лекции экология. Лекция 1 Проблемы защиты природы
 Скачать 121.31 Kb.
|
|
Анионитысодержат четвертичные аммониевые основания NR3OH или аминогруппы различной степени замещения. Волокнистые слабоионизованные иониты и полиамфолиты на основе ПАН-волокон обладают высокими обменными и кинетическими свойствами и являются эффективными средствами для очистки сточных и денатурированных вод от ионов хрома, меди и других тяжелых металлов, слабоионизованных органических соединений, таких как анилиновые и антрахиноновые красители, катионные, анионные и неионогенные ПАВ, нефтепродукты и др. Основные типы ионообменных аппаратов Аппараты периодического действия.Работа такого аппарата основана на фильтровании раствора через неподвижный слой ионита. Эти аппараты имеют значительное гидравлическое сопротивление и непригодны для переработки растворов, содержащих взвеси. Для их работы необходимы также большие одновременные загрузки ионита, динамическая емкость которого в одиночном реакторе используется не полностью, поскольку «проскок» солей начинается до насыщения верхних фильтрующих слоев. Наиболее распространенным и рациональным является фильтрование сверху вниз, что позволяет при соответствующем давлении раствора достигать высоких скоростей фильтрования. Аппараты непрерывного действия. Аппараты с плотным движущимся слоем ионита представляют собой колонны, весь рабочий объем которых заполнен ионитом. Это обеспечивает большее время контакта ионита с раствором и дает возможность создания высокоэффективных сорбционных аппаратов. Наиболее распространены аппараты с противоточным движением фаз. Они подразделяются на аппараты с гравитационным и принудительным движением ионита. Применение противотока позволяет увеличить среднюю движущую силу процесса, сократить в 2–5 раз необходимое время контакта, реализовать большое число ступеней изменения концентрации, увеличить динамическую емкость ионита и сократить его расход. В аппаратах с гравитационным движением ионита раствор подается снизу, а ионит – сверху. Достоинство аппаратов – простота конструкции. Одна из основных трудностей при проектировании аппаратов с плотным движущимся слоем заключается в равномерной подаче и выгрузке ионита. Обычно используются различные устройства, работа которых синхронизируется датчиком уровня ионита в верхней зоне колонны. При использовании напорного слоя значительно увеличивается загрузка ионита. Повышение эффективности аппаратов с принудительным движением фаз может быть достигнуто с помощью наложения пульсаций, улучшающих распределение фаз по сечению. В последнее время все шире применяются аппараты, в которых в качестве ионообменных материалов используется бесконечная ионообменная лента. В таких аппаратах ионообменная лента, огибающая группу приводных, несущих и направляющих роликов, орошается исходным раствором, который после капиллярного контакта с волокном ленты очищается и собирается в нижележащих поддонах. Регенерация ленты осуществляется в электродиализных камерах, расположенных на вертикальных участках траектории движения ленты. Аппараты такого типа находят применение в производстве с небольшой производительностью и высокими требованиями к качеству очистки жидкостей. Лекция №5 Очистка сточных вод с использованием мембран Мембранная очистка относится к методам, которые можно осуществлять лишь после конкретной технологической операции. Мембранные технологии позволяют рекуперировать как химикаты, так и воду и возвращают их на повторное использование. К мембранным процессам относятся: микрофильтрация – задерживание частиц микронных размеров; ультрафильтрация – для отделения сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов; обратный осмос (гиперфильтрация) – отделение неорганических солей и других мелких молекул. Типы фильтрующих аппаратов отличаются способом размещения мембран: 1) аппараты с плоскокамерными фильтрующими элементами; 2) аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами; 3) аппараты с фильтрующими элементами рулонного или спирального типа; 4) аппараты с мембранами из полых волокон. Мембраны представляют собой «молекулярные сита», и разделение компонентов раствора происходит на уровне молекул или их ассоциатов. При этом следует учитывать заряд мембранной поверхности и заряд отделяемых частиц, а также возможность растворения компонентов раствора в материале мембраны, механизм диффузионного и фазового разделения и др. Кроме того, если поверхностно-активное вещество или краситель активно сорбируются поверхностью мембраны, то повышается ее задерживающая способность, так как адсорбционные слои могут значительно снижать размеры пор мембраны. Например, катионоактивные и неионогенные вещества лучше задерживаются отрицательно заряженными мембранами из ацетата, целлюлозы и полиакрилонитрила, а анионактивные вещества – положительно заряженными полиамидными мембранами. Задержание ПАВ и красителей повышается, если их концентрация в растворе достигает значения, при котором начинают образовываться ассоциаты. Обратный осмос позволяет удалять из воды до 99 % всех примесей. Наибольшее распространение среди различных мембранных методов получила ультрафильтрация. Одним из условий эффективности процесса является выбор типа ультра- фильтрационного модуля. Существуют различные варианты мембран. Трубное устройство PCI Водоводный канал находится в кожухе, который отводит влагу на себя, и у этого кожуха есть поры, что позволяет удалять примеси. Трубчатые модули собирают из трубчатых мембран, которые имеют наружный диаметр от 4 до 25 мм. Их размещают последовательно или параллельно в цилиндрическом корпусе, образуя трубчатый модуль. Скорость циркуляции жидкости в нем может приниматься до 6 м/с. Такие модули не требуют предварительной тонкой очистки воды и применяются для жидкостей с большим содержанием взвеси. Их легко чистить посредством введения шариков из губки. К недостаткам трубчатых модулей относятся: большие размеры, высокая стоимость 1 м2 площади фильтрации. Спиральная система имеет мембранную поверхность в форме обертки, которая разделяется ячейчатыми сетками, в разных системах ячейчатые сетки различаются по толщине. Фильтрат проходит через мембранную по-верхность, попадает в трубу в центре элемента, где собирается и удаляется че рез концевой патрубок. Концевой патрубок отделяет подачу, фильтрат и потоки концентрата. Спиральные элементы изготовляются с разными диаметрами (как правило, это 6.3, 10.0, 20.0 и 27.5 см) и 1 м в длину. Система может содержать до шести элементов. Также в качестве мембран для процессов фильтрации используются специальные полые волокна. Непрерывные клиновидные системы были первоначально разработаны для установок опреснения воды, но также использовались в более ранних трубчатых мембранных системах. Они все еще интенсивно используются на предприятиях опреснения воды со спиральными мембранами. Эти системы требуют постоянного уровня и закономерностей подачи, чтобы поддерживать устойчивость показателей обработки. При использовании мембран из полых волокон требования к чистоте ис- ходной смеси очень высоки. Однако при этом сокращаются затраты электроэнергии на циркуляцию жидкости над мембраной. В настоящее время выпускаются мембранные модули на основе волокон из модифицированного полиамида, полых волокон из полиакрилонитрила. Отечественная промышленность выпускает мембранные трубчатые модули на основе ацетата целлюлозы, фторопласта, полисульфонамида. Эти модули входят в состав установок мембранного разделения жидкостей трубчатого типа. Уровень селективности трубчатых модулей при задержании красителей в турбулентном режиме достигает 95 %. При очистке от трудно задерживаемого сорбцией дисперсного красителя с использованием модуля из полых волокон улавливание красителя достигает 94 %. Для ультрафильтрационной регенерации ТВВ, например водорастворимой по- ливинилспиртовой шлихты, используются трубчатые мембраны «Владипор». Мембранные модули на основе полых волокон дали положительные результаты по извлечению замасливателя, используемого при формовании синтетических волокон. Погружные модули ультрафильтрации с внешней фильтрующей поверхностью устанавливаются прямо в обрабатываемую воду. Фильтрат всасывается сквозь стенки волокон за счет создания вакуума (0,2...0,6 бар). Они состоят из пластов, укрепленных полых волокон, объединенных в кассеты, включающие от 10 до 60 модулей, с одним источником питания, одним выходом пермеата (фильтрата) и одним воздушным коллектором. Для борьбы с закупориванием (забиванием) мембран предусматривается подача воздуха. Кроме того, все модули осветления (ультрафильтрации и микрофильтрации) необходимо защищать от закупоривания крупными частицами, для чего рекомендуется устанавливать перед ними защитные микросита с отверстиями от 150 до 500 мкм. Области применения мембранных процессов
При статической фильтрации жидкость проходит через мембрану, а частицы, размер которых больше, чем поры мембраны, задерживаются на ее поверхности и формируют так называемую фильтрационную лепешку, которая постепенно снижает фильтрационный эффект до тех пор, пока не будет проведена регенерация. При динамической фильтрации жидкость течет на мембрану не напрямую, а вдоль мембраны. При этом создается разница давления по всей мембране. В результате определенный объем жидкости проходит сквозь мембрану в виде фильтрата, а остальная часть продолжает движение вдоль мембраны вместе с примесями, которые в потоке очищают стенки мембраны, т. е. происходит эффект самоочищения фильтрующего элемента. Некоторые такие установки работают до 4–5 лет. В настоящее время обратный осмос является самым распространенным и самым эффективным методом водоподготовки и водоочистки сточных вод. Он используется везде, где необходимо получать воду наивысшей степени очистки. Основным элементом водоочистных установок является синтетическая полупроницаемая обратноосмотическая мембрана, которая пропускает водные молекулы и не пропускает примеси, в том числе и растворенные, находящиеся в подающейся на мембрану воде. Обратноосмотические мембраны бывают различными по способу изготовления и качеству, что влияет на качество воды. От этого зависит также давление воды, подающееся на мембрану, и ее ресурс работы. Принцип работы обратноосмотическоймембранывустановкепоочисткеводы Перед тем, как пройти по поверхности мембраны, очищаемая вода должна пройти так называемую предочистку. Из воды должны быть удалены все нерастворенные примеси. Затем вода может очищаться другими способами, которые уберут из нее значительное количество растворенных примесей. После этого вода поступает на мембрану. Чем чище и качественнее будет очищаемая вода перед тем, как попасть в поле действия обратноосмотической мембраны, тем дольше будет служить сама мембрана. Лекция №6 Деструктивные методы очистки Деструктивные методы очистки сточных вод базируются на глубоких превращениях органических соединений в результате окислительно-восстановительных процессов. Реакции, инициированные физическими или физико- химическими процессами, позволяют обеспечить полную деградацию поверхностно-активных веществ с потерей их свойств и изменить структуру красителей вплоть до нарушения хромофорноауксохромного строения. Полученные промежуточные продукты расщепляются до простых легкоокисляющихся органических соединений или минеральных веществ. Наибольшую трудность в технологии очистки представляют растворимые в воде красители, в отличие от нерастворимых, которые могут быть удалены путем перевода их в осадок или флотошлам с использованием более простых методов (коагуляция, реагентная напорная флотация и др.) В стоках красильных производств обнаружены фенольные соединения, канцерогенные вещества (бензидин, нафтиламин и др.), нитробензол, хлороформ, некоторые из них являются кумулятивными ядами. Кроме того, повышается минерализация воды, что отрицательно сказывается как на вкусовых качествах воды, так и угнетает биохимическую жизнь в водоеме, особенно сильное воздействие оказывают красители, в состав которых входят медь и хром. Ко всему прочему, окрашенные стоки влияют на кислородный режим водоема и нарушают процессы фотосинтеза. Из деструктивных методов чаще применяется очистка СВ окислителями, реагентной восстановительно-окислительной, электрохимической и электрокаталитической деструкцией. Хорошие результаты очистки сточных вод получены при обработке излучением высоких энергий с помощью изотопных источников γ-излучения на основе Со и Cs радиационных контуров γ-излучения на базе ядерного реактора тепловыделяющих элементов, машинных источников ионизирующего излучения. Эффективность радиационной обработки сточных вод достигается за счет окислительно-восстановительных процессов. Облучение растворов красителей дозами до 2 Мрад вызывает полное обесцвечивание. Окислительные методы В качестве окислителей чаще всего применяют озон, пероксид водорода, хлор и некоторые его соединения. Под воздействием окислителей осуществляются глубокие превращения сложных органических соединений до образования простых, легко усваиваемых микроорганизмами в ходе биохимической очистки или в процессах самоочищения водоемов. Интерес представляет экологически чистый окислитель – пероксид водорода (Н2О2). В концентрированном виде он бурно реагирует со многими органическими веществами, окисляя их до воды и СО2. Но для значительного количества сточных вод применение пероксида водорода не нашло широкого применения. При использовании пероксида водорода наиболее прогрессивным решением является окисление органических загрязнений после предварительного концентрирования их на специально подобранном адсорбенте-катализаторе, на поверхности которого и происходит глубокая деструкция загрязнений. В качестве адсорбента катализатора рекомендуется пористый силикагель, покрытый промотирующими добавками оксидов никеля, меди, кобальта при их соотношении, соответственно, 50–60, 25–35 и 10–20 %. При этом происходит 100%-е обесцвечивание СВ и снижение ХПК на 94–96 % при исходном значении 140 мг/л. Деструктивные превращения под воздействием хлора и его соединений в настоящее время считаются эффективными по степени снижения ХПК. Сво- бодный и содержащийся в различных соединениях хлор способен вступать в реакции хлорирования и окисления органических веществ и других примесей воды. Он обладает высоким окислительным потенциалом и относительной дешевизной. Однако применение активного хлора имеет ряд недостатков: образование диоксинов, высокая хлороёмкость многих сточных вод, опасность образования хлорпроизводных, подлежащих дальнейшему удалению, изменение солевого состава воды, увеличение плотного остатка, хлоратов и др., необходимость дехлорирования и длительность процесса. Озонированиемможно очищать воду от ПАВ, красителей, нефти, фенолов, цианидов, канцерогенных ароматических углеводородов и др. Наиболее целесообразно использовать озон для доочистки биохимических стоков или в системах оборотного водоснабжения после предварительной механохимической очистки, поскольку при озонировании СВ, имеющих большое количество загрязнителей, увеличивается расход озона и продолжительность процесса примерно в 10 раз. Окисление озоном позволяет одновременно очищать воду, устранять привкусы и запахи, обеззараживать. Озон можно получать непосредственно на очистных установках, причем сырьем служит технический кислород или атмосферный воздух. Применение озона не увеличивает солевой состав очищаемых СВ, процесс легко поддается автоматизации. Озон подается в камеру в виде озонокислородной или озоно- воздушной смеси, где вступает в химические реакции с загрязнениями. Озонирование представляет собой абсорбционный процесс, осложненный химичекими реакциями. При озонировании происходит окисление отдельных функциональных групп органических красителей без разрушения ароматических колец, т. е. процесс обесцвечивания связан с разрывом наиболее слабой -N=N- связи в молекуле. Основная часть установки – генератор озона, который состоит из корпуса, в нем расположены трубчатые озонирующие элементы из стеклянных электродов со специальным токопроводящим покрытием – электродом высокого напряжения. Под действием электрических разрядов в кольцевом пространстве между концентрически расположенными электродами образуется озон. Концентрация озона в озоно-воздушной смеси 12–17 %. Введение озоно-воздушной смеси в обрабатываемую воду осуществляется: - барботированием ее через слой воды с применением распыливающих элементов: фильтросов, металлокерамических труб, располагаемых у дна резервуара; - противоточной абсорбцией в абсорберах с различными насадками (кольцами Рашига, хордовой насадкой и др.); - с помощью эжекторов и специальных механических смесителей. При окислении озоном протекают два вида реакций: прямое окисление и непрямое. Прямая реакция вещества с молекулой озона начинается на границе раздела газ – жидкость. При этом сначала образуются озониды, которые нестойки и разлагаются с образованием промежуточных продуктов и затем до карбонильных соединений. При непрямом окислении в реакцию вовлекаются радикалы НО· и другие продукты, образующиеся при разложении озона. Разрушение хромофорных систем протекает с высокой скоростью (в зависимости от температуры и рН). Разрушаются и сероводород, аммиак, мочевина, цианиды и т. д. При применении катализаторов увеличивается скорость окисления до 108 раз, кроме того, интенсифицировать процесс можно использованием УФ- излучения и ультразвука. Комбинация осаждения, флокуляции, адсорбции, флотации и каталитического окисления озоном делает эти способы экономичными и эффективными. Ориентировочно время контакта для легко взаимодействующих с озоном веществ 0,25–1 мин, умеренно взаимодействующих 0,5–2 мин, трудно взаимо- действующих – 3 мин. Для озонирования сточных вод с большой концентрацией загрязнений и более полного использования озона применяют многоступенчатое (многократное) озонирование с использованием несколько последовательно работающих механических смесителей. Не прореагировавший озон, скапливающийся между поверхностью воды и перекрытием резервуаров, отсасывают вентилятором для подачи в специаль- ные рекуперационные турбины на повторное использование, затем сбрасывают в атмосферу через вытяжную трубу, разбавив атмосферным воздухом, или че- рез устройства для каталитического разложения озона. Деструкция происходит при температуре 60–120 °С в присутствии катализатора – платиновой сетки в течение 1 с. Можно использовать адсорбцию активированным углем. Затраты электроэнергии на растворение 1 кг озона данным способом составляют 35–38 кВт∙ч. В связи с токсичностью озона, поражающего органы дыхания и нервную систему, особое внимание при проектировании озонаторных установок уделяется вентиляции помещений и герметизации реакторов (ПДК озона в воздухе помещений с людьми составляет 0,000 1 мг/л). Озон и его водные растворы чрезвычайно коррозийны: разрушают сталь, чугун, медь, резину и т. д. Поэтому все элементы озонаторных установок и трубопроводы должны изготавливаться из нержавеющей стали и алюминия. Реагентная деструкция c использованием восстановителей Сложность очистки окрашенных СВ связана с тем, что органические загрязнения (красители, ПАВ, ТВВ и др.) являются биохимически стойкими и находятся в стоках главным образом в растворенном состоянии. Для обесцвечивания красителей и минерализации других органических загрязнений требуется достаточно глубокая деструкция их молекул. Известно, что азосвязь в азосоединениях, к которым относятся многие красители, относительно легко восстанавливается атомарным водородом. Обесцвечивание основано на разложении дитионита натрия или ронгалита под действием температуры и влаги с выделением атомарного водорода. Использование для этих целей дитионита натрия и ронгалита является нерентабельным, так как расход этих реагентов при обесцвечивании. В процессе деструктивной очистки на стадии восстановления происходят реакции взаимодействия серной кислоты с различными неорганическими соединениями, попадающими в сточные воды с образованием новых соединений. В процессе дегидратации образуется коллоидная кремниевая кислота, которая является флокулянтом и способствует лучшей очистке воды. Для нейтрализации сточных вод после контакта с железными стружками в реакторе обычно используют строительную известь в виде 5%-го известкового молока или отходы производства, содержащие оксид кальция, например: карбидный шлам, известково-глинистую пыль и т. д. Для интенсификации физико-химических процессов, в том числе на ускорение растворения железных стружек в реакторе, широкое применение находят магнитное, электрическое и ультразвуковое поля. Таким образом, в результате деструкции органических красителей может быть успешно осуществлено глубокое обесцвечивание окрашенных сточных вод на стадии их локальной обработки. Этот метод применим как для общего стока предприятия, так и для выделенного потока сильноокрашенных стоков. Такая вода соответствует требованиям для сброса в городскую канализацию. |