Сорбция. Физико-химическая природа сорбции. Сорбенты. Устройство и принцип действия сорбентов

Коагуляция. Физико-химическая природа коагуляции. Коагулянты и флокулянты. Технологическая схема коагуляционной очистки.

Очистка сточных вод методами электродиализа, эвапорации, азеотропной ректификации, термоокисления, выпаривания, кристаллизации.

Ионообменная очистка. Ионообменники. Физико-химическая природа ионного обмена. Технологическая схема ионообменной очистки.

Экстракция. Экстрагенты. Физико-химическая природа экстракции. Технологические схемы экстракционных установок очистки стоков.

Флотация. Физико-химическая природа флотации. Устройство и принцип действия флотаторов.

Сорбция. Физико-химическая природа сорбции. Сорбенты. Устройство и принцип действия сорбентов.

Коагуляция. Физико-химическая природа коагуляции. Коагулянты и флокулянты. Технологическая схема коагуляционной очистки

Физико—химичеокие методы очистки(4ч).

Лекция 10 (4ч).

Коагуляция - это слияние частиц коллоидной системы при их столкновейии в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещение во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) части­цы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодейс­твия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсион­ной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных гетерокоагуляцией.

ПСВ представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,1 - 10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. Последние удаляются при механической очистки, остальные образуют агрегативно устойчивую среду и для удаления их сначала коагулируют.

Одним из видов К является флокуляция (Ф), при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специ­ально добавленных веществ (флокулянтов) образуют интенсивно осе­дающие рыхлые хлопья видные скопления.

Коллоидные частицы содержащиеся в воде в деспергированном состоянии, при перемешивании прочно удерживают покрывающий их слой воды. Обладая большой удельной площадью поверхности, колло­идные частицы адсорбируют находящиеся в воде ионы, преимуществен­но одного знака, значительно понижающие свободную поверхностную энергию коллоидных частиц. Ионы, не посредственно перемещающиеся к ядру, образуют слой поверхностно-ядерных ионов, или адсорбционный слой, В этом слое может находиться также небольшое число противо­положно заряженных ионов, заряд которых, однако, не компенсирует заряда поверхностно-ядерных ионов. В связи с тем, что на границе адсорбционного слоя создается электрический заряд, вокруг гранулы (ядра с адсорбционным слоем) образуется диффузионный слой, в ко­тором находятся остальные противоположные ионы, компенсирующие заряд гранул. Гранула вместе с диффузионным слоем наз-ся мицел­лой.

А- адсорбционный слой

Б – диффузионный слой

1 - ядро

На рисунке показано изложение напряженности электрического поля мицеллы. Потенциал на границе ядра термодинамический по­тенциал (Е -потенциал) - равен сумме зарядов всех поверхност­но-ядерных ионов. На границе адсорбционного слоя потенциал умень­шается на величину, равную сумме зарядов, находящихся в адсорбци­онном слое противоположно заряженных ионов. Потенциал на границе адсорбционного слоя называется электрокинетическим потенциалом. На частицы коллоидов действуют диффузионные силы, и частицы стре­мятся равномерно распределиться во всем объеме жидкости. Наличие у частиц электрических зарядов одного знака вызывает их взаимное отталкивание. Одновременно, между коллоидными частицами имеются молекулярные силы взаимного притяжения, которые проявляются лишь при небольших расстояниях между частицами. При снижении эл.заряда частиц, т.е. при уменьшении силы отталкивание уменьшаются и становится возможный слипание частиц - процесс коагуляции коллоидов.
При потенциале = О, коагуляция проходит с мах. интенсивностью,
состояние коллоидной системы в этом случае носит название изоэлектрического состояния, а величина рН называется изоэлектрической
точкой системы.

Одним из методов увеличения коагуляции коллоидной системы является увеличение концентрации в воде электролитов. Способность электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом, который противоположен заряду коллоидных частиц.

При коагуляции хлопья образуются сначала за счет взвешенных частиц и коагулянта или только коагулянта. Образовавшиеся хлопья последнего сорбируют вещества, загрязняющие сточные воды, осаждаясь вместе с ними, очищают воду. Основный процессом коагуляционной очистки производственным сточных вод является гетерокоагуляция взаимодействие коллоидный и мелкодисперсных частиц сточных вод с агрегатами, образующиеся при введении в сточную воду коагу­лянтов. Для очистки ПСВ применяют различные минеральные коагулян­ты.

I- Соли алюминия

Образуются малорастворимые соли.

Кислоту затем нейтрализуют известью или щелочами. NaAlO₃ -алюминат натрия, Al₃(OH)₅Cl - оксихлорид алюминия, квасцы,

4. Известь.

5. Шламовые отходы, и отработанные растворы.

Хлорид алюминия (производство этилбензола), сульфат 2-х валентного железа (травление металлов), известковый шлам.

Количество коагулянта, необходимое для осуществления процес­са коагуляции, зависит от вида коагулянта, расхода состава, тре­буемой степени очистки и определить экспериментально. Образующие­ся в. результате К осадки представляют собой хлопья размером от нескольких мкм до 80 мм. Из-за большого расхода К, больших осадков. Коагуляционный метод очистки применяется в основном при небольших расходах СВ.

Расширенно оптимальных областей коагуляции способствуют флокулянты, повышающие плотность и прочность образующихся хлопьев, снижа­ющих расход коагулянтов, повышающие надежность работ и пропускную способность очистных сооружений. При растворении в сточным водах Ф - могут находится в неионизированном и ионизированном состоянии. Последние носят название растворимых полиэлектролитов (пэл). В зависимости от состава полярных групп Флокуленты бывают: неионо тентные -- полимеры, содержащие неионотентные группы: - ОН, > СО (крахмал, поливиниловый спирт, оксицеллюлоза, и тд., анионные — CОOH, -SОзН, -OSO₃H (полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и тд.) катионные-полимеры, содержащие катионные группы: ~ NH₂ = NH (полиэтиленамин, сополимеры винилпиридина), амфотерные — полимеры, содержащие одновременно анионные и катион­ные группы (полиакриламид, белки и др.).

Скорость и эффективность процесса Ф обусловлена сорбцией од­ной и той же молекулы 2-х или более частицах с образованием между ними "мостиков", что и приводит к возникновению в дисперсии круп­ных быстро сегментирующих агрегатов. В соответствии с этим вна­чале происходит первичная абсорбция, когда каждая молекула прикрепляется частью сегментов к одной частице, а затем - вторичная, при которой свободные сегменты адсорбированных молекул закрепля­ются на других частицах, объединяя их полимерными мостиками.

В реагентное хозяйство на очистных сооружениях входят склады для хранения коагулянтов. Сейчас широко применяется мокрое хране­ние коагулянтов (растворы или кускового продукта в концентриро­ванном растворе) в баках резервуарах. Растворение К в воде осу­ществляется в растворных баках с устройствами для барбатажа сжа­тым воздухом, или лопастными, пропеллерными мешалками.

Из растворных баках растворы К перекачивают в расходные ба­ки, а оттуда дозируют в обрабатываемую воду с помощью дозаторов различным конструкций.

К. смешивают с СВ в смесителях, продолжительность нахождения воды в которых составляет 1-2 мин. Применяют перегородчатые, дыр­чатые и др. смесители с мешалками. После смешения СВ с К. начина­ется процесс образований хлопьев, который происходит в камерах хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, а также с механическим перемешиванием. Для избегания разрушения хлопьев, чаще применяют гидравлическое пере­мешивание. Водоворотные камеры хлопьеобразования представляют со­бой цилиндры, в верхнюю часть которого из смесителя вводится сточная вода с вращательной скоростью на выходе из сопла 2-3 м\с. В нижней части камеры перед выходом в отстойник находятся гасите­ли вращательного движения воды. Продолжительность пребывания воды в камере 15—20 мин.

В горизонтальной от перегородчатой камере СВ протекает по нескольким, последовательно соединенным коридорам.

Перемешивания осуществляется за счет восьмидесяти поворотов.

Продолжительность пребывания воды в перегородках камер 2О—30 мин.

Высота камер определяется высотой отстойника, а ширина коридоров составляет >0,7м.

Последующие осветление СВ производится в горизонтальных, ра­диальных и вертикальных отстойникам. Наиболее целесообразной явля­ется 3-х ступенчатая схема отстаивания вод. На 1 - ступени осущест­вляется простое отстаивание в отстойнике без К, а на 2 - обработка СВ К. и Ф. с последующим отстаиванием в отстойниках.

Если в ПСВ концентрация взвешенных частиц, способных к агрегации < 4 г\л, то применяют осветлители со взвешенным слоем осад­ка, В осветлителях происходят 3 основных процесса: смешение, коа­гуляция и осветление СВ. Обрабатываемая в осветлителях СВ прохо­дит снизу вверх через слой ранее выделившегося шлама с такой ско­ростью, при которой взвешенные частицы не уносятся из зоны взве­шенного осадка. При движении СВ через взвешенный слой увеличива­ется эффект задержания мелких суспензированных частиц»

Для обеспечения нормальной работы осветлителя СВ после сме­шения с коагулянтами направляют в воздухоотделитель, где она ос­вобождается от пузырьков воздуха, выделяющихся в результате реак­ции.

Осветлитель со взвешенным слоем осадка. 1-воздухоотделитель, 2-опускные трубы 3-осадкоотводные трубы 4-осадкоуплотнитель 5-выпуск осадка 6 - выпуск осветленной воды

Сорбция - процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называют сорбентом, а поглощаемое сорбатом. Различают поглощение вещества всей массой жидкости или сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождаемая хими­ческим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называ­ется хемосорбцией. Этот метод эффективен для неглубокой очистки от органических веществ сточных вод. Преимуществом являются воз­можность адсорбции веществ многокомпонентных смесей, извлечение ценных растворенных веществ.

Адсорбция растворенных веществ - результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием солевого поля поверхности. При этом наблюда­ются 2 вида межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенно­го вещества с молекулами (или атомами) поверхности сорбента и мо­лекулы растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гид­ратация). Разность этик 2—х сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с которой удерживается извлеченное из раствора ве­щество на поверхности сорбента. Чем больше энергия гидратации мо­лекул растворенного вещества, тем больше противодействие испыты­вают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и тем сла­бее адсорбируется вещества из раствора-

Сорбционная очистка СВ рациональна, если в них содержатся преимущественно неэлектролиты, красители, гидрофобные алифатические соединения, и не рациональна при наличии неорганических, а также низких одноатомных спиртов. В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, торф, силикагели, активные глины и т.д. Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок. Пористость 60-75 %, удельная площадь поверхности 400-900 м²\г. В зависимости от преобладающего размера активированные угли делятся на крупно и мелкопористые и смешанного типа. Сорбционная способность активи­рованных углей определяется в основном микропористой структурой.

Активность С. характеризуется количеством поглощаемого ве­щества на единицу объема или массы сорбента (кг/м³, кг\кг).

Процесс сорбции может осуществляться в статических условиях, при которых частица С, т.е. движется вместе с последней (ап­параты с перемешивающими устройствами), а также в динамических условиях, при которых частица жидкости перемещается относительно сорбента (Фильтры, аппараты с псевдожиженным слоем). Поэтому раз­личают статическую и динамическую активность сорбента. Первая ха­рактеризуется мах. количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента к моменту достижения равновесия при постоянных t и C. Вторым мах. количеством вещества, поглощен­ного единицей объем или массы сорбента до момента появления сор­бируемого вещества, поглощенного единицей объема или массы сор­бента до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропуске СВ через слой сорбента.

Надо иметь в виду, что сорбция процесс обратимый. При прочих равных условиях скорости протекания прямого (сорбция) и обратного (десорбция) процессов - Смах вещества врастворе и на поверх­ности сорбента. Поэтому в первые моменты сорбции, т.е. при мах. Смах вещества в растворе, V_Cмах. По мере повышения С раство­ренного вещества на поверхности сорбента увеличивается число сор­тированных молекул, переходящих обратно в раствор. С. момента, когда количество сорбируемых из раствора (в единицу времени) мо­лекул становится ровным количеству молекул, переходящих с поверх­ности сорбента в раствор, концентрация раствора становится const; эта концентрация называется равновесной.

Если после достижения равновесия повысить С_к обрабатываемого раствора, то сорбент может извлечь из него еще некоторое коли­чество растворенного вещества. Однако, нарушаемое таким образом равновесие будет восстанавливаться лишь до полного использования сорбционной емкости данного сорбента, после чего повышение кон­центрации вещества в растворе не изменяет величина адсорбции.

В настоящее время применяют в основном цилиндрические одноя­русные адсорберы. Аппарат представляет собой колонку высотой -4м. Верхняя часть ее соединена с царгой, имеющей диаметр в 1,5 — 2 раза больше диаметра основной колонны. В зависимости от колонны коническое днище имеет центральный угол 30-60⁰. Непосредственно над коническим днищем устанавливается распределительная решетка с отверстиями 5-1О мм и шагом отверстий – 10 мм., на которую загружа­ется активированный уголь с размером частиц О,25~1мм. Высота не­подвижного слой угля 2,5 -2,7м. В нижнюю часть аппарата через центральную трубу, заканчивающуюся диффузором под решеткой, либо через боковой патрубок тройника, присоединяемого к конусному дон­цу, поступают СВ.

•ч 1 - подача СВ

2 - цилиндрическая колонна

3 – центральная труба с диффузором

4- царга

5 – подача сорбента

6 - выпуск обработанной

сточной воды

7 - сгуститель сорбента

8 - выпуск обработанного сорбента

9 – распределительная решетка

РИС. 1 Цилиндрический одноярусный адсорбер.

Уголь равномерно подается ваппарат из бункера с автомати­ческим дозатором. Сорбент в виде 5 – 20 % суспензии поступает в верхнюю расширенную часть той же центральной трубы, по которой в колонку адсорбера подается сточная вода, в трубе эта вода смеши­вается с углем. Образовавшаяся суспензия поступает через диффузор под решетку, продавливается через ее отверстия и задерживается в нижней части псевдожиженного слоя угля, который находится в ко­лонне. Обработанная СВ отводится в кольцевой желоб верхней части царги. Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда изв­леченные вещества утилизируются, или деструктивной, когда извле­ченные вещества уничтожаются, в зависимости от назначения сорбционной очистки применяются различные методы регенерации сорбента или его уничтожения. Для извлечения сортировочных веществ могут быть использованы экстрагирование органическим растворителем, от­тока адсорбированного вещества с водяным паром, и испарение адсор­бированного вещества с водяным паром, испарение адсорбированного вещества током инертного газообразного теплоносителя.

При деструктивной очистке применяют термические или окислительные методы.