Необходимая доза коагулянта в зависимости от концентрации примесей 2 страница

По знаку заряда иониты делят на катиониты (содержащие кислотные, карбоксильные или сульфогруппы типа SО₃Н^– или –СООН, способные фиксировать минеральные или органические катионы и обменивать их либо друг на друга, либо на ион водорода Н⁺) и аниониты (содержащие основные группы, например, третичные амины - производные NН₃, в которых водород полностью замещен другими заместителями - или четвертичные производные аммония -N(СН₃)³⁺, способные фиксировать минеральные или органические анионы и обменивать их на гидроксид-ион ОН^-).

Так как ионный обмен - обратимая реакция, отработанные иониты регенерируют, т.е. подвергают обработке, в результате которой из ионита вымываются поглощенные ионы, а ионит возвращается в первоначальную форму.

Некоторые характеристики ионообменных смол:

Обменная емкость - масса ионов, которые могут быть извлечены единицей объема (или единицей массы) рассматриваемого ионита. Она не зависит от природы противоионов, а является постоянной величиной, определяемой числом фиксированных ионов по реакции нейтрализации катионита раствором щелочи, а анионита - раствором кислоты.

Полезная емкость - часть полной обменной емкости, изменяется в зависимости от гидравлических и химических условий работы ионита.

Динамическая емкость - количество ионов, которое может поглотить 1 м³ ионита до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов, определяется пропусканием раствора солей или кислот определенной концентрации с постоянной скоростью через ионит.

Статическая емкость - это обменная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях. Статическая емкость больше динамической.

Объемная нагрузка - отношение объема жидкости, обрабатываемой за 1 час, к объему смолы.

Нагрузка по ионам - объемная нагрузка, умноженная на солесодержание воды (количество вещества ионов, поступивших на 1 л смолы за 1 час).

Регенерационное отношение - масса реагента, использованного для регенерации единицы объема (или массы) ионита.

Эффективность регенерац и и - отношение количества использованного регенерирующего реагента к количеству реагента, соответствующего стехиометрическому удалению ионов.

Эффективность удаления ионов - отношение концентрации удаляемых ионов в жидкости после и до обработки (%).

Механическая прочность - износ гранул в процессе их использования.

Иониты должны обладать:

Ø -высокой обменной способностью (обменной емкостью);

Ø -хорошими кинетическими свойствами (большой скоростью обмена);

Ø -механической и термической прочностью;

Ø -устойчивостью по отношению к кислотам и щелочам, окислителям и восстановителям;

Ø -отсутствием растворимости в воде, органических растворителях и растворах электролитов;

Ø -ограниченной набухаемостью;

Ø -способностью к регенерации;

Ø -доступностью и приемлемой стоимостью.

Для нормальной работы ионитов необходима предварительная очистка СВ от взвешенных веществ, масел, др.органических веществ, в т.ч. от ПАВов.

Принципиально возможны три варианта применения ионитов для очистки СВ, в частности, образующихся в процессах обработки металлов:

Ø -очистка СВ, образующихся в отдельных технологических процессах (цинкование, хромирование, меднение и т.п.),

Ø -очистка общего стока цеха или участка химической и электрохимической обработки металлов,

Ø -очистка СВ с целью удаления из нее минеральных солей после предварительного обезвреживания СВ реагентами.

С экономической точки зрения наиболее целесообразна ионитная очистка не общего потока СВ, а СВ отдельных технологических участков и операций, содержащих соли как можно меньшего количества металлов или кислот. В этом случае переработка и возврат в производство концентрированных растворов, образующихся при регенерации ионитов и содержащих различные химические продукты, вызовет наименьшие трудности.

Ионообменный метод применим в основном для очистки СВ с общим солесодержанием до 0,3-0,5 г/л. Увеличение солесодержания снижает экономичность метода.

Большая часть ионитов (около 80%) используется в процессах водоподготовки: умягчение воды, ее обессоливание.

