Материал: Промышленная безопасность в технологических процессах и аппаратах. Колодяжный С.А., Иванова И.А

расположенного на решетке. Во избежание забивки адсорбента сточная вода не должна содержать твердых взвешенных примесей.

Водной колонне при неподвижном слое угля процесс очистки ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн (рис. 11.1, в). По такой схеме две колонны работают последовательно, а третья отключена на регенерацию. При проскоке в средней колонне на регенерацию отключают первую колонну.

Вмомент проскока в колонне появляется слой адсорбента высотой Lo, который не работает. Этот слой называют "мертвым" слоем. Если одновременно выводить из колонны "мертвый" слой и вводить в нее такой же слой свежего адсорбента, то колонна будет работать непрерывно. Для подачи адсорбента имеются специальные дозаторы.

При небольших концентрациях загрязнений в сточной воде средняя движущая сила процесса может быть вычислена как средняя логарифмическая из движущих сил на концах адсорбера.

Установки с псевдоожиженным слоем адсорбента. Установки с псевдоожиженным слоем (периодического или непрерывного действия) целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в сточной воде. Размер частиц адсорбента при этом должен быть равным 0,5-1 мм. Скорость потока для частиц указанных размеров находится в пределах

8-12 м/ч.

Конструкция адсорберов. В аппаратах с псевдоожиженным слоем отношение Н / Но (Но — высота неподвижного слоя адсорбента, Н — высота псевдоожиженного слоя) рекомендуется поддерживать в пределах 1,4-1,6. Достоинство аппаратов: возможность использования мелкозернистого адсорбента, имеющего развитую поверхность; большая производительность; простота конструкции и небольшое гидравлическое сопротивление. Применяются адсорберы различных типов. Схема цилиндрического одноярусного адсорбера показана на рис. 11.2, а.

Активный уголь через воронку по трубе непрерывно поступает под распределительную решетку, диаметр отверстий которой равен 5-10 мм. Сточная вода захватывает зерна адсорбента и проходит вместе с ними через отверстия решетки. Над решеткой образуется псевдоожиженный слой, в котором идет процесс очистки. Избыток угля поступает в сборник, а оттуда на регенерацию. Очищенную воду отводят через желоба в верхней части колонны. Уносимые частицы попадают в тот же сборник.

Водноярусном адсорбере с выносным смесителем (рис. 11.1, б) уголь поступает в смеситель, снабженный лопастной мешалкой, совершающей 40-60 об/мин. Туда же подают сточную воду. Из смесителя суспензию угля с водой песковым насосом перекачивают в адсорбционную колонну.

Адсорбер может представлять собой бак, внутри которого имеется усеченная пирамида квадратного сечения. Суспензию угля с водой подают

81

внутрь пирамиды, где возникает псевдоожиженный слой. Избыток угля оседает в пространстве между стенками бака.

Более сложную конструкцию представляет собой трехъярусный адсорбер с переливными трубками (рис. 11.2, в). Псевдоожиженный слой возникает над тарелками (типа колпачковых). Ярусы соединены между собой коническими трубками. Широкая часть трубок выступает над тарелкой на высоту, соответствующую верхней границе псевдоожиженного слоя, а узкий конец трубок погружен в нижний псевдоожиженный слой. Сверху в колонну подают 15-20 %-ю угольную суспензию, а снизу — сточную воду. Избыток угля отводят в сборник.

Рис.11.2. Адсорберы:

а — цилиндрический одноярусный:

1 — колонна, 2 — воронка, 3 — труба, 4 — решетка, 5 — сборник; б — одноярусный с выносным смесителем:

1 — смеситель, 2 — насос, 3 — колонна, 4 — сборник; в — трехъярусный:

1 — колонна, 2 — решетки, 3 — трубка для перемещения адсорбента, 4 — сборник

Регенерация адсорбента. Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3-0,6 МПа) равна 200-300 °С, а инертных газов 120-140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5-3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих — в 5-10 раз больше. После десорбции пары конденсируют и вещество извлекают из конденсата. Для регенерации углей может быть использована и экстракция (жидкофазная

82

десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с водяным паром растворителями. При регенерации органическими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей из угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбированных слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную форму. При этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда их вымывают горячей водой, раствором кислот (для удаления органических оснований) или раствором щелочей (для удаления кислот).

Внекоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента.

Втом случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем).

Термическую регенерацию проводят в печах различной конструкции при температуре 700-800 °C в бескислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горения газа или жидкого топлива и водяного пара. Она связана с потерей части адсорбента (15-20 %). Разрабатываются биологические методы регенерации углей, при которых адсорбированные вещества биохимически окисляются. Этот способ регенерации значительно удлиняет срок использования сорбента.

12. ИОННЫЙ ОБМЕН. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ПРИЗНАКАМ

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды. Ионный обмен широко распространен при обессоливании в процессе водоподготовки.

Сущность ионного обмена

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, носят название — ионитов. Они практически не растворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы — анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, вторые — основными. Если иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют

амфотерными.

83

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую обменные 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 обменная емкость обычно меньше полной.

Динамическая обменная емкость — это емкость ионита до "проскока" ионов в фильтрат, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической.

Природные и синтетические иониты

Иониты (катиониты и аниониты) бывают неорганические (минеральные) и органические. Это могут быть природные вещества или вещества, полученные искусственно.

Кнеорганическим природным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты, различные слюды и др. Катионо-обменные, свойства их обусловлены содержанием алюмосиликатов типа Na20Al203nSi02mH20. Ионообменными свойствами обладает также фторапатит [Ca5(PO4)3]F и гидроксидапатит [Са3(РО4)3]ОН. К неорганическим синтетическим ионитам относятся силикагели, пермутиты, труднорастворимые оксиды и гидроксиды некоторых металлов (алюминия, хрома циркония и др.). Катионообменные свойства, например, силикагеля, обусловлены обменом ионов водорода гидроксидных групп на катионы металлов, проявляющиеся в щелочной среде. Катионообменными свойствами обладают и пермутиты, получаемые сплавлением соединений, содержащих алюминий и кремний. Органические природные иониты — это гуминовые кислоты почв и углей. Они проявляют слабокислотные свойства. Для усиления кислотных свойств и обменной емкости угли измельчают и сульфируют в избытке олеума. Сульфоугли являются дешевыми полиэлектролитами, содержащими сильно- и слабокислотные группы. К недостаткам таких ионитов следует отнести их малые химическую стойкость и механическую прочность зерен, а также небольшую обменную емкость, особенно в нейтральных средах.

Корганическим искусственным ионитам относятся ионообменные смолы

сразвитой поверхностью. Они приобрели наибольшее практическое значение для очистки сточных вод. Синтетические ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка (каркас) называется матрицей, а обменивающиеся ионы — противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженными ионами, называемыми

84

фиксированными или анкерными. Полимерные углеводородные цепи, являющиеся основой матрицы, связаны (сшиты) между собой поперечными связями, что придает прочность каркасу.

При сокращенном написании ионита матрицу обозначают в общем виде (R), а активную группу указывают полностью. Например, сульфокатиониты записывают как RSO3H. Здесь R — матрица, Н — противоион, S03 — анкерный ион.

Регенерация ионитов

Катиониты регенерируют 2-8 % растворами кислот. При этом они переходят в Н-форму. Регенерационные растворы — элюаты содержат катионы. Затем после взрыхления и промывки катиониты заряжаются, например, в Na-форму путем пропускания через них раствора поваренной соли. Тогда Н-функциональные группы, получающиеся при регенерации катионита кислотой, заменяются на Na-rpynny, а используемый для зарядки раствор поваренной соли подкисляется до соляной кислоты.

Отработанные аниониты регенерируют 2-6 % растворами щелочи. Аниониты при этом переходят в ОН-форму.

Элюаты содержат в сконцентрированном виде все извлеченные из сточных вод анионы. Элюаты, представляющие собой растворы кислот и щелочей, нейтрализуют или обрабатывают с целью рекуперации ценных продуктов. Нейтрализацию проводят смешением кислых и щелочных элюатов, а также дополнительным введением кислоты или щелочи.

Схема ионообменных установок

Процессы ионообменной очистки сточных вод проводят на установках периодического и непрерывного действия. Первые состоят из аппаратов (фильтров или колонн) периодического действия, насосов, емкостей и контрольно-измерительных приборов.

Схемы установок с одним аппаратом приведены на рис. 12.1. Они отличаются системой регенерации ионита. На рис. 12.1, а регенерирующий раствор готовят непрерывно при подаче в эжектор воды и концентрированного раствора кислоты или щелочи. Подачу кислоты или щелочи прекращают после пропускания через ионит заданного объема регенерационного раствора. Однако подачу воды продолжают для отмывки ионита от регенерационного раствора.

Элюат и промывные воды после нейтрализации сбрасывают в канализацию.

На рис. 12.1, б регенерирующий раствор готовится в специальной емкости. В этом случае достигается сокращение расхода регенерирующего агента и объема регенератора, так как регенерационный раствор готовят путем добавления к первой порции промывной воды концентрированного реагента. В результате часть реагента находится в обороте.

85