Файл: Очистка промышленных сточных вод..pdf

Для адсорбции органических веществ из водных растворов должны применяться прежде всего углероди­ стые пористые материалы (различные типы активиро­ ванных углей) либо органические синтетические сорбен­ ты. Полярные гидрофильные материалы — глины, сили­ кагели, алюмогель и гидраты окислов— для адсорбции веществ из водных растворов практически непригодны, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды почти равна или превышает энергию адсорбции молекул органических соединений. Однако, если в водном раство­ ре молекулы или ионы образуют крупные ассоциаты как, например, ионы и молекулы синтетических поверх­ ностно-активных веществ с длинными цепями углеводо­ родных радикалов или ионы прямых красителей в при­ сутствии минеральных солей, то энергия адсорбции та­ ких ассоциатов или мицелл значительно превышает энергию связи молекул воды с поверхностью даже наи­ более гидрофильных материалов. Поэтому синтетические поверхностно-активные вещества (моющие, эмульгато­ ры и т. п.), прямые красители и другие соединения, обладающие свойствами коллоидных электролитов, хоро­ шо поглощаются из мицеллярных растворов не только гидрофобными сорбентами типа активированных углей и синтетических смол, но и крупнопористыми гидрофиль­ ными материалами, особенно гидратами окислов алю­ миния и железа. Последним для сорбции коллоидных ассоциатов следует отдать предпочтение, так как у са­ мых крупнопористых обесцвечивающих углей марок ОУ лишь около 20% поверхности пор доступно для крупных мицелл синтетических моющих веществ, гуминовых кис­ лот или прямых красителей, тогда как практически вся поверхность крупных пор свежеосажденных гидратов окислов алюминия и железа доступна для мицелл этих соединений.

По-видимому, в тех случаях, когда сточные воды за­ грязнены смесью молекулярно растворимых веществ и

соединений, образующих крупные мицеллы, на перрой стадии очистки такие воды следует обрабатывать евежеосажденными хлопьями гидратов окислов железа или алюминия.

Активированные угли, предназначенные для очистки промышленных сточных вод, должны обладать многими свойствами, не обязательными для углей, используемых для адсорбции газа или паров растворителей. Угли должны быть относительно крупнопористыми, чтобы их поверхность была доступна для сложных молекул ве­ ществ, попадающих в отходы промышленности органи­ ческого синтеза; они должны обладать небольшой удер­ живающей способностью при регенерации и возможно большей способностью противостоять истиранию, а так­ же легко смачиваться водой. В зависимости от способа применения активированные угли должны иметь опре­ деленный гранулометрический состав. В большинстве случаев желательно, чтобы угли, применяемые для очистки сточных вод и, особенно, для регенеративной очистки, обладали минимальной каталитической актив­ ностью по отношению к реакциям окисления, конденса­ ции и другим процессам, приводящим к необратимой сорбции либо к обесцениванию извлеченных из сточных вод продуктов.

ОПТИМАЛЬНАЯ РЕАКЦИЯ СРЕДЫ ПРИ АДСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

Из растворов слабых электролитов активированные угли адсорбируют недиссоциированные молекулы, ко­ торые гидратированы слабее, чем ионы этих же моле­ кул, несущие электрический заряд. Поэтому величина адсорбции слабых электролитов из раствора данной концентрации будет тем больше, чем меньшая доля всех молекул растворенного вещества диссоциирована на ионы, т. е. чем меньше степень электролитической диссо­

100

циации вещества. Следовательно, на величину адсорбции слабых электролитов pH растворов влияет постольку, поскольку от него зависит степень электролитической диссоциации молекул веществ в растворе. Отсюда ясно, что адсорбция неэлектролитов (бензола, нитробензола, хлорбензола, хлороформа и т. п.) не зависит от величи­ ны pH, так как при всех ее значениях в растворах этих веществ количество недиссоциированных молекул посто­ янно и равно общей концентрации веществ. Как извест­ но, константа электролитической диссоциации Кдио сла­ бой кислоты связана с концентрацией ионов водорода [Н+], общей концентрацией веществ в растворе С (точ­ нее говоря, с активностями ионов водорода и органиче­ ских ионов) соотношением

<х[ЯН

К дне •—

где а — степень электролитической диссоциации. Отсю­ да доля недиссоциированных молекул в растворе, опре­ деляющая равновесие адсорбции, равна

Из этого выражения видно, что если концентрация ионов водорода намного больше величины Кдпс, то (1 — а) = 1, т. е. практически все вещество в растворе находится в недиссоциированном состоянии. Если же Н[+] С-Кдис, то доля недиссоциированных молекул в растворе становится ничтожно малой. Для решения тех­ нологических задач определение доли недиссоциирован­ ных молекул адсорбируемого вещества в растворе с точностью до 0,1% вполне достаточно. Следовательно, при адсорбции слабых кислот рНопт = рКдис — 3 (напом­ ним, что pH и р/Сдпе — соответственно отрицательные логарифмы концентрации, точнее, активности водород­ ных ионов и константы электролитической диссоциации веществ).

101

Аналогичное рассмотрение зависимости доли недиссортированных молекул слабых оснований (аминов и

Др.) ПРИВОДИТ К Выражению рН0пт. осн = Р^Сдио. оси + 3* Таким образом, для адсорбции углями многих ве­ ществ, загрязняющих сточные воды предприятий про­ мышленности органического синтеза, могут быть по при­ веденным здесь несложным формулам вычислены опти­ мальные значения pH. Для тех соединений, /<^nG которых не известна, она может быть приближенно определена по аналогии с близкими соединениями, имеющими те же

ионогенные функциональные группы.

При адсорбционной очистке сточных вод, содержа­ щих смесь нескольких веществ, способных извлекаться активированным углем, наибольшее использование емко­ сти угля достигается в таких условиях, когда все при­ сутствующие в растворе вещества практически одновре­ менно насыщают адсорбент и переходят в фильтрат.

Если на предприятиях существуют группы сточных вод, сильно различающихся по оптимальным значениям pH для адсорбции, то их следует направлять на различ­ ные колонны с адсорбентом, соблюдая оптимальные значения pH для разных групп либо пропускать последо­ вательно смесь этих вод через две колонны с адсорбен­ том, изменяя pH после первой колонны в новую опти­ мальную область.

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ АДСОРБЕНТОВ ПРИ ОЧИСТКЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Одним из наиболее простых по аппаратурному оформлению методов адсорбционной очистки сточных вод является фильтрование воды через колонну, загружен­ ную слоем адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации веществ, растворенных в сточных водах, и обычно колеблется от 2—3 до 5—6 мг1м2-ч. Наи­ более рациональное направление фильтрации жидкости

102

через колонну с адсорбентом — снизу вверх, так как при этом она равномерно заполняет все сечение колон­ ны и относительно легко вытесняет пузыри воздуха или газов, попадающих в слой вместе со сточными во­ дами. В тех случаях, когда из сточных вод выделяется большое количество газов, перед подачей в колонну воду следует подавать в газоотделители.

Адсорбент применяется в виде зерен или частиц не­ правильной формы размером от 1,5—2 до 4—5 мм. При более мелком дроблении значительно возрастает сопро­ тивление фильтрованию жидкости.

В колонне слой зерен адсорбента укладывается на беспровальную решетку. Наиболее просто и удобно при­ менять обычные решетки с отверстиями диаметром 5— 10 и шагом 10—20 мм, на которые укладывают поддер­ живающий слой мелкого щебня и крупного гравия общей высотой 400—500 мм, предохраняющий зерна адсорбента от проваливания в подрешеточное простран­ ство и равномерно распределяющий поток жидкости по всему сечению слоя. Сверху слой адсорбента должен быть закрыт слоем гравия и щебня, размещенных в об­ ратном порядке, и зажат решеткой для предотвращения выноса зерен адсорбента из колонны при повышении скорости фильтрования или в результате флотации пу­ зырьками выделяющихся из сточных вод газов (воз­ духа или углекислого газа).

Условием применимости колонн с неподвижным слоем адсорбента является практически полное отсут­ ствие взвесей (особенно минеральных) в сточных водах, поступающих в колонну. В противном случае заилива­ ние слоя тонкой взвесью приведет к быстрому росту сопротивления фильтрации и прекращению работы адсорбента задолго до использования его поглотитель­ ной способности. Промывка заиленного слоя адсорбента приводит к образованию загрязненных сточных вод, ко­ торые приходится возвращать на повторную очистку.