Умягчение воды:

2R_к-Nа + Са⁺² = Са=2R_к + 2Nа⁺

регенерация:

Са=2R_к + 2NаСl (8-10% р-р) = 2R_к-Nа + СаСl₂

Обессоливание воды:

R_к-Н + NаСl = R_к-Сl + НСl

Rа-ОН + НСl = Rа-Сl + Н₂О

регенерация:

R_к-Nа + НСl (2-6%р-р) = R_к-Н + NаСl

Rа-Сl + NаОН (2-4%р-р) = Rа-ОН + NаСl

С растворами регенерации ионитов часто отводится в 2-4 раза больше солей, чем извлекается в процессе ионного обмена. Поэтому при проектировании ионообменных установок должны быть предусмотрены методы использования концентрированных рассолов или их безопасного удаления.

Большое значение для снижения стоимости ионообменной очистки СВ имеет стоимость регенерации ионитов, которая может достигать 60-90% общих затрат на ионообменную очистку. Эту задачу можно решить различными способами.

Переработка регенератов в полезную продукцию.

В этом случае регенерация осуществляется реагентом, используемым в основном производстве в качестве сырья или вспомогательного материала, с последующим возвращением образующегося регенерата в основное производство без специальной обработки. Например, для предприятий фосфорной промышленности в качестве таких реагентов использованы растворы Н₃РО₄ и NН₃, с последующим возвратом отработанных реагентов в основное производство.

Аналогичным образом на предприятиях фосфорной и азотной промышленности, в производстве мочевины, на коксохимических заводах, в производстве формальдегидных смол в качестве регенерирующих растворов используются 2-6% растворы Н₂SО₄, 10-25% растворы НNО₃, 2-10% растворы NН₃, 35-40% растворы формальдегида.

Если нельзя использовать регенераты в основном производстве, стоят установки по их переработке: на Первомайском химзаводе в качестве регенерирующих растворов применяют 25% НNО₃ и 10% NН₃. Образующиеся растворы используются как жидкое, а после выпаривания - как твердое удобрение.

Регенерация ионитов отходами производства.

На заводах основной химии регенерация ионитов осуществляется растворами Н₂SiF₆ - отходами производства фосфорной кислоты, перед их нейтрализацией известью.

Ионообменная очистка используется за границей для глубокой очистки бытовых СВ от биогенных соединений. Получаемая вода имеет следующие характеристики:

БПК_полн – 0,4 мгО₂/л,

ХПК - 7 мгО₂/л,

взвешенные вещества - 0,3 мг/л,

нитраты - 0,45 мг/л,

нитриты - 0,4 мг/л,

Р_общ - 0,08 мг/л,

N_общ - 0,6 мг/л,

N (NН⁴⁺) - 0,25 мг/л.

Вода имеет низкую жесткость, м.б. использована как добавочная в системах промышленного водоснабжения.

Методом ионообменной очистки возможна обработка продувочных, рудничных и промывных вод с возвратом обработанной воды в производство.

Возможно селективное извлечение из СВ следующих металлов в ионной форме: Аu, Аg, Ni, Cu, Zn, Ba, Pb, Cd, V.

Ионным обменом очищают радиоактивные воды. Из-за низкого солесодержания радиоактивных вод и сложности полной химической регенерации радиоактивных ионитов экономически приемлемо одноразовое использование ионитов с последующим их захоронением.

Мембранные методы

К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся: обратный осмос, ультрафильтрация, диализ, электродиализ. В любом из этих процессов разделяемый раствор приводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с одной ее стороны. Вследствие особых свойств полупроницаемых мембран прошедшая через нее смесь обогащается одним из компонентов. В ряде случаев процесс проходит настолько полно, что продукт практически не содержит примесей, задерживаемых мембраной.

Области использования мембранных методов:

					обычная фильтрация
				микрофильтрация
	ультрафильтрация
	обратный осмос
	диализ
	электродиализ
Растворенные вещества ионы	Макромолекулы вирусы	очень мелкие	мелкие	крупные
частицы

В зависимости от размеров отделяемых частиц различают 4 процесса фильтрации:

- диализ и обратный осмос - это процессы, когда отделяются самые мелкие частицы порядка 10^-9м и меньше. Обычно это молекулы с молекулярной массой менее 1000 или ионы,

- ультрафильтрация - процесс в ходе которого отделяются макромолекулы и частицы размером 10^-9 - 2·10^-8 м, молекулярная масса таких частиц лежит в пределах 1000 – 100000,

- микрофильтрация предназначена для выделения коллоидных частиц с размерами от 2·10^-8 до 10^–5м. У нижней границы раздела микрофильтрация соответствует выделению вирусов, тут ее трудно отличить от ультрафильтрации. У верхней границы она переходит в макрофильтрацию,

- макрофильтрация - процесс выделения из растворов или суспензий крупных частиц размерами более 10^-5 м. Для этого применяют не мембранные, а обычные фильтры.

Достоинства мембранных методов:

Ø их реализация не требует химических реагентов, поэтому отпадает необходимость в реагентном хозяйстве;

Ø осуществляются при температуре ОС без фазовых переходов;

Ø технологическое оборудование просто и компактно;

Ø из-за всего перечисленного методы достаточно экономичны.

Определяющей проблемой при реализации мембранных методов является разработка и изготовление полупроницаемых мембран, которые должны иметь:

Ø - высокую разделяющую способность (селективность);

Ø - высокую удельную производительность (проницаемость);

Ø - химическую стойкость к действию разделяемой системы;

Ø - неизменность характеристик в процессе эксплуатации;

Ø - механическую прочность, достаточную для монтажа, транспортировки и хранения мембран;

Ø - низкую стоимость.

При изготовлении мембран используют различные материалы: полимерные пленки, стекло, металлическую фольгу и др. Наибольшее распространение получили полимерные мембраны.

Производство мембран может происходить путем спекания, отливки, растягивания, выщелачивания.

Метод спекания самый старый, заключается в сплавлении твердых частиц стекла, керамики и других материалов таким образом, чтобы они образовали твердую пленку или пластину. Сплавление проводится или под давлением при высоких температурах, или с применением связующих материалов под давлением при низких температурах. Поры материалов, полученных спеканием, представляют собой промежутки между спекшимися частицами. Пористость таких мембран низка, т.к. большая часть мембраны занята самими твердыми частицами.

В методе отливки используют растекание тонкой пленки раствора, содержащего полимеры и последующее испарение растворителя. Отливка является главной операцией при изготовлении обычных мембран.

Метод растягивания состоит в том, что плотную полимерную пленку аккуратно растягивают во всех направлениях при тщательно контролируемых условиях. При этом в пленке образуются поры, размерами которых можно управлять, т.к. размеры определяются способом растягивания.

В методе выщелачивания пленку отливают из смеси двух веществ: когда пленка отлита, одно из веществ удаляют соответствующим растворителем, при этом образуется пористая структура.

Мембраны могут быть монолитными (формируются из расплавов полимеров), пористыми (получаются мокрым формованием или испарением их сформированных пленок или нитей растворителя; крупнопористые мембраны получают спеканием частиц), асимметричными (состоят из двух слоев: один - монолитный, второй - пористый, получают частичным испарением растворителя и новым погружением мембраны в раствор).

По способу укладки мембран мембранные аппараты разделяют на:

Ø плоскокамерные;

Ø трубчатые (мембрана внутри трубки / мембрана снаружи трубки);

Ø рулонные.

Движущей силой процесса могут быть градиенты концентрации, давления, электрического потенциала.

Эффективность разделения оценивают следующими показателями:

– селективностью:

Ф = (С₁ - С₂)/ С₁,

где С₁ и С₂ - концентрации компонента в растворе до и после мембраны,

– коэффициентом разделения:

Кр = С_пА/С_пВ:С_иА/С_иВ,

где С_иА и С_пА - концентрации компонента А в исходном и прошедшем через мембрану растворе,

С_иВ и С_пВ - концентрации компонента В в исходном и прошедшем через мембрану растворе,

– проницаемостью (удельной производительностью):

G = Y/ F·t,

где Y - количество раствора, прошедшее через мембрану за время t,

F - поверхность мембраны.

Влияние внешних факторов на характеристики разделения

Высокая температура приводит к снижению срока службы некоторых типов мембран из-за гидролиза материала (ацетатцеллюлозные разрушаются при t=60ºС). (В последние годы получены мембраны, работающие при высоких температурах.) С повышением температуры проницаемость увеличивается обратно пропорционально вязкости жидкости, затем проницаемость уменьшается и при 85ºС - падает до нуля. Этот процесс можно объяснить усадкой и полным стягиванием пор мембраны в процессе структурирования полимера, т.е. необратимыми изменениями полимера при указанной температуре.

