биологическая и химическая флотация.

Прилипание частицы к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда частица гидрофобная, т.е. не смачивается (или плохо смачивается) жидкостью. Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым (или другим жидким) телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом (воздухом). Если каплю жидкости нанести на твердую поверхность или несмешивающуюся с ней жидкую поверхность, то нанесенная капля:

а) может остаться на поверхности в виде капли определенной формы, близкой к шарообразной (несмачивание или плохое смачивание),

б) частично растекается по поверхности, приобретая форму шарового сегмента определенной высоты (смачивание).

Угол между касательными к межфазным поверхностям с вершиной в точке раздела трех фаз, отсчитанный внутри жидкости, называют краевым углом или углом смачивания. Величина краевого угла является количественной характеристикой процесса смачивания. Жидкость не смачивает твердую поверхность, если краевой угол больше 90^О, такая поверхность называется гидрофобной. Соответственно дисперсная частица, поверхность которой не смачивается водой, также называется гидрофобной.

Эффективность процесса флотации определяется в основном адгезией между гидрофобной частицей и пузырьком воздуха, а также скоростью установления контакте между ними, т.е. скоростью разрыва разделяющей их водной пленки. При выборе условий флотации необходимо учитывать также, что флотирующая (подъемная сила), прижимающая частицу к пузырьку воздуха (сила адгезии), должна быть больше силы тяжести.

Флотация с выделением воздуха из раствора применяется при очистке производственных сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений. Метод основан на зависимости растворимости газов воздуха в воде от давления. Если при атмосферном давлении получить насыщенный раствор газов воздуха в очищаемой сточной воде а затемснизить давление до 225 – 300 мм рт.ст., то в результате уменьшения растворимости газов в воде при понижении давления в объеме очищаемой воды будут образовываться мелкие пузырьки воздуха, которые и флотируют загрязнения. Такой способ применяется при вакуумной флотации. При напорной флотации схема получения пузырьков воздуха в очищаемой воде противоположна: воду насыщают воздухом при повышенном давлении, затем внешнее давление снижают, растворимость газов в воде уменьшается и они выделяются в объеме очищаемой воды в виде мелких пузырьков.

Флотация с механическим диспергированием воздуха. При перемешивании струи воздуха в воде создается интенсивное вихревое движение, воздушная струя распадается на отдельные пузырьки. Механическое перемешивание осуществляется импеллерами – турбинками насосного типа. Импеллер представляет собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками. При вращении импеллера в жидкости возникает большое число мелких вихревых потоков, которые разбиваются на пузырьки определенной величины. Эффективность очистки зависит от скорости вращения импеллера.

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы проводится пропусканием воздуха через пористые керамические пластины или колпачки, трубы, насадки, уложенные на дне флотационной камеры. Недостатком метода является возможность зарастания и засорения пор, а также трудности выбора материалов, обеспечивающих выход мелких, близких по размеру пузырьков.

Электрофлотация отличается от других способов флотационной очистки сточных вод тем, что пузырьки газа образуются при электролизе воды. На катоде происходит восстановление воды с образованием молекулярного водорода, на аноде выделяется кислород (при использовании инертных электродов):

Катод: 2НОН +2е ® Н₂ + 2 ОН^- 2

Анод: 2НОН - 4е ® О₂ + 4 Н⁺ 1

2 Н₂О ® 2 Н₂ ­ + О₂­

При использовании неинертных электродов (железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное окисление металла, который в виде хлопьев гидроксида переходит в очищаемую воду. На хлопьях коагулянта закрепляются пузырьки воздуха, происходит интенсивная коагуляция загрязнений. Процесс в целом называют электрокоагуляционно-флотационным (или электрофлотокоагуляцией).

Биологическая флотация применяется для уплотнения осадков сточных вод. При биологической флотации осадок из первичных отстойников подогревается паром в специальной емкости до 35 – 55^ОС и при этих условиях выдерживается несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются пузырьки газов, которые флотируют частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвоживаются.

Х имическая флотация отличается тем, что для получения пузырьков газа в очищаемую воду добавляются специальные реагенты. При реакции реагентов с водой или загрязнениями воды выделяются газообразные вещества: О₂, СО₂, Сl₂ и другие.

Экстракционная очистка сточных вод основана на распределении загрязняющего вещества между двумя несмешивающимися жидкостями в соответствии с растворимостью в них (жидкофазная экстракция). Отношение равновесных концентраций извлекаемого вещества в двух взаимно несмешивающихся жидкостях величина постоянная, называемая коэффициентом распределения: . Величина его зависит от химической природы веществ, температуры и других факторов, влияющих на состояние равновесия в рассматриваемой системе. Например, коэффициет распределения салициловой кислоты в системе ацетон- вода равен 126 при 25^ОС.

Метод экстракционной очистки целесообразно применять при значительной концентрации растворенных в воде органических веществ (3-4 г/л) или при высокой стоимости извлекаемого вещества. Процесс очистки проводится в несколько стадий:

1) подготовка воды перед экстракцией (отстаивание, фильтрование, нейтрализация, охлаждение);

2) интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем) в экстракционных колоннах; в результате образуется экстракт - раствор извлекаемого вещества в экстрагенте и рафинат – сточная вода с некоторым небольшим количеством экстрагента;

3) регенерация экстрагента из экстракта

4) регенерация экстрагента из рафината.

