Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Физико-химические методы играют значительную роль при очистке произ­водственных сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в со­четании с механическими, химическими и биотехнологическими методами

К физико-химическим методам относятся коагуляция, флокуляция, флота­ция, сорбция, включая ионный обмен, обратный осмос, экстракция, эванора — ция, электрохимические методы.

Коагуляция — это слипание частиц коллоидной системы при их столкнове­ниях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного пе­ремещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты—более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мел­ких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогресси­рующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дис­персионной среды (в нашем случае — воды). Слияние однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных — гетерокоагуляцией.

Образованию коллоидных частиц предшествует формирование твердой фа­зы (ядра), адсорбирующей из растворов потенциало-образутщие ионы. Силь­нее адсорбируются ионы, которые значительнее понижают свободную энер­гию поверхности твердой фазы. В результате поглощения ионов поверхность ядра приобретает заряд. Присутствующие в воде разно именно заряженные ионы (противоионы) группируются у поверхности ядра вследствие электри­ческого притяжения между разноименными электрическими зарядами, обра­зуя коллоидную частицу. Если бы в воде не было теплового движения ионов, приводящего к их перемещению, противоионы образовали бы мономолеку — лярный слой, охватывающий коллоидную частицу на расстоянии ионного ра­диуса. Термодинамический потенциал у такого двойного слоя является потен­циалом на границе твердой и жидкой фаз. В действительности, упорядочен­ное строение оболочки нарушается из-за теплового движения ионов в воде и их отрыва, в результате чего слой окружающих частиц противоиопов приоб­ретает диффузионный характер.

Коллоидная частица вместе с окружающим ее диффузионным слоем назы­вается мицеллой. На рис. 4.21 представлена схема строения мицеллы золя гид­роксида железа (III), полученного путем гидролиза хлорного железа Золь — система, состоящая из коллоидных частиц, распределенных в жид­кой или газообразной среде. Если такой средой является вода, систему назы­вают гидрозолем. Коллоидная частица зешя гидроксида железа (III) состоит из ядра, образованного гидроксидом железа (III), адсорбционно связанных с ним потенциалообразующих водородных ионов (иН+) и некоторого количества ионов хлора [(и — x)CI J, меньшего, чем количество ионов водорода, в резуль­тате чего коллоидная частица имеет положительный заряд. Ионы водорода и входящие в состав частицы противоионы хлора образуют двойной электри­ческий слой. Отдельные ионы хлора (хСГ) образуют диффузионный слон и вместе с коллоидной частицей со­ставляют мицеллу золя гидроксида железа (III).

В зависимости от условий форми­рования золя потенциалообразующне ионы и противоионы могут меняться местами. Так, золь гидроксида алю­миния, образующийся при гидроли­зе солей алюминия, заряжен положи-

Рис. 4.21. Схема строения мицеллы золя гидро­ксида железа (JII)

тельно при низких значениях pH воды и отрицательно — при высоких. Повер­хность коллоидной частицы золя приобретает заряд в результате ряда процес­сов: в щелочной среде кристаллическая решетка частицы достраивается гид — рокси-льными ионами, находящимися в воде, при обретая отрицательный за­ряд; в нейтральной и кислой средах — положительный заряд возникает за счет адсорбции решеткой ионов А13*. Формула мицеллы золя гидроксида амоми — ния, образовавшегося при гидролизе хлорида алюминия в нейтральной среде, записывается в следующем виде:

МЛ1(ОН)3]»А13,3(»-х)СГ}ЗхС1. (4.22)

Очевидно, что при гидролизе раствора сульфата алюминия потенциалооб­разующими ионами и противоионами будут А13+ и SO/".

Иногда заряд коллоидных частиц образуется не за счет адсорбции ионов из раствора, а в результате диссоциации поверхностного слоя самого ядра, напри­мер, при образовании коллоидной кремниевой кислоты. Молекулы Si02, реаги­руя с водой, образуют кремниевую кислот)’ H2Si03 — слабый электролит с малой степенью диссоциации. Отрицательный заряд частицы кремниевой кис­лоты обусловлен диссоциацией молекул HjSiOj. Мицелла золя оксида крем­ния (IV) имеет следующий вид:

{m[SiOJ«SiO%-2(n — х)Н+}2хН. (4.23)

Коллоидные частицы находятся в постоянном движении, увлекая за собой молекулы окружающего частицу раствора, которые движутся вместе с ней в виде тонкой пленки. При движении в электрическом поле коллоидная частица увлекает часть раствора. При этом она становится отрицательно заряженной, а окружающий ее раствор приобретает положительный заряд. Перепад потен­циала, возникающий при этом между частью жидкости, увлекаемой коллоид­ной частицей, и остальным раствором, называется электрокинетическим или ^-потенциалом. Он изменяется при добавлении к коллоидным системам электролитов. В случае отрицательно заряженных частиц ^-потенциал зави­сит от величины заряда катионов электролитов, а для положительно заряжен­ных частиц от величины заряда анионов.

При добавлении электролитов концентрация ионов в диффузионном слое Увеличивается и для компенсации зарядов на поверхности частиц уже необхо­дим меньший объем диффузионного слоя (происходит его сжатие). Сжатие может дойти до уровня, когда ^-потенциал станет равным нулю, а коллоидные частицы будут находиться в изоэлектрическом состоянии (коллоидные час­тицы не имеют электрического заряда). При этом устраняются причины, пре­пятствовавшие сближению коллоидных частиц, которые, соединяясь, образу­ют сравнительно крупные агрегаты, быстро выпадающие в осадок. При постепенном добавлении электролита к коагулируемому коллоиду наблюда­ется возникновение коагуляции не в изоэлектрической точке, а при значении ^-потенциала — 0,03 В (для большинства коллоидов значение ^-потенциала обычно составляет 0,07 В). Указанное значение ^-потенциала является мерой устойчивости коллоидных систем и называется критическим; с его уменьше­нием устойчивость коллоидной системы снижается. Степень влияния ионов зависит от их концентрации, валентности и размеров; при этом чем выше кон­центрация ионов и их валентность, тем значительнее сжатие диффузионного слоя, а следовательно, тем больше эти ионы снижают устойчивость коллоид­ных частиц.

Агрегативная устойчивость гидрофильных золей объясняется тем, что по­верхность их частиц обусловливает образование вокруг них молекулярных ги д — ратных слоев при участии ван-дер-ваальсовых, водородных и комплексных связей, вне зависимости от действия небольших концентраций электролитов. Поэтому очищенные золи кремниевой кислоты и гидроксида алюминия могут сохраняться в растворе даже при уменьшении значения ^-потенциала почти до нуля.

Для сближения коллоидных частиц необходимо затратить работу на пре­одоление сопротивления так называемого «расклинивающего давления», обу­словленного силами молекулярного сцепления воды с поверхностью частиц. На расстоянии 1 нм и меньше силы взаимного притяжения взаимодействую­щих частиц превалируют над силами сцепления в гидратном слое. При значи­тельных расстояниях между ними гидрагные слои являются термодинамичес­ки устойчивым стабилизирующим фактором.

Поверхностно-активные вещества также способствуют агрегативной устой­чивости примесей воды. Изменение гидрофильности поверхности частиц в данном случае определяется ориентацией молекул поверхностно-активных веществ в адсорбционном слое. Возрастание гидрофильности и повышение устойчивости коллоидных частиц в воде наблюдается, если полярные группы адсорбированных соединений обращены в сторону дисперсионной среды. По П. А. Ребиндеру, ориентация приобретает особое значение при образовании молекулами поверхностно-активных веществ в адсорбционных слоях двух­мерных гелеобразных структур, обладающих повышенными структурно-ме- ханическими свойствами. Это явление, названное им коллоидной защитой, заключается в том, что при добавлении гидрофильных веществ к гидрофоб­ным коллоидам они образуют структурно-прочные адсорбционные слои на поверхности частиц, повышая их устойчивость по отношению к коагулирую­щим электролитам.

Используемые в технологии водообработки коагулянты обычно являются солями слабых оснований и сильных кислот (сульфат алюминия, хлорное же­лезо и др.), при растворении которых происходит гидролиз с образованием

малорастворимых оснований. При этом в воде накапливаются ионы водорода иона приобретает кислую реакцию. Полнота реакции гидролиза имеет боль­шое значение для коагуляции и качества очищенной воды, поскольку избыток ионов алюминия в ней недопустим. Гидролиз соли слабого основания и силь­ной кислоты описывается уравнением

МеА|; + лН20 ^ Ме(ОН)„ + иНА. (4.24)

Скорость протекания гидролиза прямо пропорциональна концентрации реа­гирующих веществ; ее можно описать уравнением

V — Х[Ме’1+][Н20] (4.25)

где v — скорость гидролиза; Кг— константа гидролиза, которая определяется по уравнению /С = [Ме(ОН)и]-[Н+]и/[Ме»‘] = /С[Н20]; [Me" ] — концентрация катионов в растворе коагулянта; [Н20] — концентрация воды в растворе.

Из уравнения следует, что скорость гидролиза пропорциональна концен­трации катионов коагулянта. Учитывая, что применяющиеся на практике кон­центрации его растворов незначительны, можно считать, что скорость гидроли­за коагулянта прямо пропорциональна его концентрации (или его дозе), введен­ной в воду. По Вант-Гоффу, с повышением температуры на каждые 10 °С ско­рость гидролиза возрастает в 2-4 раза.

Обязательным условием для полного протекания гидролиза является удале­ние из сферы реакции образующихся гидр оксидов железа (III) или алюминия, а также связывание ионов водорода в малодиссоциированные молекулы. Ре­акция гидролиза ускоряется при разбавлении коагулянта Результаты экспери­ментов показывают, что гидролиз солей железа (III) протекает полнее, чем со­лей алюминия, и значительно полнее, чем гидролиз солей железа (III).

С увеличением степени гидролиза pH раствора понижается. Повышение pH воды обеспечивает более полный гидролиз введенного в нее коагулянта. Оче­видно, что для быстрого и полного протекания гидролиза коагулянтов не­обходим некоторый щелочной резерв воды, т. е, наличие в ней достаточного количества гидрокарбонат-ионов, которые связывали бы ионы водорода, выде­ляющиеся при гидролизе по реакции.

Н+НСО’3->Н20 + С02~. (4.26)

Благодаря наличию в воде буферной системы (гидрокарбонат-ионы и угле­кислота) с pH, близким к 7, pH воды при гидролизе коагулянтов в большин­стве случаев изменяется незначительно.

Когда количество гидрокарбона-ионов, содержащихся в воде, недостаточно Для полного гидролиза коагулянта, щелочность воды повышают введением Щелочных реагентов. Эффект подщелачивания объясняется связыванием ионов

водорода гидроксильньши ионами извести, а при введении соды — связывани­ем водородных ионов в гидрокарбонат-ионы.

Гидролиз солей алюминия (коагулянтов) протекает ступенчато:

(4.27) (4.28) (4.29)

А13+ + Н20 <-> А1 (ОН)2′, + Н+;

А1 (ОН)2; + Н20 А1 ОН)*2 + Н+; А1 (ОН)/ — I Н20 <-> А1 (ОН)31 + Н+.

Контактная коагуляция—технологический процесс осветления и обесцвечи­вания воды, заключающийся в адсорбции ее примесей с нарушенной агрегатив — ной устойчивостью на поверхности частиц контактной массы. Исследования показали, что в основе процесса лежат Ван-дер-ваальсовы силы межмопекуляр — ного притяжения. Однако они проявляются только при условии движения жид­кости, когда мелкие частицы примесей воды сближаются с зернами фильтрую­щей загрузки, преодолев при этом электростатические силы отталкивания.

В пропессе контактной коагуляции взаимодействуют частипы, значительно различающиеся своими размерами. Частицы примесей воды имеют микро — и ультрамикроскопические размеры, а частицы контактной среды — макроскопические. Прилипание агрегативно неустойчивых примесей воды к поверхности частиц контактной массы является частным случаем коагуляии, называемой адагуляцией. Характерной особенностью этого процесса являет­ся большая скорость в сочетании с высоким эффектом при меньших затратах коагулянта.

Другими особенностями контактной коагуляции являются независимость процесса от щелочности и температуры воды, меныцее влияние pH воды.

Флокуляция. Многочисленные способы очистки промышленных сточных вод и осадков применяют различные технологии и разделительную технику, однако в современных условиях практически все технологии предусматрива­ют использование полимерных флокулянтов.

Достаточно часто флокулирование заменяег не только реагентную обработ­ку, но и другие методы очистки. Преимущественное использование этого ме­тода объясняется не только высокоэффективным образованием осадка, но и, в отличии от коагулянтов, отсутствием засоления обрабатываемой воды, посколь­ку весь флокулянт соединяется и «уходит» с осадком. Особенно эффективно использование флокулянтов при центробежной обработке стоков и осадков.

Как правило, на очистные сооружения цехов прокатки подаются сточные воды других источников, содержащие разнообразные органические примеси, СОЖ, твердые включения. Совместная, переработка таких разнообразных сто­ков требует качественного подбора универсальных флокулянтов и режима до­зирования, что не всегда возможно осуществить в определенный момент ра­боты очистных сооружений.

Основной задачей переработки является разделение стока на составляющие, как правило, растворитель (воду) и примеси. Такими методами могут быть, например, обработка флокулянтами стока с последующим осветлением в от­стойниках или центробежными методами, фильтрование, выпарка с получе­нием концентрата загрязнений и высокоочищенной воды. Как было отмечено ранее, простой и надежный седиментационный метод требует подбора расхо­дуемого флокулянта, наиболее подходящего для данного типа и особенностей сгока.

Использование синтетических флокулянтов для очистки сточных вод, водо — подготовки и обработки осадков в отечественной практике началось в 1959 г., когда выпускаемый полиакриламид (ПАА) группой исследователей (В. И. Ак­сенов, Н. Ф. Сериков, Г. Д. Пашевский) был впервые опробован на промыш­ленных очистных сооружениях Верх-Исетского металлургического завода (г. Екатеринбург).

ПАА являются экологически безопасными веществами.

ПАА обычно получают полимеризацией 4—9 % водных растворов акрилами — да в окислительно-восстановительной среде в присутствии специальных ини­циаторов. ПАА промышленностью выпускается в виде порошков, 7-8 % ге­лей и высоко вязких жидкостей. ГІАА сегодня выпускается в г. Ленинск-Куз — нецком (химкомбинат), г. Березники (АО «Бератон»), г. Пермь (химкомбинат).

Широко используемый гидролизованный ПАА (ГОАА) промышленностью не выпускается, а приготовляется на месте в виде 0,5 % раствора омылением технического ПАА щелочыо при 50-80 °С. ҐПАА является флокулянтом со значительно более резко выраженными свойствами, чем обычный техничес­кий ПАА.

В России осуществляется выпуск некоторых флокулянтов на основе ПАА, полиакрилнитрила и сополимеров метакриловой кислоты.

Промышленное объединение «Каустик» (г. Стерлитамак) выпускает катион­ный флокулянт ВПК-402-поли-Н N-диметап, N-диаллиламмоний хлорид.

Научно-производственное предприятие «КФ» (г. Пермь) выпускает высоко­эффективный катионный флокулянт КФ-91. Этот водорастворимый полиэлек­тролит, представляющий собой полимерную соль, выпускается в форме гид­рогеля. В настоящее время налажен выпуск флокулянтов — КФ-99.

Дальнейшее совершенствование флокулянтов, выпускаемых предприятием «КФ», идет по целому ряду направлений: совершенствование выпускной фор­мы, повышение активности и сокращения расхода флокулянта, повышение биологической «мягкости».

Научно-производственное объединение «Агротех» (г. Краснодар) является специализированным предприятием-производителем продукции на основе природных глинистых минералов и в ассортименте разрабатывает и выпуска­ет высокодисперсные флокулирующне сорбенты, состав которых определяет­ся их максимальной эффективностью применительно к конкретным производ­ственным условиям. В основе флокулирующих сорбентов марки «СФ-А» пре­обладают активированные глинистые минералы семи различных месторожде­ний, а также их смеси.

МП «Флокатон» (г. Волжский) выпускает катионные высокомолекулярные флокулянты серии «Флокатон». Эти флокулянты выпускаются в виде порош­ков, гелей и быстрорастворимых эмульсий (время приготовления рабочего раствора составляет 0,5-1 ч) с заданными эксплуатационными характеристи­ками. По своим потребительским свойствам они являются конкурентоспособ­ными отечественными реагентами, не уступающими зарубежным аналога’,!.

молекулярную структуру порошкообразных продуктов на трехмерную, что придает больше эффективности при разделении воды и твердых веществ.

Американскими фирмами: Cytec Ind. выпускаются флокулянты серии Superfloe, Nalco Chemical — флокулянты серии Nalco, Kera-Tron, TedmJnc. ~ флокулянты серии Kem — Tron, французской фирмой SNF Floceiger — флоку­лянты серии Flopam PWG и органические коагулянты серии Floguat, финской фирмой Kemira — флокулянты серии Феннопол, японскими фирмами Sanyo Chem. Ind. — флокулянты серии Sanfloc, Kurita — флокулянты серии Kurife

Последнее время стали выпускать полиакриламидные флокулянта со сши­тыми или частично сшитыми молекулами, где линейные структуры «сдал» поперечными связями. Такие флокулянты имеют определенные преимуще­ства: высокое сопротивление сдвигу образованных хлопьев осадка; увеличе­ние концентрации сухого вещества при одновременном увеличении пропуск­ной способности центрифуг (типа центри-пресс), что выражается особенно явно при обработке трудно обрабатываемого осадка и избыточного активного ила.

К сожалению, общих теоретических предпосылок по применению фпоку — лянтов пока нет. В определенных случаях, зная заряд частиц загрязнителя, можно предугадать, какой флокулянт будет предпочтителен. Так, осаждение положительно заряженных частиц (хлопьев) гидроксидов металлов интенси­фицируется добавлением анионных флокулянтов, и др. В практике, однако, чаще всего приходиться встречаться с более сложными случаями, особенно при обработке производственных стоков, и использование предполагаемого флокулянта часто не дает ожидаемого эффекта, а иногда и противопоказано.

Дня некоторых твердых веществ и минералов зависимость скоросга флоку­ляции от расхода флокулянта носит экстремальный характер и увеличение расхода сверх оптимального значения приводит к снижению эффективности действия флокулянта.

Иногда эффективность флокуляции сточных вод и осадков повышают за счет одновременного использования катионо — и анионо — активных флокулянт®, имеющих положительно и отрицательно заряженные ионы. Это обеспечивает эффективную флокуляцию основных, входящих в смесь веществ и минера­лов, позволяет повысит скорость флокуляции многокомпонентных систем.

Сущность нового подхода к проблеме флокуляции таких систем состоит в осуществлении анализа входящих в смесь компонентов и индивидуальном подборе для каждого из них своего флокулянта, обеспечивающего максималь­ную эффективность флокуляции.

До настоящего времени практически слабо изучены закономерности флоку­ляции при использовании бинарных и тройных композиций флокулянтов, хотя перспективность этого направления ясна.

Коагулянты и флокулянты смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесителях, продолжительность пребывания воды в которых составляет 1- 2 мин. Применяют перегородчатые, дырчатые, шайбовые и вертикальные сме­сители, а также механические с пропеллерными или лопастными мешалками.

Трубопроводы или лотки, отводящие воду из смесителей в камеры хло — пьеобразования и осветлители со взвешенным осадком, рассчитывают на ско­рость движения сточной воды 0,8-1,0 м/с и продолжительность ее пребыва­ния в них не более 2 мин. После смешения сточных вод с коагулянтами и фло­кулянтами начинается процесс образования хлопьев, который происходит в камерах хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перего­родчатые, вихревые, а также с механическим перемешиванием.

Водоворотиые камеры хлопьеобразования представляют собой цилиндр, в верхнюю часть которого из смесителя вводится сточная вода с вращательной скоростью на выходе из сопла 2-3 м/с. В нижней части камеры перед выходом в отстойник находятся гасители вращательного движения воды. Продолжитель­ность пребывания воды в камере 15-20 мин.

Рис. 4.22. Перегородчатая камера хлопьеобразования с горизонтальным движением сточной вода: 1.2 — отводной канал соответственно сточной воды и осадка; 3 — іииберьі для отключения части коридоров и выпуска осадка

Перегородчатые камеры могут быть горизонтальными и вертикальными. В горизонтальной камазе (рис. 4.22) сточная вода протекает по нескольким после­довательно соединенным коридорам.

Перемешивание осуществляется за счет восьми — десяти поворотов. Кори­доры устраиваются таким образом, чтобы скорость движения воды в первом была 0,2—0,3 м/с, а в последнем — 0,1 м/с. Продолжительность пребывания воды в перегородчатых камерах 20-30 мин. Высота камазы определяется вы­сотой отстойника, а ширина коридоров составляет не менее 0,7 м.

Вихревая камера хлопьеобразования представляет собой конический или ци­линдрический расширяющийся кверху резервуар с нижним впуском сточной воды со скоростью 0,7-1,2 м/с. Угол наклона стенок камеры к горизонту около 700. Скорость восходящего потока сточной воды на уровне выпуска 4-5 м/с, продолжительность пребывания воды в камере 6-10 мин.

В камерах хлопьеобразования с лопастными мешалками продолжительность пребывания воды 20-30 мин, а скорость движения воды 0,15-0,2 м/с.

Последующее осветление сточной воды производится в горизонтальных, радиальных и вертикальных отстойниках. Наиболее целесообразной является двухступенчатая схема отстаивания сточных вод. На I ступени осуществляет­ся простое отстаивание в отстойнике без коагулянта, на II ступени — обработ­ка сгочных вод коагулянтами и флокулянтами с последующим отстаиванием в огстойнике.

Если в производственных сточных водах концентрация взвешенных веществ, способных к агрегации, не превышает 4 г/дм3, то применяют осветлители со взвешенным слоем осадка. В осветлителях происходят три основных процес­са: смешение, коагуляция и. осветление сточных вод. Обрабатываемая в ос­ветлителях сточная вода проходит снизу вверх через слой ранее выделившего­ся осадка с такой скоростью, при которой взвешенные частицы не уносятся из зоны взвешенного осадка. При движении сточной воды через взвешенный слой увеличивается эффект задержания мелких суспензированных частиц. Осветли­тели проектируются круглыми (диаметр до 15 м) или прямоугольными в пла­не, площадь осветлителя не превышает 150 м2.

Для обеспечения нормальной работы осветлителя сточную воду после сме­шения с коагулянтами направляют в воздухоотделитель, где она освобождает­ся от пузырьков воздуха, выделяющихся в результате реакций. В течение 1 ч допускается колебание температуры не более чем на 1 °С, а расхода — не бо­лее чем на 10 %. Резкие колебания скорости движения воды не допускаются.

Величина восходящей скорости потока в зоне осветления зависит от кон­центрации взвешенных веществ. Так; при обработке сточных вод сульфатом алюминия при содержании взвешенных веществ до 400 мг/дм3 расчетная ско­рость восходящего потока составляет 0,8-1 мм/с, 400-1000 мг/дм3 — 1—1.1 с, 1000-2500 мг/дм3 — 1,1-1,2 мм/с.

Высота слоя взвешенного осадка принимается равной 1,5-2,5 м; высота за­щитной зоны от верха осадкоогводящих окон или труб до лотков для сбора осветленной воды 1-1,5 м.

Флотация—процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого мате­риала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидко­сти, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных по гранич­ных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые и хлопьевидные материалы методом фло­тации заключается в образовании комплексов «частицы — пузырьки», всплы­вании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхно­сти, обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы, находящейся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда практически от­сутствует смачивание частицы жидкостью. Смачивающая способность жид­кости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидко­сти смачивать твердые тела уменьшается. Внешним проявлением способнос­ти жидкости к смачиванию является величина поверхностного натяжения ее на границе с газовой фазой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации протекает эффективно при поверхностном натяжении воды не более 60-65 мН/м.

Степень смачиваемости водой твердых или газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла смачивания 0 (рис. 4.23).

Чем больше угол q, тем более гидрофобна поверхность частицы, т. е. увели­чивается вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхно­сти воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются. Большое значение при флотации имеют размер, количе­ство и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде, оптимальные размеры воздушных пузырьков 15—30 мкм, а максимальные 100- 200 мкм.

В практике очистки производственных сточных вод выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы флотации.

Метод пенной флотации применяют для извлечения нерастворенных частиц и небольшого снижения кон­центрации некоторых растворенных веществ, метод пенной сепарации — для удаления растворенных ве­ществ.

Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связаны с насыщением жидко­сти пузырьками воздуха определенной крупности. По рис 4 23 Схюа пршипаиий этому принципу МОЖНО выделить следующие СПОСО — пузырька воздуха к взвешен-

ной в воде частиие

бы флотационной обработки производственных сточных вод:

•флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные и эр — лифтные флотационные установки);

■ флотация с механическим диспергированием воздуха (импелдерные, без­напорные и пневматические флотационные установки);

• флотация с подачей воздуха через пористые материалы;

• апектрофлотация;

• биологическая и химическая флотация.

Флотационные установки могут состоять из одного или двух отделений (ка­мер). В однокамерных установках в одном и том же отделении происходит одновременно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флоти­рующихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемно­го и отстойного отделений, в первом отделении происходит образование пу­зырьков воздуха и агрегатов «пузырек-частица», а во втором — всплывание пеиы и осветление жидкости.

Флотацию с выделением воздуха из раствора применяют при очистке про­изводственных сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку получают весьма мелкие пузырьки воздуха. Сущность способа за­ключается в создании перенасыщенного раствора воздуха в сточной жидко­сти. Выделяющийся из такого раствора воздух образует микропузырьки, кото­рые и флотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения. Количество воз­духа, которое должно выделиться из пересыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность флотации, обычно составляет 1-5 % объема обрабатываемой сточной воды.

Преимуществом вакуумной флотации является то, что образование пузырь­ков газа, их слипание с частицами загрязнений и всплывание образовавшихся агрегатов «пузырек-частица» происходит в спокойной среде и вероятность их разрушения сводится к минимуму; минимальны также энергозатраты и на на­сыщение жидкости воздухом, образование и измелшение воздушных пузырь­ков. В то же время необходимость сооружения герметически закрытых резер­вуаров, сложность эксплуатации вакуумных флотационных установок, а так­же ограниченный диапазон их применения (концентрация загрязнений в сточ­ной воде не должна превышать 250 мг/дм3) являются недостатками метода.

Сточная жидкость, поступающая на флотацию, предварительно насыщается воздухом в течение 1-2 мин в аэрационной камере, затем поступает в деаэра­тор для удаления нерастворившегося воздуха. Далее под действием разреже­ния (0,02-0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру, в ко­торой растворившийся при атмосферном давлении воздух выделяется в виде микропузырысов и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжи­тельность пребывания сточной воды во флотационной камере 20 мин, а на­грузка на 1 м2 площади поверхности около 200 м3/сут. Скапливающаяся пена вращающимися скребками удаляется в пеносборник.

Напорная флотация имеет более широкий диапазон применения, поскольку позволяет регулировать степень пересыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод при начальной концентрации загряз­нений до 4-5 г/дм3 и более. При напорной флотации сточные воды насосом подают в напорный бак (сатуратор). На всасывающем трубопроводе насоса имеется патрубок для подсоса воздуха. Объем сатуратора рассчитывают не необходимую продолжительность насыщения воздухом (обычно 1-3 мин) при избыточном давлении 0,3-0,5 МПа. Количество растворяющегося в сатурато­ре воздуха должно составлять 3-5 % объема обрабатываемой сточной воды. Насыщенная воздухом вода нз сатуратора подается во флотационную камеру, где выделившиеся из сточной воды пузырьки воздуха всплывают вместе с ча­стицами взвешенных веществ. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборники. Площадь флотационной камеры принимают исходя из гидравлической нагрузки 6-10 м3/ч на 1 м2 пло­щади поверхности камеры. Продолжительность флотации составляет 20 мин.

Сточные воды, насыщенные воздухом, поступают во флотатор снизу через вращающийся водораспределитель. Выделяющиеся из воды пузырьки возду­ха всплывают вместе с частицами загрязнений. Вращающимся механизмом пена сгребается в лоток и удаляется. Обработанная вода отводится с днища и по вертикальным каналам переливается в отводящий кольцевой лоток. Про­пускная способность одного флотатора не должна превышать 1000 м3/ч.

Напорная флотация применяется для очистки сточных вод от нефти, нефте­продуктов, жиров, масел, ПАВ и волокнистых веществ.

При эрлифтной флотации затраты энергии в 2-4 раза меньше, чем при на­порной, но конструкция установки требует значительного перепада отметок по высоте между питательным резервуаром со сточной водой и аэратором, а также между аэратором и флотационной камерой (разность отметок составля­ет 20-35 м), что значительно сужает область применения этого метода.

Флотация с механическим диспергированием воздуха. При перемещении струи воздуха в воде в последней создается интенсивное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырь­ки. Энергичное перемешивание сточной воды во флотационных импеллерных установках создает в ней большое число мелких вихревых потоков, что позво­ляет получить пузырьки определенной величины. Установки для флотации с механическим диспергированием воздуха аналогичны применяемым при фло­тационном обогащении руд цветных металлов, откуда они и взяты.

Сточная вода из приемного кармана поступает к импеллеру, в который по трубке засасывается воздух. Над импеллером расположен статор в виде диска

с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Перемешанные в импеллере вода и воздух выбрасываются через статор. Решетки, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому диспергированию воздуха в воде. Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содержащая флотируемые частипы, удаляется лопастным пеноснимателем. Из первой ка­меры вода поступает во вторую такой же конструкции, где происходит допол­нительная очистка сточной воды.

Степень диспергирования воздуха зависит от окружной скорости вращения импеллера, которую принимают равной 12-15 м/с.

Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2—3 г/дм3) И содержащих нефть, нефтепродукты, жиры.

Недостатком импеллерных флотаторов является относительно высокая об­водненность пены. Это особенно существенно когда основной целью флота­ции является извлечение растворенных ПАВ, так как большой объем воды в пене заставляет создавать дополнительные установки для ее обработки, что удорожает очистку в целом.

Диспергирование воздуха в безнапорных установках происходит за счет вих­ревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробежного насоса. Схема флотации аналогична напорной, но в ней отсутствует сатуратор, что и являет­ся преимуществом безнапорной флотации. Образующиеся в камере безнапор­ной установки пузырьки имеют большую крупность, а следовательно, эффект флотации мелких частиц снижается. Безнапорные флотационные установки применяют для очистки сточных вод от жира и шерсти.

Пневматические флотационные установки применяют при очистке сточ­ных вод содержащих растворенные примеси, агрессивные к механизмам (насо­сам, импеллерам и др.), имеющим движущиеся части. Измельчение пузырь­ков воздуха достигается путем впуска воздуха во флотационную камеру через сопла, которые располагаются на воздухораспределительных трубках, укладываемых на дно флотационной камеры на расстоянии 0,25-0,3 м друг от друга. Диаметр отверстий сопл 1—1,2 мм; рабочее давление перед ними 0,3- 0,5 МПа; скорость выхода струи из сопел 100-200 м/с. Глубина флотатора со­ставляет 3-4 м.

Флотация с поданеи воздуха через пористые материалы отличается просто­той аппаратурного оформления процесса и относительно малыми расходами энергии. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые филь — тросиые пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Величина от­верстий должна быть 4—20 мкм, давление воздуха 0,1-0,2 МПа, продолжи­тельность флотации 20-30 мин, расход воздуха определяется эксперименталь­но. Рабочий уровень обрабатываемой сточной воды до флотации 1,5-2 м. Не­достатком этого метода является возможность зарастания и засорения пор, а

ззо

также сложность подбора мелкопористых материалов, обеспечивающих вы­ход мелких и близких по размерам пузырьков воздуха. Современные барбо — тажные трубы покрыты неткаными фильтрующими материалами и почти ли­шены отмеченных недостатков.

Электрофлотация. Сущность электрофлогадионного способа очистки сточ­ных вод заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее по­верхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе сточ­ной воды. В процессе электролиза сточной воды на катоде выделяется водо­род, а на аноде — кислород. Основную роль в процессе флотации частиц игра­ют пузырьки, выделяющиеся на катоде. Размер пузырьков, отрывающихся от поверхности электрода, зависит от величины краевого угла смачивания, кри­визны поверхности электрода, а также его конструкции. Замена пластинчато­го катода на проволочный приводит к уменьшению крупности пузырьков и, следовательно, к повышению эффективности работы электрофлотатора.

При применении растворимых электродов (обычно железных или алюми­ниевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего вводу переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пу­зырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает предпосылки для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и ин­тенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффективность флотаци­онного процесса. Такие установки называются электрокоагуляционно — флотационными. При пропускной способности до 10-15 м3/ч установки мо­гут быть однокамерными, а при большей пропускной способности — двухка­мерными горизонтального или вертикального типа.

Биологическая и химическая фнотщия применяется для уплотнения осадков сточных вод. В процессе флотации сточных вод образуется пена, имеющая различное строение, обычно пленочно-структурное. Такая пена содержит зна­чительное количество воды, особенно в нижних слоях, а устойчивость и под­вижность ее изменяются в зависимости от количества и характера флотируе­мых материалов. Процесс уплотнения всплывшего шлама наиболее интенсив­но идет в первые 2 ч, далее он замедляется, а после 4 ч практически прекраща­ется. На основании анализа графиков уплотнения пенного шлама различных по составу сточных вод были выведены общие закономерности его уплотне­ния. Если за единицу принять объем шлама к моменту, когда все пузырьки воздуха поднялись в пенный слой, что в проточных установках соответствует продолжительности флотации 30 мин, то относительный объем шлама через 1, 2,3 и 4 ч уплотнения составит соответственно 0,6; 0,33; 0,24 и 0,21.

Процесс уплотнения и разрушения пенного слоя может быть интенсифици­рован с помощью брызгалок, струей воздуха или путем нагревания.

Рис. 4.24. Схема установки напорной флотации: I — емкость; 2 — насос; 3 — напорный бак; 4 — флотатор

Рис. 4.25. Схемы подачи воды при напорной флотации: а — с рециркуляцией; б — с частичной подачей воды насосом; в — с рабочей жидкостью: / — приемные отделения; 2 — флотационные отделения; 3 — линии всасывания; 4 —■ насосы; 5 — напорные баки

Рис. 4.26. Флотатор “Аэрофлот”: 1 — камера; 2 — скребок; 3 —- шламопрйемник; 4 — поверхно­стные скребки

4.27. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляцией: 7 емкость; 2 — насос,

3 флотационная камера; 4 — гидроциклон; 5 — пеносьемник; 6 — напорный бак; 7 аэраторы

Рис. 4.28. Схема эрлифтной установки: I — емкость; 2 ■— трубопровод; 3 — аэратор; 4 — труба эрлифта; 5 — флотатор

рігс. 4.29. Схема установки дня химической флотации: /—мешвдка; 2 — скребок — 3 ник; 4 — флотационная камера; 5 — реакционная камера ’ *

-шламоприем-

Рпс. 4.30. Схема установки очистки сточных вод методом пенной сепарации: / — емкость; 2 — насос; 3 — промежуточный сборник; 4 — расходомер; 5 — сепаратор; 6 — воздуходувка; 7 — сбор­ник; 8 — вентилятор; 9 — циклои; 10 — отстойник; 11 — камера концентрирования пены

Рис. 4.31. Схемы установок пенно-радиационной очистки сточных вод: а — раздельная: б —— совме­стная: I — колонна; 2 — аппарат для облучения; 3 — излучатель

рАтОчиїїіеііная I I вода

Рис. 4.32. Флотаторы: а—с импел­лером: 1 — камера, 2—труба, 3 — вал, 4—импеллер; 6 — с пористы­ми колпачками: J — камера, 2 — пористые колпачки, 3 — желоб, 4 — регулятор уровня;в —-с фильт — росными пластинами: 1 — камера, 2 — фильтросиые пластины, 3 — скребок, 4 — шламопрнемиик

Ниже приведены технологические схемы с использованием различных фло — тоустановок, а также конструкция этих флотаторов (рис. 4.24-4.32).

Экстракция. Прн относительно высоком содержании в производственных сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техни­ческую ценность (например, фенолы и жирные кислоты), эффективным мето­дом очистки является экстракция органическими растворителями — экстра­гентам. Экстракционный метод очистки производственных сточных вод ос­нован на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонера — сгворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух нссмешнвающнхся (или слабосмешивающихся) растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения

fep * CJCcr — const, (4.30)

где Сз, Са — концентрация экстрагируемого вещества соответственно в экст­рагенте и сточной воде при установившемся равновесии, кг/м3.

Коэффициент распределения fcp зависит от температуры, при кот орой прово­дится экстракция, а также от наличия различных примесей в сточных ворах и экстрагенте (табл. 4.14).

После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. Сконцентрированное веще­ство отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после этого вновь используется в технологическом процессе очистки.

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

Таблица 4.14 ВЕЛИЧИНЫ КОЭФФИЦИЕНТА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИ 25 °С Экстрагируемое вещество Экстрагент Величина к{ Уксусная кислота Четыреххлористый углерод 0,06 0,055 0,4 2,4 8-12 1 Бензол Фенол Четыреххлорнстый углерод Бензол Бутилацетат Бензойная кислота Бутилацетат 128 Салициловая кислота 215 п-Нитрофенол 2,6 а-Аминофеиол Бутилацетат Вугилацегат__________________ 16 а-Толундии Анилин — 27

Для успешного протекания процесса экстракции экстрагент должен иметь следующие свойства: хорошую экстрагирующую способность по отношению к экстрагируемому веществу, т. е. высокий коэффициент распределения; селек­тивность, т. е. способность экстрагировать из воды одно вещество или опреде. ленную 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 способствует снижению расхода пара ц охлаждающей воды; возможно меньшие огне — и взрывоопасность, токсичності; низкую стоимость.

Экстрагент не должен подвергаться заметному гидролизу и взаимодейство­вать с экстрагирующим веществом, материалом трубопроводов и запорно — регулирующей арматуры.

Очистка сточных вод методом экстракции может быть осуществлена тремя способами: одно — или многократной обработкой одного и того же объема воды свежими порциями экстрагента; перемешиванием воды н экстрагента в одном аппарате по принципу противотока с последующим разделением жидкости; перемешиванием воды и экстрагентов в нескольких аппаратах, работающих по принципу противотока.

Конечная концентрация извлекаемого вещества в воде может быть вычисле­на по уравнению

с = с0/(1 + Ьк)‘ (431)

где с0 — начальная концентрация вещества в воде; п — число экстракций; b— удельный расход экстрагента (в объемах на объем воды) для одной экстрак­ции:

Ъ = vJnQ (4.32)

где V, — общий объем экстрагента, используемый для экстракции; Q — коли­чество сточной воды, подвергаемой очистке.

Анализ приведенных зависимостей показывает, что многократная экстрак­ция малыми дозами экстрагента более эффективна, чем однократная большой дозой.

Экстракция может быть непрерывной или периодической; последнюю при­меняют при очистке небольших количеств сточных вод.

Принципиальная схема непрерывной экстракции приведена на рис. 4.33.

Экстрактор представляет собой колонку с насадкой, в которую подается во­да и экстрагент. В тех случаях, ковда сдельная масса экстрагента меньше удель­ной массы воды, экстрагент подают снизу, как показано на схеме; при обрат­ном соотношении удельных весов экстрагент подают сверху. Чтобы подцер-

ззб

Рис. 4.33. Схема непрерывной экстракции: 1— подана сточ­ной воды; 2 — подвод чистого экстрагента; 3 — отвод очи­щенной воды; 4 — отвод отработанного экстрагента

жать постоянный уровень жидкости, воду выпускают из колонки через сифон, сообщающийся с ее верхней частью.

Материальный баланс процесса непрерывной экстракции может быть вы­ражен уравнением

C(lQ = CQ + xK (4.33)

где х ■— концентрация вещества в экстрагенте, г на 1 дм3 экстагента. При мак­симальной насыщенности экстрагента

х = /сС, (4.34)

Подставив это выражение и произведение bQ вместо V

С = (/-МрС (4.35)

Когда концентрация вещества в очищенной воде задается заранее, а искомой величиной является удельный расход экстрагента Ъ, последний определяют по формуле.

ї’ис. 4,34, Схема многократной экстракции: Ї — экстракторы; 2 — отстойники; 3 — подвод сточной воды; 4 — чистый экстрагент; 5 — сборник отработанного экстрагента; б — сборник очищенной воды

Высоту колонного экстрактора Н, достаточную для достижения необходи­мой степени очистки сточной жидкости, и диаметр d, обеспечивающий необхо­димую производительность, находят графоаналитическим методом по лабора­торным исследованиям хода процесса экстракции для каждого растворенного вещества и экстрагента.

Принципиальная схема многократной экстракции при противотоке приведе­на на рис. 4.34.

Материальный баланс этого варианта экстракции определяется по ранее при­веденным исходным зависимостям. Для экстрактора т он может быть выра­жен уравнением

X,<? + v, v=ifl+y v, (4.37)

»n-M * т-1 Ю-» s m ’

где X(i ] и_ит1 концентрация вещества соответственно в воде и в экстрагенте; q — объем воды на одну экстракцию; v — объем экстрагента на одну экстрак­цию.

Исходя из предположе’ния, что при каждой экстракции будет наблюдаться равновесие в процессе (когда у/х = йр, и полагая v! q — bug + vkr = Б, можно записать:

Х^(хт_$+Хш^крУВ. (4.38)

Для п экстракторов получится п таких уравнений. Совместное их решение даст следующее уравнение для конечной концентрации (Cn = X ):

c=[cD{bkp-)imx’ (4-39)

а число экстракций, необходимое для снижения концентрации с С0 до Сх соста­вит:

п = ШСь(Ькр — 1) + С ] — 1&сп/[}фк)] — 1. (4.40)

Таблица 4.15 ЭКСТРАГЕНТЫ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ Группы периодической системы элементов I II Ш IV V VI VII VJJI ТВФ Ли Са, Sr, Ва, Cd, Hg Sr, V, Ga, In Zr. Hf — Se, Te ~ Fe, Pt — элементы Апкилфссфор- аые кислоты Си, Na, Cs Mg, Ва Sc, V, La, In Zr, Hf As, Sb Mo Co. Ni Жирные и наф­теновые кислоты Си, Ag Mg, Са, Zn, Cd, Hg Al, Ga Pb Bi — —■ Fe, Ni Пиридииоксиды, оксиды аминов Ag Zn — Zr. Hf Nb, Та Mo, W — Fe» Co, Ni Хлорекс Аи Zn Ga, Ті Ge _ . Pd Амины Аи Be, Zn, Cd ‘— V Mo, W, Se Mn, Re Fe, Co, Ni, Pt — элемент»

В качестве примера в табл. 4.15 указаны экстрагенты, которые можно при­менять для извлечения цветных, редких и благородных металлов.

Эвапорация. Среди эвапорационных методов очистки производственных сточных вод наиболее широкое распространение получили пароциркуляцион­ный метод и азеотропная ректификация.

Пароциркуляционный метод, применяемый для удаления из сточных вод летучих веществ — фенолов, крезолов; ксиленолов, нафтолов н др. основан на отгонке загрязнений с циркулирующим водяным паром с последующей его отмывкой от загрязнений раствором щелочи. При нейтрализации щелочного раствора загрязнения выделяются из него и могут быть отделены от водного слоя отстаиванием.

Отгонка осуществляется в периодически действующих аппаратах или в не­прерывно действующих дистшияциониых колоннах. При движении через ко­лонну с насадкой навстречу острому пару сточная жидкость нагревается до 100 °С; находящиеся в ней летучие примеси частично переходят в паровую фазу. Основные размеры эвапорационных колонн: диаметр 0,8-3 м; высота насадки 6-12 м; отношение высоты колонны к ее диаметру не более 5-10. Плотность орошения 1-2 м3/(м2-ч), расход пара 0,5-1,5 кг/кг, производитель­ность колонны 20-200 м:‘/сут.

Азеотропная ректификация основана на свойстве многих химических со­единений образовывать азеотропные, нераздельнокипящие смеси с водой. Сточ­ная вода из емкости направляется в колонну, обогреваемую паром, где от­гоняется часть воды в виде азеотропной смеси с загрязняющим компонентом. Из нижней части колонны выходит очищенная вода. Пары, выходящие через

10 д Рис. 4.3S. Испарительная установка /—подача сточной воды; 2—подогреватель воды; 3 — испари­тельная колонна с нвсархт; 4 — трубопровод загрязненного пара; 5 — ввод растворителя; 6 — скруббер; 7 — вентилятор; 8 трубопровод циркуляционного пара; 9 — отвод растворителя с ото­гнанным загрязняющим веществом; 10 — трубопровод очищенной воды; 11 — подача свежего пара

верх колонны, поступают в конденсатор. Конденсат после дополнительного охлаждения направляется в сепаратор, іде разделяется на два слоя — водный и органический. Водный слой из сепаратора сбрасывается в емкость исходной сточной воды, а загрязняющий компонент поступает на дальнейшую перера­ботку или на повторное использование.

Эвапорационные методы применяют для очистки сточных вод коксохими­ческих и химических заводов, заводов синтетического каучука и др.

При выпаривании растворов, содержащих летучие вещества, последние пе­реходят в паровую фазу и удаляются из раствора вместе с паром. На этом осно­ваны все процессы перегонки, нашедшие применение при очистке сточных вод от летучих органических веществ, в частности фенолов.

Принципиальная схема такой установки, обычно называемой эвапорацион — ной, приведена на рис. 4.35.

Сорбция эффективный метод глубокой очистки сточных вод. Эффек­тивность обусловлена тем, что сорбенты способны извлекать из воды многие неорганические и органические соединения, в том числе и биологически жест­кие, не удаляемые из нее другими методами. При использовании высоко­активных сорбентов воду можно очистить от загрязняющих веществ практиче­ски до нулевых остаточных концентраций. Сорбенты могут извлекать веще­ства из воды при любых концентрациях, в том числе малых, когда другие ме­тоды очистки оказываются неэффективными. Поэтому сорбцию применяют в тех случаях, когда необходима особенно глубокая очистка сточной воды, на­пример при сбросе ее в водоем или водоток на ответственных участках.

качестве сорбентов практически могут служить все мелкодисперсные веще­ства, обладающие развитой поверхностью — опилки, зола, торф, глины, кок­совая мелочь, шелуха орехов и др. Чаще всего используются специально приго­товленные сорбенты — активированные угли, ионообменные смолы, ак­тивированные природные сорбенты (например, бентонитовые глины). Обще­принятая классификация сорбентов: активированные угли, неорганические сор — енты (природные материалы и отходы производства) и ионообменные смолы.

имитирующей (наиболее медленной) стадией процесса сорбции чаще все — го является диффузия сорбируемого вещества и в некоторых случаях — противодиффузия десорбированного вещества. Механизм процесса сорбции различен на различных сорбентах: на активированных угаях преобладает мо­лекулярная (физическая) сорбция, на нонитах — это ионообменная реакция замещения; на неорганических сорбентах — молекулярная сорбция и хемо­сорбция, т. е. физическая сорбция, сопровождающаяся химическим актом. Про­цесс сорбции может осуществляться в статических и динамических условиях.

Как правило, из относительно прозрачных растворов сорбцию на грану­лированных сорбентах (активированных углях и ионитах) осуществляют’ в

Рис. 4.36. Выходная кривая динамики сорбции: Г„р—момент проскока вещества в фильтрате, с; Т=- Тігі + ДТ— время полной отработки слоя заг­рузки* с; С/С„ — отношение концентрации ком­понента в фильтрате к концентрации его в ис­ходном растворе

динамических условиях; тогда о ходе процесса судят по так называемой вы­ходной кривой сорбции (рис. 4.36).

Сорбция в статических условиях используется, если сорбент представляет собой тонкодисперсное вещество (природные сорбенты, отходы производства) или сорбцию необходимо осуществлять из пульпы на гранулированном сор­бенте.

Сорбция на активных углях является одним из наиболее эффективных ме­тодов очистки промышленных вод, содержащих органические примеси; она позволяет добиться глубокой очистки воды до ПДК вредных веществ в воде промышленного, оборотного, санитарно-бытового и рыбохозяйственного использования с одновременной утилизацией или деструктивным разрушени­ем извлеченных веществ. Чаще всего этот метод применяют в комплексных схемах глубокой очистки сточных вод, включающих механическую, физико­химическую, биологическую и адсорбционную очистку.

Достоинства метода — возможность адсорбции веществ из многокомпо­нентных смесей, а также высокая эффективность, особенно при очистке низко­концентрированных сточных вод. С технико-экономической точки зрения ад­сорбция весьма эффективна для извлечения из сточных вод ценных продуктов с целью использования их в замкнутом цикле основного производства (напри­мер, золо та, урана, рения, молибдена и др.).

Себестоимость очистки сточных вод от органических примесей зависит от масштабов производства, качественного и количественного состава сточных вод, необходимой степени нх очистки. Стоимость очистки возрастает с увели­чением концентрации извлекаемого компонента.

Активные угли нашли широкое применение для очистки бытовых сточных ВОД и сточных вод некоторых химических предприятий. Обычно сорбция на активных углях используется в комбинации с другими методами очистки, например с микробиологической очисткой или с озонированием.

Эффективными сорбентами являются активные углн различных марок. По­ристость этих углей составляет 60-75 %, а удельная поверхность 400-900 м2/г.

Адсорбционные свойства активных углей в значительной мере зависят от структуры пор, их величины, распределения по размерам. В зависимости от преобладающего размера пор активные уши делятся на крупно — и мелкопори­стые и смешанного типа. Поры по размеру подразделяют на три вида: макро — поры размером 0,1-2 мкм, переходные размером 0,004-0,1 мкм, микропоры размером менее 0,004 мкм.

Макропоры и переходные поры играют, как правило, роль транспортирую­щих каналов, а сорбционная способность активных углей определяется в ос­новном микропористой структурой. Растворенные органические вещества, имеющие размеры частиц менее 0,001 мкм, заполняют объем микропор сор­бента, полная емкость которых соответствует его поглощающей способности.

Ниже будет представлен материал об активированных углях, производимых в РФ и широко используемых в практике водоподготовки и очистки сточных вод.

Отметим, что основным вопросом возникающим при применении активи­рованных углей иа очистных сооружениях, является проблема регенерации отработанного угля.

В целом расходы на регенерацию составляют около половины стоимости свежего угля. Методов регенерации несколько. Самый простой — тщательная продувка отработанного угля перегретым «мокрым» 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 2,53 кг иа 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 низкоки — пящими 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 том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном и др.).

Наиболее глубокая очистка достигается с применением метода термической обработки в безокислительной атмосфере. Намытый на сетку слой отработан — ного утя медленно лвигается и нагревается до температуры 860-930 °С в вер­тикальной цилиндрической печи, оставаясь там около двух суток, а затем вхо­дит в зону охлаждения при медленном понижении температуры до 80 °С. При подаче воды полученная очищенная угольная пульпа перекачивается в сорб­ционный фильтр для намыва фильтровального слоя. Регенерация продолжает­ся 5-7 сут в непрерывном режиме. Технология давно используется за рубе­жом, но в отечественной практике до сих пор таких печей нет. Эффективность регенерации — 98-99 %.

Бентонитовые шины могут быть активными сорбентами по отношению к ионам цветных металлов. В институте «Казмеханобр» была определена сорб­ционная емкость некоторых глинистых материалов по ионам кальция, кадмия, цинка и меди, которая составила 25-40 мг/дм3 дай каждого иона; емкость вер­микулита достигает 60 мг/дм3. Для очистки растворов от ионов цветных метал­лов при их концентрации до 50 мг/дм1 расход природных глинистых материа­лов составляет не менее 20 г/дм3 очищаемого раствора. Очищаемые сточные воды, смешанные с природными шинами, отстаиваются очень медленно. Су­ществуют методы улучшения коагулирующих и сорбционных свойств при­родных глин, В частности их химическая активация. Например, воздействие серной кислоты на бентонитовую глину приводит к разрушению кристалли­ческой решетки минерала, в связи, с чем очищаемые сточные воды осветляют­ся быстро. Основной причиной повышения сорбционной способности бенто­нитовых шин, обработанных минеральными кислотами и щелочами, является частичное растворение полуторных оксидов и оксидов металлов в процессе активации, что приводит к значительному изменению пористой структуры гли­нистых минералов. Для активации природных сорбентов может быть исполь­зована их термическая обработка.

Предварительно обожженный при температуре 750 °С вермикулит потоща­ет в статических условиях, мг/г: 32, никеля; 66 меди; 39 цинка; 39 хрома. В динамических условиях сорбционная способность составила, мг/г. 290 нике­ля; 120 меди; 150 цинка; 50 хрома, что близко к результатам, полученным на ионообменных смолах. Технология рекомендована для очистки сточных вод.

Неорганическими называют любые сорбенты, не относящиеся к классу ак­тивных углей и к классу синтетических органических сорбентов — ионитам. Таким образом, в понятие неорганические сорбенты входят отходы производ­ства (шлаки, шламы, зола, пьши) и природные сорбенты (глины, пески, волла — сгоиит, силикагели, цеолит, пермутит и т. п.). Те или иные сорбенты могут использоваться как в натуральном виде, так и после их предварительной обра­ботки (активации или синтеза на их основе). Механизм процесса сорбции на неорганических сорбентах может носить молекулярный характер, аналогич­ный сорбции на активных угаях, ионообменный, подобный процессам, проте­кающим при ионном обмене или хемосорбционный; чаще всего имеет место смешанный механизм сорбции. Применение неорганических сорбентов для очистки сточных вод цветной металлургии весьма перспективно, главным об­разом из-за их дешевизны.

Сорбционный мется нашел достаточно широкое применение для очистки стоков от нефтепродуктов. В качестве сорбентов рекомендуются активи­рованный уголь, древесная и каменноугольная зола, древесные опилки, сера, кварц, тальк, доломит, каолин, целлюлоза и т. д. для промышленной очистки больших объемов сточных вод чаще всего применяют кварц, тальк, доломит и известняк. Например, применение талька из расчета 740 мг/дм3 способствует снижению содержания керосина в сточных водах обогатительных фабрик с 6 до 0,1-0,5 мг/дм3 (в зависимости от продолжительности агитации). Примене­ние пылевидных материалов (известковая и доломитовая пыленка) и саморассы — пающихся отходов производства (феррохромовый шлак и шлак электростале — плавильных печей металлургических заводов) из расчета 75-200 мг/дм3 и аги­тация в течение 15 мин способствуют снижению содержания мазута с 500 до 10 мг/дм3, а при расходе до 400 мг/дм3 — до 5 мг/дм3.

В зарубежной практике иногда используют шлам водоумягчительных уста­новок. Входящий в его состав карбоиат кальция эффективно адсорбирует неф­тепродукты (на 1 кг карбоната кальция адсорбирует 500 г иефти). Очистка сточной воды от нефтисуспензий карбоната кальция снижает концентрацию последней с 200-400 до 2-5 мг/дм3. Эффективность очистки может быть улуч­шена добавлением кварцов в количестве 30-50 мг/дм3.

Предприятия цветной металлургии являются энергоемким производством, поэтому рядом с ними обычно расположены мощные тепловые электростан­ции, на которых сжигается твердое топливо в пылевидном состоянии. Образу’ ющаяся при этом зола (до нескольких тонн в сутки) сбрасывается с помощью гидротранспорта в специальные золоотвалы. Отхся производства, каким яв­ляется зола ТЭЦ, может быть использован в качестве сорбента для очистки сточных вод близлежащих предприятий.

Исследования физико-химических свойств золы, получаемой при сжигании карагандинских и кузбасских углей, показали, что зола представляет собой сложный сорбеит, состоящий из муллита 3Al203-2Si02, кварца, неоднородной по составу фазы, напоминающей цеолит пЫагО-т Si02-aAl203, и несгоревших частиц утя. Частицы угля, прошедшие термическую обработку в топках, пре­вращаются в активизированный уголь, содержание которого в золе составляет 10-15 %. Сорбционная емкость золы невелика: по меди 15-20, по цинку 7-Ю и но свинцу 4—7 мг/г. Золу ТЭЦ можно использовать не только для удаления иоиов цветных металлов, но и для удаления нефтепродуктов и мышьяка. Так, при расходе золы 3-5 г/дм3 раствора очистка от нефтепродуктов и мышьяка составила соответственно 70-75 и 90-94 %.

Хорошими сорбентами могут являться поликремневые кислоты, входящие в состав шлаков, шламов и других отходов производства в ряду поликремиевых солей многозарядных металлов поликремневый кальций обладает наиболь­шей растворимостью. Это обеспечивает выход мономерного иона Si022 в ра­створ до его насыщения, достаточного для осаждения соответствующего си­ликата MeSi03> имеющего значительно меньшую растворимость в нейтраль­ной среде. В связи с этим отходы производства, содержащие силикаты каль­ция, обладают хорошими сорбционными свойствами. Известно, что шлаки шахтной свинцовой и медной плавок, шламы алюминиевых заводов, клинкер, получающийся после вельцевания цинковых кеков, содержат достаточное ко­личество этих веществ.

Относительно хорошие результаты по сорбции меди и цинка были получены в опытах с использованием в качестве сорбента шлака свинцовой плавки: сте­пень очистки от меди и цинка составила 95-98 %. Немагнитная фракция клин­кера способна извлекать из раствора медь и мышьяк на 90-95 %, но для очис­тки сточных вод от цинка этот материал непригоден. Незначительна сорб­ционная емкость по меди и цинку у шлака отражательной плавки сульфидных медных концентратов. Наилучшие результаты получены в опытах с использова­нием актюбинского феррохромового шпака; его сорбционная емкость возраста­ет с увеличением содержания в нем оксида кальция. Использование высокоос­новных шпаков позволяет очищать растворы от ионов цветных металлов до ПДК. Наиболее активный феррохромовый шлак имеет емкость по меди 80- 100 и по цинку 50-60 мг/г. Промышленные испытания с использованием ферро­хромового ишака показали реальную возможность очистки промышленных сточных вод от ионов цинка, меди, кадмия, свинца и других компонентов.

В технологии очистки сточных вод неорганическими сорбентами большое значение имеет величина pH исходного раствора. В сильнокислом растворе (pH < 2), содержащем до 100 мг/дм3 ионов цветных металлов, степень очистки снижается и возрастает расход сорбента, так как часть его расходуется на ней­трализацию раствора. Оптимальным значением pH следует считать 3-9. Более глубокой степени очистки можно добиться, увеличивая либо расход сорбента, либо время контакта раствора с сорбентом. Применение противоточной сис­темы позволяет максимально использовать сорбционную емкость неоргани­ческих сорбентов при статическом методе (с перемешиванием сорбента).

Применение неорганических сорбентов для очистки сточных вод показыва­ет, что этот метод является одним из наиболее перспективным, главным обра­зом из-за дешевизны и доступности сорбентов.

Один из видов сорбции — ионный обмен, давно и достаточно успешно ис­пользуется в процессах водоподгоговки и очистки сточных вод для извлече­ния радиоактивных, токсичных, дорогостоящих или мешающих какому-либо технологическому процессу веществ, а также для получения обессоленной воды. Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе вещества, составляющие эту твердую фазу, носят название ионитов. Они практически не растворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положи­тельные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы — анионита­ми. Первые обладают кислотными свойствами, вторые — основными. Если иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными.

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости. Полная емкость — это количество поглощаемого веще­ства при полном насыщении единицы объема или массы ионита. 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» иоиов в фильт­рат, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической.

Комментарии запрещены.