6.Понятие о химической, биологической и ионной флотации

Способ химической флотации основан на протекании реакций с выделением газов, например, таких, как О2, СО2, Сl2 и др., пузырьки которых прилипают к загрязняющим частицам и выносят их в пенный слой. Пена, содержащая загрязняющие частицы, удаляется с поверхности воды в шламоприемник.

Биологическую флотацию используют для уплотнения осадков из первичных отстойников при очистке бытовых сточных вод. Указанные осадки нагревают до 35–55 °С и выдерживают при этой температуре в течение нескольких суток. В результате воздействия микроорганизмов на обрабатываемые осадки выделяются пузырьки газа, которые транспортируют частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвоживаются, что позволяет снизить затраты на последующие операции их обработки – механическое обезвоживание, сбраживание, термическую сушку и сжигание.

Процесс ионной флотации используют для выделения из сточных вод таких металлов, как Мо, W, Rе, V и др.

Сущность этого процесса заключается в том, что в сточные воды вводятся поверхностно-активные вещества (собиратели), которые обеспечивают флотируемым металлам водоотталкивание и сродство к пузырькам воздуха, которые выносят загрязнения в слой пены. Пену выводят из флотационной камеры и извлекают из нее сконцентрированные ионы удаляемых металлов.

17. Экстракция. Технология и оборудование.??????

Жидкостная экстракция – это процесс извлечения вещества из водного раствора в жидкую органическую фазу, не смешивающуюся с водой. Процессы жидкостной экстракции используются для выделения из сточных вод ценных органических веществ (например, фенолов и жирных кислот), а также тяжелых цветных металлов (меди, никеля, цинка, кадмия, ртути и др.).

Введем основные термины, используемые в теории экстракции. Экстрагент – это органическое вещество, образующее с извлекаемым загрязняющим веществом соединение, способное переходить органическую фазу. Данное определение обычно используется при проведении экстракции ионов металлов. Экстракция большинства неметаллических загрязнителей протекает за счет физических процессов (избирательного растворения), так как подлежащие переносу из фазы в фазу растворенные вещества обычно извлекаются без химических превращений. Экстрагент в этом случае играет роль селективного (избирательного) растворителя указанных загрязнителей. Экстрагентами служат органические кислоты, спирты, эфиры, кетоны, амины и др.

Разбавителем называют органическую жидкость, не смешивающуюся с водой и служащую растворителем экстрагента (керосин, бензол, ксилол, уайт-спирит и др.). Иногда экстрагентом называют всю органическую фазу, т. е. раствор собственно экстрагента в разбавителе.

В случае, когда экстрагент является твердым веществом, не растворяющимся в обычных разбавителях, для его перевода в жидкое состояние применяют специальные растворители (например, спирты).

Органическая и водная фазы после проведения экстракционной стадии называются соответственно экстрактом и рафинатом. Загрязняющие компоненты выделяются из экстракта двумя путями: либо ректификацией, либо реэкстракцией, в результате которых обычно достигается и регенерация экстрагента. В качестве реэкстрагирующих растворов (реэкстрагентов) используют водные растворы кислот, солей и оснований. Водный раствор после реэкстракции называют экстрактом.

Основные количественные характеристики экстракционного процесса следующие: коэффициент распределения экстрагируемого вещества kр, коэффициент разделения или коэффициент селективности β и степень извлечения Е.

Коэффициент распределения зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а также от наличия различных примесей. Кроме того, такие факторы, как рН водной фазы и величина окислительно-восстановительного потенциала, могут вызвать изменение величины kр на несколько порядков, что придает процессу экстрагирования достаточную гибкость при практической реализации и управлении процессом

Степень извлечения Е – это процент извлечения вещества в органическую фазу от общего его количества в обеих фазах.

Метод экстракционной очистки рекомендуется применять при достаточно высокой концентрации органических примесей или при высокой стоимости извлекаемого вещества. Для большинства загрязнителей сточных вод применение экстракционного способа эффективно при их концентрации 2 г/л и более.

Рассмотрим основные требования к органическим экстрагентам. Они должны иметь достаточно высокую экстрагирующую способность по отношению к экстрагируемому веществу, т. е. высокий коэффициент распределения. Кроме того, коэффициент разделения должен существенно превышать единицу.

Важным фактором в экстракционных процессах является быстрое и полное расслаивание жидкостей после их смешивания, а также малая растворимость экстрагента в воде.

Химическая реакция между экстрагентом и компонентами водного раствора должна быть обратимой, так как иначе регенерация экстрагента, необходимая для его повторного использования, будет затруднена или невозможна.

Емкость экстрагента, измеряемая в миллиграмм-эквивалентах извлекаемого вещества, приходящегося на единицу объема или массы органической фазы, должна быть достаточно большой, так как в противном случае применение экстрагента, даже обладающего высокой селективностью, может оказаться неэкономичным из-за необходимости иметь в системе большое количество экстрагента.

Плотность и вязкость являются важными свойствами экстрагента. Чем больше разность между плотностями органического и водного слоев и чем меньше вязкость реагента, тем быстрее идет их разделение.

Межфазное натяжение на границе раздела для ускорения коалесценции (слияния) несмешивающихся жидкостей при их отстаивании должно быть достаточно высоким.

Экстрагент должен быть стабильным, т. е. не изменяться под действием таких окислителей, как HNO3, не полимеризоваться или окисляться кислородом воздуха, а также не изменяться при нагревании или охлаждении.

Экстрагент должен иметь низкое давление пара, что обеспечивает возможность проведения процесса в открытой аппаратуре, а также уменьшает потери экстрагента за счет испарения. Кроме того, экстрагенты должны иметь низкие огне- и взрывоопасность, а также малую токсичность, не должны подвергаться гидролизу и взаимодействовать с экстрагируемым веществом и материалами, из которых изготовлены экстракционные установки.

