Физико-химические процессы водоподготовки

Реализация процесса углевания не требует значительных капитальных затрат, необходимо лишь строительство блока приготовления и дозирования ПАУ и склада ПАУ.

Вследствие сильного пыления и взрывоопасности ПАУ в сухом виде в воду вводят редко. Обычно предварительно готовят  суспензию 2-10% ПАУ в воде, которую и направляют в основной поток обрабатываемой воды. Дозу ПАУ выбирают с учетом загрязненности воды и сорбционных свойств угля. В нашей стране (1982 г) как правило, Dу=1-5 мг/дм3, в Финляндии 5-15 мг/дм3, в ФРГ (водозаборы на Рейне) 25-40мг/дм3, во Франции 5-40 мг/дм3, в Англии и США 5-30 мг/дм3.Большие дозы ПАУ свидетельствуют о сильной загрязненности источников зарубежом.

Постоянное использование ПАУ для водоподготовки обычно не выгодно из-за нерентабельности и невозможности его регенерации и потерь при дозировании.

Для постоянной сорбционной обработки воды используют гранулированные активные угли (ГАУ), которые можно регенерировать, что снижает стоимость очистки воды, хотя ГАУ и дороже, а их применение требует больших капитальных затрат. Фильтрование через ГАУ дает воду лучшего и более постоянного качества по сравнению с углеванием (срок службы ГАУ при очистке природных вод - от 2 до 30 мес.)

Одно из традиционных направлений использования активных углей в водоподготовке - дехлорирование питьевой воды, реализуемое на угольных фильтрах. Высоту фильтра назначают в зависимости от скорости фильтрования, начальной и конечной концентрации свободного хлора.

Дехлорирующие фильтры регенерируют один раз в месяц  горячим раствором соды или едкого натра. До регенерации 1 кг ГАУ дехлорирует 50-100 м3 воды.

Механизм дехлорирования воды на ГАУ состоит из сорбции и последующего разложения хлорноватистой кислоты. Ион OCl- менее реакционноспособен и хуже сорбируется, чем HOCl, поэтому сдвиг рН, приводящий к увеличению степени диссоциации HOCl«H++OCl-, снижает дехлорирующий эффект.

НЕУГЛЕРОДНЫЕ СОРБЕНТЫ В ПРОЦЕССАХ ВОДООЧИСТКИ

Для очистки воды все большее применение находят неуглеродные сорбенты естественного и искусственного происхождения (глинистые породы, цеолиты и некоторые другие материалы).

Использование таких сорбентов обусловлено достаточно высокой емкостью их, избирательностью, катионообменными свойствами некоторых из них, сравнительно низкой стоимостью и доступностью (иногда как местного материала).

Глинистые породы - наиболее распространенные неорганические сорбенты для очистки воды. Они обладают развитой структурой с микропорами, имеющими различные размеры в зависимости от вида минерала. Большая часть из них обладает слоистой жесткой или расширяющейся структурой.

Механизм сорбции загрязнений на глинистых материалах достаточно сложен и включает Ван-дер-ваальсовые взаимодействия углеводородных цепочек с развитой поверхностью микрокристаллов силикатов и кулоновское взаимодействие заряженных и поляризованных молекул сорбата с положительно заряженными участками поверхности сорбента, содержащими ионы Н+ и Al3+.

Наибольшее распространение глинистые материалы получили для обесцвечивания воды, удаления неорганических примесей и особо токсичных хлорорганических соединений и гербицидов, различных ПАВ.

Природные сорбенты добывают в непосредственной близости от места потребления, что постоянно расширяет масштаб их применения для очистки воды.

Цеолиты - разновидности алюмосиликатных каркасных материалов. Эти материалы имеют отрицательный трехмерный алюмосиликатный каркас со строго регулярной тетраэдрической структурой. В промежутках каркаса находятся гидратированные положительные ионы щелочных и щелочноземельных металлов, компенсирующих заряд каркаса, и молекулы воды. В адсорбционные полости цеолитов сорбируется лишь молекулы веществ, критический размер которых меньше эффективного размера входного окна, от этого и их второе название - молекулярные сита.

Известно более 30 видов природных цеолитов, но лишь часть из них образует крупные месторождения (80% концентратов) удобные для промышленной переработки. Наиболее распространенные природные цеолиты:

шабазит                (Na2Ca)O×Al2O3×4SiO2×6H2O с размером окон 0.37-0.50 нм;

морденит              (Na2K2Ca)O×Al2O3×10SiO2×6.7H2O с размером окон 0.67-0.70 нм;

клинопптиломит  (Na2K2Ca)O×Al2O3×10SiO2×8H2O

Для получения прочных и водостойких фильтрующих материалов из природных цеолитов их, так же, как и глины, нагревают в печах с хлоридом карбонатом натрия при 10000С.

Обработка поверхности цеолитов кремнийорганическими соединениями делает ее гидрофобной, что улучшает сорбцию нефти из воды.

Природные цеолиты используются в виде порошков и фильтрующих материалов для очистки воды от ПАВ, ароматических и канцерогенных органических соединений, красителей, пестицидов, коллоидных и бактериальных загрязнений.

Кроме цеолитов и природных глин перспективными являются неорганические иониты.

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 = Сэ/Св, где Сэ и Св — 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, к-рая чаще всего представляет собой водный р-р, 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. св-в экстрагентов. В качестве разбавителей используют, как правило, жидкости (керосин, бензол, хлороформ и др.) либо их смеси, к-рые в исчерпываемой фазе практически нерастворимы и инертны по отношению к извлекаемым компонентам р-ра. Иногда к разбавителям добавляют модификаторы, повышающие р-римость 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 р-рами в-в, обеспечивающих полный перевод целевых компонентов в р-р или осадок и их концентрирование; 4) промывка экстракта для уменьшения содержания и удаления механически захваченного исходного р-ра.

В любом экстракц. процессе после достижения требуемых показателей извлечения фазы должны быть разделены. Эмульсии, образующиеся при перемешивании, обычно термодинамически неустойчивы, что обусловлено наличием избыточной своб. энергии вследствие большой межфазной пов-сти. 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 (см. Коалесценция, Тонкие пленки).

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", к-рый отстаивается довольно долго. Скорость расслаивания зачастую определяет производительность аппаратуры всего экстракц. процесса. На практике для интенсификации разделения фаз используют центробежные силы и применяют разл. устройства или насадки, к-рые располагают в отстойниках. В ряде случаев расслаиванию способствует электрич. поле.

Осн. требования к пром. экстрагентам: высокая избирательность; высокая экстракц. емкость по целевому компоненту; низкая р-римость в рафинате; совместимость с разбавителями; легкость регенерации; высокие хим., а в ряде случаев и радиационная стойкость; негорючесть или достаточно высокая т-ра вспышки (более 60 °С); невысокая летучесть и низкая токсичность; доступность и невысокая стоимость.

Наиб. распространенные пром. экстрагенты подразделяют на след. классы: 1) нейтральные, извлечение к-рыми осуществляется по разным механизмам в зависимости от кислотности исходного р-ра,- вода, фосфорорг. соед. (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. к-ты [ди(2-этилгексил) фосфорная к-та], карбоновые и нафтеновые к-ты, сульфокислоты, алкилфенолы, хелатообразующие соед. (гидроксиоксимы, алкилгидроксихинолины,β-дикетоны); 3) основные, с помощью к-рых извлекают анионы металлов из водных р-ров,-первичные, вторичные, третичные амины и их соли, соли четвертичных аммониевых, фосфониевых и арсониевых оснований и др.

Эвапорация.

ЭВАПОРА'ЦИЯ, и, мн. нет, ж. [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 СП/СВ = g, где СП и СВ — 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:

СВ = С0(qg — 1)/( qgex —1),

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.

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.

Коагуляция.

КОАГУЛЯЦИЯ (от лат. coagulatio- свертывание, сгущение), объединение частиц дисперсной фазы в агрегаты вследствие сцепления (адгезии) частиц при их соударениях. Соударения происходят в результате броуновского движения, а также седиментации, перемещения частиц в электрич. поле (электрокоагуляция), мех. воздействия на систему перемешивания... Наиболее часто в качестве коагулянта используют полигидраты солей алюминия и железа, например, полиалюмогидрохлорид или полиалюмогидросульфат, или полигидрат сульфата железа (II). Последний реагент применяется при совмещении процессов коагуляции и известкования.

       Процесс осветления коагуляцией – сложное физико-химическое явление, успех которого зависит от массы параметров. Тем не менее, можно выделить четыре основных фактора, которые определяют скорость и качество протекания реакции.

1.      Скорость потока. Поскольку глубина процесса детерминирована временем образования и укрупнения флокул, следует учитывать, что режим потока может  существенно влиять на возникающие первичные рыхлые хлопья. В пределе, они могут даже разрушаться. Поэтому скорость потока воды в зоне реакции и отстаивания не должна превышать 1-1,5 мм/с.

2.      рН среды. В связи с тем, что скорость и глубину гидролиза коагулянта определяет кислотность среды, она должна находиться в заданных для данного реагента параметрах. Например, для сульфата алюминия эмпирическое значение оптимального рН находится в пределах 5,5-7,5. В более кислой (рН≤ 4,5) среде гидролиз реагента не происходит, а в более щелочной (свыше 8) получившийся гидроксид алюминия, благодаря амфотерности металла, диссоциирует, как кислота, в результате чего эффективность процесса падает.

3.      Температура. Подогрев (до 40ºС) и перемешивание очищаемой воды увеличивает скорость процесса и повышает размер флокул.

4.      Дозировка коагулянта. Оптимальная дозировка коагулянта определяется на основе анализа природной воды и может варьировать в достаточно широких пределах, в зависимости от времени года и пр.

     Следует заметить, что последний фактор может иметь решающее значение в стоимости первичной обработки воды, поскольку реагенты для такой обработки достаточно дороги.  Для снижения расходов оптимальным выходом становится внедрение автоматизированных систем первичной обработки. Они позволяют существенно сократить расход химикатов (за счет высокой точности подачи – до 1-1,5% по объему) и оптимизировать процессы первичной очистки. Такие системы сегодня нашли достаточно широкое применение в водозаборах. Например, на Западном водозаборе г. Москвы, откуда вода поступает, в том числе, и на ТЭЦ, вода из реки проходит обработку флокулянтами (полиалюмогидрохлорид) при помощи установок GRUNDFOS POLYDOS, при этом станция также самостоятельно поддерживает оптимальный рН. Система полностью автоматизирована и контролируется, через специальные шкафы управления, из центрального диспетчерского пункта.

Флотация.

Флотация (франц. flottation, от flotter - плавать), процесс разделения мелких твёрдых частиц (главным образом минералов), основанный на различии их в смачиваемости водой.

Известно, что при флотации мелкие частицы уносятся мелкими газовыми пузырьками, крупные-крупными, а эффективность флотации зависит еще и от электрического заряда пузырька.

Флотация – способ промышленно очистки воды, основанный на удалении загрязнений с помощью пузырьков воздуха. Всплывая, они захватывают частицы примесей, в том числе масел и нефтепродуктов, и выносят их на поверхность воды, образуя там пленку или пенный слой, который затем снимается специальными пеносборными механизмами. Флотаторы предназначены для доочистки сточных вод от мелких частиц минерального происхождения и нерастворимых нефтепродуктов, которые присутствуют в воде в виде мелких капель.

 Процесс образования комплекса пузырек-частица происходит в три стадии: сближение пузырька воздуха и частицы в жидкой фазе, контакт пузырька с частицей и прилипание пузырька к частице.

Прочность соединения пузырек-частица зависит от размеров пузырька и частицы, физико-химических свойств пузырька, частицы и жидкости, гидродинамических условий и других факторов.

Процесс очистки стоков при флотации заключается в следующем. Поток жидкости и поток воздуха (мелких пузырьков) в большинстве случаев движутся в одном направлении. Взвешенные частицы загрязнений находятся во всем объеме сточной воды и при совместном движении с пузырьками воздуха происходит агрегатирование частицы с воздухом. Если пузырьки воздуха значительных размеров, то скорости воздушного пузырька и загрязненной частицы различаются  так сильно, что частицы не могут закрепиться на поверхности воздушного пузырька. Кроме того, большие воздушные пузырьки при быстром движении сильно перемешивают воду, вызывая разъединение уже соединенных воздушных пузырьков и загрязненных частиц. Поэтому для нормальной работы флотатора во флотационную камеру не допускаются пузырьки более определенного размера.

Флотационная очистка сточных вод

Процесс флотации широко применяют при обогащении полезных ископаемых, а также при очистке сточных вод.

В зависимости от способа получения пузырьков в воде существуют следующие способы флотационной очистки:

флотация пузырьками, образующимися путем механического дробления воздуха (механическими турбинами-импеллерами, форсунками, с помощью пористых пластин и каскадными методами);

флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная).

Вакуумная флотация

Вакуумная флотация основана на понижении давления ниже атмосферного в камере флотатора. При этом происходит выделение воздуха, растворенного в воде. При таком процессе флотации образование пузырьков воздуха происходит в спокойной среде, в результате чего улучшается агрегирование комплексов частица-пузырек и не нарушается их целостность вплоть до достижения ими поверхности жидкости.

Создание вакуума в большом закрытом резервуаре представляет большие технические трудности из-за необходимости большой герметизации системы и усиления конструкции установки.

Напорная флотация

Этот вид очистки сточных вод выполняется в две стадии: насыщение воды воздухом под давлением; выделение пузырьков воздуха соответствующего диаметра и всплытие взвешенных и эмульгированных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха. Если флотация проводится без добавления реагентов, то такая флотация относится к физическим способам очистки сточных вод. Если флотационный процесс идет с добавлением химических реагентов, то такая очистка сточных вод считается физико-химической. Применение химических реагентов улучшает качество очистки воды, но вызывает образование большого количества шлама, нуждающегося в дальнейшей переработке.

Современные схемы флотационных установок можно разделить на три основные группы.

с насыщением всего потока сточной воды воздухом;

с насыщением части потока сточной воды воздухом;

с насыщением части очищенной воды воздухом и смешением ее со сточной водой, поступающей на очистку.

Первая схема является наиболее простой. Сточная вода насыщается воздухом под давлением и поступает в напорный резервуар, в котором воздух растворяется, а не растворившиеся пузырьки отделяются от воды. Воздух подается во всасывающую линию насоса при помощи эжектора. Подача воздуха во всасывающий коллектор насоса способствует более интенсивному растворению воздуха в воде по отношению к предполагаемому растворению, рассчитанному по имеющимся эмпирическим формулам. Основной процесс растворения воздуха в воде происходит в напорных резервуарах. В функции напорных резервуаров входит также отделение нерастворившихся пузырьков воздуха от воды. При использовании во флотационном процессе химических реагентов напорные резервуары служат также для процессов образования хлопьев. Наибольшее распространение получили напорные резервуары с вертикальной перегородкой. Время пребывания воды в напорном резервуаре обычно составляет 1-2 мин.

Образование пузырьков происходит в редукционном клапане, который поддерживает давление «до себя», т.е. в системе насос - напорный резервуар - трубопровод. Редукционный клапан поддерживает практически постоянное давление.

 Дальнейшее движение пузырьков воздуха происходит во флотационной камере. Здесь пузырьки агрегируются с частицами. В промышленности используют флотаторы двух типов в зависимости от формы в плане: прямоугольный и круглый.

В прямоугольном флотаторе сточная вода подается в приемную камеру флотатора с помощью распределительной перфорированной трубы. Смесь сточной воды и воздуха из приемной камеры переливается через струегасящую перегородку в отстойную камеру. Здесь происходит разделение сточной жидкости на очищенную воду и шлам. Очищенная вода отводится из отстойной камеры с помощью перфорированной трубы. Шлам сбрасывается в камеру пены скребками ленточного транспортера.

Современные горизонтальные флотаторы имеют длину 2-36 м и ширину до 6 м. На этой длине флотаторы могут иметь не одну, а несколько флотационных камер. В многокамерной флотационной установке сток, содержащий нефть, с помощью гидроэлеватора, потребляющего около 50% рециркуляционного расхода, поднимается в камеру грубой очистки, в центре которой установлен гидроциклон, а затем последовательно проходит три флотационных отделения и отстойную камеру. Флотационная очистка по этой схеме является наиболее простой.

Недостатки ее: повышенное эмульгирование нефтепродуктов и смол при перекачке центробежными насосами, а также необходимость перекачки под давлением всего объема сточной жидкости.

Вторая схема флотационной очистки отличается от первой тем, что воздухом насыщается только часть сточной воды. Эта схема не избавляет от эмульгирования нефтепродуктов, но снижает энергетические затраты.

По третьей схеме сточная вода подается непосредственно во флотатор, а часть очищенной воды насыщается воздухом и перемешивается со стоками перед флотатором.

Цилиндрические флотаторы более компактны и широко используются в промышленности. Они работают также по трем выше перечисленным схемам. Цилиндрические флотаторы рассчитаны на производительность 100-4000 м3/ч, т.е. на гораздо большую производительность по сравнению с прямоугольным флотатором.

Страницы: 1, 2, 3