Физико-химические методы обработки и утилизации отходов

Многие процессы утилизации твердых отходов основаны на из­влечении компонентов из отходов путем использования процессов растворения, экстрагирования (выщелачивания) и кристаллизации перерабатываемых материалов.

Растворение - массообменный процесс перехода вещества в рас­твор с поверхности частиц. Этот процесс широко используется в практике переработки многих твердых отходов. Обычно растворение проводят с целью разделения систем, состоящих из растворимых и инертных частиц.

При физическом растворении исходное твердое вещество может быть вновь получено кристаллизацией из раствора.

Химическое растворение представляет собой гете­рогенную химическую реакцию, продукты которой растворяются в жидком объеме. Возврат к исходному твердому веществу путем кри­сталлизации здесь невозможен. В условиях химического растворения могут образовываться твердые или газообразные продукты реакции, значительно осложняющие кинетику растворения. Экранизация поверхности растворения твердыми продуктами реакции сущест­венно замедляет процесс, а выделение газообразной фазы ускоряет растворение до определенных пределов, за которыми становится за­метным экранирующее действие газовой фазы. Процессы растворе­ния протекают обычно достаточно быстро. Этому способствует непо­средственный контакт движущейся (перемешиваемой) жидкости с поверхностью растворяющихся частиц.

В большинстве случаев растворимость твердых веществ в жидко­стях ограничена. При определенной концентрации раствора, назы­ваемой концентрацией насыщения (растворимостью), между твердым телом и раствором устанавливается равновесие.

Концентрация насыщения - важнейший физико-химический и технологический параметр, поскольку эта величина указывает на ем­кость растворителя, его способность воспринимать растворяющееся вещество. Кроме того, она является фактором, сильно влияющим на скорость растворения.

Возможность самопроизвольного растворения твердого вещества оценивается знаком величины ΔG (изменение энергии Гиббса):

(17.12)

где ΔНр - изменение энтальпии; Т - абсолютная температура; ΔS - изменение энтропии.

При ΔG < 0 возможно растворение, ΔG= 0 соответствует равно­весию в системе, при ΔG> 0 вероятен процесс кристаллизации. Рас­творимость твердых веществ в жидкостях обычно ограничена кон­центрацией насыщения Cs. Скорость растворения можно рассматри­вать как массообменный процесс:

(17.13)

где G - количество растворенного вещества, кг; Км - коэффициент массопередачи (константа скорости процесса); S - общая поверх­ность растворенных частиц в момент времени t, м2; СS - концентра­ция раствора в момент времени t, кг/м3.

Экстрагирование - процесс извлечения одного или нескольких компонентов из твердого материала путем избирательного растворе­ния в жидкостях (экстрагентах). Извлекаемые компоненты содержат­ся в порах твердого тела в виде растворенного вещества или твердой фазы. В первом случае говорят об экстрагировании растворенного ве­щества, во втором - об экстрагировании твердого вещества.

Этот метод широко используется в практике переработки отвалов горнодобывающей промышленности, некоторых металлургических и топливных шлаков, пиритных огарков, древесных и многих других вторичных материальных ресурсов.

Твердое тело содержит в своем пористом объеме раствор целевого компонента. При взаимодействии с экстрагентом целевой компо­нент диффундирует сквозь пористую структуру твердого тела в основную массу жидкости. Диаметр пор, составляющих пористый объем, настолько мал, что жидкость, заключенная в порах, практически не­подвижна. Из этого следует, что механизмом переноса растворенного вещества является молекулярная диффузия. Экстрагирование - ме­нее интенсивный процесс по сравнению с растворением.

Механизм экстрагирования твердого вещества отличается боль­шей сложностью и включает в себя три стадии: проникание экстра­гента в пористую структуру твердого тела; растворение целевого ком­понента в экстрагенте; диффузия растворенного компонента в основ­ную массу жидкости.

Конкретные обстоятельства приводят к тому, что каждая из этих стадий может определять скорость все го процесса. Однако чаще всего скорость процесса в целом лимитируется третьей стадией как наибо­лее медленной.

Экстрагирование твердого вещества кинетически неравноценно его растворению. В условиях растворения вещество непосредственно контактирует с движущейся жидкостью, благодаря чему сопротивле­ние массопереносу невелико. В условиях экстрагирования твердого вещества область, содержащая целевой компонент, первоначально занимает весь объем частицы, а с ходом экстрагирования системати­чески сокращается.

Скорость экстрагирования изменяется в ходе процесса и зависит от концентрации реагентов, температуры, величины поверхности твердой фазы:

(17.14)

где G - количество экстрагируемого вещества в твердой фазе; j - ко­личество выщелачиваемого вещества, переходящее в раствор в еди­ницу времени t с единицы поверхности твердой фазы (поток выщела­чивания, удельная скорость выщелачивания); S - поверхность взаи­модействия фаз.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >