Физико-химический метод очистки сточных вод

• физическая адсорбция, протекает за счет сил молекулярного взаимодействия,
• химическая адсорбция (хемосорбция), протекает за счет вступления в химическую реакцию молекулы поглощаемого вещества с молекулами поверхности адсорбента.

Процесс физической адсорбции  обратимый, поэтому на практике после  стадии адсорб, стадия десорбции. Необходимость десорбции обусловлена либо требованием регенерации адсорбента для его последующего использования в процессе адсорбции, либо необходимостью выделить целевой компонент в чистом или концентрированном виде. В качестве адсорбентов используют любые мелкодисперсные материалы: золу; торф; цеолиты; силикагели; опилки; шлаки и глину. Наиболее эффективный сорбент - активированный уголь. Активированный уголь получают термической обработкой дерева, углей (каменного и бурого), антрацита и других углеродосодержащих веществ. Они изготавливаются и используются в виде гранул размером 2-5 мм. Угли, предназначенные для поглощения относительно крупных молекул примесей из жидкостей, должны иметь развитую структуру переходных пор. Активные угли, как правило, имеют хорошие адсорбционные свойства по отношению к молекулам органических веществ, но имеют низкую механическую прочность.

Силикагель получают термообработкой аморфного кремнезема. Мелкопористые силикагели обладают высокой адсорбционной способностью по отношению к молекулам влаги и более высокой по сравнению с активными углями механической прочностью. Выпускаются мелко-, средне- и крупнопористые силикагели. Другим типом неорганических адсорбентов, широко применяемых для осушки различных сред и иных процессов избирательной адсорбции, является активный оксид алюминия и алюмогели, свойства и область использования которых близки к силикагелям.

Алюмогель - неорганический адсорбент, широко применяемый для осушки различных сред и иных процессов избирательной адсорбции, свойства и область использования алюмогеля близки к силикагелям.

Цеолиты представляют собой алюмосиликаты и отличаются регулярной пористой структурой. Из мелких кристалликов природных или синтетических цеолитов при помощи связующего или без него формируются гранулы размером 2-4 мм. Цеолиты широко применяются для улавливания паров воды, а также в нефтеперерабатывающей промышленности для очистки и регенерации масел, повышения степени очистки и качества жидких топлив. Как и другие адсорбенты, цеолиты используются для очистки продуктов пищевой промышленности, сточных вод и промышленных газовых выбросов от органических примесей. Цеолиты обладают ионообменными свойствами, которые в настоящее время широко используются в промышленности и сельском хозяйстве. Цеолиты имеют необычайно широкую сферу использования в промышленности и сельском хозяйстве. Они применяются в нефтехимии, как осушитель газов и сред, для очистки питьевых и технических вод, для извлечения радионуклидов, в качестве катализатора, в строительстве, для улучшения почвы, в качестве удобрения, для подкормки животных и т.д.

Промышленные адсорбенты за счет пористой структуры обладают развитой внутренней поверхностью, что  позволяет поглощать значительные количества адсорбируемого компонента (до 0,3 кг/кг).

Для адсорбционной очистки  воды применяют в основном два  типа фильтров:

• Зернистые фильтры;
• Патронные фильтры.

Абсорбция - называется процесс извлечения компонента из одной фазы и растворение его в другой фазе - в поглотителе.

Требования, предъявляемые  к поглотителю:

1. высокая поглотительная способность (высокой поглотительной способностью обладают такие поглотители, для которых давление насыщенных паров компонента над его раствором в поглотителе при температуре абсорбции мало);
2. поглотитель должен легко десорбироваться (регенерироваться);
3. иногда должен обладать селективностью (т.е. поглощать только определенные компоненты);
4. должен обладать низкой летучестью (низким давлением паров);
5. он должен сохранять свои свойства в процессе работы;
6. он должен быть дешевым и доступным;
7. не должен оказывать коррозионного действия;
8. обладать высоким коэффициентом массопередачи.

Обычно один поглотитель  не обладает всеми требуемыми свойствами, поэтому следует выбирать абсорбент  по основным свойствам.

Абсорберы представляют собой колонны, в которых протекает поглощающая жидкость, через которую пробулькивает очищаемый газ. Для обеспечения надежного контакта газа с жидкостью, а также увеличения времени пребывания газа в аппарате, в колонне находятся специальные тарелки и насадки. Наиболее просты по конструкции провальные тарелки, их разновидность - гофрированные провальные тарелки. Диаметр сливных отверстий равен 4 - 8 мм. Иногда применяют клапанные провальные тарелки. Их достоинством является то, что когда газ не проходит через колонну жидкость не протекает, т.е. такие тарелки более экономичные.

 

Рис.5. Схема очистки сточных вод в поглотителе.

1.4 Ионообменный метод очистки воды

Ионообменный метод очистки  воды применяют для обессоливания  и очистки воды от ионов металлов и других примесей. Сущность ионного  обмена заключается в способности  ионообменных материалов забирать из растворов электролита ионы в  обмен на эквивалентное количество ионов ионита.

Очистку воды осуществляют ионитами - синтетическими ионообменными  смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2...2 мм. Иониты изготовляют  из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности  подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в воде. Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н+- или Na+- форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН- или солевой форме), а также иониты смешанного действия. Основополагающим фактором кинетики процесса является скорость ионообмена между ионами воды и омываемой частицей смолы.

Рис.6. Схема ионообменного метода очистки воды.

На наружной поверхности  омываемой частицы образуется неподвижная  водяная пленка, толщина которой  зависит от скорости потока очищаемой  воды и размеров зерна смолы. Ион, который стремится попасть внутрь частицы смолы, в функциональную группу, должен диффундировать из воды через пленку, пройти через граничную поверхность частицы и внутри смолы в растворе набухания устремиться к ассоциации с функциональной группой. Диффузия ионов через пленку является важнейшим этапом процесса. Избирательное поглощение молекул поверхностью твердого адсорбента происходит вследствие воздействия на них неуравновешенных поверхностных сил адсорбента. Ионообменные смолы имеют возможность регенерации. После истощения рабочей обменной емкости ионита он теряет способность обмениваться ионами и его необходимо регенерировать. Регенерация производится насыщенными растворами, выбор которых зависит от типа ионообменной смолы. Процессы восстановления, как правило, протекают в автомати взрыхление - 10 - 15 мин, на фильтрование регенерирующего раствора - 25 - 40 мин, на отмывку - 30 - 60 мин. Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием воды через катиониты и аниониты.

В зависимости от вида и  концентрации примесей в воде, требуемой  эффективности очистки используют различные схемы ионообменных установок.

Умягчение воды катионированием. Умягчение воды катионированием - один из методов умягчения (обессоливания) воды.

Катионирование - процесс обработки воды методом ионного обмена, в результате которого происходит обмен катионов. В зависимости от вида ионов (Н+ или Na+), находящихся в объеме катионита, различают два вида катионирования: Н-катионирование и Na-катионирование.

Натрий-катионитовый метод применяют для умягчения воды с содержанием взвешенных веществ в воде не более 8 мг/л и цветностью воды не более 30 град. Жесткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до значений 0,05 - 0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом - до 0,01 мг-экв/л. Процесс Nа-катионирования описывается следующими реакциями обмена: Регенерация Na-катионита достигается фильтрованием через него со скоростью 3-4 м/ч 5-8% раствора NaCl .

Рис.7. Схема одноступенчатого Натрий-катионирования воды.

Достоинства NaCl (поваренной соли) как регенерационного раствора: дешевизна; доступность.

Водород-катионитовый метод применяют для глубокого умягчения воды. Этот метод основан на фильтровании обрабатываемой воды через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы водорода.

Рис.8. Схема Водород-катионирования воды.

При Н-катионировании воды значительно снижается рН фильтрата за счет кислот, образующихся в ходе процесса. Углекислый газ, выделяющийся при реакциях умягчения, можно удалить дегазацией. Регенерация Н-катионита в этом случае производится 4 - 6% раствором кислоты (HCl, H2SO4). Иониты, в зернах которых при ионообменном процессе происходит обмен катионов, называют катионитами.

Энергия вхождения различных  катионов в катионит по величине их динамической активности может быть охарактеризована для одинаковых условий  следующим рядом: Na+<nh4+<k+<Мg2+<Са2+<А13+

Каждый катионит обладает определенной обменной емкостью выражающейся количеством катионов, которые катионит может обменять в течение фильтроцикла. Обменную емкость катионита измеряют в грамм-эквивалентных задержанных катионов на 1 м3 катионита, находящегося в набухшем (рабочем) состоянии после пребывания в воде, т. е. в таком состоянии, в котором катионит находится в фильтре. Различают полную и рабочую обменную емкость катионита. </nh4+<k+<Мg2+<Са2+<А13+

Полной обменной емкостью называют то количество катионов, которое  может задержать 1 м3 катионита, находящегося в рабочем состоянии, до того момента, когда жесткость фильтрата сравнивается с жесткостью исходной воды.

Рабочей обменной емкостью катионита называют то количество катионов, которое задерживает 1 м3 катионита  до момента «проскока» в фильтрат катионов. Рабочая обменная емкость  катионита зависит от вида извлекаемых  из воды катионов, cоотношения солей в умягчаемой воде, значения рН, высоты слоя катионита, скорости фильтрования, режима эксплуатации катионитовых фильтров, удельного расхода регенерирующего реагента и от других факторов. Обменную емкость, отнесенную ко всему объему катионита, загруженного в фильтр, называют емкостью поглощения.

Обессоливание воды ионным обменом. Для очистки сточных вод от анионов сильных кислот применяют технологическую схему одноступенчатого Н-кати-онирования и ОН-анионирования с использованием сильнокислотного катионита и слабоосновного анионита.

 Рис.9. Обессоливание воды ионным обменом.

Для более глубокой очистки  сточных вод, в том числе от солей, применяют одно-или двухступенчатое  Н-катионирование на сильнокислотном катионите с последующим двухступенчатым ОН-анионированием на слабо-, а затем на сильноосновном анионите регенерации (хорошо При содержании в сточной воде большого количества диоксида углерода и его солей происходит быстрое истощение емкости сильноосновного анионита. Для уменьшения истощения сточную воду после катионитового фильтра дегазируют в специальных дегазаторах с насадкой из колец Рашига или в других аппаратах. При необходимости обеспечивать значение рН ~ 6,7 и очистки сточной воды от анионов слабых кислот вместо анионитовых фильтров второй ступени используют фильтр смешанного действия, загружаемый смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита.

Метод обессоливания воды ионным обменом основан на последовательном фильтровании воды через Н-катионитовый, а затем ОН-, НСО3- или СО3- анионитовый фильтр.

В Н-катионитовом фильтре содержащиеся в воде катионы, главным образом Ca2+, Mg2+ и Na+, обмениваются на водород-катионы. В ОН-анионитовых фильтрах, которые проходит вода после Н-катионитовых, анионы образовавшихся кислот обмениваются на ионы ОН-. Образующийся в процессе разложения гидрокарбонатов СО2 удаляется в дегазаторе.

Требования к воде, подаваемой на Н-ОН фильтры:

1. взвешенные вещества - не  более 8 мг/л;

2. общее солесодержание - до 3 г/л;

3. сульфаты и хлориды  - до 5 мг/л;

4. цветность - не более  30 градусов;

5. окисляемость перманганатная - до 7 мгО2/л;

6. железо общее - не  более 0,5 мг/л;

7. нефтепродукты - отсутствие;

8. свободный активный  хлор - не более 1 мг/л.

Если исходная вода не отвечает данным требованиям, то необходимо провести предварительную подготовку воды.

В соответствии с необходимой  глубиной обессоливания воды проектируют  одно-, двух- и трехступенчатые установки, но во всех случаях для удаления из воды ионов металлов применяют  сильнокислотные Н-катиониты с  большой обменной способностью.

Одноступенчатые ионообменные установки применяют для получения  воды с солесодержанием до 1 мг/л (но не более 20 мг/л), это может быть: получение питьевой воды; получение  воды, используемой в некоторых технологических  процессах; подготовка воды перед стадией глубокого обессоливания; некоторые случаи при доочистке сточных вод.

В одноступенчатых ионитовых установках воду последовательно пропускают через группу фильтров с Н-катионитом, а затем через группу фильтров со слабоосновным анионитом; свободный оксид углерода(СО2) удаляется в дегазаторе, устанавливаемом растворимые CaCl2 после катионитовых или анионитовых фильтров, если они регенерируются раствором соды или гидрокарбоната. В каждой группе должно быть не менее двух фильтров. Через ионитовую установку пропускают лишь часть воды с тем, чтобы после смешения ее с остальной водой получить в опресненной воде солесодержание, отвечающее лимитам потребителя.

1.5 Цеолиты

Цеолиты представляют собой алюмосиликаты и отличаются регулярной пористой структурой. Из мелких кристалликов природных или синтетических цеолитов при помощи связующего или без него формируются гранулы размером 2-4 мм. Цеолиты широко применяются для улавливания паров воды, а также в нефтеперерабатывающей промышленности для очистки и регенерации масел, повышения степени очистки и качества жидких топлив. Как и другие адсорбенты, цеолиты используются для очистки продуктов пищевой промышленности, сточных вод и промышленных газовых выбросов от органических примесей. Цеолиты обладают ионообменными свойствами, которые в настоящее время широко используются в промышленности и сельском хозяйстве. Цеолиты имеют необычайно широкую сферу использования в промышленности и сельском хозяйстве. Они применяются в нефтехимии, как осушитель газов и сред, для очистки питьевых и технических вод, для извлечения радионуклидов, в качестве катализатора, в строительстве, для улучшения почвы, в качестве удобрения, для подкормки животных и т.д.