 4–5 г/л из резервуара 1 поднимается с помощью насоса 2 и вместе с засасываемым через трубопровод воздухом подается под давлением 0,15–0,4 МПа в сатуратор 3 (лат. saturatio – насыщение). В нем происходит насыщение воды воздухом, который начинает выделяться в виде пу-зырьков во флотаторе 4, в котором давление уменьшается до атмосферного. Всплывающие пузырьки воздуха увлекают вверх прилипающие к ним частицы примесей. Пенообразный шлам удаляется через верхний слив, очищенная вода – через нижний слив.

В импеллерном (англ. impeller – рабочее колесо, крыльчатка) флотаторе очищается сточная вода с содержанием примесей более 2 г/л. Скорость поступления воздуха, число образующихся мелких пузырьков воздуха и эффективность флотации зависят от скорости вращения импеллера, которая ограничивается разрушением хлопьев при высокой турбулентности потока.

Кристаллизация. Она используется обычно тогда, когда образующиеся кристаллы пригодны для использования в производственных целях. Ее варианты: а) кристаллизация с охлаждением раствора; охладитель обычно вода, реже воздух; б) кристаллизация с частичным удалением растворителя испарением или выморажива-нием; в) комбинированная кристаллизация.

Пример 1. Вакуум-кристаллизация. Это прогрессивный метод. При создании вакуума в аппарате раствор, обычно сначала горячий, начинает кипеть и охлаждаться. Испарение и особенно охлаждение приводит к кристаллизации примесей из пересыщенного раствора.

Пример 2. Испарение части растворителя путем пропускания через раствор воздуха. При испарении воды идет охлаждение раствора.

Аппаратура для кристаллизации: выпарные аппараты-кристаллизаторы, вакуумные кристаллизаторы и емкости с охлаждением раствора: вертикальные аппараты со змеевиком, башенные градильни с разбрызгиванием горячего раствора. Последние наиболее просты, производительны, энергоэкономны.

Адсорбция. Она используется для глубокой очистки сточных вод от органических веществ, фенолов, гербицидов, ПАВ, пестицидов, красителей. Эффективность очистки зависит от химической природы и структуры адсорбента и адсорбируемых примесей и достигает 80–95%.

Адсорбенты: активированный уголь, силикагель, шлаки, торф. Требования к адсорбентам: гидрофильность (смачиваемость водой), устойчивость к истиранию, высокая адсорбционная емкость при небольшой удерживающей способности (возможность регенерации), низкая стоимость и т.п. Наиболее широко используются различные марки активированного угля: порошкообразного – с размером частиц менее 0,25 мм и гранулированного – более 1 мм.

Адсорбция проводится фронтальным способом в статических или динамических условиях. При статической адсорбции жидкость движется вместе с частицами сорбента, обычно активированного угля, размером 0,1 мм и менее. Происходит интенсивное перемешивание. Для более эффективной очистки сточной воды от примесей используют многоступенчатые установки или с последовательным введением свежего, дешевого адсорбента в каждую ступень и вывода из нее отработанного адсорбента, или с противоточным введением более дорогого адсорбента, начиная с последней ступени.

Последний процесс иллюстрирует рисунок 21.

При динамической адсорбции используется противоточное движение: сточная вода подается снизу в колонну, заполненную сорбентом высотой 1–2 м. Размеры частиц абсорбента 0,8–5 мм. Скорость фильтрования воды 5–20 см/мин (3–12 м/ч). Процесс ведут до проскока загрязнений, после чего воду подают в другую колонку. В первой колонне проводят регенерацию сорбента (угля), обычно обрабатывая его перегретым водяным паром (200–300°С) или экстрагируя примеси органическим растворителем. Реже для регенерации сорбента используют деструктивные методы: термические (500–1000°С), окисление хлором, озоном.

Рис. 21. Схема противоточной адсорбционной установки: 1 – смесители; 2 – отстойники; 3 – приемники адсорбента; 4 – насосы

Ионный обмен. Его применяют для глубокой очистки прозрачных сточных вод, содержащих до 3–4 г/л солей, от ионов цветных и тяжелых металлов, цианидов, мышьяка, радиоактивных веществ.

Иониты – твердые вещества (с матрицей R), содержащие на своей поверхности функциональные группы, способные к ионизации и обмену образующихся ионов на ионы раствора.

Типы реакций ионного обмена

а) катионный обмен: RSO₃H + Na⁺ ↔ RSO₃Na + H⁺;

б) анионный обмен: ROH + Cl^– ↔ RCl + OH^–.

Катиониты – иониты, которые обладают кислотными свойствами и способны обменивать свои катионы, обычно Н⁺ (в Н-форме), на катионы электролита.

Аниониты. Они обладают щелочными свойствами и обме-нивают свои анионы, обычно ОН– (в ОН-форме), на анионы элек-тролита.

Иониты могут быть природными и искусственными. Это алюминаты, цеолиты (полевые шпаты), гидроксиды, силикагели, пермутиты, сульфоугли. Наибольшее применение находят органические искусственные материалы – ионообменные смолы.

Их классифицируют следующим образом:

а) сильнокислотные катиониты; содержат сульфогруппы SO₃H или группы РО(ОН)₂;

б) слабокислотные катиониты; содержат карбоксильные и фенольные группы C₂Н₅OH;

в) сильноосновные аниониты, содержат четвертичные аммонийные основания NR₃OH;

г) слабоосновные аниониты; содержат первичные NH₂ и вторичные аминогруппы NH;

д) смешанные иониты, проявляют свойства смеси кислот и оснований разной силы.

В нашей стране наиболее известны катионные сульфоугли СМ и СК, катиониты КУ-1, КУ-2, КБ, КФ; аниониты АН-2ФН, АН-18-8, АВ-17-8 и др. Их выпускают в виде зерен диаметром ~1 мм.

Поглощающая способность ионитов характеризуется обменной емкостью – числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую обменную емкость.

Полная обменная емкость – это количество вещества, поглощенного до полного насыщения ионита.

Статическая (равновесная) емкость – количество вещества, поглощенного ионитом в данных рабочих условиях.

Динамическая емкость – это емкость ионита до «проскока» ионов в фильтрат. Она минимальна.

Аппаратура ионного обмена. Как правило, это цилиндрическая пластмассовая колонна высотой 1,5–3 м, заполненная ионитом. В аппаратах периодического действия очищаемая вода обычно подается сверху со скоростью 15–40 см/мин. В аппаратах непрерывного действия очищаемая вода подается снизу, а ионит – сверху. При этом ионит находится во взвешанном состоянии, что увеличивает эффективность очистки и уменьшает затраты.

Регенерация катионитов, т.е. обратный их перевод в Н-форму, осуществляется промывкой 5–10% раствором сильных кислот: HCl или H₂SO₄. Регенерация в натриевую форму (Na-форма) – промывка концентрированным раствором NaCl. Аниониты переводят в ОН-форму их промывкой 2–6% раствором NaOH, Na₂CO₃, а в хлоридную форму (Cl-форма) – 2–6% раствором NaCl.

Экстракция (лат. extrahere – извлечение) – это извлечение обычно органической жидкостью компонентов твердого вещества или другой жидкости, несмешивающейся с первой. Она применяется для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, анилин, тяжелые металлы в повышенной концентрации примесей: 3–4 г/л и более. Эффективность извлечения фенолов достигает 90–98%. Экстракционная очистка состоит из следующих стадий: смешение сточной воды с органическим экстрагентом, разделение образующихся фаз, регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Терминология экстракции. Экстрагент – органический растворитель или раствор, содержащий экстракционный реагент, извлекающий нужный компонент из другой фазы. Экстракционный реагент – вещество, которое образует с извлекаемым компонентом соединение, способное растворяться в органической фазе. Экстракт – органическая фаза, содержащая извлеченный компонент. Рафинат (фр. raffiner – очищать) – водной раствор, оставшийся после экстракции.

Экстрагенты. В качестве экстрагентов используются эфиры (бутилацетиловый, диизопропиловый), спирты, CCl₄, бензол, толуол, хлорбензол, трибутилфосфат в керосине и др.

При выборе экстрагентов учитывают следующее:

- избирательность к извлекаемому компоненту, коэффициент распределения; нерастворимость и несмешиваемость с водой, различие с ней в плотности;

- вязкость, летучесть; простоту и легкость реэкстракции извлекаемого компонента; токсичность, воспламеняемость; химическую и радиационную устойчивость;

- возможность регенерации экстрагента; низкую стоимость.

При очистке сточных вод обычно используют ступенчато-противоточную экстракцию в ряде аппаратов (рис. 22а) и непрерывно-противоточную экстракцию в одном аппарате (рис. 22б). Насадками служат кольца Рашига, блочные структуры из керамики, пластмассы. Тяжелая фаза – обычно сточная вода.

Рис. 22. Схемы противоточной экстракции а) ступенчатая экстракция: 1 – смесительные камеры; 2 – отстойники б) непрерывная экстракция

Регенерацию растворителя из экстракта обычно осуществляют ректификацией, из очищенной воды – путем отгонки острым паром в насадочной колонне.

Перегонка и ректификация. Их включают в состав технологических схем основных производств и применяют, когда необходимо практически полное выделение из сточных вод малых концентраций примесей, обычно растворенных органических жидкостей. Выделенные вещества, как правило, используются снова в технологическом процессе.

Виды перегонок: простая, с водяным паром, азеотропная. Простую перегонку проводят путем постепенного испарения сточной воды в перегонном кубе с конденсацией дистиллята в холодильнике. Ее применяют для очистки сточных вод от примесей, кипящих ниже 100°С: ацетон, метиловый спирт и т.п. Перегонка острым паром, т.е. непосредственное введение его или воздуха, азота или других газов в сточную воду, позволяет упростить конструкцию аппаратов, снизить расход тепла. Азеотропная отгонка нераздельно кипящих смесей воды с органическими веществами (бензол, толуол, хлороформ, CCl₄, бутилацетат и др.) происходит при температуре ниже температуры кипения воды. Отгонка ведется в насадочной колонне, в нижнюю часть которой подается острый водяной пар. Затем в отстойнике-сепараторе конденсат органического вещества отделяется от водяного конденсата.

Ректификация (лат. rectificare – исправлять, очищать) – способ разделения и очистки легко кипящих жидкостей путем многократного их нагрева до кипения и конденсации. Виды ректификации: простая, азеотропная и пароциркуляционная.

Простую ректификацию проводят в ректификационных колоннах тарельчатого или насадочного типа. Сточная вода подается на верхнюю тарелку (или насадку) и с нижней тарелки поступает в кипятильник. В нем при кипячении образуется поток паров, которые, проходя через колонну, увлекают пары органических примесей (бензол, хлорбензол, бутилацетат и др.) в верхнюю часть колонны. Затем пары поступают в конденсатор. Очищенная вода из кипятильника (кубовый остаток) отводится как конечный продукт.

Пароциркуляционная ректификация, или эвапорация (лат. evaporatio – выпаривание), сточных вод проводится в ректификационных колонках с использованием циркулирующего водяного пара. Основой этого метода очистки является разное распределение примесей между жидкой и паровой фазами. Она применяется для отгонки из сточных вод органических веществ, являющихся слабыми электролитами: крезолы, нафтолы, карбоновые кислоты, фенолы. Эффективность извлечения фенолов составляет 85–92%.

Эвапорация проводится в колоннах, которые делятся на эвапорационную (нижнюю) часть, где происходит очистка сточных вод, и поглотительную (верхнюю) часть, где идет регенерация пара. Сточная вода подается не сверху, а на эвапорационную часть колонны и стекает по насадке в приемник очищенной воды. Снизу колонны подается острый пар, который нагревает сточную воду до 100°С. Пары примесей вместе с паром проходят в верхнюю часть колонны через нагретый примерно до100°С поглотитель, в котором из пара удаляются летучие примеси (регенерация пара). Очищенный пар снова направляется в колонну для очистки сточных вод.