Учебно-методический комплекс дисциплины
Скачать 2.9 Mb.
|
Сорбция Сорбция – это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью, называемыми сорбентами. Поглощаемое вещество именуется сорбатом. При абсорбции вещества поглощение последнего происходит во всем объеме жидкого или твердого абсорбента. Абсорбция обусловлена как процессом диффузии абсорбента в абсорбат, так и процессами растворения. Под адсорбцией понимают процесс поглощения веществ (адсорбатов), находящихся в газах и жидкостях, происходящий на поверхности твердых тел (адсорбентов). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией. Сорбционная очистка рекомендуется для сточных вод, загрязненных ароматическими соединениями, слабыми электролитами или неэлектролитами, красителями, непредельными соединениями, гидрофобными алифатическими соединениями. Указанные методы позволяют извлечь из сточных вод ценные компоненты с их дальнейшей утилизацией, а очищенную воду использовать в системах оборотного водоснабжения предприятия. В отечественной практике сорбционная очистка используется для обработки сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической и других отраслей промышленности и применяется в качестве самостоятельного метода или совместно с методом биологической очистки. В качестве сорбентов применяют различные материалы: активированные (активные) угли различных марок, силикагели, алюмогели, золу, коксовую мелочь, торф, шлаки, активные глины и др. Характерной особенностью вышеперечисленных сорбентов является их пористость. Например, для таких эффективных сорбентов, как активированные угли, пористость составляет 60-75%, а их удельная площадь поверхности лежит в пределах 400-900 м2/г. Флотация Флотация используется для очистки производственных сточных вод от следующих загрязнений: поверхностно-активных веществ, нефти и нефтепродуктов, масел, а также различных волокнистых материалов. Процесс очистки состоит в образовании комплексов «частицы-пузырьки воздуха», всплывании этих комплексов на поверхность жидкости с образованием пенного слоя, содержащего загрязнения и последующего удаления этого слоя с поверхности. Эффект прилипания пузырька воздуха к поверхности частицы достигается только в том случае, если жидкость плохо ее смачивает. Существуют различные способы флотационной обработки производственных сточных вод:
3. Флотация с подачей воздуха через пористые материалы. 4. Электрофлотация.
Экстракция 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.). 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. Экстрагент – это органическое вещество, образующее с извлекаемым загрязняющим веществом соединение, способное переходить в органическую фазу. Данное определение обычно используется при проведении экстракции ионов металлов. Органическая и водная фазы после проведения экстракционной стадии называются соответственно экстрактом и рафинатом. Загряз няющие 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, со лей и оснований. Водный раствор после реэкстракции называют реэкстрактом. 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. Важным фактором в экстракционных процессах является быстрое и полное расслаивание жидкостей после их смешивания, а также малая растворимость экстрагента в воде, причем хорошее расслаивание при малой растворимости обеспечивается наличием в молекуле экстрагента неполярной гидрофобной части, который чаще всего представлен углеводородными группами Ионный обмен Гетерогенный ионный обмен или ионообменная сорбция представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой (ионитом), обладающей свойством обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Ионообменная очистка сточных вод позволяет извлекать и утилизировать следующие загрязняющие вещества: тяжелые цветные металлы (медь, никель, цинк, свинец, кадмий и др.), хром, ПАВ, цианистые соединения и радиоактивные вещества. При этом достигается высокая степень очистки сточной воды (до уровня ПДК), а также обеспечивается возможность ее повторного использования в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения. Кроме того, иониты используются для обессоливания воды в процессе водоподготовки. Различают неорганические (минеральные) и органические иониты. По знаку заряда обменивающихся ионов все иониты делятся на катеониты, проявляющие кислотные свойства, и аниониты, обладающие основными свойствами. Ионитами могут быть как природные вещества, так и вещества, полученные искусственно (синтетические). К природным неорганическим ионитам относятся следующие вещества: цеолиты, глинистые материалы, полевые шпаты, слюды и др. Они обладают катионообменными свойствами, обусловленными наличием в их структуре алюмосиликатов типа  . Кроме того, ионообменными свойствами обладает фторапатит [Са5(РO4)3]F, гидроксидапатит [Са5(Р04)3]ОН, а также различные неорганические синтетические иониты.К органическим природным ионитам относятся гуминовые кислоты углей и почв, обладающие слабокислотными свойствами. Для усиления кислотных свойств и повышения обменной емкости угли обрабатывают концентрированной серной кислотой, при этом образуются катиониты – сульфоугли. Наибольшее значение для очистки сточных вод и процессов водоподготовки в настоящее время имеют синтетические иониты, к которым относят ионообменные смолы. В состав ионита входит также активная группа, способная к ионному обмену. Основные требования к ионитам, используемым для очистки сточных вод, следующие: высокая обменная емкость, хорошие кинетические свойства (высокая скорость ионного обмена), достаточная устойчивость по отношению к кислотам, щелочам, окислителям и восстановителям, нерастворимость в воде, органических растворителях и растворах электролитов и ограниченная набухаемость. Применение электрохимических методов при очистке сточных вод Наибольшее распространение в практике очистки сточных вод получили методы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляционный метод, электрофлотация, электродиализ.
