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

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

Гетерогенный ионный обмен или ионообменная сорбция - про­цесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, при­сутствующими на поверхности твердой Фазы ионита.

Очистка ПСВ методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси, ПИВ и радиоактивные вещества, очи­щает сточную воду до предельно допустимых концентраций с последу­ющим ее использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения. По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты и аниониты, проявляющие соответственно кислотные и основные свойства. Иониты подразделяются на природные и искусственные (синтетические). На практике применяются алюмоси­ликаты, соли многовалентных ионов, иониты, полученные химической обработкой угля, целлюлозы и лигнина.

Но ведущая роль принадлежит синтетический органическим ионтам – ионообменным смолам.

Различают следующие виды ионитов.

1. Сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы SO₃Н и сильноосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые осно­вания.

2. Слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные СООН и дипольные группы, диссоциирующие при рН > 7, а также слабоос­новные аниониты, содержащие первичные NH₂ и вторичные NH грулпы, диссоциирующие при рН < 7.

3. Иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси силь­ных и слабых кислот или оснований.

Важнейшим свойством ионита является их поглотительная спо­собность, обменная емкость. Полная емкость ионита - количество находящихся в СВ 2 - экв. ионов, которое может поглотить 1 м³ ионита до полного насыщения. Рабочая емкость ионита—количество на­ходящихся в воде г экв. ионов, которое может поглотить 1 м³ иони­та до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов. При соприкос­новении ионитов с водой происходит их набухание вследствие осмотических явлений, объем ионитов увеличивается в 1,2 - 2 раза. На кинетику ионного обмена влияют t°, С и т.д. Характерной особен­ностью ионитов является их обратимость, т.е. возможность проведе­ния реакции в обратном направлении, что и лежит в основе их реге­нерации.

Примеры ионитов - сульфоуголь СН - 1, катионит КУ — 1,

(катиониты):

Если катиониты находятся в Н или Na—Форме, обмен катионитов проходит по реакциям:

Сильнокислотные катиониты позволяют осуществлять процесс ионного обмена при любых рН, а слабокислотные - при рН > 7.

Регенерация катионитов осуществляется промывкой кислотой (при Н-катионите) или раствором хлористого натрия (при Na - катионите):

Т. к в СВ, как правило, содержится несколько катионов, боль­шое значение имеет селективность их поглощения. Для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вытеснения.

Например, для катионита КУ-7:

Слабоосновные аниониты поглощают анионы сильных кислот:

А - сложный органический комплекс анионита.

Для большинства анионитов справедлив следующий ряд по погло­щающей способности:

Регенерация слабоосновных анионитов достигается Фильтрованием через солей анионита 2-4%-ных водных растворов NaOH, Nа₂СО₃ или NH₄OH:

Процессы ионообменной очистки СВ осуществляется в аппаратах периодического (фильтрах) и непрерывного действия.

Фильтр периодического действия представляет собой закрытый цилиндрический резервуар с расположенным у днища с целе­вым дренажным устройством, обеспечивающим равномерное отведение воды по всему сечению.

РИС. Ионный аппарат непрерывного действия

1— подача воды, 2,3-устройство соотве­тственно для транспортировки и отбора ионита, 4 - подача СВ, 5-регулятор скорости движения потока воды в регенера­торе, 6-подача регенерационного рас­твора, внутренний корпус для регенерации ионита, 8—отвод послерегенерационного раствора, 9 -ионообменная смола, 10 - воронка для приема отработанного ионита 11-выпуск отработанной СВ.

Фильтра, высота слоя загрузки ионита 1,5 - 2,5 м. Фильтр может работать по параллельно-проточной схеме (СВ и ре­генерирующий раствор сверху) и по противоточной схеме (СВ снизу, регенерирующий раствор сверку). На продолжительность фильтроцикла большое влияние оказывает содержание взвешенных частиц, поэтому перед подачей воды в ионообменную установку следует обеспечить максимальное их удаление.

В аппаратам непрерывного действия ионит движется по замкнутому контуру, последовательно проходя стадии сорбции, регенерации и промывки.

Аппарат состоит из ионообменной емкости, выполненной в виде усеченного конуса- Внутри этого конуса находится второй усеченный конус, где происходят процессы регенерации и отмывки. СВ подается в колонну через трубу с коническими насадками. Пройдя через псевдоожиженный слой ионита, обработанная вода выходит из верхней части колонны.