103

Содержание в сточной воде 10—15 мгіл неорганической взвеси заметно сказывается на работе адсорбционной колонны. Поэтому если содержание взвешенных веществ в сточных водах позволяет применить безотстойное ме­ ханическое фильтрование (через напорные кварцевые фильтры или контактные осветлители), то это резко улучшает работу адсорбционных колонн.

Колонны с неподвижным слоем активированного угля обычно применяют при регенеративной очистке це­ ховых сточных вод с целью утилизации выделенных относительно чистых ценных продуктов.

После насыщения адсорбента до проскока загрязне­ ния в фильтрат подачу сточных вод в колонну прекра­ щают, колонны освобождают от находящейся в них воды, и адсорбент подвергают регенерации.

Для того чтобы при регенерации активированного угля извлеченные вещества были получены в возможно большей концентрации, весь слой адсорбента в аппарате должен быть насыщен поглощенными из сточных вод веществами до равновесия с концентрацией этих ве­ ществ в воде, поступающей в адсорбционную колонну. Поскольку в момент проскока загрязнения в фильтрат этому требованию отвечает не весь слой адсорбента L, а только участок его длиной Lo, называемый «мертвым» слоем, необходимо слой угля в колонне делать настоль­ ко высоким, чтобы L > (L — L0), либо размещать адсор­ бент в двух колоннах так, чтобы высота слоя в каждой из них была не менее длины работающего слоя (L—L0) или по крайней мене равна ей.

Использование блока адсорбционных колонн более рационально, чем одной очень высокой колонны, в осо­ бенности, если концентрация вещества в сточной воде довольно высока и работающий слой имеет значитель­ ную высоту. Следует подчеркнуть, что при этом дости­ гаются более низкий удельный расход регенерирующего реагента, меньшая потеря напора при регенерации и

104

более низкие удельные затраты на текущий и капиталь­ ный ремонты адсорбционных колонн.

Удобно блок адсорбционных фильтров монтировать из трех колонн, соединенных таким образом, что две из них могут в любом сочетании работать последовательно, а третья отключается на регенерацию (рис. 27). Вывод

Рис. 27. Схема блока адсорбционных фильтров:

первой по току жидкости колонны 2 на регенерацию осу­ ществляется в момент проскока загрязнения через вто­ рую колонну 3 блока. С этого момента сточная вода начинает поступать непосредственно во вторую колонну, а затем в подключенную последовательно колонну 4 с отрегенерированным адсорбентом.

Практически полное использование емкости адсор­ бента, равновесной концентрации загрязнений в сточной воде, которая поступает на очистку, достигается при пере­ мещении адсорбента навстречу потоку воды и выведении

105

бента, судя по литературным данным, находит некоторое применение в США [129], и, вероятно, в ряде случаев может быть с успехом использован на установках для регенеративной адсорбционной очистки сточных вод на

химических предприятиях в СССР.

Установка с движущимся слоем адсорбента представ­ ляет собой колонну с вытянутым под углом 30 45 дни­ щем для свободного сползания слоя угля. Сточные воды подаются в колонну снизу вверх через распределитель­ ное устройство, размещенное несколько выше стыка ко­ нусного днища с цилиндрическим корпусом колонны (примерно на расстоянии 0,5—1 м от стыкового флан­ ца). Очищенная вода отводится через кольцевой желоб в верхней части колонны либо через систему кольцевого дренажа, не пропускающего зерна адсорбента. Ско­ рость движения жидкости должна быть ниже скорости расширения слоя под влиянием напора потока. Для за­

бранной марки размер зерен может несколько меняться). При пуске колонны через некоторое время в^ней уста­ навливаются характерные зоны динамической адсорб­ ции: «мертвый» слой, работающий и резервный. По мере насыщения угля «мертвый» слой удлиняется и работаю­ щая зона начинает перемещаться вверх по слою. Для фиксации положения работающего слоя по высоте ко­ лонны сверху в аппарат непрерывно подают свежий активированный уголь с такой же скоростью, с какой

растет «мертвый» слой.

Одновременно, через короткие промежутки времени, небольшими порциями, эквивалентными количеству

106