Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица II.8.

Характеристики некоторых отечественных активных углей

Марка

Объем, см

/г

Поверхность,

/г

Крупность,

Насыпная

плотность,

KIVM

Прочность

по МИС, %

Марка

суммар-

ный

микропор

переход-

ный

макропор

суммар-

ная

переход-

ных пор

Крупность,

Насыпная

плотность,

KIVM

Прочность

по МИС, %

ОУ-А 2,38

0,26

0,27 1,78 805

138

—

— —

ОУ-Б

— 0,39

0,21

—

138

— — —

КАД-

молотый

0,42

0,11

—

— — —

АГ-2 0,60

0,30 0,05

0,25

—

33 1,5-2 600

65-70

АГ-3

0,8-1,06

0,32-0,42

0,12-0,16

0,41-0,52

— —

1,5-2,8

450 75

АГ-5

0,9-1,06

0,3-0,43

0,17 0,46

—

1-1,5

450 75

КАД-

иодный

1 0,34

0,15

0,51 977

110

2-5

380-450

CKT

0,98 0,51

0,2 0,27

—

108

1,5-2

420 65

скт-з

0,80

0,46

0,09 0,25

—

20-55

420-470

АР-3

0,7 0,33

0,07 0,30

—

2,7-5,5

550

65-75

БАУ

1.5

0,25-0,39

0,08

0,19-0,21

—

50-60

1-5

220-350

—

ДАК

1,2-1,45

0,17

0,04

1,23

— 30

0,5-15

230

292

Учитывая все эти обстоятельства, определяют условия, при кото-

рых адсорбционная очистка сточных вод идет с оптимальной скоро-

стью. Процесс целесообразно проводить при таких гидродинамичес-

ких режимах, чтобы он лимитировался во внутридиффузионной об-

ласти. сопротивление которой можно снизить, изменяя структуру- ад-

сорбента, уменьшая размеры зерна. Для ориентировочных расчетов

рекомендуется принимать следующие значения скорости и диаметра

зерна адсорбента: со =1,8 м/ч и d

=2,5 мм. При значениях

со

и d

меньше указанных, процесс лимитиру ется по внешнедиффузионной

области, при больших значениях — во внутридиффузионной.

Адсорбционные установки. Процесс адсорбционной очистки

сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с

водой, при фильтровании воды через неподвижный или движущий-

ся слой адсорбента или в псевдоожиженном слое на

становках пе-

риодического и непрерывного действия.

Установки при перемешивании адсорбента с водой. При

смешивании адсорбента с водой ИСПОЛЬЗУЮТ активный уголь в виде

частиц 0.1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько

ступеней.

Статическая односту пенчатая адсорбция нашла применение

тех

случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом произ-

водства. Более эффективно (при меньшем расходе адсорбента) про-

цесс протекает при использовании многоступенчатой

становки. При

этом, в первую ступень, вводят столько адсорбента, сколько необхо-

димо для снижения концентрации загрязнений от с

до с,, затем ад-

сорбент отделяют отстаиванием или фильтрованием, а СТОЧНУЮ ВОДУ

направляют во вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент. По

окончании процесса адсорбции во второй ступени концентрация заг-

рязнений в воде уменьшается от

до с, и т. д. Схема такой

станов-

ки показана на рис. II-29, а.

Расход адсорбента для одноступенчатого процесса определяют

из уравнения материального баланса:

ш = Q(C

-C

)ZC/. (11.7 П

где m — расход адсорбента: Q — объем сточных вод; где с

и с

—

начальная и конечная концентрации загрязненной сточной воды: а —

коэффициент адсорбции.

Конечная концентрация загрязнений в сточной воде после очист-

ки в установке с п ступенями равна:

293

=[Q / (Q+k„)pc

где к — коэффициент распределения, равный

k = aJa = (C

-C

) /(с

-с J -0,7-0,8,

(11.72)

(11.73)

Адсорбент

вода

Адсорбент Адсорбент

Очищен-

ная вода

а Отработанный адсорбент

Адсорбент

Очищен-

ная вода

Отработанный адсорбент

4 6

Сточная

вода

Очищен-

ная вода

Регенерат

Рис II-29. Схемы адсорбционных установок: a

—

с последовательным введе-

нием адсорбента 1 — смеси гели, 2 — отстойники; б — с противот очным введени-

ем адсорбента: 1 — смесители, 2 — отстойники, 3 — приемники адсорбента, 4 —

насосы; в — непрерывного действия: 1 — усреднитель, 2 — насос, 3 — фильтр, 4-

6 — колонны, 7

—

емкость

294

где a

— значение удельной адсорбции за время т; с

— равновесная

концентрация вещества.

Расход адсорбента на каждую сту пень находят по формуле:

=Q/k(

-l), (1174)

необходимое число ступеней:

n = Igc

-Igc

/[Ig(Q^km

)-IgQ] (II 75)

В противоточной схеме адсорбент вводят однократно в после-

днюю

сту

пень, и он движется навстречу сточной воде (рис. Н-29,6).

По этой схеме процесс очистки ведут непрерывно при значитель-

но меньшем расходе адсорбента, чем по схеме с последователь-

ным введением сорбента. Однако эта установка дороже и сложнее

в эксплуатации.

Концентрация вещества в сточной воде после п ступеней вычис-

ляется по формуле:

с/ = (km / Q-1 )с

/ [(km / Q)

n+l

-1 ] (11.76)

Дозу адсорбента, вводимого в последнюю ступень, можно вы-

числить по уравнению:

Otm

nyl

-Pm-Y = О, (II 77)

где a =(k/Q)

n+1

; р =kc/Qc

; у =с/с

-1;

число ступеней устанавливают по зависимости n = К-1. где

К = {lg[c

(km / Q-l)+c

]-lgc

}/ lg(m-Q)k. (II 78)

Установки с неподвижным слоем адсорбента. В динамичес-

ких условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной

воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от кон-

центрации растворенных веществ и колеблется от 2-4 до 5-6 м

/(м

.ч).

Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все сечение. Адсор-

бент применяют в виде частиц размером в пределах 1,5-5 мм. При

более мелких зернах возрастает сопротивление фильтрованию жид-

кости. Уголь укладывают на слой гравия, расположенного на решет-

ке. Во избежание забивки адсорбента сточная вода не должна содер-

жать твердых взвешенных примесей.

В одной колонне при неподвижном слое угля процесс очистки

ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и ре-

генерируют. При непрерывном процессе используют несколько ко-

лонн (рис. 29,

в).

По такой схеме две колонны работают последова-

295

тельно, а третья отключена на регенерацию. При проскоке в средней

колонне на регенерацию отключают первую колонну.

В момент проскока в колонне появляется слой адсорбента высо-

той L

, который не работает. Этот слой называют "мертвым" слоем.

Если одновременно выводить из колонны "мертвый" слой и вводить

в нее такой же слой свежего адсорбента, то колонна будет рабо-

тать непрерывно. Для подачи адсорбента имеются специальные

дозаторы.

Скорость перемещения работающего слоя равна:

= CW Ia , (П.79)

н ср од'

где

— средняя скорость воды в колонне; — динамическая ем-

кость адсорбента. Длина работающего слоя:

L=M/ S

Дс , (11.80)

P P

где M — количество поглощенного вещества;

— площадь попереч-

ного сечения слоя; P — коэффициент массопередачи;

— средняя

движущая сила адсорбции.

При небольших концентрациях загрязнений в сточной воде сред-

няя движу щая сила процесса может быть вычислена как средняя ло-

гарифмическая из движущих сил на концах адсорбера.

Установки с псевдоожиженным слоем адсорбента. Установки

с псевдоожиженным слоем (периодического или непрерывного дей-

ствия) целесообразно применять при высоком содержании взвешен-

ных веществ в сточной воде. Размер частиц адсорбента при этом дол-

жен быть равным 0,5-1 мм. Скорость потока для частиц указанных

размеров находится в пределах 8-12м/ч.

Конструкция адсорберов. В аппаратах

псевдоожиженным сло-

ем отношение H / H

— высота неподвижного слоя адсорбента,

H — высота псевдоожиженного слоя) рекомендуется поддерживать в

пределах 1,4-1,6. Достоинство аппаратов: возможность использова-

ния мелкозернистого абсорбента, имеющего развитую поверхность;

большая производительность; простота конструкции и небольшое

гидравлическое сопротивление. Применяются адсорберы различных

типов. Схема цилиндрического одноярусного адсорбера показана на

рис. II-30, а.

Активный уголь через воронку по трубе непрерывно поступает

под распределительную решетку, диаметр отверстий которой равен

5-10 мм. Сточная вода захватывает зерна адсорбента и проходит вме-

сте с ними через отверстия решетки. Над решеткой образуется псев-

296

доожиженный слой, в котором идет процесс очистки. Избыток угля

поступает в сборник, а оттуда на регенерацию. Очищенную воду от-

водят через желоба в верхней части колонны. Уносимые частицы угля

попадают в тот же сборник.

В однояру сном адсорбере с выносным смесителем (рис. Н-30,6)

уголь поступает в смеситель, снабженный лопастной мешалкой, со-

вершающей 40-60 об/мин. Т\да же подают сточную воду. Из смеси-

теля суспензию

ГЛЯ с водой Песковы

насосом перекачивают в ад-

сорбционную КОЛОННУ.

Адсорбер может представлять собой бак.

вну

три которого име-

ется усеченная пирамида квадратного сечения. Суспензию угля с во-

дой подают

вну

трь пирамиды, где возникает псевдоожиженный слой.

Избыток угля оседает в пространстве между стенками бака.

Более сложную конструкцию представляет собой трехъярусный

адсорбер с переливными трубками (рис. II-30. в). Псевдоожиженный

слой возникает над тарелками (типа колпачковых).

Яру сы

соедине-

ны между' собой коническими трубками. Широкая часть трубок выс-

тупает над тарелкой на высоту, соответствующую верхней границе

псевдоожиженного слоя, а узкий конец

тру

бок погружен в нижний

псевдоожиженный слой. Сверху* в КОЛОННУ* подают 15-20%-ю уголь-

ную

су

спензию, а СНИЗУ* — СТОЧНУЮ воду. Избыток угля отводят в

сборник.

Регенерация адсорбента. Важнейшей стадией процесса адсорб-

ционной очистки является регенерация активного угля. Адсорбиро-

ванные вещества из угля изачекают десорбцией насыщенным или

перегретым водяным паром, либо нагретым инертным газом. Темпе-

ратура перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3-

0,6 МПа) равна 200-300°С, а инертных газов 120-140°С. Расход пара

при отгонке легколетучих веществ равен 2,5-3 кг на

кг отгоняемого

вещества, для высококипящих — в 5-10 раз больше. После десорб-

ции пары конденсируют и вещество извлекают из конденсата. Для

регенерации углей может быть использована и экстракция (жидко-

фазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перего-

няющимися с водяным паром растворителями. При регенерации орга-

ническими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихло-

рэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагрева-

ния. По окончании десорбции остатки растворителей из утля удаля-

ют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбиро-

ванных слабых органических электролитов их переводят в диссоци-

297

ированную форму. При этом ионы переходят в раствор, заключен-

ный в порах угля, откуда их вымывают горячей водой, раствором

кислот (для удаления органических оснований) или раствором ще-

лочей (для удаления кислот).