Для извлечения металлов из водной в органическую фазу могут быть использованы следующие виды экстракции: катионообменная, анионообменная и экстракция нейтральными реагентами.

При катионообменной экстракции катион металла обменивается на катион экстрагента

Основным физико-химическим процессом экстракции является обмен между органической и водными фазами до достижения равновесия. Массообмен осуществляется на межфазной границе в результате перехода компонентов из фазы, где концентрация выше равновесной, в фазу, где концентрация ниже равновесной. Массообмен лимитируется встречным диффузионным транспортом компонентов от границы в объем фазы и наоборот. Очень медленный процесс молекулярной диффузии должен быть дополнен конвективной диффузией в объеме фазы, для чего необходимо создать в ней интенсивные вихревые токи с помощью гидродинамических воздействий.

При прочих равных условиях скорость массообмена для системы в целом пропорциональна величине межфазной границы. Поэтому аппаратура экстракционных процессов должна обеспечить быстрое диспергирование органической и водной фаз для получения эмульсии с достаточной большой межфазной границей. Кроме того, она должна позволять поддерживать такое состояние системы до необходимого приближения к равновесию и одновременно создавать гидродинамические условия, способствующие возникновению интенсивных вихревых потоков жидкости в объемах диспергированных фаз.

Весьма существенны для процессов конвективной диффузии минимальные вязкости контактирующих фаз, благоприятствующие развитию вихревых потоков в объемах движущихся жидкостей. Поэтому при значительной вязкости органического экстракта его разбавляют маловязкими добавками.

Высокие величины энергии межфазной границы благоприятствуют коалесценции частиц эмульсии, т. е. способствуют ее разрушению, и тем ускоряют разделение фаз в конечной стадии процесса экстрагирования. При малых энергиях межфазной границы возможно получение очень стойких эмульсий, особенно при небольшой разнице плотностей фаз экстракта и рафината. В последнем случае процесс отстаивания заменяют центрифугированием.

Для выделения загрязняющих органических веществ из сточных вод можно использовать следующие методы жидкостной экстракции, которые различают по схемам контакта экстрагента и сточной воды перекрестноточные, ступенчато-противоточные и непрерывно-противоточные.

Схема многоступенчатой перекрестноточной экстракции представлена на рис. 5.11.

При этой схеме очистки на каждую ступень экстракции подают свежий экстрагент, что приводит к значительным его расходам. Поэтому практическое применение получили методы ступенчато-противоточной и непрерывно-противоточной экстракции.

К аждая ступень рассматриваемой схемы состоит из перемешивающего устройства для смешения фаз и отстойник для их гравитационного разделения, либо используются центробежные сепараторы, обладающие более высокой разделительной способностью по сравнению с гравитационными. Чистый экстрагент и обрабатываемая сточная вода поступают с противоположных концов системы, последовательно соединенных ступеней экстракции. Сточная вода и экстрагент движутся непрерывно через систему противотоком друг к другу, причем экстракт последующей ступени смешивается в смесителе с водной фазой предыдущей ступени.

Ступенчато-противоточная экстракция может быть непрерывной или периодической (при малых расходах сточных вод).

Непрерывно-противоточная экстракция характеризуется тем, что вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающем диспергирование экстрагента в воде. Загрязняющие вещества из сточной воды переходят в экстрагент.

О брабатываемая сточная вода вводится в экстракционную колонку сверху, а экстрагент снизу, если плотность очищаемой воды превышает плотность экстрагента. В противном случае ввод воды и экстрагента меняют местами.

Для экстракционной очистки сточных вод обычно применяют колонны различных конструкций, например, распылительные, с насадкой в виде беспорядочно насыпанных колец или в виде натянутых металлических сеток, тарельчатые. К преимуществам указанных колонных экстракторов относят их высокую производительность и компактность (они занимают небольшую площадь). Кроме того, эти устройства универсальны, так как в них совмещаются процессы экстракции, промывки, реэкстракции и расслаивания фаз. Внутри многих экстракционных колонн нет движущихся частей и они просты по конструкции. Монтаж, наладка и обслуживание этих аппаратов несложны.

Недостаток колонных экстракторов – их значительная высота, которую в ряде случаев можно уменьшить, применяя перемешивание или пульсацию. Удельная производительность распылительных колонн может достигать 100 м3/м2∙ч, а насадочных и тарельчатых соответственно – 50 и 80 м3/м2∙ч. При очистке сточных вод экстракционным методом могут быть применены и экстракторы других конструкций. (Например, центробежные экстракторы.)

Регенерацию экстрагента из сточной воды обычно осуществляют в насадочной колонне острым паром, который подается снизу, а сверху противотоком направляется обработанная вода. Возможно, также осуществлять регенерацию путем отдувки воздухом или другими газами, а также реэкстракцией. Из экстракта экстрагент рекомендуется извлекать термическим методом с последующей конденсацией.

Экстракционная установка эксплуатируется следующим образом. Фенолсодержащие сточные воды охлаждают до 20–25 °С в холодильнике, продувают дымовыми газами (содержащими СО2) для перевода фенолятов в свободные фенолы, после чего они поступают на экстракцию. На первой ступени экстракт поступает в ректификационную колонну, где отгоняется экстракт – фенсольван (смесь сложных алифатических эфиров, обладающих высокой растворяющей способностью по отношению к фенолам). После конденсации фенсольван поступает в сборник, а фенол направляют на использование.

Обесфеноленную воду из последней ступени экстрактора направляют в регенерационную колонну, где паром обдувают фенсольван, который направляют в сборник. Степень извлечения фенолов из сточной воды достигает 92–97 %, а остаточное содержание фенолов не превышает 800 мг/л.