Физико-химические основы реагентного метода выделения ионов из водных растворов

Специалистами отмечено что при реагентных методах очистки и выполнении технологических регламентов остаточные концентрации основных ионов тяжелых и цветных металлов в очищенных стоках достигают следующих минимальных величин, мг/л: Fe(OH)2 – 0,3-1,0; Zn(OH)2 – 0,05; Cu(OH)2 – 0,1-0,15, – и представлены, в основном, в виде их гидроксидов, легко диссоциируемых и растворимых в слабокислых водных растворах. [12]

 

6 Реагенты-осадители. Расчет расхода реагентов-осадителей и масс образующихся осадков

6.1 Нейтрализация

Производственные сточные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щелочи и кислоты. В большинстве кислых стоков содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделять из сточных вод.

С целью предупреждения коррозии материалов канализационных очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и в водоемах, а также осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов кислые и щелочные стоки подвергают нейтрализации.

Реакция нейтрализации – это химическая реакция между веществом, имеющим свойства кислоты, и основания, которая приводит потере характерных свойств обоих соединений. Наиболее типична реакция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксила, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях. В результате концентрация каждого из этих ионов становится равно той, которая свойственна самой воде, т. е. активная реакция водной среды приближается к рН=7.

При спуске производственных сточных вод в водоем или в городскую канализационную сеть практически нейтральными следу е считать смеси с pH = 6,5-8,5. Следовательно, подвергать нейтрализации следует сточные воды с pH менее 6,5 и более 8,5, при этом необходимо учитывать нейтрализующую способность водоема, а также щелочной резерв городских сточных вод. Из условий сброса производственных стоков в водоем или городскую канализацию следует, что большую опасность представляют кислые стоки, которые ветре чаются к тому же значительно чаще, чем щелочные (количество производственных сточных вод с pH более 8,5 невелико). [13]

Если отработанные производственные сточные воды подаются систему оборотного водоснабжения, то требования к величине активной реакции зависят от специфики технологических процессов.

Наиболее часто сточные воды загрязнены минеральными кислотами серной H2SO4, азотной HNO3, соляной НС1, а также их смесями. Значительно реже в сточных водах встречаются азотистая HNO2; фосфорная Н3РО4, сернистая H2SO3, сероводородная H2S, плавиковая HP, хромовая Н2ClO4 кислоты, а также органические кислоты: уксусная, пикриновая, салициловая и др.

Концентрация кислот в сточных водах обычно не превышает 3%, но иногда достигает большей величины; например, в отдельных производствах, где невозможно обеспечить взаимную нейтрализацию, применяют реагентный метод нейтрализации. Этот метод наиболее широк: используют для нейтрализации кислых сточных вод.

Выбор реагента для нейтрализации кислых стоков зависит от вида кислот и их концентрации, а также от растворимости солей, образующихся в результате химической реакции. Для нейтрализации минеральных кислот применяют любой щелочной реагент, но чаще всего известь в виде пушонки или известкового молока и карбоната кальция или магния в виде суспензии. Эти реагенты сравнительно дешевы и общедоступны, но имеют ряд недостатков: обязательнее устройство усреднителей перед нейтрализационной установкой, затруднительность регулирования дозы реагента по pH нейтрализованной воды, сложность реагентного хозяйства. Скорость реакции между раствором кислоты и твердыми частицами суспензии относительно невелика и зависит от размеров частиц и растворимости образующегося в результате реакции нейтрализации соединения. Поэтому окончательная активная реакция в жидкой фазе устанавливается не сразу, а по истечении некоторого времени (10-15 мин). [13, 15]

При нейтрализации производственных сточных вод, содержащих серную кислоту, реакция, в зависимости от применяемого реагента протекает по уравнениям:

Образующийся в результате нейтрализации сульфат кальция (гипс) кристаллизуется из разбавленных растворов в виде CaS04 . Н2О.

Растворимость этой соли при температурах 0-40°С колеблется от 1,76 до 2,11 г/дм. При более высокой концентрации сульфат кальция выпадает в осадок, поэтому при нейтрализации сильных кислот, кальциевые соли которых труднорастворимы в воде, необходимо устраивать отстойники-шламонакопители. Существенным недостатком метода нейтрализации серной кислоты известью является также образование пересыщенного раствора гипса (коэффициент пересыщения может достигать 4-6), выделение которого из воды может продолжаться несколько суток, что приводит к зарастанию трубопроводов и аппаратуры. Присутствие в сточных водах многих химических производств высокомолекулярных органических соединений усиливает устойчивость пересыщенных растворов гипса, поскольку эти соединения сорбируются на гранях кристаллов сульфата кальция и препятствуют их дальнейшему росту.