Процессы электрохимического окисления-восстановления проводят в электролизерах. При прохождении электрического тока через раствор происходит электролиз, на электродах образуются продукты окисления-восстановления. На положительном электроде (аноде) протекает окисление, а на отрицательном (катод) – восстановление. Таким образом, анод является электрохимическим окислителем, а катод – электрохимическим восстановителем. В ряде случаев катодное и анодное простраство разделяют пористыми диафрагмами. Их назначение – не допускать смешения растворов, препятствовать диффузии, переносу нерастворимых частиц, не затрудняя при этом переноса ионов. Таким методом сточные воды очищаются от цианидов, роданидов, нитросоединений, формальдегида, сульфидов, меркаптанов и ряда других веществ. В качестве анодов используют следующие электрохимически нерастворимые материалы: графит (С), магнетит (Fе3О4), свинец и его соединения (Рb, РbO2), кремниевые сплавы и др. Катоды изготавливают из графита, молибдена, сплава вольфрама с железом или никелем, нержавеющей стали и ряда других веществ. Указанным методом обрабатываются сточные воды и растворы различных производств, содержащие цианиды и, в первую очередь, стоки гальванических цехов и участков, причем данный способ наиболее экономичен при концентрации цианидов > 200 мг/л. При электролизе щелочных сточных вод (обычно их рН лежит в пределах 8-12, содержащих цианистые соединения, происходит анодное окисление CN-ионов, а также комплексных анионов, содержащих CN--группы с образованием цианат-ионов:  (4)Образующиеся цианат-ионы (CNO) частично окисляются на аноде с образованием нетоксичных газообразных продуктов:  (5)На катоде происходит разряд Н+ — ионов с образованием газообразного водорода
Электродиализом называют процесс переноса ионов через мембрану под действием приложенного к ней электрического поля. Для очистки сточных вод методом электродиализа используют электрически активные ионитовые мембраны. Указанный процесс используют для опреснения соленых вод, а также очистки промышленных сточных вод и отработанных технологических растворов. Ионитовая мембрана, помещенная в электролизную ванну, действует как ионитный фильтр: она проницаема только для ионов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных (обменных) ионов ионообменной смолы, из которых изготовлена мембрана. Различают два типа ионитовых мембран: катионитовые и анионитовые. Первые из них пропускают через себя лишь катионы, вторые – анионы. Процесс очистки сточных вод осуществляется в многокамерных аппаратах (электродиализаторах), в которых плоские мембраны расположены параллельно. Схема процесса электродиализа представлена на рис.  Процесс электродиализа осуществляется следующим образом. Катионы, двигаясь под действием электрического тока к катоду, проходят катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми мембранами. Анионитовые мембраны пропускают анионы, направляющиеся к аноду, но являются преградами для катионов. В результате протекания этого процесса соли переносятся током из четных камер в нечетные, вода в четных камерах опресняется, а в нечетных рассольных камерах накапливаются соли. Так происходит процесс очистки воды от присутствующих в ней солей. Применение методов обратного осмоса и ультрафильтрации для очистки сточных вод Обратный осмос и ультрафильтрация – это мембранные методы разделения жидких систем, к которым относятся также диализ и электродиализ. При использовании любого из перечисленных методов процесс разделения осуществляют следующим образом. Разделяемый раствор вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с одной ее стороны. Вследствие особых свойств полупроницаемых мембран прошедшая через них смесь обогащается одним из компонентов. В ряде случаев процессы проходят настолько полно, что продукт практически не содержит примесей, задерживаемых мембраной. Метод обратного осмоса заключается в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. В основе описываемого способа лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор (рис.).  Давление, при котором наступает равновесие (рис.), называется осмотическим. При приложении со стороны раствора давления, превышающего осмотическое, перенос растворителя будет осуществляться в обратном направлении. Поэтому процесс получил название «обратный осмос». Как уже указывалось выше, ультрафильтрация – это процесс мембранного разделения, а также фракционирования и концентрирования растворов. Этот процесс протекает под действием разности давлений (до и после мембраны) растворов высокомолекулярных (ВМС), и низкомолекулярных соединений (НМС). Мембраны могут пропускать растворитель и преимущественно или только НМС (при разделении ВМС и НМС); растворитель и определенные фракции ВМС (при фракционировании ВМС); только растворитель (при концентрировании ВМС). Процесс ультрафильтрации в отличие от обратного осмоса используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов больше молекулярной массы растворителя. Считается, что для водных растворов указанный процесс разделения является эффективным только тогда, когда хотя бы один из компонентов системы имеет молекулярную массу от 500 и выше. Движущей силой ультрафильтрации является разность давлений (рабочего и атмосферного) по обе стороны мембраны. Обычно ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких давлениях 0,3-1 МПа. Отличие обратного осмоса и ультрафильтрации от обычного процесса фильтрования заключается в следующем: при обычной фильтрации продукт откладывается на поверхности фильтра в виде осадка, а при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД Биологический (или биохимический) метод очистки сточных вод применяется для очистки производственных и бытовых сточных вод от органических и неорганических загрязнителей. Данный процесс основан на способности некоторых микроорганизмов использовать загрязняющие сточные воды вещества для питания в процессе своей жизнедеятельности. Основной процесс, протекающий при биологической очистке сточных вод, - это биологическое окисление. Данный процесс осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), состоящим из множества различных бактерий, простейших водорослей, грибов и др., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям. Очистку сточных вод рассматриваемым методом проводят в аэробных (т. е. в присутствии растворенного в воде кислорода) и в анаэробных (в отсутствие растворенного в воде кислорода) условиях. Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями при очистке в анаэробных условиях. При очистке в аэробных условиях в сообществе микроорганизмов развиваются простейшие. Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, которые различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза неорганический углерод, а энергию получают либо за счет фотосинтеза, либо за счет хемосинтеза при окислении ряда неорганических соединений. Механизм биологического окисления гетеротрофными бактериями в присутствии растворенного кислорода может быть представлен следующей схемой: неокисляемые растворимые вещества  Первая реакция характеризует окисление органических загрязнителей и образование новой биомассы. Вторая реакция характеризует процесс эндогенного окисления клеточного вещества. Если окисление в аэробных условиях проходит с участием автотрофов, то такой процесс (например, процесс нитрификации) может быть представлен следующими уравнениями:  В этих уравнениях  - символ состава органического вещества образующихся клеток микроорганизмов.Приведем схему анаэробного процесса, например, схему процесса метановой ферментации:  Считается, что оптимальная температура для аэробных процессов, происходящих в сооружениях биологической очистки, составляет 20-30 °С. В этих условиях сосуществуют разнообразные и хорошо развитые микроорганизмы. Биологическая очистка наиболее эффективна при значениях рН 5-9, причем оптимальной считается среда с рН = 6,5—7,5. При от клонении рН за пределы 5-9 снижается скорость окисления загрязне ний, в связи с чем следует контролировать и корректировать величину указанного параметра в сточных водах. Для того чтобы процесс биологической очистки сточных вод был эффективным, необходимо обеспечивать в среде достаточную кон центрацию органического углерода (БПК), азота и фосфора. Так, при обработке городских сточных вод соотношение БПКпjлн : N : Р долж но быть не менее 100 : 5 : 1. В аэробных биологических сооружениях концентрация растворен ного кислорода должна быть не ниже 2 мг/л, так как в противном слу чае уменьшается скорость утилизации органических загрязнений. |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... | | Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... | | Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... | | Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |  | Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |