Л.О. Штриплинг, Ф.П. Туренко
Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов
Учебное пособие – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 192 с.
Глава 1. Основы очистки сточных вод
5. Физико-химические процессы очистки сточных вод
5.4. Экстракция
При относительно высоком
содержании в производственных сточных водах растворимых органических веществ,
представляющих техническую ценность (например, фенолы, жирные кислоты),
эффективным методом очистки является экстракция органическими растворителями –
экстрагентами (табл. 1.3). Экстракционный метод очистки производственных
сточных вод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых
жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся
концентраций в двух несмешивающихся (или слабо смешивающихся) растворителях при
достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом
распределения (или экстракции)
kp
= Cэ / Cст ≈ const,
(1.12)
где Сэ, Сст –
концентрация экстрагируемого вещества в эктстрагенте и сточной воде
соответственно при установившемся равновесии.
Коэффициент
распределения зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а
также от наличия различных примесей в сточных водах и эктстрагенте. После
достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте
значительно выше, чем в сточной воде. Сконцентрированное в эктстрагенте вещество
отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после этого
вновь используется в технологическом процессе очистки.
Таблица 1.3
Экстра-
гирующее
вещество
|
Экстрагент
|
kP
|
Экстрагирующее вещество
|
Экстрагент
|
kP
|
Анилин
|
бутилацетат
|
27
|
Салициловая кислота
|
ацетон
|
126
|
толуол
|
8-19
|
толуол
|
1,7-2,5
|
бензол
|
1,7-4,5
|
Бензойная кислота
|
диэтиловый эфир
|
71-91
|
хлороформ
|
2,9-4,3
|
бутилацетат
|
30
|
п-толуодин
|
бензол
|
51-60
|
толуол
|
6-12
|
Муравьинный
альдегид
|
амиловый спирт
|
3
|
Фенол
|
бутилацетат
|
51
|
амиловый спирт
|
14-16
|
толуол
|
1,7-9,4
|
бензол
|
2,3-2,5
|
хлороформ
|
3,4-12,5
|
Пикриновая кислота
|
толуол
|
1,7-8,7
|
Хлоруксусная кислота
|
амиловый спирт
|
3,6
|
бензол
|
0,7-5,3
|
хлороформ
|
1,2-2,6
|
Пиридин
|
толуол
|
1,4-9,
|
Метод экстракционной очистки
экономически целесообразен при значительной концентрации органических примесей
или высокой стоимости извлекаемого вещества. Для большинства продуктов
применение экстракции рационально при концентрации их 2 г/л и более.
Для успешного протекания
процесса экстракции экстрагент должен иметь следующие свойства:
- хорошую экстрагирующую
способность по отношению к экстрагируемому веществу, т.е. высокий коэффициент
распределения;
- селективность – способность
экстрагировать из воды одно вещество или определенную их группу;
- малую растворимость в воде;
- плотность, отличающуюся от
плотности воды;
- температуру кипения,
значительно отличающуюся от температуры кипения экстрагируемого вещества;
- небольшую удельную теплоту
испарения и малую теплоемкость, что позволяет снизить расходы пара и охлаждающей
воды;
- возможно меньшую огне- и взрывобезопасность;
- низкую токсичность;
- низкую стоимость.
Экстрагент не должен
подвергаться заметному гидролизу и взаимодействовать с экстрагируемым
веществом, материалом трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры
экстракционной установки. Методы экстрагирования органических веществ по схемам
контакта экстрагента и сточной воды можно подразделить (рис. 1.37) на
перекрестно-точные, ступенчато-противоточные, непрерывно-противоточные.
Прямоток в процессах
экстракции не применяется при многоступенчатой перекрестной (рис. 1.37, а)
схеме сточная вода на каждой ступени контактирует со свежим экстрагентом, что
требует значительных его расходов.
Практическое применение
получили методы ступенчато-противоточной (рис. 1.37, б) и
непрерывно-противоточной экстракции. При ступенчато-противоточной экстракции
каждая ступень включает перемешивающее устройство для смешения фаз и отстойник
для их гравитационного разделения. Могут применяться также центробежные
сепараторы, обладающие более высокой разделительной способностью по сравнению с
гравитационными.
Рис. 1.37. а – схема многоступенчатой перекрестноточной очистки;
б – схема ступенчато-противоточной экстракции:
1 –
подача сточной воды; 2, 3, 4 –
экстракционные установки;
5 –
подача чистой воды; 6 – выпуск обработанной сточной воды;
7 –
отвод отработанного экстрагента; 8 – отстойники
Вода и экстракт движутся навстречу друг
другу, причем экстракт последующей ступени смешивается в смесителе с водной
фазой предыдущей ступени.
Смеситель должен обеспечить
максимальную степень диспергирования экстракта в воде, исключающую, однако,
возможность образования стойких эмульсий, которые препятствуют разделению фаз.
Конечная концентрация
экстрагируемого из раствора вещества в воде может быть определена по формуле
(1.13)
где Cк, Cн – конечная и
начальная концентрация экстрагируемого вещества, кг/м3; n – число экстракций; b – удельный расход
экстрагента для одной экстракции, м3/м3
b=W / (n·Q).
Здесь W – общий объем
экстрагента, затрачиваемого на экстракцию, м ; Q – количество сточных
вод, подвергающихся экстракции, м3; kp – коэффициент
распределения.
Анализируя уравнение (1.13) можно, сделать вывод о
большой эффективности многократной экстракции.
Ступенчато-противоточная
экстракция может быть непрерывной или периодической (при малых расходах сточных
вод). При непрерывно-противоточной экстракции вода и экстрагент движутся
навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающим диспергирование экстрагента в воде. При этом
примеси сточной воды непрерывно переходят в экстрагент.
Если плоскость обрабатываемой
сточной воды больше плотности экстрагента (γcт
> γэ), то вода вводится в экстракционную колонну сверху, а
экстрагент – снизу (рис. 1.38, а). При γэ > γcт экстрагент вводится в верхнюю часть колонны, а обрабатываемая
сточная вода - в нижнюю (рис.1.38, б).
Рис. 1.38. Схема
непрерывно-противоточной экстракции:
а – сверху; б –
сточной воды снизу; 1 – подача экстрагента;
2 – подача сточной
воды; 3 – отвод отработанного экстрагента;
4 – отвод
обработанной сточной воды
Для определения концентрации
экстрагируемого вещества в обработанной сточной воде можно воспользоваться
формулой
Cк = (1 – b·kP)·Cн. (1.14)
Требуемый
удельный расход экстрагента при заданных начальной и конечной концентрациях
экстрагируемого вещества в сточной воде определяется из выражения
b = Cн – Cк / (kp Сн).
(1.15)
Применение противоточных
экстракционных колонн непрерывного действия целесообразно при многоступенчатой
экстракции. Эффективность метода зависит от того, насколько легко образуются и
разрушаются эмульсии в сточной воде, от длительности полного разделения фаз и
кинетики экстрагирования.
Технологическая схема очистки производственных
сточных вод экстракционным способом зависит от количества и состава сточных
вод, свойств экстрагента, способов его регенерации и обычно включает следующие
четыре этапа:
1. Подготовка воды перед
экстракцией – для этого используются: отстойники, флотаторы, фильтры, нейтрализаторы,
охладительные устройства.
2. Улавливание
паров экстрагента (собственно экстракция) – используются экстракционная колонна
и резервуары (сборники экстрагента). Конструкция экстракционной колонны зависит
от способа контакта сточной воды и вида экстрагента. Существуют колонны без
какой-либо насадки – распылительные, инжекторные.
Часто применяются насадочные
колонны, в качестве насадки используют блочные конструкции из керамики,
металла, пластичных масс, а также засыпные элементы, выполненные из керамики,
металлов (кольца Рашига, кольца Палля, седла Берля и др.). Для повышения
интенсивности и эффективности перемешивания применяют тарельчатые колонны,
колонны с пульсацией потоков или с движущимися сетчатыми тарелками. Экстракционные
колонны имеют значительную высоту. Для обеспечения необходимой
продолжительности контакта. В распылительной и насадочной колоннах, а также в
колонне с движущимися сетчатыми тарелками высота, эквивалентная одной ступени
экстракции, соответственно равна 10; 6; 0,8 м. Выбор типа колонны определяется
необходимым числом ступеней экстракции и допустимыми затратами энергии.
3. Регенерации экстрагента из
сточной воды. Отгонка экстрагента обычно осуществляется в насадочной колонне, в
которую сверху подается обработанная сточная вода снизу – острый пар.
Регенерация в зависимости от свойств экстрагента и его товарной способности
может осуществляться отдувкой, воздухом или другими газами, а также
экстракцией.
4. Регенерации экстрагента из
экстракта – теплообменник, подогреватель, одно и двухступенчатая регенерационная
(ректификационная) колонна, охлаждающее устройство, сепараторы, сборники
регенерируемого экстракта и экстрагируемых веществ.
Наиболее широко
применяются методы экстракции для очистки сточных вод предприятий по
термической обработке твердых топлив (каменного и бурного углей, сланцев,
торф), содержащих значительное количество фенолов. Утилизация извлекаемых из
сточных вод фенолов позволяет не только покрыть расходы на их извлечение, но и
при начальной концентрации фенолов 3-4 г/л обеспечивает рентабельность их
очистки. Эффективность увеличения фенолов из сточных вод достигает 80-90 %.
Таким
образом, экстракция – процесс перераспределения примесей сточных вод в смеси
двух взаимно нерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента).
|