Для успешного проведения процесса экстракции экстрагент должен отвечать следующим требованиям: иметь большое значение коэффициента распределения по отношению к экстрагируемому веществу и малую растворимость в воде, обладать большой селективностью по отношению к одному веществу или групе извлекаемых веществ, не образовывать с водой устойчивых эмульсий, значительно отличаться по плотности от сточной воды, иметь температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры кипения экстрагируемого вещества, малую токсичность и взрывоопасность, не взаимодействовать химически с извлекаемым веществом и материалами оборудования, регенерироваться простым и дешевым способом и др.

Для очистки промышленных сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной многоступенчатой экстракции и непрерывной противоточной экстракции.

Ионный обмен (ионообменная сорбция) – метод очистки сточных вод, основанные на реакции обмена между ионами, находящимися в составе очищаемой воды, и подвижными ионами, входящими в состав полиэлектролита – ионита.

катиониты ,

Иониты аниониты ,

амфотерные иониты (обладают кислотными и

основными свойствами).

Применение метода ионного обмена позволяет извлекать из сточных вод соединения мышьяка, фосфора, ионы металлов., ПАВ, радиоактивные вещества, очищать сточную воду для использования в системах оборотного водоснабжения. Практическое значение имеют неорганические природные и искусственные алюмосиликаты, гидроксиды и соли многовалентных металлов; применяются иониты, полученные химической обработкой угля, целлюлозы, лигнина. Однако наибольшее применение в промышленности находят синтетические органические иониты – ионообменные смолы. Они представляют собой полимеры, углеводородные радикалы мономерных звеньев которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней функциональными группами, которые могут принимать участие в реакциях ионного обмена. При пропускании сточной воды, содержащей ионы-загрязнители, протекает реакция обмена ионами между ионитом и раствором (сточная вода), в результате чего загрязнение оказывается связанным с полимерным нерастворимым ионом, например:

RSO₃H + X⁺ = RSO₃X + H⁺

X⁺ - загрязнение

RSO₃H - катионит в Н-форме.

Ионный обмен в большинстве случаев является обратимым. Реакция проходит до установления ионообменного равновесия. Скорость установления равновесия зависит от многих факторов: скорости пропускания очищаемой воды через слой ионита, концентрации ионов, структуры зерен и физических свойств ионита и др. При соприкосновении ионитов с водой происходит их набухание, объем ионитов при этом увеличивается в 1,2 – 2 раза. Степень набухания зависит от химического строения смолы, состава раствора. Набухание влияет на скорость и полноту ионного обмена ионов, а также на селективность ионита. В целях повышения селективности ионитов к определенным металлам в состав смолы вводят вещества, способные образовывать с ионами металлов комплексные соединения.

Важнейшим свойством ионитов является их обменная емкость. Полная обменная емкость определяется как количество моль ионов, которые может поглотить 1 м³ ионита до полного насыщения. Рабочая емкость ионита – количество моль ионов, которое может поглотить 1 м³ ионита до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов. Иониты выпускают в виде порошка с размерами частиц 0,04 – 0,07 мм, гранул размером 0,3 – 2,0 мм, волокнистого материала, листов и плиток.

Процессы ионообменной очистки сточных вод проводят на установках непрерывного и периодического (фильтры) действия. Фильтр периодического действия представляет собой закрытый цилиндрический резервуар с расположенным у днища щелевым дренажным устройством, обеспечивающим равномерное отведение воды по всему сечению фильтра. Высота слоя загрузки ионита 1,5 – 2,5 м. Фильтр может работать при различных режимах подачи сточной воды и регенерирующего раствора: а) вода и регенерирующий раствор подаются сверху; б) сточная вода подается снизу, а регенерирующий раствор – сверху.

1- колонна, 2-решетка, 3- слой ионита,

4-6 – распределители, 5 – разбрызгивающее устройство

Схема ионообменного фильтра периодического действия.

Регенерация катионитов осуществляется промывкой кислотой (Н-катионита) или раствором хлорида натрия (Na-катионита). Регенерация слабоосновных анионитов достигается промывкой их растворами гидроксида натрия, соды или гидроксида аммония. Процесс регенерации ионитов состоит из трех стадий: взрыхление ионита, собственно регенерации и отмывки ионита от продукта регенерации и избытка регенерирующего вещества. Объем промывных вод обычно составляет 70-100% объема регенерирующего раствора. К недостаткам ионообменных фильтров периодического действия относятся большие объемы аппаратов, значительный расход реагентов, большая масса сорбента, сложность автоматизации процесса. Этих недостатков не имеют установки непрерывного действия.

Колонны непрерывного действия могут работать как с движущимся слоем смолы, так и с кипящим слоем. Ионит движется по замкнутому контуру, последовательно проходя стадии сорбции, регенерации и промывки. Аппараты просты в конструкционном исполнении и эффективны в работе.

Прочие физико-химические методы очистки сточных вод распространены значительно реже.

Эвапорация – метод удаления из сточных вод легколетучих веществ путем отгонки их с водяным паром или путем отгонки из сточной воды азеотропных смесей воды с загрязнением.

Выпаривание - испарение воды из сточных вод при повышенных температурах (100^ОС).

Испарение – самопроизвольное удаление воды из открытых поверхностей сточных вод, протекающее при любых тепературах.

Кристаллизация - удаление загрязнений из сточных вод за счет уменьшения растворимости загрязнений при понижении температуры вод.

Магнитная обработка – извлечение ферромагнитных примесей при помощи магнитов (электромагнитов).

Дата добавления: 2015-07-16