В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное веще-

ство путем химического превращения переводят в другое вещество,

которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсор-

бированные вещества не представляют ценности, проводят деструк-

тивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором,

озоном или термическим путем). Термическую регенерацию прово-

дят в печах различной конструкции при температуре 700-800°С в

бескислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горе-

ния газа или жидкого топлива и водяного пара. Она связана с поте-

рей части адсорбента (15-20%). Разрабатываются биологические

методы регенерации углей, при которых адсорбированные вещества

Сточ-

ная

вода

Очищенная вода

5 Сточная

вода Адсорбен

Очищенная

Отработан-

ный адсор-

бент

Отработанный

адсорбент

Суспензия

адсорбента

Й- • \s-iuu\annan

• вода

Очищенная

вода

С ый

вода адсорбент

Рис. II-30. Адсорберы: a — цилинд-

рический одноярусный: 1 — колонна,

2 — воронка, 3 — труба, 4 — решетка,

5 — сборник; б — одноярусный с вынос-

ным смесителем: 1 — смеситель, 2 —

насос, 3 — колонна, 4 — сборник; в —

трехъярусный: 1 — колонна, 2 — ре-

шетки, 3 — трубка для перемещения

адсорбента, 4 — сборник

298

биохимически окисляются. Этот способ регенерации значительно уд-

линяет срок использования сорбента.

Примеры адсорбционной очистки. Адсорбционную очистку

сточных вод от нитропродуктов, содержание которых в воде нахо-

дится в пределах 100-400 мг/л, производят углями КАД до остаточ-

ного их содержания не более 20 мг/л. Уголь регенерируют раствори-

телями (бензолом, метанолом, этанолом, метиленхлоридом). Раство-

ритель и нитропродукты разделяют перегонкой. Остатки раствори-

теля из утля удаляют острым паром.

Для извлечения фенолов из сточных вод используют активные

угли различных марок. Высокой поглотительной способностью об-

ладают селективные сильнокарбонизирозанные малозольные угли с

высокой пористой структурой,

также угли марок ИГП-90, КАД (йод-

ный), БАУ, ОУ (сухой), АГ-3, АП-3. Степень извлечения фенолов эти-

ми углями изменяется от 50 до 99%. Сорбционная емкость уменьша-

ется с повышением рН среды и при рН=9 составляет 10-15%.

При концентрации фенолов до 0,5 г/л величина адсорбции соот-

ветствует уравнению:

а = 15,85с

где а — количество фенолов, адсорбированных активных углем, %

(от массы утля); с — равновесная концентрация фенолов в водном

растворе, г/л.

Регенерацию утлей проводят термическим способом в многопо-

дозых печах или печах с кипящим слоем при температуре 870-930°С.

При этом теряется 10-15% адсорбента. При регенерации утлей ра-

створителями (этиловым эфиром, бензолом, щелочью) регенерация

достигает соответственно 85,70 и 37%. Возможно удаление фенолов

из углей и аммиачной водой.

В некоторых случаях ОЧИСТКУ' СТОЧНЫХ ВОД ОТ фенолов возможно

проводить с применением таких сорбентов, как диатомиты, трепел,

шлаки, кокс, торф, силикагель, кварцевый песок, керамзит, керами-

кулит и др. Однако адсорбционная емкость их мала. Так, для сили-

кагеля она составляет 30%, а для полукокса всего 6%.

Практически полной дефенолизации сточных вод добиваются, ис-

пользуя в качестве сорбента сульфат железа, модифицированный по-

лиакриламидом и карбоксиметилцеллюлозой.

Лигнин, пропитанный хлорным железом, способен сорбировать

до 92% фенола при концентрации последнего 3-9 мг/л.

299

Активные угли в виде порошков применимы для удаления из

воды хлорорганических пестицидов до их остаточной концентра-

ции 10"

мг/л. Наибольшую емкость имеют угли

ОУ-А,

KAД,

БАУ,

СКТ.

Адсорбционная очистка сточных вод производства инсектицид-

ных препаратов "Прима-7" и "Дихлофос" от токсичных компонен-

тов до предельно допустимых концентраций достигается при удель-

ном расходе угля АГ-3 — 0,06 г/л и скорости фильтрования 2 м/ч.

Для удаления небольших количеств ПАВ из сточных вод (не бо-

лее — 100-200 мг/л) используют адсорбционную очистку

активными

углями АГ-5 и БАУ, адсорбционная емкость которых по ОП-Ю «15%.

Кроме того, можно применять активный антрацит (емкость «2%) и

природные сорбенты (торф, глины, бурые угли и др.), а также шлак и

золу, сорбционная емкость которых зависит от рН среды. Например,

анионные ПАВ сорбируются шлаком лучше всего в нейтральной сре-

де. Наиболее эффективно процесс протекает в случае, если ПАВ на-

ходится в растворе в виде мицелл.

Процесс очистки проводят в фильтрационных колонках с не-

подвижным слоем угля, пропу ская воду снизу вверх со скоростью

2-6 м/с. Предварительно из воды должны быть удалены взвешенные

вещества. Регенерацию углей проводят горячей водой, водными ра-

створами кислот (для удаления катионообменных ПАВ) или щело-

чей (для удаления анионоакгивных ПАВ), а также органическими

жидкостями, растворяющими ПАВ.

Для адсорбции ПАВ могут быть использованы осадки гидрокси-

дов алюминия и железа, сульфиды меди и фосфаты кальция, кото-

рые образуются при добавлении в сточную воду коагулянтов. Свеже-

выделенные гидроксиды имеют крупнопористую структуру. Удель-

ная поверхность их пор составляет 100-400 м

/г.

При изучении процесса адсорбции ОП-7 гидроксидом алюминия

установлено, что изомеры имеют сложную кривую, состоящую из

трех участков. При увеличении рН сточной воды сорбция ОП-7 этим

адсорбентом уменьшается. На адсорбцию также влияет содержание

в сточной воде электролитов и масса сорбента. Введение в сточную

воду по лиакр ил амид а интенсифицирует процесс выпадения хлопь-

ев гидроксидов и увеличивает их адсорбционную емкость.

Совместное использование коагуляции и адсорбции пылевидным

углем способствует эффективному удалению ПАВ из сточных вод.

Наибольшая эффективность достигается при использовании солей

цинка в качестве коагулянтов.

300

8.4. Ионный обмен

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных

вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия,

ванадия, марганца и др.), а также соединений мышьяка, фосфора,

цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет

рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды.

Ионный обмен широко распространен при обессоливании в процес-

се водоподготовки.

Сущность ионного обмена. Ионный обмен представляет собой

процесс взаимодействия раствора

твердой фазой, обладающей свой-

ствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, при-

сутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу,

носят название —

ионитов.

Они практически не растворимы в воде.

Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов

положительные ионы, называются катионитами, отрицательные

ионы — анионитами. Первые обладают кислотными свойствами,

вторые — основными. Если ионигы обменивают и катионы, и анио-

ны, их называют амфотерными.

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной

емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, погло-

щаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, ста-

тическую и динамическую обменные емкости. Полная емкость —

это количество поглощаемого вещества при полном насыщении еди-

ницы объема или массы ионита. Статическая емкость — это обмен-

ная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях.

Статическая обменная емкость обычно меньше полной. Динамичес-

кая обменная емкость — это емкость ионита до "проскока" ионов в

фильтрат, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая ем-

кость меньше статической.

Природные и синтетические иониты. Иониты (катионигы и ани-

ониты) бывают неорганические (минеральные) и органические. Это мо-

гут быть природные вещества или вещества, полученные искусственно.

К неорганическим природным ионитам относятся цеолиты, гли-

нистые минералы, полевые шпаты, различные слюды и др. Катионо-

обменные, свойства их обусловлены содержанием алюмосиликатов

типа Na

O-Al

nSi0

0. Ионообменными свойствами облада-

ет также фторапатит [Ca

(PO

)JF и гидроксидапатит [Ca

(PO

)

] ОН.

К неорганическим синтетическим ионитам относятся силикате ли,