Концентрация растворенных веществ является одним из важных факторов, определяющих как характеристики процессов разделения, так и саму возможность использования мембранных методов разделения. Увеличение концентрации растворенных веществ приводит к повышению осмотического давления растворов, что снижает движущую силу процесса и приводит к возрастанию вязкости. Это вызывает снижение проницаемости и селективности. Часто возникают и другие осложнения. Значение рН смещается от положения равновесия, что приводит к гидролизу и разрушению мембран. В концентрированных растворах ряда органических соединений может происходить растворение мембран. На поверхности мембран могут образовываться слои осадков, что нарушает нормальную работу аппаратов.

Выделяются три области зависимости общей селективности от концентрации растворов электролитов:

Ø область до концентраций порядка 10^-3 моль/л характеризуется повышением селективности.

Ø затем до концентраций порядка 1^-5 моль/л селективность становится практически постоянной величиной.

Ø область, начинающаяся от концентраций в 1^-5 моль/л характеризуется резким падением селективности и проницаемости (вплоть до нуля).

Концентрационная поляризация связана с образованием пограничного слоя, отделяющего поверхность мембраны от раствора в объеме. Ее влияние отрицательно, т.к.:

Ø -снижается эффективное давление из-за увеличения осмотического давления раствора, определяемое именно концентрацией в пограничном слое. Это приводит к снижению скорости процесса и селективности.

Ø -сокращается срок службы полимерных мембран, который в значительной степени зависит от концентрации растворенного вещества.

Толщина пограничного слоя с повышенной концентрацией примеси определяется гидродинамическими условиями в аппарате.

Влияние концентрационной поляризации на процесс ультрафильтрации намного сильнее, чем на процесс обратного осмоса. Концентрация примеси на поверхности мембраны может достичь такого значения, что на мембране образуется слой осадка, резко снижающего скорость процесса. Для повышения скорости ультрафильтрации приходится интенсивно перемешивать раствор или прокачивать его с большой скоростью над мембраной. В ряде случаев этот путь непригоден из-за резкого повышения расхода энергии на циркуляцию раствора. В этом случае целесообразно применение турбулизирующих вставок.

Влияние природы растворенных веществ на разделение компонентов:

Ø -неорганические вещества задерживаются мембранами лучше, чем органические с той же молекулярной массой,

Ø -среди родственных соединений (например, гомологов) лучше задерживаются вещества с большей молекулярной массой,

Ø -вещества, которые могут образовывать связи с мембраной (например, водородные), задерживаются тем лучше, чем менее прочна связь.

Ø

Обратный осмос, ультрафильтрация и микрофильтрация - это процессы фильтрования через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающем осмотическое давление. Они имеют много общего, поэтому мы охарактеризуем их вместе.

Характеристики	Процесс
микрофильтрация	ультрафильтрация	обратный осмос
Диаметр задержи-ваемых частиц	10^-1 -2·10^-2	2·10^-2– 10^-3	10^-3 – 10^-4
Р, МПа	0,1	0,1 – 0,5	6 – 10
Мольная масса отделенных частиц	коллоидные частицы	> 00	< 500
Диаметр пор мембраны, мкм	14 – 10^-1	10^-1 – 10^-2	монолитная полупроницаемая мембрана
Используемые аппараты	плоскокамерные, трубчатые	плоскокамерные, трубчатые	плоскокамерные, трубчатые, рулонные

Обратный осмос используется для того, чтобы понизить концентрацию молекул или ионов веществ, растворенных в жидкости (как правило, в воде).

Ультрафильтрация - процесс разделения и фракционирования растворов, при котором макромолекулы отделяются от раствора и низкомолекулярных соединений.

Существуют три главные области применения ультрафильтрации:

1 - концентрирование, т.е. увеличение концентрации макромолекул удалением растворителя.

2 - обессоливание растворов макромолекул, т.е. удаление из раствора ионов и низкомолекулярных примесей.

3 - фракционированием молекул разделением их по величине.

Обратный осмос и ультрафильтрация имеют принципиальное отличие от обычной фильтрации. При фильтрации продукт откладывается в виде осадка на поверхности фильтра. При ультрафильтрации и обратном осмосе образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. В этих процессах накопление растворенного вещества у поверхности мембраны недопустимо, т.к. приводит к резкому снижению селективности и проницаемости мембраны.