Процессы реагентной нейтрализации производственных сточных вод осуществляются на предприятиях и являются первой ступенью обезвреживания стоков. Основными элементами нейтрализационных установок являются: песколовки; резервуары-усреднители; склады нейтрализующих реагентов; растворные баки для приготовления рабочих растворов реагентов; дозаторы рабочих растворов реагентов; смеситель сточных вод с реагентом; камеры реакции (нейтрализаторы); отстойники для нейтрализованных сточных вод; осадкоуплотнители (перед механическим обезвоживанием обратившихся осадков); сооружения для механического обезвоживания осадков, а при их отсутствии – шламовые площадки; места для складирования обезвоженных осадков; устройства химического контроля процессом нейтрализации. [14]

Песколовки предусматриваются при наличии в сточных водах тяжелых механических примесей. Резервуары-усреднители для кислых и щелочных сточных вод выполняются из материалов с

антикоррозионной защитой. Их объем определяется в зависимости от графика притока сточных вод и колебаний концентраций кислоты или щелочи. При отсутствии таких графиков объем резервуаров определяется по технологическим данным. Поступающие в резервуары стоки перемешиваются воздухом. При наличии на предприятии одновременно кислых и щелочных стоков учитывается их взаимная нейтрализация.

Для перемешивания реагента сточной водой применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителю, смешение реагентов с водой достигается за счет энергии потока воды. В механических смесителях турбулентность потока усиливается мешалками различных типов.

Из смесителей сточные воды поступают в камеру реакции, где продолжительность контакта колеблется в пределах 5-30 мин.

Для отстаивания получающейся в результате нейтрализации осадков применяют отстойники, рассчитанные на пребывание в них сточной воды не менее 2 ч. После отстойников осадок обезвоживается на шламовых площадках с дренажем.

На рисунке 7 представлена принципиальная схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. При объемах сточных вод до 30 м /ч обычно осуществляется периодическая схема очистки, а при больших-смешанная или непрерывная.

 

 

1 – реактор-нейтрализатор кисло-щелочных стоков, 2 – дозатор щелочного агента, 3 – дозатор флокулянта, 4 – дозатор расвора кислоты, 5 – отстойник, 6 – механический фильтр,

7 – насос, 8 – нейтрализатор очищенной воды.

Рисунок 7 – Принципиальная схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов

 

Нейтрализацию сточных вод обычно проводят известковым молоком, содержащим 5-10% активной окиси кальция.

Образующийся в процессе нейтрализации сернокислых сточных вод известковым молоком осадок гипса имеет влажность 98-99%. Объём осадка, получающегося при нейтрализации сточных вод, содержащих 5% H2SO4, составляет после отстаивания 7,5-10% от объема сточных вод. Если в сточной воде содержатся, например, соли тяжелых металлов, синтетические жирные кислоты, то объем образующегося осадка может значительно увеличиться.

В соответствии с рисунком 8 установки для нейтрализации сточных вод включают реагентное хозяйство, усреднители; смесители, контактные резервуары, отстойники для выделения шлама.

 

 

 

1 – смеситель, 2 – погружной датчик, 3 – приборы системы автоматического регулирования, 4 – сборник известкового молока,

5 – насос, 6 – приемная часть дозатора,

7 – дозатор, 8 – исполнительный механизм

Рисунок 8 – Схема установки нейтрализации сточных вод

 

Кислая вода из усреднителя поступает в ершовый смеситель 1, являющийся одновременно и контактным резервуаром. Погружной датчик 2, установленный на выходе из смесителя, а также приборы системы автоматического регулирования 3 (электронный рН-метр, потенциометр со встроенным реостатным датчиком и электронный регулятор) позволяют осуществлять автоматическое регулирование pH воды на выходе из смесителя. Известковое молоко из сборника 4 насосом 5 подается в приемную часть 6 дозатора 7.

В зарубежной практике получили применение установки нейтрализации (рисунок 9) с механическими мешалками 2, установленными в усреднителе 1 и камере нейтрализации 3 (контактном резервуаре). Нейтрализация осуществляется в две ступени с автоматическим регулированием дозы щелочного агента с помощью рН-метра. Это обеспечивает более точное регулирование конечного значения pH сточной воды.

 

1 – усреднитель; 2 – мешалка с механическим приводом; 3 – камера нейтрализации 4 – регулятор расхода; 5 – расходный резервуар раствора щелочного агента 6 – регулирующий рН-метр; 7 – клапан

Рисунок 9 – Схема установки нейтрализации сточных вод, применяемой в США.

 

Регулятор расхода 4 обеспечивает регулирование уровня воды в усреднителе с одновременным регулированием дозы щелочного агента на выходе из первой камеры. Это позволяет сглаживать пиковые нагрузки не только по концентрации кислоты в сточной воде, но и при изменении расхода сточных вод.

Продолжительность процесса нейтрализации сточных вод зависит от их состава, вида применяемого нейтрализующего агента, температуры и т. д. При использовании едкого натра нейтрализация протекает практически мгновенно при любых температурах.

Время пребывания воды в камере нейтрализации при использовании известкового молока составляет 5-30 мин в зависимости от наличия в воде солей тяжелых металлов и других примесей. При нейтрализации сильных кислот (HCl, HNO3) время нейтрализации не превышает 5 мин. С увеличением интенсивности перемешивания или при использовании аэрации, а также с повышением температуры продолжительность контакта уменьшается.

Если нейтрализующими агентами служат, например, известняк, доломит, карбидный шлам ацетиленовых станций, время контакта их с водой следует увеличивать до 1-3 ч. Продолжительность пребывания воды в камере нейтрализации определяется экспериментально в каждом конкретном случае. [15]

 

6.1.1 Способ нейтрализации и очистки сточных вод

Авторы: Косов В.И.; Баженова Э.В.

Патентообладатель: Тверской государственный технический университет.

Начало действия патента: 27.09.2001

Описание изобретения к патенту:

Изобретение относится к области очистки сточных вод, в частности к способу нейтрализации и очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов одного вида с большой концентрацией, и может быть использовано на предприятиях искусственного волокна, цветной металлургии, заводах металлоизделий и гальванических производств.

Обычно нейтрализация производственных сточных вод совмещается с их очисткой от ионов тяжелых металлов.

Известен способ нейтрализации и очистки кислых сточных вод от ионов тяжелых металлов путем добавления известных щелочных реагентов (раствора гидроксида кальция, едкого натра, карбоната кальция, карбоната натрия и других) и образования труднорастворимых гидроокисей в узком интервале - для меди pH 8 - 10, для цинка pH 9,0 - 9,2. Если сточные воды получаются щелочными, их при необходимости после отделения осадка нейтрализуют технической серной кислотой.

При одновременном наличии в стоках ионов меди, цинка, хрома, никеля оптимальным диапазоном pH при обработке известными щелочными реагентами является pH 8,75 - 9,25, так как в этом диапазоне достигается более полный перевод указанных ионов в форму гидроокисей. Однако при этом не достигается высокого качества очистки стоков. Так, при очистке кислых сточных вод гальванических производств едким натром до pH 9,2; 9,0; 8,75 при исходной концентрации, например, ионов цинка соответственно 12,5; 34,7; 41,8 мг/л остаточная концентрация этих ионов в стоках составила соответственно 2,8; 2,9; 3,7 мг/л. Эффект очистки этих стоков соответственно составил 77,6; 91,6; 91,1%.

Недостатком способа является не соответствие очищенных стоков нормативным требованиям приема их в системы канализации населенных пунктов или выпуска в водоемы.

Для рыбохозяйственных водоемов предельно допустимое содержание (ПДС), например, по никелю и цинку составляет 0,01 мг/л, по меди 0,001 мг/л. Возникает необходимость применения дополнительных методов очистки стоков, например, дорогостоящего метода ионного обмена на искусственных катионитах или дополнительного ввода других реагентов. Также недостатками являются использование известных щелочных реагентов в больших количествах (например, для извлечения из одного литра кислых стоков ионов цинка едким натром расходуется щелочного реагента в массовом соотношении цинк - едкий натр = 1 - 6,0). Другим недостатком также является необходимость строгого соблюдения значений интервала реакции среды обрабатываемого стока, чтобы не создавать условий для растворения амфотерных гидроксидов (например, гидроксидов цинка, гидроксидов меди).