Отработанный ионит осаждается внижней части колонны, откуда через трубчатое устройство с помощью аэрлифта или эжектора подает­ся в верхнею часть колонны. Во внутреннем полом усеченном конусе скорость движения потока воды уменьшаются с помощью регулятора, что способствует вовлечению отработанного ионита в этот конус и последующему осуждению его в нижней части ионообменной колонны. Регенерационный раствор подается в нижнюю часть внутреннего усе­ченного конуса, а отводится из верхней части. Регенерированный ионит, продолжая опускаться на встречу восходящему потоку воды, промывается и переходит в рабочую зону колонны.

С электродиализом, ультрафильтрацией и обратным осмосом мы с вам ознакомились в прошлом году при изучении др. курсов.

Рассмотрим остальные перспективные методы очистки.

ЭВАПОРАЦИЯ. Среди эвапарационных методов очистки ПСВ наиболее широкое распространение получили парациркуляционный метод и азеотропная ректификация. Первый применяют для удаления из СВ летучих веществ: фе­нолов, креозолов, нафтолов и т.д. и основой на отгонке загрязнений с циркулирующим водяным паром и на последующей его отмывки от загрязне­ний раствором щелочи. При нейтрализации щелочного раствора загрязнения выделяются из него и могут быть отделены от водного слоя отстаиванием, отгонка осуществляется в периодически действующих аппаратах или в неп­рерывно действующих дистилляционных колоннах. При движении через ко­лонну с насадкой навстречу острому пару сточная жидкость нагревается до 10О С° и находящиеся в ней летучие примеси частично переходят в паро­вую фазу. Основные размеры звапорационных колонн: 0,8 — З м и насадки 6-12м; = 5-lO; 2O-2OO м3/сут.

Азеотропная ректификация основана на свойстве многих химических соединений образовывать азеотропные, неразделяющиеся смеси с водой. СВ из емкости направляется в колонну, обогреваемую паром, где относится часть воды в виде азеотропной смеси с загрязняющим компонентом. Пары выходящие через верх колонны, поступают в конденсатор, конденсат после дополнительного охлаждения направляется в сепаратор, где разделяется на 2 слоя - водный и органический.

Водный слой из сепаратора сбрасывается е емкость исходной СВ, а загрязняющий компонент поступает на дальнейшую переработку или на повторные использование.

Выпаривание СВ применяют для увеличения концентрации солей, содержащихся в сточных водах, и ускорения их последующей кристал­лизации, а также для обезвреживания небольших количеств высококонцентрированных СВ (например радиоактивных).

Выпаривание может быть простым, а также одно и многоступен­чатым. Простое выпаривание производят в открытых резервуарах, в которых СВ с помощью пара низкого давления нагревается до 1ОО** С, что вызывает большой расход теплоты. При выпаривании под вакуумом можно значительно снизить t кипения раствора, и следовательно, использовать в качестве источника теплоты обработанный пар. Одна­ко такие установки более сложны.

Испарение в отличие от выпаривания осуществляется с открытой поверхности жидкости и происходит практически при любой t.

Кристаллизация основана на различной растворимости содержа­щихся в СВ веществ, зависящей не только от их вида, но и от t — растворителя. При изменении t СВ получаются пересыщенные растворы находящихся в них веществ, а затем их кристаллы.

Термоокислительные методы обезвреживания СВ - парофазное окисление (огневой метод), жидкофазное окисление ("мокрое" сжига­ние), а также парофазное каталитическое окисление, Сущность "ог­невого" метода заключается в том, что СВ вводится в распыленном состоянии в высокотемпературные (9ОО~1ООО°С) продукты горения топлива, испаряется, органические примеси СВ сгорают, образуя продукты полного сгорания. Минеральные примеси при этом образуют твердые или расплавленные частицы, которые выводятся из рабочей камеры печи или уносятся с дымовыми газами.

Сущность термоокислительного жидкофазного обезвреживания состоит в окислении кислородом воздуха органических примесей СВ, находящихся в жидкой Фазе при высоких t (35O°C) и давлении.

Термокаталитическое окисление применяется при очистки СВ, загрязненных летучими органическими веществами. По этому методу СВ подается в выпарной аппарат, где пары воды и органических ве­ществ, а также газы и воздух подогреваются до ЗОО^'С, а затем смесь подается в контактный аппарат, загруженный катализатором. Обезвреженная парогазовая смесь охлаждается, и образующийся кон­денсат используется в производстве.

Магнитная обработка находит применение при очистке СВ метал­лургической промышленности от механических примесей, а также в системах обратного водоснабжения для предупреждения накипи обра­зования в теплообменных аппаратах.