Физико-химические методы очистки сточных вод

К физико-химическим методам очистки сточных вод относятся:

• коагуляция и флокуляция;
• флотация;
• адсорбция;
• ионный обмен;
• экстракция;
• ректификация;
• выпаривание;
• дистилляция;
• обратный осмос;
• ультрафильтрация;
• кристаллизация;
• десорбция и т.д.

Коагуляция – укрупнение дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. (в очистке сточных вод – для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ (3-100 мкм).

Коагуляция может быть самопроизвольной или под действием химических или физических процессов.

Коагулянты образуют хлопья гидроксидов металлов (в качестве коагулянтов выступают Al₂(SO₄ )₃ ∙ 18 H₂O, NaAlO₂, Al(OH)₂Cl, Fe₂(SO₄)₃ ∙ 2H₂O и т.д.).

Коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов – слабый положительный, поэтому они взаимно притягиваются. Поверхность коллоидных частиц (неподвижный слой) и окружающая их жидкость (подвижный слой) создают двойной электрический слой, характеризующийся определённой величиной дзета-потенциала. Дзета-потенциал – разница потенциалов между поверхностью коллоидных частиц и жидкостью. Величина дзета-потенциала определяет взаимное отталкивание коллоидных частиц; роль коагулянтов заключается в уменьшении дзета-потенциала, что приводит к дестабилизации коллоидных частиц. Чем выше валентность иона коагулянта, тем больше его коагулирующее действие.

Флокуляция – агрегация взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных веществ (флокулянтов). Агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул, адсорбированных на частицах флокулянта.

Флокуляцию используют для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью увеличения скорости их осаждения.

Флокулянты: крахмал, декстрин, эфиры целлюлозы и др., активный оксид кремния хSiO₂ ∙ yH₂O, полиакриламид.

Механизм действия флокулянтов состоит в следующем:

- адсорбция молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц;

- ретикуляция (образование сетчатой структуры) молекул флокулянта;

- слипание коллоидных частиц за счёт сил Ван-дер-Ваальса.

Таким образом, под действием флокулянтов между коллоидными частицами образуются трёхмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению от жидкой фазы (адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков).

На рисунке 44 приведена схема очистки вод коагуляцией (флокуляцией).

вода коагулянт

сточная вода очищенная

вода

осадок

Рис.44 Схема очистки вод коагуляцией (флокуляцией)

1 – ёмкость; 2 – дозатор; 3 – смеситель; 4 – камера хлопьеобразования;

5 - отстойник

Флотация применяется для удаления из СВ нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются (например, для удаления ПАВ – пенная сепарация). Флотация используется для очистки СВ в нефтепереработке, производстве искусственного волокна, целлюлозно-бумажном производстве и т.д.

Достоинства:

• непрерывность процесса;
• широкий диапазон применения;
• небольшие эксплуатационные и капитальные затраты;
• простота аппаратуры;
• селективность выделения примесей;
• получение шлама низкой влажности (90-95 %);
• высокая степень очистки (до 98%);
• возможность рекуперации удаляемых веществ;

Флотация сопровождается аэрацией, поэтому благодаря действию кислорода снижается концентрация ПАВ и легкоокисляемых веществ, бактерий и других организмов.

Механизм флотации:

пузырёк воздуха при сближении с твёрдой гидрофобной частицей слипается с ней, поднимая её на поверхность, где образуется пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.

воздух

Q твёрдая частица

касательная к поверхности прилипания

Q – краевой угол смачивания

Чем больше Q, тем выше вероятность прилипания частицы. Для увеличения угла смачивания добавляют ПАВ (реагенты-собиратели), они адсорбируются на поверхности частиц, уменьшая их смачиваемость. ПАВ – масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, дитиокарбонаты, амины и др.

Флотацию применяют также совместно с флокуляцией. На рисунке 45 приведена схема с применением напорной флотации.

Различают вакуумную и напорную флотацию. В случае вакуумной флотации воздух подают в воду под небольшим давлением, во флотаторе создают вакуум, в случае напорной флотации воздух подают под давлением 0,15 – 0,4 МПа. Для насыщения воды газом используют механическое диспергирование воздуха при его подаче через пористые перегородки, химическое и биологическое насыщение газом.

Пенная сепарация используется для очистки от ПАВ, аналогична адсорбции органических веществ на поверхности твёрдого сорбента. (см.рис.46).

Рис.46

Адсорбция – поглощение адсорбентами (твердые вещества) молекул других веществ из газов и жидкостей.

Используют для глубокой очистки СВ от органических веществ после биохимической очистки, в локальных установках, если концентрация веществ невелика, вещества не разлагаются биологически или сильно токсичны (фенолы, гербициды, пестициды, ароматические нитросоединения, ПАВ, красители и др.)

Адсорбция:

-регенеративная, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией;

-деструктивная, когда извлеченные вещества уничтожаются вместе с сорбентом.

Сорбенты: активные угли, синтетические сорбенты, некоторые отходы производства (зола, шлак).

Адсорбционные установки (рис.47):

-при интенсивном перемешивании адсорбента с СВ (а,б);

-при фильтрации через неподвижный слой (в);

-в псевдоожиженном слое

Рис.47

Регенерация сорбентов может осуществляться:

• десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром, либо нагретым инертным газом (для активированных углей);
• экстракцией органическими низкокипящими и легкоперегоняющимися с водяным паром растворителями;
• химическими реагентами, разрушающими адсорбированные вещества (хлором, кислородом);
• термическим путём;
• биологической деструкцией.

Ионный обмен

Используют для извлечения из СВ металлов (цинк, медь, хром, никель, свинец, ртуть, кадмий, ванадий, марганец и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды. Ионный обмен используют при обессоливании в процессе водоподготовки.

Ионный обмен – процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе.

Твердая фаза – иониты:

-катиониты и аниониты;

-природные (минеральные: цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты, силикагели), органические (гуминовые кислоты, сульфоугли) и искусственные (ионообменные смолы).

Реакция ионного обмена в общем виде:

на катионите: R-H + K⁺ → R-K + H⁺

на анионите: R-OH + A^-→ R-A + OH^-

Схема ионообменной установки (очистка хромсодержащих вод) на рис.48.

Рис.48

Экстракция

Жидкостная экстракция применяется для очистки СВ, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов и др.

При содержании извлекаемых веществ 3-4 мг\л применяют экстракцию, 1 мг\л – адсорбцию и др. методы.

Стадии процесса экстракции:

1) интенсивное перемешивание с экстрагентом (органические растворители) и разделение на 2 фазы: первая содержит извлекаемые вещества с экстрагентом (экстракт), вторая – СВ с экстрагентом (рафинат);

2) разделение экстракта и рафината;

3) регенерация экстрагента из экстракта и рафината (см.рис.49)

Рис.49

Обратный осмос и ультрафильтрация – фильтрование растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающем осмотическое.

Применяют для обессоливания воды на ТЭЦ и др. предприятиях.

Схема обратноосмотической установки

СВ

2 3 концентрат

очищенная вода

1- насос высокого давления; 2 – мембранный модуль; 3- мембрана

Электрохимические методы

Применяют для очистки от растворимых и диспергированных примесей в процессах анодного и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлотации, электролиза, которые происходят при пропускании через СВ постоянного тока.

Недостаток- большой расход электроэнергии.

Химические методы очистки СВ:

-нейтрализация;

-окисление;

-восстановление

Применяют для удаления растворимых веществ в замкнутых системах водоснабжения.

Нейтрализация:

(СВ, содержащие кислоты или щелочи нейтрализуют до рН = 6,5-8,5)

-смешивание кислых и щелочных стоков;

-добавление реагентов;

-фильтрование кислых СВ через нейтрализующие материалы;

-абсорбция кислых газов щелочными водами и наоборот.

Окисление

Окислители: Cl₂, ClO₂, KClO₃, KClO, KMnO₄, K₂CrO₇, H₂O₂, O₂, O₃, пиролюзит и т.д., только в особых случаях (очистка от цианидов) – мышьяк и др.

Восстановление

Применяется для выделения ртути, хрома, мышьяка (легко восстанавливаются).

Лекция 12

Дата добавления: 2014-01-07