Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Посмотреть оригинал

Очистка сточных вод методом экстракции

Для очистки сточных вод от растворенных примесей используется ряд методов, основанных на различии физикохимических свойств растворенных примесей и растворителя. Одним из таких методов является жидкостная экстракция.

Сущность метода заключается в том, что подбирается жидкий экстрагент, в котором хорошо растворяется примесь, но сам экстрагент в очищаемой жидкости (воде) не растворяется. Часто в качестве экстрагента используются неполярные органические жидкости: они не растворяются в воде, по хорошо растворяют неполярные компоненты раствора. Жидкостную экстракцию применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов и др. Целесообразность использования экстракции для очистки сточных вод определяется концентрацией органических примесей в них. Экстракция может быть экономически выгодным процессом, если стоимость извлекаемых веществ компенсирует все затраты на его проведение. Для каждого вещества существует концентрационный предел рентабельности извлечения его из сточных вод. В общем случае для большинства веществ можно считать, что при концентрации выше 3—4 г/л их рациональнее извлекать экстракцией, чем адсобцией. При концентрации меньше 1 г/л экстракцию следует применять только в особых случаях. Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий. Первая стадия — интенсивное смешивание сточной воды с экстрагентом. В условиях развитой поверхности контакта между жидкостями образуются две фазы. Одна фаза — экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент, другая — разделение экстракта и рафината; третья стадия — регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Чтобы снизить содержание растворенных примесей до концентраций ниже предельно допустимых, необходимо правильно выбрать экстракт и скорость его подачи в сточную воду. При выборе растворителя следует учитывать его селективность, физико-химические свойства, стоимость и возможные способы регенерации.

Экстракт должен отвечать следующими требованиям:

  • • растворять извлекаемое вещество значительно лучше, чем вода, т.с. обладать высоким коэффициентом распределения;
  • • обладать большой селективностью растворения. Чем меньше он будет растворять компоненты, которые должны остаться в сточной воде, тем более полно будут извлекаться вещества, которые необходимо удалить;
  • • иметь по возможности наибольшую растворяющую способность по отношению к извлекаемому компоненту. Чем она выше, тем меньше потребуется экстрагента, т.е. тем ниже будут затраты на очистку;
  • • иметь низкую растворимость в сточной воде и не образовывать устойчивых эмульсий, так как в противном случае снижается производительность установки, затрудняется разделение экстракта и рафината, увеличивается продолжительность этого процесса, а также возрастают потери растворителя;
  • • значительно отличаться по плотности от сточной воды (обычно она меньше), поскольку только достаточная разность плотностей обеспечивает быстрое и полное разделение фаз;
  • • обладать большим коэффициентом диффузии (чем она больше, тем выше скорость массообмена, т.е. скорость процесса экстракции), регенерироваться простым и дешевым способом;
  • • иметь температуру кипения, значения отличающуюся от температуры экстрагируемого вещества (для обеспечения легкости разделения), иметь небольшую теплоту испарения и небольшую теплоемкость;
  • • не взаимодействовать с извлекаемым веществом, так как это может затруднить регенерацию экстрагента и увеличить его потери;
  • • по возможности не быть вредным, взрыво- и огнеопасным и не вызывать коррозию материала аппаратов; иметь небольшую стоимость.

Экстрагент должен равномерно распределяться в объеме сточной воды. Скорость подачи экстрагента в сточную воду должна быть минимальной. Она зависит от степени очистки и коэффициента распределения, который выражается отношением растворенного вещества в экстрагенте и воде. Это выражение является законом равновесного распределения и характеризует динамическое равновесие между концентрациями экстрагируемого вещества в экстрагенте и воде при данной температуре. Коэффициент распределения устанавливают опытным путем, он зависит от природы компонентов системы, содержания примесей в воде и экстрагенте и температуры. Это соотношение справедливо, если экстрагент совершенно нерастворим в сточной воде. Однако, как показала практика, экстрагент частично растворим в сточной воде, поэтому коэффициент распределения будет зависеть не только от температуры, но и от концентрации извлекаемого вещества в рафинате, т.с. будет величиной переменной.

При содержании в сточной воде нескольких примесей целесообразно извлекать экстракцией сначала один из компонентов — наиболее ценный или токсичный, а затем, если это необходимо, другой и т.д. При этом для каждого компонента может быть разный экстрагент. При необходимости одновременной экстракции нескольких веществ из сточной воды экстрагент не должен обладать селективностью извлечения, а должен иметь близкие и достаточно высокие коэффициенты распределения для всех извлекаемых веществ. Проведение такого процесса очистки затрудняет выбор экстрагента и его регенерацию.

