Промышленная водоподготовка

     разделение  газов - процесс мембранного разделения газовых смесей за счет гидростатического давления и градиента концентрации.

      1 ВОДОПОДГОТОВКА 
 

     Водоподготовка  – удаление из воды всех примесей –  начиная от взвешенных частиц и заканчивая солями металлов. Иначе говоря, водоподготовка – процесс приведения любой воды к стандартам, которые требуют и здоровье людей, и работа различных котлов и пр. Эти требования различны, и если бытовая водоподготовка ограничивается лишь умягчением воды до требуемого уровня, промышленная водоподготовка в ряде случаев уничтожает примеси практически полностью.

     В промышленности применяют мех., хим., физ.-хим., биохим. и термич. методы очистки, подразделяемые на рекуперационные и деструктивные. Рекуперац. методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных в-в. С помощью деструктивных методов в-ва, загрязняющие сточные воды, подвергаются разрушению путем окисления или восстановления; продукты деструкции удаляются из стоков в виде газов или осадков. Основными методами очистки промышленных сточных вод, водоочистки и водоподготовки является физико-химическая очистка: 1) сорбция; 2) экстракция; 3) эвапорация; 4) коагуляция; 5) флотация; 6) ионный обмен; 7) кристаллизация; 8) диализ.

     Сорбция — выделение из сточной воды растворенных в ней органических веществ и газов путем концентрации их на поверхности твердого тела (адсорбция) либо путем поглощения вещества из раствора, или смеси газов твердыми телами или жидкостями (абсорбция), или, наконец, путем химического взаимодействия растворенных веществ с твердым телом (хемосорбция).

     Экстракция  — выделение растворенных органических примесей, находящихся в сточных  водах, путем обработки последних  каким-либо не смешивающимся с водой  растворителем (экстрагентом), в котором  примеси, загрязняющие воду, растворяются лучше, чем в воде (например, растворение фенола в бутилацетате в 12 раз больше, чем в воде).

     Эвапорация  — отгонка с водяным паром  загрязняющих сточную воду растворенных веществ (например, летучего фенола из сточных вод коксохимических  заводов).

     Коагуляция  — осветление и обесцвечивание сточных вод с применением реагентов (коагулянтов), вызывающих свертывание взвешенных и коллоидных веществ в хлопья, которые при осаждении (отстаивании) увлекают нерастворимые тонкодисперсные вещества в осадок.

     Процессы  полного осветления и обесцвечивания сточной воды осаждением обычно завершаются фильтрованием — пропуском воды через слой зернистого материала (песка или антрацита) с частицами различной крупности.

     Флотация  — выделение из сточных вод  примесей путем придания им плавучести за счет флотореагента, обволакивающего частички примесей и удаляемого из воды вместе с ними. Для флотации применяют часто воды, насыщенные пузырьками мелкодиспергированного воздуха. Частицы, содержащиеся в сточной воде (эмульгированная нефть, целлюлозно-бумажное волокно, шерсть и др.), прилипают к пузырькам воздуха и всплывают вместе с ними на поверхность воды, а затем удаляются из воды.

     Ионный  обмен — извлечение из водных растворов  различных катионов и анионов  при помощи ионитов — твердых  природных или искусственных материалов, практически не растворимых в воде и в органических растворителях, или искусственных смол, способных к ионному обмену.

     Кристаллизация  — очистки промышленных сточных  вод, водоочистки и водоподготовки путем выделения загрязнений  в виде кристаллов.

     Диализ  — разделение истинно растворенных веществ и коллоидов с помощью  специальных мелкопористых перегородок, не пропускающих коллоиды.

     Перечисленные методы физико-химической очистки промышленных сточных вод, водоочистки и водоподготовки во многих случаях предусматривают извлечение из них ценных веществ и поэтому относятся к так называемым регенерационным методам. При других методах очистки, называемых деструктивными, загрязняющие воды вещества подвергаются разрушению (преимущественно путем окисления и реже восстановления); образующиеся при этом продукты удаляются из воды в виде газов или осадков либо остается в воде (например, такие безвредные для водоемов соединения, как: нитраты, нитриты и т. д.). Регенерационные методы обработки производственных вод применяются, как правило, для наиболее концентрированных отдельных стоков; такая обработка для слабо концентрированных общих стоков не целесообразна.

1.1 Сорбция 
 

     СОРБЦИЯ (от лат. sorbeo - поглощаю), поглощение твердым  телом или жидкостью различных веществ (жидкостей либо газов) из окружающей среды. Поглощающее тело наз. сорбентом, поглощаемое-сорбатом (сорбтивом). Различают поглощение всем объемом жидкого сорбента (абсорбция), а также твердого тела или расплава (окклюзия) и поверхностным слоем сорбента (адсорбция). Сорбция, обусловленная взаимодействием хим. типа между поверхностью твердого сорбента и сорбатом, наз. хемосорбцией. При сорбции паров твердыми веществами часто происходит капиллярная конденсация. Обычно протекает одновременно несколько сорбционных процессов. В качестве адсорбентов используют активные угли, силикагель, цеолиты и др., а также некоторые отходы (шлаки, золы, опилки и т.д.).

     В качестве сорбентов используют любые  мелкодисперсные материалы (золу, торф, опилки, шлаки, глину); наиболее эффективный сорбент — активированный уголь. Расход сорбента

                      m = Q(С₀ — С_к)/a,        (1)

     где Q — расход сточной воды, м³/с; С₀ и С_к — концентрации примесей в исходной и очищенной сточной воде, кг/м³; а — удельная сорбция, характеризующая количество примесей, поглощаемых единицей массы сорбента, кг/с. 

     1.2 Экстракция 
 

     ЭКСТРАКЦИЯ  ЖИДКОСТНАЯ (позднелат. extractio - извлечение, от extraho - вытягиваю, извлекаю), перевод  одного или неск. компонентов р-ра из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней др. жидкую фазу, содержащую избират. р-ритель (экстрагент); один из массообменных процессов хим. технологии. Используется для извлечения, разделения и концентрирования растворенных в-в.

     Количественно интенсивность перераспределения оценивается коэффициентом экстракции:

                                         Кэ = С_э/С_в,     (2)

     где С_э и С_в — концентрации примеси в экстрагенте и сточной воде по окончании процесса экстракции. В частности, при очистке сточных вод от фенола с использованием в качестве экстрагента бензола или бугилацетата Кэ составляет соответственно 2,4 и 8...12. Для интенсификации процесса |экстракции перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществляют в экстракционных колоннах, заполненных насадками из колец Рашига.

     Экстрагенты обеспечивают переход целевых компонентов  из исчерпываемой (тяжелой) фазы, которая  чаще всего представляет собой водный раствор, в извлекающую (легкую) фазу (обычно орг. жидкость). Две контактирующие жидкие фазы и распределяемый между ними целевой компонент образуют экстракц. систему. Извлекающая фаза включает только экстрагент (или смесь экстрагентов) либо является р-ром одного или неск. экстрагентов в разбавителе, служащем для улучшения физ. (вязкость, плотность) и экстракц. свойств экстрагентов. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, которые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам раствора. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие растворимость экстрагируемых компонентов в извлекающей фазе или облегчающие расслаивание фаз (спирты, кетоны, трибутилфосфат и т.д.).

     К осн. стадиям экстракции жидкостной относятся: 1) приведение в контакт  и диспергирование фаз; 2) разделение или расслаивание фаз на экстракт (извлекающая фаза) и рафинат (исчерпываемая фаза); 3) выделение целевых компонентов из экстракта и регенерация экстрагента, для чего наряду с дистилляцией наиб. часто применяют реэкстракцию (процесс, обратный экстракции жидкостной), обрабатывая экстракт водными растворами веществ, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в раствор или осадок и их концентрирование; 4) промывка экстракта для уменьшения содержания и удаления механически захваченного исходного раствора.

     В любом экстракц. процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены. Эмульсии, образующиеся при перемешивании, обычно термодинамически неустойчивы, что  обусловлено наличием избыточной свободной энергии вследствие большой межфазной поверхности. Последняя уменьшается из-за коалесценции (слияния) капель дисперсной фазы. Коалесценция энергетически выгодна (особенно в бинарных системах) и происходит до тех пор, пока не образуются два слоя жидкости.

     Разделение  эмульсий осуществляется, как правило, в две стадии. Сначала довольно быстро осаждаются (всплывают) и коалесцируют крупные капли. Значительно более  мелкие капли остаются в виде "тумана", который отстаивается довольно долго. Скорость расслаивания зачастую определяет производительность аппаратуры всего экстракц. процесса. На практике для интенсификации разделения фаз используют центробежные силы и применяют различные устройства или насадки, которые располагают в отстойниках. В ряде случаев расслаиванию способствует электрическое поле.

     Основные  требования к проммышленным экстрагентам: высокая избирательность; высокая  экстракционная емкость по целевому компоненту; низкая растворимость в  рафинате; совместимость с разбавителями; легкость регенерации; высокие хим., а в ряде случаев и радиационная стойкость; негорючесть или достаточно высокая температура вспышки (более 60 °С); невысокая летучесть и низкая токсичность; доступность и невысокая стоимость.

     Наиболее  распространенные промышленные экстрагенты подразделяют на след. классы: 1) нейтральные, извлечение которыми осуществляется по разным механизмам в зависимости от кислотности исходного раствора,- вода, фосфорорг. соединения (гл. обр. трибутилфосфат), нефтяные сульфоксиды, насыщенные спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны и др.; 2) кислые, к-рые извлекают катионы металлов в орг. фазу из водной,- фосфорорг. кислотыты [ди(2-этилгексил) фосфорная кислота], карбоновые и нафтеновые кислотыты, сульфокислоты, алкилфенолы, хелатообразующие соед. (гидроксиоксимы, алкилгидроксихинолины,в-дикетоны); 3) основные, с помощью к-рых извлекают анионы металлов из водных растворов,-первичные, вторичные, третичные амины и их соли, соли четвертичных аммониевых, фосфониевых и арсониевых оснований и др. 
 

     1.3 Эвапорация 
 

     ЭВАПОРАЦИЯ, [латин. evaporatio] (науч). Выпаривание, испарение.

     Эвапорацией называют отгонку водяным паром  летучих веществ, которые загрязняют сточную жидкость. Эвапорация производится в периодически действующем аппарате или в непрерывно действующих дистилляционных колонках.

     Сточная жидкость (например, содержащая фенол), нагретая в теплообменнике, поступает  в колонну, через которую навстречу  движению сточной жидкости пропускают острый пар. Летучие загрязнения  сточной жидкости переходят в  паровую фазу и распределяются между двумя фазами (паром и водой) в соответствии с уравнением

                             С_П/С_В = g,       (3)

     где С_П и С_В — концентрации примеси в паре и сточной воде, кг/м³; g — коэффициент распределения. Для аммиака, этиламина, диэтиламина, анилина и фенола, содержащихся в сточной воде, коэффициент распределения соответственно равен 13, 20, 43; 5,5 и 2.

     Насыщенный  загрязнениями пар поступает  в поглотительную колонну, где он очищается от загрязнений.

     Концентрация  примеси в сточной воде на выходе из эвапорационной колонны:

                  С_В = С₀(qg — 1)/( qge^x —1),     (4) 

     где С₀ — концентрация примеси в исходной сточной воде, кг/м³; q — удельный расход пара, кг/кг; х = [rsH(qg - 1)]/(bqg), здесь bqg — эмпирическая постоянная насадки; b — плотность орошения колонны водой, м³/м²; r — эмпирическая постоянная, м/с; s — удельная площадь поверхности насадки, м³/м²; Н — высота слоя насадки, м. 

     Рисунок 1. Схема эвапорационной установки 

     а — непрерывной экстракции; 6 —  схема эвапорационной установки; 1 — отстойник; 2 — смолоотделитель; 3 — аппарат для подкисления сточной жидкости серной кислотой; 4 — теплообменник; 5—эвапорационная колонка; 6 — сборник обесфеноленной воды; 7 — аппарат для биологической доочистки; 8 и 9 — скрубберы для промывки пара; 10 и 11 — приемники свежей щелочи; 12 — сборник отработанной щелочи

     Если  сточную жидкость нужно очистить от фенола, то пар освобождают от него пропусканием через нагретый до 100 раствор щелочи.