Файл: Учебное пособие Процессы и аппараты защиты окружающей среды.pdf

115
Раздробленные до зерен диаметром 0,75-1,0 мм, гумусовые угли отсеиваются от мелочи и пыли и до загрузки в фильтр обрабатываются в течение 2-3 часов15%-ным раствором NaCl, подкисленным НС1 до рН = 2,0.
Природные иониты по своим свойствам уступают искус- ственным, поэтому в практике чаще применяются искусствен- ные иониты.
Сульфированный уголь приготовляется обработкой кон- центрированной серной кислотой донецких и кузнецких углей.
Для этого его размельчают до размеров 1-5 мми смешивают с олеумом (H
2
SО
4
с 18-20% SO
3
) или купоросным маслом (96%- ная H
2
SО
4
) в соотношении 1 : 4. Сульфирование производится при 180-200°С в течение 6 часов.Затем его отмывают от ки- слоты и сортируют по крупности.
Ионообменные смолы – это сетчатые, трехмерные поли- меры, не растворяющиеся в воде, но ограниченно набухающие в ней и содержащие ионообменные группы, т. е. группы, спо- собные к обмену ионов. Число и длина мостиков, соединяю- щих линейные цепи полимера, определяют «густоту» сетки, которая оказывает сильное влияние на свойства ионитов. На- пример, при более «редкой» сетке способность смолы к набу- ханию и скорость диффузии ионов в ней больше, чем в случае более «частой» сетки.
По характеру своего действия ионообменные вещества подразделяются на катиониты и аниониты. Вещества, обмени- вающие катионы, называются катионитами, а обменивающие анионы – анионитами.Катиониты диссоциируют на неболь- шие, подвижные и способные к ионному обмену катионы (на- пример, Н
+
) и высокомолекулярный анион (R
m-
), а аниониты – дают мелкие, легко перемещающиеся анионы (например, ОН
–
) и высокомолекулярный катион (R
n+
).
Условно их диссоциацию можно представить в следую- щем виде:
H
m
R ↔ mH
+
+ R
m–
R(OH)
n
↔ OH
–
+R
n+

116 где m и п – число подвижных ионов в катионите и анионите.
В зависимости от того каким катионом «заряжен» катио- нит различают Na-катионирование, H-катионирование, NH
4
- аммоний катионирование. Для анионов в качестве обменных ионов используются гидроксид-ион (ОН
-
), гидрокарбонат ион
(НСО
3
-
) и карбонат-ион (СО
3 2-
).
В состав одного и того же ионита могут входить ионоген- ные группы с различной степенью кислотности и щелочности.
При погружении частиц ионита в воду происходит набу- хание их и растяжение пространственной молекулярной сетки.
Набухший ионит представляет собой раствор электролита и обладает общими свойствами такого раствора. Отличается он от обычного электролита ограниченной подвижностью ио- нов. Подвижные ионы, связанные с полимерной структурой, переходят под действием полярных молекул воды в жидкость, оставляя противоположно заряженную частицу ионита, но подвижность их в растворе ограничена электростатическим притяжением этой частицы, следовательно, вокруг полимер- ного зерна возникает двойной электрический слой. Но если вблизи подвижных ионов появляются другие ионы того же знака, то они занимают место подвижного иона, а освободив- шиеся от электростатического влияния ионита подвижные ио- ны переходят в раствор. Так происходит ионный обмен.
В основе процесса обмена лежит химическая реакция, протекающая на внешней и внутренней поверхности ионитов.
Обмен ионами протекает в строго эквивалентных количествах.
Обменные реакции в растворе происходят практически мгновенно, но процессы ионообмена с ионитами, протекаю- щие в гетерогенной среде, обладают вполне измеримой скоро- стью.
Обмен ионов в растворах протекает избирательно. С уменьшением абсолютной концентрации раствора адсорбиру- ются лучше многовалентные ионы, чем одновалентные, а при высоких концентрациях адсорбируется одновалентный ион.
Например, при умягчении воды (разбавленный раствор) изби-

117 рательно поглощаются ионы Са
2+
и Mg
2+
, а ионы Na
+
при этом практически не адсорбируются.
Основной технологической характеристикой ионитов яв- ляется их обменная емкость, которая определяется количест- вом ионов, извлеченных из воды 1 г воздушно-сухого ионита.
Емкость ионита зависит от количества доступных для об- мена мест, что связано с размерами иона. На обменную ем- кость также влияют такие факторы, как степень ионизации при данном рН среды, природа и концентрация иона, находящего- ся в растворе.
Располагая ионы по убывающим значениям констант об- мена получают лиотропный ряд или ряд селективности. Для разных ионитов от различен. Для катионитов ряд обычно име- ет вид:
Fe
2+
>Al
3+
>Ca
2+
>Mg
2+
>NH
4
+
>Na
+
>H
+
>Li
+
Для анионитов:
SO
4 2-
>NO
3
-
>H
2
PO
4
-
>Cr
-
>HCO
3
-
>HSiO
3
-
>OH
-
Здесь ионы, находящиеся левее сорбируются ионитом сильнее и способны при одинаковых концентрациях вытеснять с поверхности ионита все ионы, находящиеся правее.
Влияние рН на величину обменной способности всех ио- нитов очень велико. С увеличением значения рН увеличивает- ся обменная емкость катионитов и уменьшается обменная ем- кость анионитов и наоборот. Обменная емкость сульфокатио- нитов, содержащих только один вид активных частиц –SO
3
H, практически не зависит, от рН среды, так как этот катионит относится к сильным электролитам и на его диссоциацию уве- личение концентрации водородных ионов влияния не оказыва- ет.
Зависимость обменной емкости от рН заметно проявляет- ся у полифункциональных катионитов, содержащих наряду с сильнокислотными группами –SO
3
H, слабокислотные –СООН и –ОН. В этом случае при низких значениях рН диссоциация слабокислотных групп будет в значительной мере подавлена

118 за счет увеличения концентрации водородных ионов. Ионная атмосфера в этом случае окажется «прижатой» к ядру, что вы- зовет уменьшение обменной емкости. Этого не произойдет, если умягчаемая вода будет иметь рН > 7.
Различают полную, статическую и динамическую обмен- ные емкости. Полная емкость – это количество поглощаемого вещества при полном насыщении единицы объема или массы ионита. Статическая емкость – это обменная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях. Статическая об- менная емкость обычно меньше полной. Динамическая об- менная емкость – это емкость ионита до «проскока» ионов в фильтрат, определяемая в условиях фильтрации. Динамиче- ская емкость меньше статической.
Очистка происходит в аппаратах периодического
(рис. 2.25) и непрерывного действия.
Катионитовый фильтр представляет собой стальной ци- линдрический, резервуар диаметром от 1 до 3 м,в котором на дренажном устройстве помещается слой катионита. Высота фильтрующего слоя составляет 2-4 м. Скорость фильтрования от 4 до 25 м/ч. Фильтры рассчитаны на рабочее давление до
6 атм.
Работа катионитового фильтра протекает по следующим этапам:
1. фильтрование через подготовленный фильтр до насы- щения обменной емкости катионита;
2. рыхление катионита восходящим потоком;
3. регенерация фильтра раствором NaCl (при Na- катионировании);
4. промывка загрузки от излишних количеств регенери- рующего вещества.

119
Рис.2.25. Схема ионообменной установки периодического действия:
1 – корпус аппарата; 2 – ионит; 3 – распределитель регенерирующего раствора; 4 – ввод сточной воды; 5 – бак с регенерирующим раство- ром; 6 – насос; 7 – опорная решетка; 8 – выход очищенной воды;
9 – слой гравия
Регенерация загрузки (п.п. 2-4) продолжается от полутора до двух часов. Катиониты регенерируют 2-8% растворами ки- слот. Затем после рыхления и промывки катиониты заряжают- ся например в Na-форму путем пропускания через них раство- ра поваренной соли. Тогда Н-функциональные группы, полу- чающиеся при регенерации катиона кислотой, заменяются на
Na-группу, а используемый для зарядки раствор поваренной соли подкисляется до соляной кислоты.
Отработанные аниониты регенерируют 2-6%-ми раство- рами щелочи. Аниониты при этом переходят в ОН-форму.
Регенерационные растворы – элюаты содержат в скон- центрированном виде все извлеченные из сточных вод анио- ны. Элюаты, представляющие собой растворы кислот и щело- чей, нейтрализуют или обрабатывают с целью рекуперации

