Десорбция, дезодорация и дегазация

Десорбция летучих примесей. Многие сточные воды загрязнены летучими неорганическими и органическими примесями, сероводородом, диоксидом серы, сероуглеродом, аммиаком, диоксидом углерода и др.

При пропускании воздуха или другого инертного малорастворимого в воде газа (азот, диоксид углерода, топочные дымовые газы и др.) через сточную воду летучий компонент диффундирует в газовую фазу. Десорбция обусловлена более высоким парциальным давлением газа над раствором, чем в окружающем воздухе. Равновесное парциальное давление удаляемого газа находят по закону Генри. Количество вещества М, перешедшего из жидкой фазы в газовую, определяют по уравнению массопередачи:

M = K _y F Dc_p, (II.106)

где K _y — коэффициент массопередачи (в данном случае он равен коэффициенту массоотдачи в газовой фазе b_у); F— поверхность контакта фаз; Dc_p—средняя движущая сила процесса десорбции.

Процесс десорбции веществ из сточных вод инертными газами может быть проведен в тарельчатых, насадочных и распылительных колоннах. Наиболее интенсивно для тарельчатых колонн он протекает в пенном режиме, а для насадочных—в режиме эмульгирования. Для проведения процесса могут быть использованы колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными, провальными и другими тарелками.

Степень удаления летучих веществ из сточных вод увеличивается с ростом температуры газожидкостной смеси, коэффициента массоотдачи и поверхности контакта фаз. Десорбируемое из воды вещество направляют на адсорбцию или на каталитическое сжигание.

При небольших количествах отделяемого вещества и небольшой его стоимости, а также при условии трудного извлечения его из газовой фазы проводят каталитическое окисление. В этом случае воздух с парами извлекаемого вещества после колонны при температуре 280—350 °С пропускают через слой катализатора (пиролюзит, оксид хрома и др.). Большинство органических соединений в этом случае окисляется до СО₂ и Н₂О.

Схема очистки воды от хлорбензола десорбцией азотом показана на рис. II-43. Сточная вода, подвергающаяся очистке, кроме хлорбензола содержит метанол, ароматические амины, формальдегид и хлорид натрия. Колонна состоит из четырех царг, в каждой из которых установлены три барботажные тарелки. Азот подают в каждую царгу раздельными потоками через коллектор.

Концентрация хлорбензола равная или меньшая ПДК (0,02 мг/л) достигалась при начальном содержании его в воде 1,8—2 мг/л и расходах воды 0,15 м³/ч и азота 44 м³/ч. Время пребывания жидкости на тарелках составляло 8 мин. Остаточное содержание хлорбензола в очищенной воде зависит от его начальной концентрации. Присутствие других примесей не влияет на степень очистки.

Дезодорация. В некоторых сточных водах содержатся меркаптаны, амины, аммиак, сероводород, альдегиды, углеводороды.

Рис. II-43. Схема установки для десорбции хлорбензола из сточной воды:

1 —емкость; 2— насос; 3 — коллектор азота; 4— колонна; 5— коллектор отходящих газов

Рис. II-44. Схема установки для дезодорации (1 и 2 —тарельчатая и насадочная колонны)

которые придают им дурной запах. Для очистки дурнопахнущих сточных вод можно использовать различные способы: аэрацию, хлорирование, ректификацию, дистилляцию, обработку дымовыми газами, окисление кислородом под давлением, озонирование, экстракцию, адсорбцию и микробиологическое окисление. При выборе метода необходимо учитывать его эффективность и экономическую целесообразность.

Наиболее эффективным считается метод аэрации, который заключается в продувании воздуха через сточную воду. Процесс проводят в аппаратах различной конструкции. На схеме, представленной на рис. II-44, удаление дурнопахнущих веществ проводят в тарельчатой колонне каскадного типа. Сточная вода растекается в виде пленок по тарелкам, на которых происходит ее контакт с воздухом. Затем воздух с выделенными веществами поступает в насадочную колонну, которая орошается раствором щелочи.

Для очистки на 85—90% необходимо иметь удельный расход 12—15 м³ на 1 м³ сточной воды, число тарелок — не менее 10, плотность орошения — 20—80 м³/(м²*ч), концентрацию щелочи — не менее 40 г/л Н₂О. Недостаток метода заключается в том, что некоторые загрязнения не удаляются методом аэрации и остаются в сточной воде.

На некоторых предприятиях дурнопахнущие сточные воды очищают продувкой острым паром. В целлюлозной промышленности воды загрязнены серосодержащими соединениями, а кроме того, метанолом и скипидаром. Отдувка паром позволяет очищать воду и от этих веществ. Основным аппаратом для обработки сточных вод паром является колонна с колпачковыми или сетчатыми тарелками. Степень очистки от сероводорода и метилмеркаптана приближается к 100%, от других веществ — к 90%. Расход пара на 1 м³ сточной воды составляет 60 кг; для уменьшения расхода пара сточную воду подогревают.

Промышленное применение имеет и хлорирование дурнопахнущих сточных вод. При этом происходит окисление хлором серосодержащих соединений. В случае недостатка хлора образуется диметилдисульфид с неприятным запахом:

H₂S+Cl₂ —> 2HC1+S, (II.107)

2СН₃SН+Сl₂ —> 2НС1+(СН₃)₂S₂. (II.108)

При избытке хлора (не менее 600 г на 1 м³) образуются диоксид серы, хлорид водорода и метансульфонилхлорид:

H₂S+3Cl₂+2H₂O —> SO₂+6HCl, (II.109)

СН₃SН+ЗСl₂+2Н₂0 —+ СН₃SO₂Сl+5НСl. (II.110)

Рис. 11-45. Схема установки для очистки сточных вод от серосодержащих соединений окислением под давлением: 1 — емкость: 2 — насос; 3 — теплообменник; 4 — трубчатый реактор; 5 — сепаратор

Очистку сточных вод от сероводорода окислением кислородом воздуха при атмосферном давлении в присутствии катализатора (железная стружка, графитовые материалы и др.) проводят в аэрационном бассейне, куда подают сжатый воздух. Большая часть сероводорода при этом окисляется до элементной серы, а другая часть отдувается воздухом. Вода очищается от серы, а воздух с сероводородом поступает на очистку в адсорбер с активным углем. После насыщения уголь регенерируют сульфатом аммония. При окислении продолжительностью 60—90 мин и расходе воздуха 10—12 м³/м³ степень очистки воды достигает 95—97%.

Высокая степень очистки может быть достигнута при использовании жидкофазного окисления сернистых веществ кислородом воздуха под давлением. Окисление сероводорода в щелочной среде при этом происходит до тиосульфата и сульфата натрия, а метилмеркаптана и диметилдисульфида — до метансульфокислоты.

Схема установки окисления сернистых соединений кислородом воздуха под давлением представлена на рис. II-45. Серосодержащие сточные воды нагреваются в теплообменнике до 100 °С, а затем поступают в трубчатый реактор, куда подается воздух под давлением 1,5 МПа. При указанных условиях серосодержащие соединения окисляются до сульфатов. Смесь воды с воздухом разделяется в сепараторе. Вода из сепаратора возвращается в емкость. Количество подаваемого воздуха составляет по кислороду 200% ХПК сточных вод. Степень очистки по сернистым соединениям достигает 90%, а ХПК снижается на 60—75%.

Сероводород из воды возможно удалить гидроксидом железа по реакциям:

в щелочной среде

2Fe(OH)₃+3H₂S=Fe₂S₃+6H₂O, (II.111)

в нейтральной среде

Fe(OH)₂+H₂S=FeS+2H₂O. (II.112)

Рис. 11-46. Схема установки для дегазации в вакууме с подогревом:

1 — котел; 2 — змеевик; 3 — насос; 4 — теплообменник; 5 — вакуум-насос; 6 — емкость

Рис. 11-47. Схема установки для отдувки аммиака: 1 — ввод сточной воды; 2 — ввод воздуха; 3 — вентилятор; 4 — хордовая насадка

После отстаивания проводится регенерация образующихся сульфидов железа:

2Fe₂S₃+6H₂O+3O₂=4Fe(OH)₃+6S, (II. 113)

4FeS+6H₂0+30₂=4Fe(OH)₃+4S. (II.114)

Для удаления запахов из сточных вод могут быть использованы процессы озонирования и адсорбции. Однако более эффективно происходит очистка при одновременном введении в воду озона или диоксида хлора и фильтровании воды через слой активного угля. Наилучшие результаты очистки получены при следующих соотношениях: для сероводорода — О₃/Н₂S>5; для метилмеркаптана — О₃/СН₃SН»10; для диметилсульфида — О₃/(СН₃)₂S=4—6. Степень дезодорации указанных веществ в этих условиях зависит от их концентрации в сточной воде и изменяется от 80 до 100%. Доза озона в этом случае снижается по сравнению с просто озонированием. Применение диоксида хлора вместо озона при тех же соотношениях обеспечивает степень дезодорации на 90—100%.

Дегазация. Присутствие в сточных водах растворенных газов затрудняет очистку и использование сточных вод, усиливает коррозию трубопроводов и аппаратуры, придает воде неприятный запах. Растворенные газы из воды удаляют дегазацией, которую осуществляют химическими, термическими и десорбционными (аэрационными) методами.

Для удаления из воды диоксида углерода используют методы аэрации, проводимые в пленочных, насадочных, барботажных и вакуумных дегазаторах. Пленочные дегазаторы — колонны с различного вида насадками, работающие в условиях противотока дегазируемой воды и воздуха, подаваемого вентилятором. Дегазаторы струйно-пленочного типа представляют собой градирни без принудительной подачи воздуха. Из дегазаторов барботажного типа наиболее эффективны пенные аппараты.

Вакуумные дегазаторы — насадочные колонны, работающие под вакуумом, в которых вода равномерно распределяется по поверхности насадки. Наиболее полная дегазация достигается при разбрызгивании в вакууме и одновременном подогреве воды (рис. II-46). Воду нагревают паром в котле. Пар из змеевика попадает в теплообменник, где вода подогревается. Вакуум создают отсасыванием дегазованной воды насосом.

Выбор типа дегазатора зависит от производительности установки, концентрации удаляемого газа и необходимой степени дегазации. Для удаления СО₂ при ее содержании в воде не более 150 мг/л и производительности до 150 м³/ч используют дегазаторы с хордовой насадкой. Плотность орошения насадки 40 м³/(м²*ч), удельный расход воздуха 20 м³/м³. При глубоком удалении газа применяют барботажные или пенные дегазаторы производительностью до 20 м³/ч.

При термической дегазации воды от растворенного диоксида углерода или кислорода пропускают пар через воду и нагревают ее до температуры кипения при внешнем давлении. В этом случае парциальное давление газа над водой снижается до нуля и растворимость его также падает до нуля. Вследствие нарушения равновесия в системе происходит выделение избыточных газов из воды (физическая десорбция).

Для интенсивной дегазации необходимо, чтобы вода непрерывно контактировала с новыми порциями пара при большой поверхности контакта фаз в течение достаточного времени. Температура воды должна быть близка к температуре насыщенного пара при данном давлении. Процесс проводят в аппаратах, называемых деаэраторами. Они имеют разную конструкцию и работают под вакуумом, при атмосферном или повышенном давлении.

Аммиак из сточных вод удаляют продувкой водяным паром или воздухом. Ионы аммония в воде находятся в равновесном состоянии с аммиаком и ионами водорода (NН₄⁺<-->NН₃+Н⁺). При рН=7 в воде могут находиться ионы аммония в истинном растворе; при рН=12 — только растворенный аммиак, который можно выделить из воды.

Скорость перехода газообразного аммиака из воды в атмосферу зависит от поверхностного натяжения на границе воздух—вода и от разности концентраций аммиака в воде и воздухе. Для осуществления процесса отдувки аммиака из воды повышают рН воды до значений 10,8—11,5 и создают большую поверхность контакта между воздухом или паром и водой.

Сначала сточную воду нагревают в теплообменнике и острым паром до 100 °С, а затем подают в десорбер на отдувку аммиака острым паром. Удаляемая из десорбера смесь воды с аммиаком конденсируется в конденсат, представляющий собой слабый водный раствор аммиака, утилизуют.

Отдувку аммиака воздухом производят в градириях с хордовой насадкой (рис. II-47). Для удаления аммиака из воды на 95—98% при 20 °С требуется соотношение объемов воздуха и воды в пределах 3000—6000. С увеличением температуры воды и высоты насадки эффективность процесса, возрастает, однако процесс имеет недостатки: возможность проведения его только при положительных температурах; большой расход воздуха; загрязнение атмосферы аммиаком.

Химические методы дегазации применяют при низкой концентрации газов в воде или в случае нецелесообразности их использования, а также при условии, что продукты обработки не затрудняют дальнейшую очистку или использование воды. Методы связаны с проведением реакций, в результате которых происходит химическое связывание растворенных газов.

Для удаления кислорода из воды, ее фильтруют через легкоокисляющиеся стальные стружки. Содержание марганца в них не должно превышать 0,3%. При фильтровании воды железо окисляется:

4Fе+3О₂=2Fе₂O₃.

Время контактирования зависит от температуры и при 20—80 °С равно 25—30 мин. Образовавшиеся оксиды железа удаляют обратной промывкой.

При обработке воды сульфитом натрия образуется сульфат натрия:

2Na₂SO₃+O₂=2Na₂SO₄.

На 1 г O₂ необходимо затратить 7,88 г Na₂SO₄.

При обработке диоксида серы

SO₂+H₂O=H₂SO₃, 2Н₂SO₃+O₂=2Н₂SO₄

в качестве катализатора используют соли меди (1 мг/л Cu²⁺) или кобальта (0,001 мг/л Со²⁺) в виде 0,01%-ных растворов. Для удаления 1 г О₂ расходуется 4 г SO₂.

Лучшим обескислороживающим воду реагентом является гидразин:

O₂+N₂H₄ —> N₂+2H₂O.

Реакция протекает значительно быстрее, чем при окислении сульфита. Катализатором служит металлическая медь, стекло, активный уголь. На 1 г О₂ требуется 1 г N₂H₄. Однако гидразин отличается высокой стоимостью, поэтому метод является дорогим.

Дата добавления: 2015-08-10