униконсы

ГК "Униконс"

Продвижение и реализация комплексных пищевых добавок, антисептиков и др. продукции.

Перейти на сайт
септоцилы

"Антисептики Септоцил"

Септоцил. Бытовая химия, антисептики.

Перейти на сайт
петритесты

"Петритест"

Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.

Перейти на сайт
закваски стартовые культуры

"АльтерСтарт"

Закваски, стартовые культуры. Изготовление любых заквасок для любых целей.

Перейти на сайт

Физико-химические методы используют для удаления из сточной воды тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), трудно удаляемых минеральных и органических веществ.

Эффективность очистки трудноудаляемых веществ определяется по формуле

ФИЗИКО ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

где Сzст; – концентрация z-ro вещества в сточной воде, поступающей на очистку, мг/дм3; СzВ – концентрация z-ro вещества в водном объекте до места сброса сточных вод, мг/дм3; n – кратность разбавления сточных вод; ПДКz – предельно допустимая концентрация z-ro вещества, мг/дм3.

Физико-химические методы очистки обеспечивают устойчивую работу сооружений при низкой температуре жидкости, изменении рН, гидравлических и органических нагрузок. Такие методы требуют значительно меньшей продолжительность обработки сточной жидкости.

К основным физико-химическим методам очистки сточных вод относят коагуляцию, флокуляцию, электрохимические методы, адсорбцию, экстракцию, обратный осмос, ультрафильтрацию и термическое обезвреживание.

 

2.1.2. КОАГУЛЯЦИЯ

Одним из методов глубокой очистки сточных вод от загрязнений является реагентная обработка сточных вод коагулянтами с последующим отстаиванием. Ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно- дисперсных частиц.

Коагуляция (от лат. coagulatio – свертывание, сгущение) – это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия (соударения) и объединения в агрегаты. В результате размер частиц увеличивается от 0,0001 до 10 мкм и более. Соударения происходят при броуновском движении, а также седиментации, перемещении частиц в электрическом поле (электрокоагуляция), механическом воздействии на систему (перемешивания, вибрации) и др.

Характерные признаки коагуляции – увеличение мутности (интенсивности рассеиваемого света), появление хлопьевидных образований – флокул, расслоение исходно устойчивой к седиментации системы (золя) с выделением дисперсной фазы в виде коагулята (осадка).

Коагуляция наиболее характерна для дисперсий твердых веществ – золей, суспензий. Процесс, обратный коагуляции, – распад агрегатов до первичных частиц – называется пептизацией. Между ними может устанавливаться динамическое равновесие, которое для систем с броуновским движением частиц отвечает условию

Коагуляция наиболее характерна

где Е – энергия связи частиц в контакте, z – координационное число частицы в пространственной структуре коагулята, v3 – объем, приходящийся на одну частицу в золе (при концентрации частиц nv3=l/n), vk,– эффективный объем, в котором происходят смещения частицы относительно положения равновесия, к – постоянная Больцмана.

Коагуляция происходит под действием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов. Они образуют в воде хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести.

Процесс гидролиза коагулянтов и образования хлопьев происходит по следующим стадиям:

Процесс гидролиза коагулянтов

В действительности процесс гидролиза протекает намного сложнее: ион металла образует ряд промежуточных соединений в результате реакций с гидроксид-ионами и полимеризации. Образующиеся соединения имеют положительный заряд и легко адсорбируются отрицательно заряженными коллоидными частицами.

Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы и хлопья коагулянтов имеют слабые разноименные заряды, то между ними возникает взаимное притяжение. Для коллоидных частиц характерно образование на поверхности частиц двойного электрического слоя. Одна его часть фиксирована на поверхности раздела фаз (является неподвижной), другая создает облако ионов, диффузный (подвижный) слой. Разность потенциалов, возникающая между неподвижной и подвижной частями слоя (в объеме жидкости) называется дзета-потенциалом.

При введении в воду неорганических коагулянтов происходит снижение агрегативной устойчивости системы под действием электролита (введенной соли), сорбция ионов на поверхности частиц и образование в результате реакции нового малорастворимого соединения, концентрация которого в воде значительно выше его растворимости. Выделение твердой фазы из пересыщенного раствора (кристаллизация) протекает в три стадии:

  • инкубационный (скрытый) период зародышеобразования кристаллизующейся фазы (коагулятора). Зародыши образуются преимущественно на гетерогенных частицах примесей, загрязняющих воду. Происходит адсорбция молекул или ионов кристаллизующегося вещества на поверхности частиц. Скорость образования зародышей увеличивается с ростом пересыщения, повышением температуры и уменьшением величины поверхностного натяжения;
  • рост частиц твердой фазы. Кинетика кристаллизации (коагуляции). Зависит от числа коллоидных частиц (концентрации примесей), степени пересыщения раствора (дозы коагулянта), температуры, эффективности перемешивания;
  • старение твердой фазы и формирование осадков. Аморфные частицы в процессе старения превращаются в кристаллы. Процесс старения рассматривают как полимеризацию или конденсацию с отщеплением воды, адгезию мелких частиц к более крупным. Образующиеся в результате обработки воды коагулянтами осадки представляют собой хлопья – крупные частицы неправильной формы с рыхлой сетчатой структурой.

На эффективность коагуляционной очистки сточных вод значительное влияние оказывают следующие факторы: доза коагулянта, интенсивность процесса перемешивания коагулянта с очищаемой жидкостью, концентрация коллоидных и мелкодисперсных примесей, наличие растворенных в воде примесей, температура.

Доза коагулянта зависит от концентрации и степени дисперсности примесей и возрастает с их увеличением. С другой стороны, при недостаточной дозе коагулянта не достигается требуемого эффекта очистки, а при избытке наряду с перерасходом дорогостоящего реагента в некоторых случаях может ухудшиться коагуляция.

Различают два режима перемешивания: с большой и малой интенсивностью. В первом режиме работают устройства, предназначенные для смешения растворов реагентов с водой, во втором – камеры хлопьеобразования.

Технологический эффект, достигаемый при перемешивании, зависит от выбранного способа перемешивания: механическое перемешивание (использование кинетической энергии потока самой обрабатываемой воды или средств принудительного перемешивания); пневматическое перемешивание (осуществляют путем воздушного барботажа); комбинированное перемешивание (проводят в комбинированных смесительных устройствах, в которых совмещены различные приемы перемешивания).