120 ценных продуктов. Нейтрализацию проводят смешением кис- лых и щелочных элюатов, а также дополнительным введением кислоты или щелочи.
На степень регенерации влияет тип ионита, состав насы- щенного слоя, природа, концентрация и расход регенерирую- щего вещества, температура, время контакта и расход реаген- тов.
Грубодисперсные вещества мешают процессу катиониро- вания. Они, отлагаясь в порах катионита, уменьшают его об- менную емкость. После катионирования. вода становится бо- лее агрессивной, так как замена гидрокарбоната кальция гид- рокарбонатом натрия освобождает равновесную углекислоту.
2.3.4. ЭКСТРАГИРОВАНИЕ
Эмульсиями называются системы, в которых дисперси- онная среда и дисперсная фаза находятся в жидком состоянии.
Необходимым условием для образования эмульсии явля- ется нерастворимость этих жидкостей друг в друге. Например, можно получить эмульсию масла, бензола, толуола в воде, но нельзя получить эмульсию спирта в воде.
Для устойчивости эмульсии в систему прибавляют веще- ства, которые, адсорбируясь на поверхности раздела двух фаз, уменьшают поверхностное натяжение на ней. Такие вещества называются эмульгаторами.
Наряду с понижением поверхностного натяжения и с приданием частицам эмульсии электрических зарядов, одина- ковых по знаку, эмульгаторы могут стабилизировать эмуль- сию также и тем, что на поверхности раздела образуется ком- пактная пленка из эмульгатора, обладающая известной меха- нической прочностью. Такие пленки защищают частицы от слияния при возможных столкновениях, причем этот фактор является более важным, чем действие электрических зарядов.
Извлечение загрязнений из воды с помощью другой жид- кости называется экстрагированием. Для экстрагирования

121 подбирают не смешивающуюся с водой жидкость, в которой вещество, загрязняющее воду, растворяется лучше, чем в воде.
В качестве экстрагентов применяются органические жид- кости: бензол, минеральные масла, четыреххлористый угле- род, сероуглерод и др. Самый процесс осуществляется в аппа- ратах, называемых экстракторами. Экстракция может быть непрерывной или периодической (последнюю применяют при очистке небольших количеств сточных вод). Принципиальная схема непрерывной экстракции приведена на рисунке 2.26.
Рис.2.26. Ситчатый экстрактор:
1 – поверхность раздела фаз (при диспергировании легкой фазы), 2 – граница коалесценции капель; 3 – подпорный слой;
4 – перфорированная тарелка; 5 – переливное устройство

122
Экстрактор представляет собой колонку с насадкой, в ко- торую подается вода и экстрагент. В тех случаях, когда плот- ность экстрагента меньше плотности воды, его подают снизу, как показано на схеме. При обратном соотношении плотно- стей экстрагент подают сверху. Для поддержки постоянного уровня жидкости воду спускают из колонки через сифон, со- общающийся с ее верхней частью. После насыщения экстра- гент направляют в отстойник, где происходит разделение жидкостей.
Если в сточной жидкости находится смесь ряда веществ, для экстракции применяют селективные растворители, обла- дающие способностью извлекать из данной системы только одно какое-либо вещество. Например, для извлечения фенола из смеси с жирными кислотами хорошим селективным раство- рителем является трикрезилфосфат.
К недостаткам этого метода относятся растворимость экс- трагента в воде и неполнота разрушения эмульсии.
Количество экстрагируемого вещества устанавливается в каждом случае пробным экстрагированием. Для этого берут пробу исследуемой воды и равные порции ее обрабатывают одинаковыми количествами различных экстрагентов. В каж- дой порции определяют количество оставшегося в воде веще- ства после экстракции. Опыты проводят в различных средах
(кислых и щелочных). После выбора эффективного экстраген- та определяют процессы эмульгирования и скорость расслое- ния эмульсий, а также устанавливают коэффициент распреде- ления загрязняющего вещества между водой и экстрагентом.
Для этого воду обрабатывают несколько раз равным объемом растворителя и после каждой операции определяют в ней со- держание интересующего компонента. Затем вычисляют ко- эффициент распределения по формуле:
К = С
Н
2О
/С
р
(2.6)

123 где К – коэффициент распределения; С
р
– равновесная концен- трация растворенного вещества в экстрагенте; С
Н
2О
– равно- весная концентрация растворенного вещества в воде.
Коэффициент распределения К зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а также от наличия раз- личных примесей в сточных водах и экстрагенте.