Використання методу екстракції для очистки стічних вод

Рідинна екстракція використовується для очистки стічних вод від органічних речовин (феноли, органічні кислоти тощо), а та­кож в окремих випадках від іонів металів. Доцільність викори­стання екстракції для очистки стічних вод визначається концент­рацією органічних речовин в них і процес може бути економічно доцільним в тих випадках, коли вартість вилучених речовин ком­пенсує всі витрати на його проведення.

При очистці води методом екстракції можлива рекуперація ви­лучених компонентів.

Для кожної речовини існує концентраційна межа рентабельності вилучення її зі стічної води методом екстракції. Загалом, для більшості органічних речовин можна вважати, що при концентрації вище 3-4 г/дм³ їх доцільніше вилучати екстракцією, ніж методом адсорбції. При концентраціях менше 1 г/дм³ екстракцію слід вико­ристовувати тільки в окремих випадках.

Під рідинною екстракцією слід розуміти процес розподілу ре­човини між двома рідкими фазами, які не змішуються між собою (вода - органічний розчинник). Розподіл речовини між двома фазами зумовлений різною розчинністю її в різних розчинниках (передбачається, що речовина краще розчиняється в органічному розчиннику, який називають екстрагентом).

Очистка стічних вод методом екстракції складається з трьох стадій:

* дозування екстрагенту (органічного розчинника) та інтенсивне його перемішування з стічною водою (утворюються дві фази: екстракт, який містить речовину, що вилучається, і екстрагент, а також рафінат, який містить стічну воду і частину екстрагенту);

* розшарування екстракту і рафінату;

* регенерація екстрагенту із екстракту і рафінату.

Щоб знизити вміст розчинених у воді органічних домішок до концентрацій, нижчих за граничнодопустиму, необхідно правиль­но обирати екстрагент і швидкість його подавання в стічну воду. При виборі екстрагенту слід враховувати його селективність до домішок, фізико-хімічні властивості, вартість і способи регене­рації.

Екстрагент, який використовується для очистки стічних вод, повинен відповідати таким вимогам:

♦ розчиняти речовину, яка вилучається, значно краще, ніж вода, тобто володіти високим коефіцієнтом розподілу (k = Сo/С_B);

♦ володіти високою селективністю розчинення необхідних речовин та високою розчинністю цих речовин;

♦ мати низьку розчинність у стічній воді і не утворювати стійких емульсій;

♦ густина екстрагенту повинна якомога більше відрізнятись від гус­тини стічної води (для прискорення розшарування);

♦ володіти високим коефіцієнтом дифузії, що прискорює швидкість масообміну (а відтак і екстракції);

♦ регенеруватись простим і дешевим способом;

♦ мати температуру кипіння, яка значно відрізняється від темпера­тури кипіння речовин, що вилучаються, а також мати невелику питому теплоту випаровування і невелику теплоємність;

♦ не взаємодіяти з вилученою речовиною;

♦ по можливості не бути шкідливим, вибухо- і вогненебезпечним, не викликати корозії обладнання, мати невелику вартість.

Швидкість подачі екстрагенту в стічну воду повинна бути мінімальною і вона залежить від необхідного ступеня очистки і коефіцієнту розподілу речовини.

При наявності в стічних водах декількох домішок, доцільно ви-іучати екстракцією спочатку один компонент (найбільш цінний або токсичний), а потім, за необхідністю, інші. При цьому для кож­нім о компоненту може бути використаний різний екстрагент.

Регенерацію екстрагенту проводять з використання вторинної екстракції,а також випарюван-ням, дистиляцією, хімічною взає­модією або осадженням. Але слід враховувати, що екстрагенти обмежено розчинні у воді. Це вимагає вилучення органічного роз­цінника із рафінату (як-що розчинність екстрагенту у воді вища і ГДК), що здійснюють шляхом адсорбції або відгонкою паром (газом ).