При невысоком содержании мелкодисперсных и коллоидных примесей в воде не происходит образования достаточного количества центров кристаллизации коагулянта, образуются мелкие хлопья осадка, трудно отделяемого от воды. Для повышения эффективности очистки в этом случае в сточную воду добавляют небольшие количества тонкодисперсных порошков (бентонитовой шины, мела и т. д.), которые с частицами примесей воды служат центрами зародышеобразования при кристаллизации коагулянта. С этой же целью можно использовать метод рециркуляции осадка, в котором часть полученного осадка смешивается с исходной водой, поступающей на очистку.

Наличие растворенных в воде примесей может ускорить или замедлить процесс коагуляции. Например, неорганические примеси, с одной стороны, могут ускорять процесс кристаллизации коагулянта (неорганические вещества, имеющие общий ион с коагулянтом), с другой стороны, снижать скорость кристаллизации (неорганические вещества, не имеющие общий ион с коагулянтом). В свою очередь органические вещества, адсорбируясь на растущих кристаллах коагулянта, образуют пленки, тормозящие рост кристаллов.

С ростом температуры увеличивается интенсивность броуновского движения, а следовательно, вероятность столкновения частиц, возрастает скорость кристаллизации коагулянта и уменьшается продолжительность инкубационного периода. При невысоких температурах образуются мелкие, медленно оседающие хлопья, увеличиваются необходимые дозы коагулянтов и снижается эффект очистки.

На процессы коагуляционной очистки сточных вод также могут повлиять электрические и магнитные поля, ультразвуковые колебания, которые обычно ускоряют кристаллизацию.

В процессе коагуляционной очистки сточных вод происходит также одновременное удаление растворимых примесей, которые адсорбируются на поверхности растущих кристаллов. Метод соосаждения может быть с успехом использован для доочистки сточных вод от неорганических и органических веществ.

Характеристика некоторых коагулянтов приведена в прил. 8.

Выбор вида и оптимальной дозы коагулянта зависит от свойств дисперсной системы: температуры, количества взвешенных и коллоидно-дисперсных веществ, цветности, ионного состава дисперсионной среды, значения рН и других физико-химических свойств.

Совместно с коагулянтами могут использоваться так называемые замутнители: различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, пасты, металлическая пыль, летучие золы, мелкий кварцевый песок, силикатсодержащие отходы производства, порт-ланд цемент.

Внесение искусственных замутнителей, частицы которых играют роль дополнительных центров конденсации продуктов гидролиза, способствует ускорению коагуляции примесей при очистке маломутных вод. В то же время при замутнении обрабатываемой воды происходит утяжеление хлопьев коагулированной взвеси, увеличивается их гидравлическая крупность, в зависимости от вида замутнителя возможна сорбция растворенных примесей. Если частицы замутнителя сорбируют ионы, определяющие степень устойчивости золей, то облегчаются условия коагуляции (например, поглощение глинами катионов водорода, образующихся при гидролизе коагулянтов).

Интенсификация действия коагулянтов существенно повышается дополнительным введением в очищаемые сточные воды флоку- лянтов.

 

2.2.2. ФЛОКУЛЯЦИЯ

Флокуляция – это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Флокулянты используются в дополнение к коагулянтам для увеличения размеров образующихся хлопьев и их последующего удаления. В данном случае применяются продукты с высокой молекулярной массой, слабой катионностью (до 15 %) или анионностью (от 0 до 50%). Благодаря своей очень большой молекулярной массе, эти полимерные флокулянты образуют мостики между микрохлопьями, возникшими при коагуляции, создавая более крупные макрохлопья.

Использование вслед за коагуляцией очень малых количеств этих флокулянтов (0,01-0,5 мг/дм3) интенсифицирует захват частиц, ускоряет образование хлопьев и делает последние более плотными и быстро осаждаемыми. Это позволяет ограничить дозировку коагулянтов до минимального количества, необходимого для дестабилизации коллоидной суспензии (рис. 2.21).

 

Рис. 2.21

Рис. 2.21. Стадии процесса флокуляции

 

Уникальные рабочие характеристики полимерных флокулянтов дают предприятиям по очистке воды возможность пользоваться преимуществами максимальной гибкости вариантов очистки.

Применение флокулянтов позволяет:

  • улучшить качество очистки воды при уменьшении времени отстаивания и исключить перенос частиц;
  • достигать запланированной производительности при меньших расходах;
  • увеличивать производительность без капитальных затрат;
  • повысить эффективность системы фильтрации и увеличить срок службы фильтров;
  • минимизировать расходы, трудоемкость и проблемы, связанные с удалением отходов.

Флокулянты разделяют на три группы:

  1. Неорганические вещества. К этой группе в первую очередь следует отнести активную кремневую кислоту, представляющую собой частично структурированный раствор диоксида кремния. Активную кремневую кислоту получают нейтрализацией силиката натрия.
  2. Природные полимеры. К группе природных флокулянтов относятся крахмал, производные целлюлозы, альгинат натрия, гуаровые смолы, флокулянты, получаемые микробиологическим синтезом, и др. Преимущества природных флокулянтов – их практически полная безвредность. Недостаток – невысокие флокулирующие свойства. Перспективны биофлокулянты, получаемые как направленным культивированием определенных штаммов микроорганизмов, так и физико-химической обработкой клеток микроорганизмов, а также с использованием микроорганизмов с хорошо выраженными адсорбционными свойствами.
  3. Синтетические полимеры. В мировой практике очистки воды большое распространение получили синтетические полимерные флокулянты, что объясняется их весьма высокими флокулирующими свойствами. Ряд флокулянтов этой группы можно применять для очистки воды и осветления тонкодисперсных суспензий, причем в весьма малых дозах, не используя при этом коагулянты.

Синтетические полимерные флокулянты разделяют на три группы: неионные, анионные, катионные. К первой группе относятся полиакриламид [-CH2-CH-CONH2]n, технический (ПАА) и гидролизованный (ГППА); полиэтиленоксид; поливинилпиролидон; поливиниловый спирт.

Типичные представители флокулянтов анионного типа – полиакрилат натрия, полистиролсульфокислота. Для получения анионных флокулянтов широко применяют метод щелочного гидролиза полиакриламида.

Используемые в настоящее время синтетические органические флокулянты и их свойства приведены в табл. 2.4.

 

Таблица 2.4

Виды и свойства синтетических органических флокулянтов

Таблица 2.4

 

По сравнению с неорганическими коагулянтами полимерные флокулянты обладают следующими преимуществами: обеспечивают такой же или лучший результат при значительно меньших (до 10 раз) дозах; работают в широком диапазоне рН и щелочности; не изменяют рН очищенной воды; не боятся хлорирования; не добавляют в очищенную воду растворенных металлов (т. е. алюминия или железа); увеличивают скорость разделения жидкой и твердой фазы; увеличивают срок службы фильтров прямой фильтрации; удаляют одноклеточные водоросли; сокращают объем образуемого осадка и расходы на обработку и удаление осадка; более удобны в приготовлении и использовании.

Совместное использование коагулянта с добавлением флокулянтов позволяет снизить дозу реагента и увеличить эффект очистки по основным показателям (табл. 2.5).

 

Таблица 2.5

Сравнительные данные эффективности очистки сточных вод с добавлением различных реагентов

Таблица 2.5

Примечание: ПАА* – полиакриламид.

 

Флокулянты в сочетании с замутнителями используют при введении в маломутные воды глинистых минералов с целью утяжеления хлопьев и более быстрого их осаждения (флюорацид процесс); при магнитной сепарации сточных вод после добавления к ним магнетита. В этих случаях флокулянты, как правило, вводят в воду после всех реагентов.

Эффективность применения флокулянтов зависит от условий их введения в обрабатываемую воду или в осадок, которые должны обеспечить быстрое равномерное распределение полимера и образование достаточно крупных, прочных и легко отделяемых из воды хлопьев. Для ускорения распределения флокулянтов используют разбавленные 0,01-0,02% растворы, ввод которых производят рассредоточено в несколько точек при интенсивном перемешивании. Интенсивное перемешивание (механические смесители (вращающиеся размешивающие устройства), гидравлические смесители (трубчатые водоворотные, вихревые, перегородчатые, дырчатые) и аэрируемыепесколовки) позволяет снизить расход флокулянта на 15-30%. Место ввода флокулянта выбирают исходя из технологической схемы очистки воды или обезвоживания осадка, назначения флокулянта и применения других реагентов.

 

2.2.3. ФЛОТАЦИЯ

Флотация – способ промышленной 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. Так образуется пленка или пенный слой, который затем снимается специальными пеносборными механизмами.

Флотация является сложным физико-химическим процессом, заключающимся в создании комплекса частица – пузырек воздуха или газа, всплывании этого комплекса и удалении образовавшегося пенного слоя.

Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатационные затраты на флотацию, простая аппаратура флотации, селективность выделения примесей, по сравнению с отстаиванием, большая скорость процесса, а также возможность получения шлама более низкой влажности (90-95 %), высокая степень очистки, возможность рекуперации удаляемых веществ.

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

  • механическое диспергирование воздуха (пневматическая или импеллерная);
  • флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная, эрлифтная);
  • флотация с подачей воздуха через пористые материалы;
  • электрофлотация;
  • химическая и биологическая флотация.

Импеллерная флотация заключается в механическом диспергировании воздуха турбинками насосного типа – импеллерами, которые представляют собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками (рис. 2.22, а). При вращении импеллера в жидкости возникает большое число мелких вихревых потоков, которые разбиваются на пузырьки определенной величины, зависящей от скорости вращения. Чем больше скорость импеллера, тем меньше пузырьки. Достоинством способа является возможность применения в сточных водах с большим содержанием взвешенных веществ (более 2000 мг/дм3).

 

Рис. 2.22

Рис. 2.22. Схемы флотационных установок:
а) пневмомеханическая: 1 – импеллер; 2 – полый вал; 3 –успокоители;
4 – пеносъемник; б) напорная: 1 – камера; 2 – скребок; 3 – шламоприемник;
4 – поверхностные скребки

 

При вакуумной флотации сточную воду предварительно насыщают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом поддерживается разряжение 29,9-39,9 кПа. Выделяющиеся в камере мельчайшие пузырьки выносят часть загрязнений. Достоинством этого способа является то, что процесс образования пузырьков газа и их слипание с частицами происходит в спокойной среде, т. е. вероятность разрушения агрегатов пузырек – частица сведена к минимуму. Недостатком способа является низкая эффективность при высокой концентрации взвешенных веществ (не более 250-300 мг/дм3).

 

Напорная флотация – один из способов флотации пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде. Она выполняется в две стадии: 1) насыщение воды воздухом под давлением; 2) выделение пузырьков воздуха соответствующего диаметра и всплытие взвешенных и эмульгированных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха.

Сточную воду подают внутрь камеры, где выделяются пузырьки газа, которые всплывают вверх, захватывая взвешенные частицы. Пенный слой с твердыми частицами поверхностным скребком удаляют в шламоприемник. Осветленную воду выводят из камеры. Твердые частицы, оседающие под действием гравитационной силы на дно камеры, донным скребком сдвигают в приемник и удаляют через трубопровод (рис. 2.22, б).

Эрлифтные установки просты по устройству, затраты на проведение процесса в них в 2-4 раза меньше, чем в напорных. Недостаток – необходимость размещения флотационных камер на большой высоте. Сточная вода из емкости, находящейся на высоте 20-30 м, поступает в аэратор. Туда же подают сжатый воздух, который растворяется под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному трубопроводу, жидкость обогащается пузырьками воздуха, которые выделяются во флотаторе. Образующаяся пена с частицами удаляется самотеком или скребком. Осветленную воду направляют на дальнейшую очистку.

 

Флотация при помощи пористых пластин (рис. 2.23). Для получения пузырьков воздуха небольших размеров можно использовать пористые материалы, которые должны иметь достаточное расстояние между отверстиями, чтобы не допустить срастания пузырьков воздуха над поверхностью материала. На размер пузырька большое влияние оказывает скорость истечения воздуха из отверстия. Для получения микропузырьков необходима относительно небольшая скорость истечения.

 

Рис. 2.23

Рис. 2.23. Флотатор с филътросными пластинами:
1 – камера; 2 – фильтросные пластины; 3 – скребок; 4 – шламоприемник

 

По сравнению с предыдущими способами флотация при помощи пористых материалов имеет следующие преимущества: простота конструкции флотационной камеры, меньшие затраты энергии. Недостатки – частое засорение и зарастание отверстий пористого материала; трудность подбора материала с одинаковыми отверстиями.

 

Химическая флотация. При введении в сточную воду некоторых веществ могут протекать химические процессы с выделением газов: O2, СO02, Сl2 и др. Пузырьки этих газов при некоторых условиях могут прилипать к нерастворимым взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое явление, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введением коагулянтов. Схема флотационной камеры для химической флотации показана на рис. 2.24. Сточные воды и реагенты поступают в реакционную камеру. Во избежание дегазации время пребывания сточной воды в камере должно быть минимальным. После насыщения вода поступает во флотационную камеру. Недостаток метода – большой расход реагентов.

 

Рис. 2.24

Рис. 2.24. Схема установки для химической флотации:
1 – мешалка; 2 – скребок; 3 – шламоприемник;
4 – флотационная камера; 5 – реакционная камера

 

Биологическая флотация рассмотрена в п. 2.4.

Электрофлотация рассмотрена в подп. 2.2.6.

 

2.2.4. АДСОРБЦИЯ

Одним из перспективных методов очистки природных и сточных вод является сорбционная очистка синтетическими и природными неорганическими материалами. Основные преимущества – доступность и дешевизна, простота аппаратурного оформления, отсутствие загрязнения очищаемой воды посторонними веществами.

В процессе адсорбции концентрирование поглощаемого вещества происходит на поверхности или в объеме пор твердого тела. Используют твердые адсорбенты с сильно развитой внутренней поверхностью (объемом пор). Развитие внутренней поверхности (объема пор) в твердом теле достигается путем создания специальных условий в процесс его синтеза или в результате дополнительной обработки.

Твердые сорбенты, как правило, отличаются «ажурной» внутренней структурой, включающей поры разного размера. В зависимости от размеров поры подразделяются на три типа: микро-, мезо- и макропоры.

Наиболее мелкие поры – микропоры – имеют размеры, соизмеримые с адсорбируемыми молекулами. Их эффективные радиусы преимущественно находятся в интервале от 0,5 до 1,0 нм. Суммарный объем микропор промышленных адсорбентов обычно не превышает 0,5 см3/г. Характерной чертой адсорбции в микропорах является существенное повышение энергии адсорбции по сравнению с адсорбцией в более крупных порах. Адсорбция в микропорах сводится к заполнению пространства микропор адсорбируемыми молекулами.

Эффективные радиусы более крупных пор – мезопор – лежат в интервале от 1,5 до 100-200 нм. Мезопоры являются основными транспортными артериями, по которым осуществляется подвод вещества к микропорам.

Самые крупные поры адсорбентов – макропоры – имеют эффективные радиусы больше 100-200 нм. Их удельная поверхность очень мала, вследствие чего адсорбцией на поверхности пор этого типа практически можно пренебречь. Макропоры играют роль крупных транспортных артерий в зернах адсорбентов.

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или в псевдоожиженном слое на установках периодического или непрерывного действия. Процесс проводят в одну или несколько ступеней.

Статическая одноступенчатая адсорбция применяется в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства. Более эффективно (при меньшем расходе адсорбента) процесс протекает при использовании многоступенчатой установки.

В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных веществ и колеблется от 2-4 до 5-6 м3/(м2ч).

Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размером в пределах 1,5-5 мм. При более мелких зернах возрастает сопротивление фильтрованию жидкости. Во избежание забивки адсорбента сточная вода не должна содержать твердых взвешенных примесей.

В одной колонне при неподвижном слое сорбента процесс очистки ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн, часть которых работает последовательно, а часть отключена на регенерацию.

Установки с псевдоожиженным слоем (периодического или непрерывного действия) целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в сточной воде. Размер частиц адсорбента при этом должен быть равным 0,5-1 мм. Скорость потока для частиц указанных размеров находится в пределах 8-12 м/ч. На рис. 2.25 приведены схемы адсорберов непрерывного действия.

Все адсорбенты в соответствии с преобладающим размером пор можно разделить на три предельных структурных класса: макро-, мезо- и микропористые. Подавляющее большинство промышленных адсорбентов, применяемых для очистки газов и паров, содержат широкую гамму пор различного размера и относятся к смешанным структурным типам адсорбентов.

Активные угли – пористые промышленные сорбенты, состоящие в основном из углерода. Их получают из различных видов органического сырья: твердого топлива (торфа, каменного угля, антрацита), дерева и продуктов его переработки (древесного угля, опилок, отходов бумажного производства), отходов кожевенной промышленности, материалов животного происхождения.

Вид перерабатываемого углеродсодержащего сырья позволяет выделить два класса активных углей: активные угли на древесной и каменноугольной основе.

 

Рис. 2.25

Рис. 2.25. Адсорберы непрерывного действия с кипящим слоем активного угля:
а – одноярусный; б – многоярусный с переточными трубками

 

По форме и размеру частиц активные угли могут быть порошкообразными, дроблеными (частицы неправильной формы) и гранулированными (цилиндрические гранулы).

Порошкообразные активные угли имеют размер частиц менее 0,1 мм. К зерненным активным углям относятся угли с размером частиц от 0,5 до 5 мм.

Адсорбционная емкость и скорость адсорбции определяются содержанием микропор в единице массы или объема гранул (табл. 2.6).

Свойства активных углей, их пористая структура, форма и размер частиц определяют области их применения (прил. 9, табл. 9.1).

 

Таблица 2.6

Содержание микро-, мезо- и макропор в пористой структуре активных углей, полученных из каменноугольного, торфяного и древесного сырья

 Таблица 2.6

 

Для более полного использования активного угля применяют окислительно-сорбционный способ доочистки сточных вод, который заключается во введении в воду окислителя (озона) и фильтровании через слой гранулированного угля. В его основе лежит улучшение сорбционных свойств образующихся в процессе окисления продуктов и ускорение реакции окисления на поверхности угля вследствие увеличения на ней концентрации реагирующих веществ.

Эффект окислительно-сорбционного взаимодействия проявляется в увеличении срока службы угля. Озон обеззараживает сточную жидкость и полностью обесцвечивает воду от специфического желтоватого цвета.

В последнее время большой интерес как в России, так и за рубежом вызывает природное минеральное сырье – доломиты, ирлиты, обладающие сорбционными, ионообменными свойствами. Также известны силикагели, алюмогели и другие неорганические сорбенты.

Силикагели (СГ) получают на основе диоксида кремния, который существует в кристаллической (кварц, тридилий, кристобалит) и аморфной формах. Основные преимущества селикагелей: низкая температура, требуемая для регенерации и, как следствие, более низкие энергозатраты, чем при регенерации других промышленных минеральных сорбентов, низкая себестоимость при крупнотоннажном промышленном производстве; высокая механическая прочность по отношению к истиранию и раздавливанию. Силикагель применяется в виде зерен размером от 0,2 до 7 мм. Специальным методом можно получить силикагель в форме правильных шариков.

Основным достоинством силикагеля по сравнению с активным углем является его способность выдерживать действие высоких температур. Однако в результате температурных колебаний силикагель растрескивается и рассыпается, увеличивая тем самым сопротивление прохождению раствора.

В зависимости от величины пор силикагель делится на мелкопористый, КСМ, ШСМ (насыпная плотность 700 кг/м3), крупнопористый КСК, ШСК, МСК (насыпная плотность 400-500 кг/м3) и смешаннопористый (насыпная плотность колеблется в интервале величин насыпной плотности для мелко- и крупнопористых силикагелей). В зависимости от размера зерен силикагель делится на крупнозернистый и мелкозернистый.

Промышленность России выпускает два сорта силикагелей различной пористости – мелкопористый и крупнопористый. Каждый сорт в зависимости от размера зерен изготовляют трех марок: крупнозернистый, шихта и мелкозернистый.

В табл. 2.7 указаны требования, предъявляемые к техническим маркам силикагелей.

 

Таблица 2.7

Характеристика технических марок силикагелей

Таблица 2.7

 

Алюмогелем называют сорбенты, представляющие смесь гидратов окиси алюминия. Так же, как и силикагель, алюмогель можно специальным методом получить в форме шариков. По сорбционным свойствам он близок к силикагелю.

Свойства технического алюмогеля: содержание Аl2O3 – 92%, истинная плотность – 3,25-50 г/см3, кажущая плотность – 1,6 г/см3, средняя насыпная плотность – 350-850 кг/м3, средний суммарный объем пор – 0,14-0,8 см /г, средняя величина удельной поверхности – 200-400 м2/г, средний диаметр пор – 10-30 А.

Кроме алюмогеля, выпускают также активную окись алюминия с высокоразвитой поверхностью. Активную окись алюминия получают в производстве из технической гидроокиси алюминия.

В последние годы бурно развиваются адсорбционные процессы с использованием уникальных кристаллических сорбентов – цеолитов.

 

Цеолиты – это алюмосиликаты, содержащие в своем составе оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов. Они отличаются строго регулярной структурой пор, которые в обычных температурных условиях заполнены молекулами воды. Эта вода, названная цеолитной, при нагреве выделяется. Если из цеолита удалить воду, поры могут быть заполнены снова водой или другим веществом, что и предопределяет их использование в процессах осушки, очистки и разделения веществ. Цеолиты, в отличие от пористых аморфных адсорбентов, по праву могут быть названы пористыми кристаллами. Синтетические цеолиты получаются при нагревании водных щелочных алюмосиликатных смесей.

Имеются данные о сорбционном извлечении из воды ионов тяжелых металлов, встречающихся в промышленных сточных водах (меди, кадмия, свинца) с помощью нетрадиционных сорбентов: горелой породы, базальтового волокна и композиционного сорбента на основе отходов алюминиевого производства. Для повышения эффективности очистки сточных вод были разработаны методы модифицирования этих материалов.

 

Горелая порода (ГП) – высокопористый отход угольного производства, твердый остаток от самосгорания угольных терриконов, широко распространенный в угольных регионах. По химическому составу это кремнезем с примесью железа и алюминия (%): 68,2 SiO2; 21,5 Аl2О3; 4,7 Fe2O3; 5,6 остальное. Большие запасы, особые физико-химические характеристики, дешевизна, возможность регенерации и утилизации природных и модифицированных сорбентов делают экономически целесообразным их применение в процессах очистки питьевой и технологических вод.

 

Базальтовое волокно (БВ) получают из расплава базальта и других магматических пород. БВ представляет собой «ковер», состоящий из слоев хаотично расположенных штапельных волокон толщиной до 3 мкм. Химический состав БВ следующий, %: 47,8 SiO2; 15,85 Аl2O3; 8,9 СаО; 6,3 FeO; 5,8 MgO; 15,4 остальное. Материал несгораем, невзрывоопасен и экологически чист. Однако его потребление ограничено из-за недостатка информации по квалифицированному применению.

 

Композиционный минеральный сорбент (KS-C) – материал, основным компонентом которого являются отходы, образующиеся на стадии электролиза при производстве солей алюминия. В качестве одного из способов промышленной переработки таких отходов предложена технология получения композиционного сорбента. Для этого отходы смешивают с глиной в соотношении 1:1 и прокаливают в муфельной печи (t = 100-1200°С). Полученный сорбент охлаждают, измельчают и выделяют фракцию размером 1,5-2 мм.

 

Полимерные сорбенты. В последнее время становится актуальной разработка технологии очистки сточной воды от растворенных органических примесей сорбционными методами с применением в качестве адсорбента синтетических полимерных пористых материалов.

Варьируя исходные компоненты, при синтезе пористых полимеров можно получать адсорбенты, обладающие преимущественно гидрофильными или гидрофобными свойствами.

Пористая структура сополимеров достигается введением в смесь реагентов при полимеризации инертного растворителя, хорошо растворяющего исходные мономеры, но практически не растворяющего конечные полимерные продукты. В качестве такого растворителя наиболее пригодны алифатические насыщенные углеводороды. В сополимере после удаления растворителя образуется сложная система пор.

В нашей стране промышленность производит пористые полимерные адсорбенты на основе стирола и дивинилбензола, которые можно использовать для поглощения ряда органических веществ из промышленных сточных вод. Эти сорбенты называются полисорбы. Полисорбы являются преимущественно узкомезопористыми адсорбентами с относительно небольшим содержанием доступных для органических молекул микропор и системой более широких мезо- пор, через которые осуществляется доступ молекул из раствора к основному адсорбционному пространству пористого полимера.

Одной из причин меньшей энергии адсорбции на полисорбах по сравнению с энергией адсорбции на активных углях является экранирование атомами водорода углеродных атомов полимерных цепей каркаса полисорба, препятствующее сближению с углеродными атомами полимера адсорбированных молекул на близкое расстояние. Дисперсионные же силы с увеличением расстояния убывают очень быстро.

Благодаря меньшей энергии адсорбции, из полисорбов легче извлечь адсорбированное вещество растворителем или отгонкой паром, чем из активного угля, а следовательно, их регенерация значительно экономичнее.

 

2.2.5. ИОННЫЙ ОБМЕН

Ионный обмен применяется для извлечения из сточных вод ионов металлов, а также соединений мышьяка, фосфора. Он 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, называются ионитами. Иониты, способные поглощать из растворов электролитов положительно заряженные ионы, называют катионитами, отрицательные ионы – анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, вторые – основными. Если иониты обменивают и анионы и катионы, их называют амфотерными.

Характерной особенностью ионитов, важной для практического применения, является возможность их регенерации.

Ионообменные процессы позволяют довести остаточную концентрацию вредных примесей в стоках до уровня ПДК. Схема установки с использованием ионообменных смол представлена на рис. 2.26.

К неорганическим природным ионитам относят цеолиты, глинистые материалы, силикагели и др.

 

Рис. 2.26

Рис. 2.26. Схема ионообменной установки:
1 – подача ионообменной смолы; 2 – бункер загрузки; 3 –мембранный клапан;
4 – входной коллектор (для очищаемой воды); 5 – вход воды на очистку;
б – выгрузка использованной смолы;
7 – выходной коллектор (для очищенной воды);
8 – выход очищенной воды; 9 – вход реагента (жидкость, используемая для регенерации смолы);
10 – решетка; 11 – выход реагента после регенерации

 

Кроме цеолитов и природных шин, перспективными являются неорганические иониты (табл. 2.8).

Важнейшие технологические свойства отечественных ионитов приведены в прил. 9, табл. 9.2.

 

Таблица 2.8

Характеристика неорганических ионитов

Таблица 2.8

 

Большинство органических ионитов получаются путем полимераналогичных превращений сополимеров стирола и дивинилбензола (ДВБ). Эти сополимеры являются надежной базой для создания целого спектра гелевых и макропористых ионитов с самыми разнообразными свойствами. Кроме того, исходные мономеры доступны и относительно недороги. Все шире становится и ассортимент ионитов, получаемых методами сополимеризации и сополиконденсации органических мономеров ионогенного типа. Успешно развивается синтез важных в практическом отношении ионитов на базе винильных производных пиридина, прежде всего промышленно доступного 2,5-метилвинилпиридина, на основе алифатических соединений ионогенного характера, таких как метилакрилат, акрилонитрил, полиэтиленполиамины, эпихлоргидрин.

Большинство органических ионитов имеют гелевую структуру. В них отсутствуют реальные поры. Доступность всего объема их зерен для обменивающихся ионов обеспечивается благодаря их способности к набуханию в водных растворах.

 

2.2.6. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Электрофлотацией называют процесс выделения из жидкости взвешенных частиц путем их флотации газовыми пузырьками, получаемыми при электролизе воды. В процессе электролиза выделяются электролизные газы: водород, кислород, азот, хлор. Преимущество электрофлотации заключается в том, что обеспечивается генерация газовых пузырьков весьма тонкой дисперсности – от 10 до 200 мкм, причем на долю пузырьков от 25 до 40 мкм приходится более 50%. Поверхность пузырьков малого размера обладает большой свободной поверхностной энергией, что создает более благоприятный режим в зоне флотации и увеличивает эффект очистки.

При электрофлотации можно в широком диапазоне изменять дисперсность пузырьков путем изменения величины и плотности тока.

Наличие солей в сточной воде обеспечивает необходимые границы электропроводности воды и делает процесс экономически целесообразным. Кроме того, происходит электролиз поваренной соли, содержащейся в сточной воде ряда предприятий, в результате которого выделяется активный хлор. В ходе дальнейших химических реакций получаются ионы ОСГ и атомарный кислород. Окислительными процессами, сопутствующими электрофлотации, объясняется и снижение ХПК очищаемых сточных вод.

Установки для электрофлотации работают с горизонтальным, восходящим и нисходящим движением очищаемой жидкости. При восходящем потоке происходит вынос из установки уже сфлотированных загрязнений. При нисходящем потоке выноса флотокомплексов не происходит, однако применение такой схемы влечет за собой увеличение высоты флотатора по сравнению с его высотой при горизонтальном движении жидкости, что уменьшает эффективность его работы. В связи с этим целесообразнее применять установки с горизонтальным потоком жидкости.

На эффективность процесса электрофлотации влияют величина плотности тока на электродах, продолжительность обработки, материал и способы выполнения анода и катода, температура сточной жидкости, рН, концентрация солей, главным образом NaCl и толщина слоя воды.

Оптимальная плотность тока при электрофлотации жировых загрязнений лежит в интервале от 100 до 500 А/м2. Повышение плотности тока сверх оптимального значения снижает эффект обезжиривания, что объясняется образованием турбулентных потоков в обрабатываемой воде, ухудшающих процесс флотации частиц жировых загрязнений и препятствующих закреплению их в пене.

Скорость извлечения жировых загрязнений имеет наибольшее значение в первые 5-10 мин работы электрофлотационной установки, дальнейшая обработка практически мало влияет на относительную эффективность обезжиривания сточных вод. Исследование влияния высоты слоя обрабатываемой сточной воды показало, что при высоте слоя 80-100 см эффект обезжиривания составляет около 90%. Увеличение высоты слоя обрабатываемой жидкости приводит к увеличению толщины слоя пены на поверхности электрофлотатора. Расстояние между электродами должно быть минимальным (6-8 мм) и регламентироваться только конструктивными возможностями. Увеличение величины рН снижает эффект очистки. При низких значениях рН наблюдается самокоагуляция мельчайших частиц загрязнений и их укрупнение, в результате чего общий эффект очистки повышается.

С увеличением концентрации хлоридов повышается общий эффект очистки, достигая максимального значения при концентрации ионов 1200 мг/дм3. Дальнейшее увеличение приводит к необходимости последующего дехлорирования, что значительно усложняет схему очистки. В сточных водах мясокомбинатов, в том числе в жиросодержащих стоках, содержится 50-800 мг/дм3 хлоридов. Следовательно, электрофлотационную очистку таких стоков можно проводить, не добавляя хлоридов.

Как показали исследования при подборе оптимальных параметров процесса электрофлотационной обработки, эффект очистки жиросодержащих сточных вод достигает 98% при начальной концентрации жировых загрязнений 4000-4500 мг/дм3.

 

Электрокоагуляция является частным случаем электрофлотации. Она заключается в пропускании постоянного электрического тока через сточную воду. В качестве электродов применяют металлические пластины или стружку из алюминия, железа. Под воздействием электрического тока ионы металла переходят в сточную воду, где подвергаются гидролизу с образованием гидрооксидов, хлопья которых сорбируют частицы загрязнений, в том числе коллоидные.

В результате осуществляется процесс коагуляции, аналогичный обработке воды соответствующими солями алюминия или железа. Однако при электрокоагуляции вода не обогащается сульфатами или хлоридами, содержание которых в очищенной воде лимитируется как при сбросе ее в водоемы, так и при повторном использовании в системах промышленного водоснабжения.

Процессу электрокоагуляции сопутствует процесс флотации, т. к. в результате электролиза воды одновременно выделяются газообразные кислород и водород. Хлопья гидроокиси металла с сорбированными загрязнениями, сталкиваясь с пузырьками газа, соединяются с ними и всплывают на поверхности жидкости. Некоторые частицы загрязнений, имеющие хлопьевидную структуру, могут самокоагулироваться друг с другом, тем самым увеличивая эффект гетерокоагуляции всей системы. При электрокоагуляции происходит более глубокая очистка сточных вод от жира и взвешенных веществ, чем при электрофлотации.

В результате электрокоагуляции примерно в 10 раз уменьшается количество осадка, поскольку под воздействием токов происходит разрушение органических веществ с образованием газообразных продуктов. Для отделения хлопьев коагулянта с сорбированными загрязнениями применяют последующее отстаивание. Оптимальная продолжительность отстаивания 30 мин.

Процесс коагуляции может интенсифицироваться находящимися в растворе анионами. Например, анионы SO2-4, НСО-3, Сl- способствуют коагуляции положительно заряженных частиц.

При электрокоагуляции сточных вод, содержащих тонкодиспергированные примеси, протекают и другие электрохимические, физико-химические и химические процессы: электрофорез, катодное восстановление растворенных в воде органических и неорганических веществ или их химическое восстановление, флотация твердых и эмульгированных частиц пузырьками газообразного водорода, выделяющимися на катоде. Кроме того, происходит сорбция ионов и молекул растворенных примесей, а также частиц эмульгированных в воде примесей на поверхности гидроксида алюминия (железа).

В случае применения железных электродов эффект очистки снижается примерно на 30% по сравнению с алюминиевыми, но при повышенной плотности тока (150 А/м2) результаты аналогичны. Это объясняется тем, что для образования эффективно действующей гидроокиси железа Fe(OH)3 в воде должно содержаться достаточное количество растворенного кислорода. Для этого необходимо увеличивать плотность тока, чтобы интенсифицировать процесс электролиза воды. Пена, получаемая при электрокоагуляции, имеет высокую стойкость. При отстаивании она разрушается через 24 ч.

Объем флотоконцентрата при установке алюминиевых электродов составлял 6% от расхода сточных вод, при установке железных – 10%. Влажность полученного флотоконцентрата соответственно равна 80 и 90 %.

В процессе электрокоагуляции происходит нагревание воды (при алюминиевых электродах на 3 °С, при железных на 6 °С). Эффективность электрокоагуляции зависит от присутствия в растворе хлоридов. Достаточная концентрация ионов хлора 800-1000 мг/дм3. Эффективность процесса электрокоагуляции зависит от рН среды. Если рН < 4,5, ионы алюминия гидролизуются не полностью. При рН > 7,5 образуются растворимые алюминаты (АlO2)-. И то и другое снижает эффект очистки. Для железных электродов при рН < 7 не происходит гидролиза ионов железа.

К недостаткам метода следует отнести расход дефицитного листового алюминия, исключение возможности утилизации отходов, выделенных в результате реагентной обработки стоков, повышенный расход электроэнергии.

Комбинированный метод, включающий электрокоагуляцию и электрофлотацию (электрофлотокоагуляция), отличается высоким эффектом выделения из сточной воды жиров и других загрязнений, более экономичен по расходу электроэнергии и металлических электродов по сравнению с электрокоагуляцией. При использовании электрофлотокоагуляционной установки отпадает необходимость введения реагентов в отчищаемую жидкость. При электрофлотокоагуляционной очистке сточных вод обеспечивается санитарный эффект. В очищенной воде количество сапрофитной микрофлоры уменьшается на 96-99%.

Эффекты отчистки в электрофлотокоагуляционных аппаратах составляют: по жирам 96-97%, по взвешенным веществам 90-92%, по ХПК – 65 %, по БПКполн – 70-75 %, по сапрофитам – 96-99 %.

Принципиальная схема электрофлотационного аппарата с растворимым анодом конструкции Кишиневского политехнического института приведена на рис. 2.27. Аппарат представляет собой прямоугольный трехсекционный резервуар, в нижней части которого расположены электроды. В первой секции электроды изготовлены в виде вертикальных алюминиевых пластин – катода и растворимого анода. Во второй секции расположены графитовая пластина – анод, параллельно ей установлена проволочная сетка – катод. В третьей секции графитовые пластины, выполняющие роль анода, установлены вертикально под катодом. Сточная вода из канала поступает в первую секцию, где происходит растворение металла с одновременной коагуляцией примесей, флотацией их на поверхность жидкости и образованием пенного продукта. Установленные во второй и третьей секциях графитовые аноды интенсифицируют процесс очистки, способствуя более тщательному выделению из сточной воды взвешенных частиц. Вертикальное расположение графитовых пластин в третьей секции позволяет увеличить поверхность контакта сточной воды с поверхностью анода для повышения эффективности обеззараживания воды. Очищенная вода отводится через канал. В случае отсутствия необходимости в обеззараживании воды аппараты изготавливают без третьей секции.

Испытания аппарата показали, что содержание взвешенных частиц в сточной воде снижается в 10-12 раз, а прозрачность увеличивается с 1 до 15-20 см. Оптимальная плотность тока при этом составляет 160-240 А/м2, рабочая высота слоя жидкости в аппарате – 1-1,2 м.

 

Рис. 2.27

Рис. 2.27. Принципиальная схема электрофлотационного аппарата с растворимыми электродами:
1 – секция с алюминиевыми электродами; 2,3 – секции с графитовыми пластинами; 4 – пенный продукт;
5 – канал с очищенной водой; б – трехсекционный резервуар; 8,10, 12 – аноды;
7, 9, 11 – катоды; 13 – канал со сточной водой

 

Электрохимическая активация воды (ЭХА) применяется с целью обеззараживания стоков. Электрохимические активные растворы производятся путем катодной или анодной (униполярной) электрохимической обработки воды в диафрагменном электрохимическом реакторе. Суть метода заключается в том, что разбавленные водные растворы минеральных солей, к котором относится и обычная питьевая вода, в результате униполярной электрохимической обработки переходят в метастабильное состояние. Это состояние характеризуется изменяющимися во времени физико-химическими параметрами и свойствам, достигающими стабильных значений спустя длительное время – от минут до сотен часов.

В результате катодной обработки вода приобретает щелочную реакцию (от исходного рН=7 до рН=7,5-12), снижается содержание растворенных кислорода, хлора, азота, возрастает концентрация водорода, свободных гидроксильных групп.

В результате анодной электрохимической обработки кислотность воды увеличивается (от рН = 7 до 1), сильно возрастает содержание растворенного хлора, кислорода, уменьшается концентрация водорода, азота, изменяется структура воды. Именно окислительные свойства анолита используют для дезинфекции и стерилизации.

Этот метод обеззараживания воды обладает следующими преимуществами:

  • возможность получать обеззараживающие растворы прямо на станции очистки;
  • электрохимическое воздействие не влечет за собой увеличение содержания ионов в растворах, не загрязняет их посторонними веществами, т. к. происходит исключительно благодаря обмену электронами между раствором и электродом;
  • обеззараживающее действие производит сразу комплекс элементов, в который входят и традиционные хлорные соединения, и озон, и многие другие окислители;
  • электрохимически активированные растворы во много раз активнее обычных веществ, применяемых для дезинфекции в системах водоснабжения и канализации.

 

Мембранный электролиз. Перспективным направлением утилизации концентрированных солевых растворов могут стать электрохимические технологии, в частности мембранный электролиз. Его основными достоинствами являются сокращение количества стадий технологического процесса переработки концентрированных растворов за счет объединения нескольких (снижение солесодержания, регулирование величины рН раствора, очистка от примесей и утилизация ценных компонентов, удаление избыточной кислоты или щелочи с одновременной их регенерацией), возможность получения химических товарных продуктов высокого качества, легкость автоматизации технологического процесса, удобство эксплуатации, малые производственные площади.

Широкое применение мембранного электролиза для решения ресурсосберегающих и экологических задач сдерживается отсутствием промышленного оборудования, позволяющего осуществлять процесс переработки различных солевых систем без изменения аппаратурного оформления процесса (например, электродов и ионообменных мембран).

Конструкция мембранного электролизера, предназначенного для утилизации концентрированных солевых растворов в целях получения растворов кислоты и щелочи, снижения солесодержания и регулирования величины рН, представлена на рис. 2.28.

 

Рис. 2.28

Рис. 2.28. Схема трехкамерного мембранного электролизера:
1 – корпус; 2 – анодная камера; 3 – буферная камера; 4 – катодная камера;
5 – катод; 6 – катионообменная камера; 7– анионообменная камера; 8 – анод;
9 – патрубок для подачи раствора кислоты; 10 – патрубок для подачи исходного раствора;
11 – патрубок для подачи раствора щелочи; 12 – патрубок для отвода раствора щелочи;
13 – патрубок для отвода отработанного раствора;
14 – патрубок для отвода раствора кислоты; 15 – токопроводы

 

Мембранный электролизер состоит из корпуса, разделенного мембранами натри камеры: анодную, буферную и катодную. В нижней части буферной камеры имеется патрубок для подачи исходного раствора, а в верхней части – патрубок для его отвода. В анодной и катодной камерах имеются патрубки для подачи и отвода раствора кислоты и щелочи.

Мембрана марки МА-40 является анионообменной. Она пропускает из буферной камеры в анодную только анионы. Мембрана катионообменная (марки МК-44) пропускает из буферной камеры в катодную только катионы.

Электродный блок состоит из перфорированных катода и анода и приваренных к ним токоподводов. Материал катода – нержавеющая сталь, в качестве анода применяется сплав свинца, содержащий 1-1,5% серебра, что обеспечивает низкое напряжение выделения кислорода и снижение общего падения напряжения на электролизере. Перфорация электродов позволяет увеличить их эффективную поверхность и облегчить удаление газовых пузырьков из межэлектродного пространства.

Габаритные размеры аппарата установки составляют 1490 x 510 x 570 мм, масса 70 кг, материал корпуса – полипропилен.

Технологические схемы утилизации концентрированных солевых растворов с использованием процессов мембранного электролиза разрабатываются в зависимости от исходной концентрации и химического состава растворов. Необходимая мощность очистных сооружений, состав и количество технологического оборудования определяется объемом жидких отходов и глубиной их переработки.

Особенности конструкции мембранного электролизера позволяют осуществлять электрохимический процесс с высокой селективностью, максимальной производительностью и при достижении высокой чистоты получаемых химических продуктов.

Таким образом, использование электромембранной технологии и оборудования для утилизации концентрированных солевых растворов поможет не только решить экологические проблемы, связанные с переработкой концентрированных жидких отходов, но и дополнительно получить химические продукты (кислоту, щелочь), которые можно использовать в производственном цикле.

 

2.2.7. КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД

Концентрирование сточных вод в основном используют для обезвреживания минерализованных сточных вод. Этот метод позволяет выделять из стоков соли с получением условно чистой воды, пригодной для оборотного водоснабжения.

Процесс разделения минеральных веществ и воды может быть проведен в две стадии: стадия концентрирования и стадия выделения сухих веществ.

Концентрирование сточных вод может быть проведено в испарительных, вымораживающих и кристаллогидратных установках непрерывного и периодического действия. В последнее время широкое распространение получили вакуумные испарители, которые позволяют создавать автономные установки. Они обеспечивают более мягкий процесс дистилляции, большой объем вырабатываемой воды, высокую степень концентрирования.

Принципиальная схема работы вакуумного испарителя представлена на рис. 2.29. Его конструкция базируется на технологии теплового насоса, объединенного с вакуумным. С помощью последнего обеспечивается создание вакуума в рабочем резервуаре с остаточным давлением 40 кПа. Точкой кипения воды при этом является температура около 30 °С. Необходимые тепло и холод обеспечиваются интегральным тепловым насосом, который сжимает газовую смесь (хладагент), нагревая ее до температуры около 70 °С. Сжатый газ прокачивается в змеевик и нагревает камеру кипения. При погружении в концентрируемую жидкость он практически полностью передает тепло сжатого газа этой жидкости, которая начинает кипеть.

 

Рис. 2.29

Рис. 2.29. Схема работы вакуумного испарителя:
1 – компрессор; 2 – камера кипения; 3 – камера конденсации;
4 – емкость (танк) для дистиллята; 5 – струйный насос (трубка Вентури);
6 – насос откачки концентрата (выпускной кран); 7 – вакуумный насос;
8 – теплообменник; 9 – рабочий резервуар; 10 – система отвода пара

 

После передачи тепла в камере кипения происходит дальнейшее охлаждение хладагента воздушным или водяным охладителем теплообменника. После отдачи остатков своего тепла хладагент перемещается в змеевик конденсационной камеры, где расширяется и «генерирует» холод. Водяной пар, образовавшийся в камере кипения, движется к холодной зоне камеры, где конденсируется при контакте с холодной поверхностью змеевика. По мере накопления жидкость отсасывается струйным насосом из конденсационной камеры и перемещается в емкость для дистиллята, где происходит вакуумный цикл: создание вакуума около 30-40 мбар остаточного давления внутри камеры кипения и давления около 0,2 бар внутри емкости для дистиллята. Полученный дистиллят возвращается в технологический процесс или сбрасывается. Степень концентрирования остатка в камере кипения контролируется по времени или измерителем плотности. После завершения процесса концентрат может быть удален из аппарата автоматически с помощью насоса или вручную с помощью сливного крана в днище.

В пищевой промышленности вакуумные испарители можно использовать для концентрирования сточных вод молочного производства, концентрации и возврата растворов сахара, концентрации сусла, позволяющей избежать добавок сахара, в винном производстве и т. д.

 

яндекс.ћетрика