Обратный осмос и ультрафильтрация различаются в нескольких отношениях:

Ø -мембраны обратного осмоса имеют поры меньших размеров, чем мембраны для ультрафильтрации, т.к. даже молекулы с низкой молекулярной массой не могут пройти через обратноосмотические мембраны;

Ø -ультрафильтрация идет при относительно малом перепаде давлений, в то время как для обратного осмоса перепад давлений велик;

Ø -при ультрафильтрации макромолекулы отделяются от низкомолекулярных веществ (солей и воды), поэтому продукт - концентрированный раствор макромолекул. При обратном осмосе вода отделяется от всех растворенных веществ, продукт - вода с пониженным содержанием растворенных веществ;

Ø -при ультрафильтрации продукт задерживается мембраной, при обратном осмосе этот продукт проходит через мембрану, а концентрат отбрасывается.

Диализ (синоним – осмос) - процесс, при котором вещества, находящиеся в растворе отделяются благодаря неодинаковым скоростям диффузии через мембрану, т.к. мембрана имеет разную проницаемость для разных веществ (полупроницаемость мембраны). Диализ был одним из первых открытых мембранных процессов, нашедших широкое применение.

Это достаточно простой процесс, движущая сила которого - концентрационный градиент, перепада давлений не требуется, осуществляется в плоскокамерных аппаратах.

Электродиализ - это процесс диализа, ускоренный наложением электрического тока. Ускорение действует только на заряженные частицы, поэтому с помощью электродиализа происходит очищение СВ от электролитов, т.е. обессоливание воды. Для очистки СВ методом электродиализа используют электрохимически активные ионитовые мембраны.

Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми (пропускающими только катионы) и анионитовыми (пропускающими только анионы) мембранами, образующими концентрирующие (рассольные) и обессоливающие камеры. Под воздействием постоянного электрического тока катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь к аноду, проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате из одного ряда камер (н-р. четных) ионы обоих знаков выводятся в смежный ряд камер:

катод						анод
Н2↑	К	А	К	А О2↑
ОН^–	←Na^+		←Na^+	Н^+
		NaCl
NaOH	Cl^–→		Cl^–→	HCl

1 и 5 - электродные камеры. На катоде выделяется водород и образуется щелочь, на аноде выделяется кислород и образуется кислота;

3 - рассольная камера;

2 и 4 - камеры с очищенной СВ.

Обычно электродиализаторы делают многокамерными (100-200), что позволяет достичь наибольшего выхода по току.

Расход энергии при очистке СВ, содержащей 250 мг/л примесей, до остаточного содержания солей 5 мг/л составляет 7 кВт·ч/м³ воды.

СВ, обрабатывающаяся на электродиализной установке не должна содержать взвесей, коллоидов, железа и марганца, т.к. эти соединения осаждаются на поверхности мембран, увеличивая электрическое и гидродинамическое сопротивление установки.

Электродиализ наиболее экономичен при исходном солесодержании 1 - 10 г/л, при содержании соли более 10 г/л экономичнее выпаривание, при содержании соли менее 1 г/л – ионный обмен.

При сравнении нескольких способов обессоливания вод получены следующие результаты:

Ø -стоимость обессоливания дистилляцией на 20-30% выше стоимости воды, получаемой мембранными методами,

Ø -ионный обмен сопровождается огромным количеством регенерационных вод, возникает проблема утилизации их.

Химическая очистка производственных сточных вод

Химические методы основаны на проведении разнообразных химических реакций, которые нейтрализуют токсичные вещества, разрушают их, переводят в газообразное состояние или осадок. Для того, чтобы химические методы очистки были рентабельны, необходимо придерживаться двух условий:

Ø -уменьшать объемы СВ, увеличивая за счет этого концентрации загрязняющих веществ,

Ø -утилизировать выделенные соединения.

Основными методами химической очистки производственных СВ являются нейтрализация и окислительно-восстановительные реагентные методы. Нужно различать окислительно-восстановительные реагентные и электрохимические методы для проведения которых нужны не реагенты, а электрический ток.

Применение химической очистки целесообразно (в качестве предварительной) перед биологической или физико-химической. При локальной очистке производственных СВ в большинстве случаев предпочтительнее использование химических методов очистки.

Дата добавления: 2015-07-13