Для очистки стічних вод найчастіше використовують процеси протитечійної багатоступеневої екстракції(рис. 4.16) та безперервної протитечійної екстракції (рис. 4.17). Зі схеми, яка представлена на рис. 4.16 видно, що установка є батареєю змішувачів і відстійників. Кожний ступінь складається із змішувача води з екстрагентом і відстійника, а свіжий екстрагент і стічна вода потрапляють у протилежні боки. На першому ступені очистки стічна вода змішується з екстрагентом, який вже містить значну кількість речовини, що вилучається, а на останньому - чистий екстрагент. На рис. 4.17 представлена схема безперервної екстракції в протитечійній колоні з регенерацією екстрагенту. Екстракцію проводять в розпилювальних апаратах, насадкових і тарілчастих колонах, а також у відцентрових екстракторах.

1-3 - змішувачі; Г-3' - відстійники.

Рис. 4.16. Схема багатоступінчастої протитечійної екстракції

1 - система для видалення екстрагенту з рафінату; 2 - колона; 3 - система для видаленій екстрагенту з екстракту.

Рис. 4.17. Схема безперервної протитечійної екстракції з регенерацією екстрагенту з екстракту і рафінату.

Використання методів зворотного осмосу і ультрафільтрації для очистки стічних вод

Зворотним осмосом і ультрафільтрацією називають процеси фільтру вання розчинів через напівпроникну мембрану під тиском, який перевищує осмотичний тиск. Мембрани пропускають молекули розчинника і зат­римують розчинені речовини. При зворотному осмосі відділяються частки (молекули, гідратовані іони), розміри яких не перевищують розмі­ри молекул розчинника. При ультрафільтрації розмір окремих частиною на порядок більший, але максимальні їх розміри не перевищують 0,5 мкм

Отже, від звичайної фільтрації ці процеси відрізняються відділсп ням частинок менших розмірів. Тиск, який необхідний для проведення процесу зворотного осмосу (6-10 МПа) значно більший, ніж для процесу ультрафільтрації (0,2-0,5 МПа). Зворотний осмос викорис­товується для знесолення води в системах водопідготовки ТЕЦ і підприємств різних галузей промисловості, а також для очистки дея­ких промислових і міських стічних вод. Перевагами методів є:

1. відсутність фазових переходів при відділенні домішок;

2. можливість проведення процесу при кімнатній температурі без дода­вання хімічних реагентів;

3. простота конструкції апаратів.

Недоліками методів є: виникнення явищ концентраційної поляризації, яке полягає у зростанні концентрації речовини у поверхні мембрани, що зменшує продуктивність, ступінь розділення і строк експлуатації мембран;проведення процесу при підвищеному тиску вимагає спеціального ущіль­нення апаратури.

Ефективність процесів розділення залежить від властивостей мем­бран і вони повинні відповідати таким вимогам:

· висока розділяюча здатність (селективність);

· велика питома продуктивність (проникливість);

· механічна стійкість та стійкість до дії середовища; х постійність характеристик в процесі експлуатації;

· невисока вартість.

Селективність ф (у %) процесу розділення визначають за форму­лою:

,

де С₀ і С - концентрація розчиненої речовини у вихідній стічній воді і фільтраті.

Проникливість визначається за кількістю фільтрату V, який одержаний за одиницю часу з одиниці робочої поверхні: V = k₁·( Δp - Δp_o)

де Δр - різниця тиску води до і після мембрани; Δр₀ - різниця осмотичних тисків;

k₁ - коефіцієнт, що залежить від проникливості мембрани.

Запропоновано кілька варіантів механізму зворотного осмосу. За одним з них мембрани сорбують воду, яка в поверхневому шарі не володіє здатністю до розчинення. Якщо товщина шару адсорбованих молекул води складає половину або більше половини діаметру пор мембран, тоді під тиском через пори буде проходити тільки чиста вода, ізважаючи на те, що розмір деяких іонів менший, ніж розмір молекули води. Проникненню таких іонів через пори перешкоджає їх гідрат­на оболонка. Якщо товщина адсорбованого шару молекул води менша від половини діаметра пор, тоді разом з водою через мембрану будуть проникати і розчинені речовини.

Для ультрафільтрації запропонований інший механізм розділення. Розчинені речовини затри-муються на мембрані тому, що розмір мо­лекул їх більший, ніж розмір пор, або внаслідок тер-тя молекул у стінки пор мембрани. Насправді у процесі зворотного осмосу і ультра­фільтрації мають місце складніші процеси.

Для проведення процесу очистки води використовують непористі - динамічні і дифузійні мембрани, які є квазігомогенними гелями, і пористі мембрани у вигляді тонких плівок, які виготовлені з полімер­них матеріалів. Найбільшого поширення набули полімерні мембрани з ацетатцелюлози. Розроблені також мембрани із поліетилену, фторо­ваного етиленпропіленового сополімеру, політетрафторетилену, пори­стого скла, ацетобутирату целюлози.

Ацетатцслюлозні мембрани використовуються для зворотного ос­мосу і вони мають анізотропну структуру. Верхній активний шар товщиною до 0,25 мкм є шаром, в якому проходить розділення, а нижній -крупнозернистий шар забезпечує механічну стійкість мембран. Аце-татцелюлозні мембрани ефективно працюють у межах тисків 1-8 МПа, температур 0-30°С і значень рН 3-8. Для ультрафільтрації використо­вують нітратцелюлозні і поліелектролітні мембрани. За структурою вони аналогічні ацетатцелюлозним.

Процес мембранного розділення залежить від тиску, гідродинаміч­них умов і конструкції апарату, природи і концентрації стічних вод, вмісту в них домішок і температури.

Вплив концентрації розчину призводить до зростання осмотичного тиску розчинника, підвищення в'язкості розчину і зросту концентра­ційної поляризації. Це, в свою чергу, призводить до зниження проникливості і селективності. Зворотній осмос рекомендують вико­ристовувати для очистки стічних вод з такою концентрацією електро­літів: для одновалентних солей - не більше 5-10%; для двохвалентних -10-15%; для багатовалентних - 15-20%. Для органічних речовин заз­начені межі дещо вищі. Для зменшення впливу концентраційної поля­ризації використовують рециркуляцію розчину і турбулізацію примембранного шару рідини за допомогою мішалки, вібраційних пристроїв і збільшення швидкості. Оптимальний тиск і температура процесу залежать від природи мембрани.

Апарат типу фільтрпрес представлений на рис. 4.18. Конструкція апаратів для проведення процесів зворотного осмосу і ультрафільтрації повин-на забезпечити значну поверхню мембран н одиниці об'єму, простоту зборки і монтажу, механічну стійкість і гер метичність. В апаратах типу фільтрпрес мембрани викладені з обох сторін плос­ких пористих дренажних пластин, які розміщені на відстані 0,5-5,5 мм одна від одної. Фільтруючі елементи затиснуті між двома фланцями і стиснуті болтами. Стічна вода послідовно проходить крізь всі елемен-

ти, концентрується і видаляється із апарату. Фільтрат (очищена вода), який пройшов мембрани, виходить через дренажні шари. Апарати цього типу мають невисоку продуктивність.

1 - пористі пластини; 2 - мембрани

Рис. 4.18. Апарат типу фільтрпрес

За способом укладання мембран апарати поділяють на чотири основні типи:

1. Типу фільтрпрес з плоскопаралельними фільтруючими пристроями;

2. З трубчастими фільтруючими елементами;

3. З рулонними або спіральними фільтруючими елементами;

4. З мембранами у вигляді пустих волокон.

Хімічні методи очистки стічних вод

До хімічних методів очистки стічних вод належать нейтралізація, коагуляція та флокуляція, окислення і відновлення. Всі ці методи пов'язані з витратами різноманітних реагентів, тому є дорогими. Вони використо­вуються для видалення з води розчинених речовин (хімічно зв'язаних) і завислих речовин. Хімічна очистка проводиться іноді як попередня стадія перед біологічною очисткою або після неї як стадія доочистки.