Методы очистки сточных вод

     Высокомолекулярные  флокулянты обычно подразделяют на три  группы: активная кремниевая кислота, природные флокулянты или получаемые из растительного сырья (крахмал,  эфиры,  альгинат  натрия и т.д.), синтетические органические полимеры (ПАА, полиоксиэтилен, полиэтиленимин  и др.).

     Активная  кремниевая кислота (АК) -  это  коллоидный  раствор кремниевой кислоты или  ее труднорастворимых солей,  то  есть  это высокомолекулярный неорганический полиэлектролит анионного типа. АК -  не  стандартный продукт,  готовится  на  станциях  перед  употреблением.  Сырьем для ее приготовления  является жидкое стекло - водный раствор  силиката натрия.

     Большую группу флокулянтов составляют высокомолекулярные вещества растительного и животного  происхождения. К этой группе относятся  крахмал, декстрин, желатин, эфиры целлюлозы, альгинат натрия и гуаровые смолы. Преимущество флокулянтов  природногопроисхождения  заключается в отсутствии у них  токсических свойств и полной безвредности для организма человека. Некоторые флокулянты (крахмал, альгинаты и гуаровые смолы) выделяют непосредственно из растений. Эфиры  целлюлозы,  включая карбоксиметилцеллюлозу,  декстрин и другие производные крахмала,  получают путем химической переработки природных продуктов. При переработке получают разнообразные флокулянты с различными функциональными группами,  электрическими  свойствами, молекулярными массами.

     К синтетическим флокулянтам относятся  водорастворимые  полимеры, получаемые из продуктов химической и нефтехимической  промышленности. Наибольшее  распространение  получили  полиакриламид, полиоксиэтилен, натриевые  соли и  эфиры полиакриловой  и полиметакриловой кислот, поливинилпиридин, сополимеры  малеинового ангидрида и винилацетата, полимеры на основе стирола. Применение синтетических флокулянтов для очистки воды разрешается санитарными органами только после всестороннего их обследования и проверки.

     Из  катионных флокулянтов наибольшее применение получили: полиэтиленимин,  содержащий  первичные,  вторичные  и  третичные аминогруппы, флокулянты,  содержащие  группы  четвертичного  аммониевого основания и др.

     Из  анионных флокулянтов наибольшее применение получил ПАА -технический полиакриламид. Применяют два сорта технического ПАА:  известковый и аммиачный. 

     Выбор того или иного типа флокулянта в  основном определяется величиной и  знаком заряда флокулируемых частиц. Дело в  том, что адсорбционное  закрепление молекул флокулянта на поверхности частиц в большинстве  случаев определяется электростатическим взаимодействием функциональных групп  флокулянтов с активными центрами поверхности частиц. Катионные флокулянты  лучше флокулируют отрицательно заряженные частицы,  анионные -  положительно заряженные.  

     2.3 Флотация

     Одним из наиболее перспективных методов  удаления из сточных вод нерастворенных примесей является флотация. Флотационный метод выделения грубодисперсных  частиц (от 3 мм до мм) из суспензий основан на способности последних при определенных условиях закрепляться на границе раздела фаз «жидкость-газ».

     Суть  метода основана на том, что частицы  примесей слипаются с пузырьками тонкодиспергированного в воде воздуха  и выносятся на пузырьках к  поверхности раствора, где концентрируются  и собираются тем или иным способом.

     Вероятность флотации мелких частиц зависит от вероятности столкновения их с пузырьками, а крупных – от вероятности устойчивого закрепления их на пузырьках воздуха.

     Говоря  о влиянии размера частиц на их флотируемость, необходимо отметить, что  в подавляющем большинстве случае в крупные частицы лучше взаимодействуют  с крупными пузырьками, а мелкие – с мелкими.

     Основными факторами,  влияющими  на  эффективность  флотационного выделения веществ,  являются:  их  природа,  величина  рН среды, температура, скорость продувания воздуха и механизм генерирования (образования)  подвижной границы  раздела «газ-жидкость», концентрация и природа собирателя, концентрация электролитов и органических примесей.

     В зависимости от принятого  способа  генерирования пузырьков различают  несколько видов флотации:  компрессионная (напорная),  безнапорная (пневматическая), импеллерная,электрофлотация и др.

     2.4 Методы ионного обмена и адсорбции

     2.4.1 Адсорбция на твердых сорбентах

     Адсорбция в общем случае - это  самопроизвольно  протекающий диффузионный процесс, который сопровождается понижением энергии Гиббса, и  в результате которого происходит  концентрирование растворенного компонента или растворителя на поверхности адсорбента.

     В зависимости от характера взаимодействия различают следующие типы адсорбции:

     1. Физическая адсорбция обусловлена  силами межмолекулярного взаимодействия. Она неизбирательна, обратима и  характеризуется высокими скоростями. Физическая  адсорбция  характерна  при  контакте с парогазовой  фазой, а при адсорбции из  растворов осложняется физико-химическим  взаимодействием сорбента,  сорбтива  и  сорбата.

     2. Активированная адсорбция обусловлена  взаимодействием с образованием  поверхностного соединения особого  рода - молекулы,которые вступили  во взаимодействие,  остаются  в  кристаллической решетке  адсорбента. Вследствие этого для  данного процесса характерны  избирательность, необратимость  и невысокие скорости.

     3. Хемосорбция -  это  обычная  химическая  реакция,  идущая  на поверхности адсорбента,  при   которой  выделяется  энергия,  равная теплоте данной реакции.

     Эффективность адсорбции веществ из водных растворов  зависит от химической природы поверхности, ее величины и доступности, а также  химического строения извлекаемого компонента и его состояния в  растворе в присутствии сильных  электролитов.

     Для адсорбции органических веществ  должны применяться прежде всего  углеродистые пористые материалы (различные  активные угли)  или  синтетические  материалы. Полярные  гидрофильные материалы (глины, силикогели, гидраты  окислов) для этого не пригодны,  так как энергия взаимодействия с молекулами воды почти равна  или выше энергии адсорбции молекул  органических веществ.

     Сорбция из жидких растворов значительно  сложнее, чем из парогазовой смеси,  так как включает  взаимодействия  сорбента с  сорбируемым веществом  и с растворителем (водой);  при  этом  также следует учитывать  взаимодействие растворителя с сорбатом.

     Среди широкого спектра природных и  искусственных адсорбентов наибольшее практическое применение находили до сих пор активные угли. Активные угли являются универсальными адсорбентами по отношению к примесям воды не только благодаря развитой поверхности, но и вследствие ее гидрофобности. В зависимости от преобладающего размера пор активные угли условно разделяют на крупнопористые,  мелкопористые  и  со  смешанными порами.

     Активные  угли,  используемые  для  очистки  природных  и  сточных вод, должны удовлетворять следующим требованиям:

     - должны быть относительно крупнопористы,  чтобы их поверхность была  доступна для сложных молекул;

     - обладать небольшой удерживающей  способностью в случае регенерации  адсорбированных компонентов;

     - смачиваться и плохо истираться;

     - иметь определенный гранульный  состав, а также обладать минимальной  каталитической активностью к  различным реакциям;

     - выдерживать относительно большое  количество регенераций. 

     2.4.2 Теоретические основы метода ионного обмена

     Иониты - это высокомолекулярные органические вещества трехмерной структуры, практически  нерастворимые в воде и органических растворителях и обратимо обменивающие ионы, входящие в их состав, на эквивалентное  количество других ионов из раствора одинакового заряда.

     К достоинствам ионитов следует отнести:

     - селективность ионитов;

     - возможность целенаправленного  синтеза;

     - механическая, химическая,  термическая  и радиационная  устойчивость;

     - высокая обменная способность  и хорошие регенерационные качества.

     На  сегодняшний день можно выделить следующие основные области применения ионитов:

     -  процессы опреснения,  обессоливания   воды  и  подготовки  ее для  технических целей;

     -  очистка промышленных сточных  вод с целью извлечения и  концентрирования ценных или  вредных (токсичных) компонентов,  а также обезвреживание этих  вод;

     -  гидрометаллургия цветных,  редких,  рассеянных  и  радиоактивных  элементов (очистка, разделение, концентрирование);

     - химический анализ, препаративная  химия;

     - радиохимия, органический синтез, химия  комплексных соединений, медицина, пищевая промышленность;

     - и другие области применения.

     Ионный  обмен является одним из широко используемых и перспективных физико-химических рекуперационных методов.

     Помимо  сорбционных показателей иониты характеризуются следующими свойствами:

     - тип ионогенных групп и структура  элементарной ячейки;

     - инфракрасные спектры;

     - пористость, плотность и набухаемость;

     - кислотно-основные свойства;

     - гранулометрический состав;

     -  устойчивость в агрессивных условиях;

     - кинетические свойства.

     2.5 Экстракция

     Используется  для очистки сточных вод от вредных и токсичных веществ  органической природы (например, фенолы, масла, органические кислоты) или для  селективного извлечения ценных неорганических примесей (например,  металлов)  из технологических растворов и  жидких отходов. Экстракция основана на распределении извлекаемого компонента в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей в соответствии с его растворимостью в них.

     При удачном выборе экстрагента концентрация в нем извлекаемого компонента может  значительно превышать его исходную концентрацию в воде. Сконцентрированный компонент  затем отделяют от экстрагента, и он может быть утилизирован или  использован как товарный продукт. Экстрагент после соответствующей  очистки также может быть повторно использован.

     Экстракционный  метод целесообразен для применения, когда стоимость извлеченного компонента превышает затраты на экстрагирование, или если все другие методы неприменимы. То есть, рентабельность экстракции в  сравнении,  например,  с  конкурирующим  методом ионного обмена, будет  определяться различными техноло-гическими  соображениями,  стоимостью и  доступностью  экстрагента, величиной его потерь и ценностью выделенных веществ.

     Часто в процессах экстракции в качестве экстрагентов используют различные  технические продукты (антраценовое масло, сырой бензол). Это значительно  снижает общую  стоимость  экстрагирования. Иногда удается подобрать в качестве растворителя смесь двух более дешевых  экстрагентов, получая при этом высокий  коэффициент распределения (так  называемый «синергетический эффект»).Если в сточной воде содержатся несколько  примесей, то лучше извлекать экстракцией  сначала один из компонентов, а затем  другой.

     Технология  экстракционной очистки включает три  основных процесса, от простоты и экономичности  которых зависит целесообразность метода:

     -  смешение сточной воды с экстрагентом  в условиях максимального развития  поверхности соприкосновения;

     -  возможно более быстрое разделение  жидкостей после экстракции;

     -  удаление и регенерация экстрагента  из водной и органической фаз.

     Необходимость регенерации экстрагента из экстракта  связана с тем, что в большинстве  случаев  его необходимо вернуть  в процесс для повторного использования. Часть  экстрагента неизбежно  растворяется в очищенной воде, становясь как бы новым ее загрязнителем. Поэтому экстрагент надо удалять и из рафината или очищенной воды.

     Методы  экстракции по схемам контакта сточной  воды  с экстрагентом подразделяются на ступенчато-противоточные и непрерывно-противоточные.

     Жидкостная  экстракция достаточно эффективно используется для извлечения металлов из сточных  вод. Этот процесс проводят катионообменной  экстракцией,  анионообменной  или  координационной. Извлекаемые металлы  переходят из водной в органическую фазу, а затем в результате реэкстракции - из органической фазы в водный раствор. При этом достигается очистка  сточных вод и концентрирование металла для его последующей  рекуперации. В качестве экстрагентов обычно используются различные органические кислоты, эфиры, спирты, кетоны, амины, соли четвертичного аммониевого  основания и другие.  Реэкстрагентами  чаще  являются  растворы кислот и оснований.