Необходимость извлечения экстрагента из экстракта связана с тем, что его надо вновь вернуть в процессе экстракции. Регенерация может быть проведена с применением вторичной экстракции — с другим растворителем, а также выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением. Не проводить регенерацию экстрагента возможно в случае, если нет необходимости возвращать его в цикл. Например, после извлечения какого-либо вещества можно использовать экстракт для технологических целей или в качестве топлива. В последнем случае экстрагируемые вещества при сжигании разрушаются. Это целесообразно делать, когда они не представляют большой ценности.

Так как совершенно нерастворимых в воде жидкостей нет, то в процессе экстракции часть экстрагента растворяется в сточной воде, становится новым загрязнителем ее, поэтому необходимо удалять экстрагент из рафината. Это также необходимо производить и в целях сокращения потерь растворителя. Потери растворителя с рафинатом допустимы лишь при условии его растворимости в воде не выше ПДК, но лишь при его очень низкой стоимости. Наиболее распространенным способом извлечения растворителя из рафината является адсорбция или отгонка паром (газом). Для этой цели целесообразно использовать отработанный пар или отходящие дымовые газы.

Для очистки сточных вод часто применяют процессы про- тивоточной многоступенчатой экстракции и непрерывной противоточной экстракции.

Схема многоступенчатой экстракционной установки представляет собой батарею смесителей и отстойников (рис. 12.9, а). Каждая ступень состоит из смесителя воды с экстрагентом и отстойника. Свежий экстрагент и свежая вода поступают с противоположных сторон. В первой ступени сточная вода с небольшим содержанием примесей перемешивается со свежим экстрагентом, а в последней ступени исходная сточная вода смешивается с экстрагентом, который уже содержит значительное количество извлекаемого вещества. Такое движение потоков способствует созданию большой движущей силы процесса экстракции и эффективной очистке сточных вод.

Схема непрерывной экстракции в противоточной колонне с регенерацией экстрагента показана на рис. 12.9, б. Экстракция производится в аппаратах различной конструкции:

Схемы экстракционных установок

Рис. 12.9. Схемы экстракционных установок:

а — схема многоступенчатой противоточной экстракции: 1—3 — смесители; V—3' — отстойники; 6 — схема непрерывной противоточной экстракции с регенерацией экстрагента из экстракта и рафината: 1 — система для удаления экстрагента из рафината; 2 — колонна; 3 — система для удаления экстрагента из экстракта распылительных, насадочных, тарельчатых колоннах, а также в центробежных экстракторах.

Для экстракции фенолов из сточных вод применяют простые и сложные эфиры. Простые эфиры: диэтиловый, дибу- тиловый, диизопропиловый; сложные эфиры: этилацетат, н-амилацетат, изобутилацетат, изоамилацетат.

Степень извлечения фенолов из сточной воды достигает 92—97%. Нефтепродукты экстрагируют бензолом.

Жидкостная экстракция используется также для извлечения металлов из сточных вод. В процессе жидкостной экстракции извлекаемые из сточной воды металлы переходят в органическую фазу, а затем в результате реэкстракции — из органической фазы в водный раствор. Таким образом, достигаются очистка сточных вод и концентрирование металла, т.е. создаются условия для его рекуперации.

Органическая фаза содержит экстрагент и органическую жидкость — растворитель экстрагента (керосин, бензол, хлороформ, толуол и т.д.). В качестве экстрагентов используют органические кислоты, эфиры, спирты, кетоны, амины и др„ а реэкстрагентов — водные растворы кислот и оснований.

Извлечение металлов из водной в органическую фазу проводят тремя способами:

  • 1) катионообменной экстракцией, т.е. обменом экстрагирующегося катиона металла на катион экстрагента;
  • 2) анионообменной экстракцией, т.е. обменом металлсодержащего в воде аниона на анион экстрагента;
  • 3) координационной экстракцией, при которой экстрагируемое соединение образуется в результате координации молекулы или иона экстрагента непосредственно с атомом (ионом) экстрагируемого металла.

Коэффициент распределения определяется по соотношению:

где Сд^рг и См,, В()Д — равновесные концентрации металла соответственно в органической и водной фазах.

На практике Кг > 0,3—0,5.

Селективность (избирательность) экстрагента по отношению к целевому металлу для данной нары металлов является коэффициентом разделения:

11а практике используют экстракционные системы с р > 2. При меньших значениях Р возрастает число ступеней экс-

Схема колонного экстрактора

Рис. 12.10. Схема колонного экстрактора

тракции. При большом объеме очищаемых стоков целесообразно использовать колонный экстрактор, работающий в непрерывном режиме. Схема колонного экстрактора представлена на рис. 12.10.

В корпусе колонны размещают устройства, способствующие лучшему массообмену между очищаемым раствором F (тяжелая фаза), подаваемым сверху, и экстрагентом G (легкая фаза), подаваемым снизу.

Таким устройством может быть сетчатая горизонтальная перегородка со сливным патрубком — «тарелка». Тяжелая фаза перетекает сверху вниз по сливным патрубкам зигзагообразно с тарелки на тарелку. На тарелке сохраняется тонкий слой тяжелой фазы, через которую барботирует легкая фаза, поступающая снизу на тарелку через отверстия в ее дне. В верхней и нижней частях колонны предусмотрены отстойники, позволяющие выдавать в верхней части колонны экстракт Е, а в нижней — рафинат R (очищенную сточную воду).

Расчет высоты колонны производится по числу необходимых теоретических ступеней разделения с учетом их КПД подобно расчету процесса ректификации. Для этого необходимо знать диаграмму фазового равновесия (коэффициент распределения примеси между тяжелой и легкой фазами). Зная высоту тарелок и их число, можно определить необходимую высоту колонны.

Рассмотрим примеры решения задач.

Задача 12.3. Построить треугольную диаграмму фазового равновесия для системы вода — ацетон — хлорбензол. Необходимые данные взять из таблицы ниже. Определить по диаграмме: а) содержание воды и хлорбензола в водном слое с концентрацией ацетона 45 мае. %; б) состав равновесного с ним слоя

Водный слой

Слой хлорбензола

вода

ацетон

хлорбензол

вода

ацетон

хлорбензол

99,89

0

0,11

0,18

0

99,82

89,79

10

0,21

0,49

10,79

88,72

79,69

20

0,31

0,79

22,23

76,98

69,42

30

0,58

1,72

37,48

60,80

58,64

40

1,36

3,05

49,44

47,51

46,28

50

3,72

7,24

59,19

33,57

27,41

60

12,59

22,85

61,07

15,08

25,66

60,58

13,76

25,66

60,58

13,76

хлорбензола; в) количество ацетона, при добавлении которого перестанет расслаиваться смесь 0,11 кг хлорбензола и 0,09 кг воды.

Решение.

  • 1. Вычерчиваем равносторонний треугольник (см. рис. ниже). Находим на стороне АС точки 1 и Г, соответствующие первой строке таблицы. Внутри треугольника находим точки 2 и 2', соответствующие второй строке таблицы, и соединяем их отрезком прямой 2—2'. При отыскании точек внутри треугольника сначала откладываем на стороне А В содержание ацетона в растворе, а затем параллельно стороне АС — содержание хлорбензола. После нахождения всех точек соединяем их плавной кривой.
  • 2. Через точку а на стороне А В проводим прямую ab параллельно стороне АС. Отрезок ah является геометрическим местом точек, характеризующих смеси с содержанием ацетона 45 мае. %. На пересечении отрезка ab с левой ветвью бинодаль- ной кривой находим точку с, характеризующую состав водного слоя: 52,8 мае. % воды, 2,2 мае. % хлорбензола.
  • 3. Для определения состава сосуществующей фазы через точки 2, 2', 3, 3', 7, 7' проводим прямые, параллельные боковым сторонам треугольника, и точки их пересечения 2", 3", 7" соединяем плавной кривой. Затем через точку с проводим прямую, параллельную стороне ВС, до пересечения с соединительной кривой в точке с", а из точки с" — прямую, параллельную стороне ЛВ, до пересечения с бинодальной кривой. Точка с является искомой. Состав слоя: 54,9 мае. % ацетона, 4,3 мае. % воды, 40,8 мае. % хлорбензола.

состав заданной смеси:

  • 0,09
  • --100 = 45 мае. % воды и 55 мае. % хлорбензола.
  • 0,09 + 0,11

При добавлении к этой смеси ацетона общий состав се будет изменяться по линии dB, на пересечении которой с бинодальной кривой найдем искомую точку е. Необходимое количество ацетона найдем из соотношения отрезков Be и ed:

4. Находим на стороне Л С точку d, характеризующую общий состав заданной смеси:

Задача 12.4. Ацетон экстрагируется хлорбензолом из 50% водного раствора. Остаток должен содержать нс более 2 мае. % ацетона.

Пользуясь диаграммой, построенной в предыдущем примере, определить количество растворителя, необходимое для обработки 100 кг исходной смеси, если экстрагирование производится в одну ступень. Определить также выход рафината, выход и состав экстракта после удаления из него растворителя.

Решение.

1. Через точку R, характеризующую состав остатка, проводим хорду равновесия RE. Точку F, характеризующую состав исходной смеси, соединяем с вершиной треугольника С. Точка пересечения М линий ЕС и RE определяет состав смеси исходного раствора с растворителем, необходимый для получения рафината заданного состава (см. рис. ниже).

2. Требуемое количество растворителя находим из соотношения:

3. Масса полученной смеси:

4. Количество экстракта находим из соотношения:

5. Масса рафината:

6. Количество экстракта после удаления из него растворителя:

так как растворимостью хлорбензола в остатке в данном случае можно пренебречь.

7. Состав экстракта после удаления из него растворителя определяется точкой пересечения Е' стороны ЛВ с лучом, проведенным из вершины С через точку Е: содержание ацетона 95,5 мае. %, воды 4,5 мае. %.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы