Физико-химические методы очистки воды

К физико-химическим методам очистки воды относятся: коагуляция, флотация, адсорбция, выпаривание, кристаллизация, десорбция, ионный обмен, экстракция, обратный осмос и др.

1. Коагуляция – это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агломераты. Она наиболее эффективна для удаления из воды и ускорения процесса осаждения коллоидно-дисперсных частиц размером 1…100 мкм. Коагуляция происходит под действием специальных добавок-коагулянтов, в качестве которых могут использоваться ионы металлов:

.

Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Оседающие хлопья улавливают коллоидные и взвешенные частицы, собирая их в более крупные агломераты. Этому способствует то, что хлопья коагулянта имеют положительный заряд, а коллоидные частицы – слабый отрицательный, что способствует возникновению между ними взаимного притяжения. В качестве коагулянтов обычно используются соли алюминия, железа и их смеси (например, , и др.). Размеры образующихся хлопьев (0,5…3,0 мм) определяются соотношением между молекулярными и гидродинамическими силами.

2. Флокуляция – это процесс образования более крупных агломератов из коллоидных и взвешенных частиц при добавлении в воду высокомолекулярных соединений (например, крахмал (C₆H₁₀O₅)_n, целлюлоза , эфиры , диоксид кремния (SiO₂). При флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул флокулянта адсорбированного на частицах. Флокуляция проводится для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов металлов при коагуляции и ускорения осаждения хлопьев.

3. Флотация – это процесс удаления частиц из сбросной воды путем адсорбирования их на поднимающихся газовых пузырьках и накопления примесей в верхнем пенном слое.

Флотацию применяют при удалении из воды нерастворимых диспергированных примесей, которые плохо отстаиваются. К достоинствам флотации можно отнести высокую эффективность очистки (95…98 %), получение шлама с низкой влажностью (до 90…95 %), более высокую скорость процесса, чем при отстаивании и др. Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, что во многих случаях оказывается полезным для дальнейших процессов обработки сбросной воды.

Возможность образования флотационного комплекса «частица – пузырек», скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависят от физико-химических свойств частиц, характера взаимодействия их на поверхности натяжения пузырей, способности частицы смачиваться, а также от размеров и количества пузырьков газа.

Технология процесса флотации, в зависимости от способа аэрации сточной воды, может выполняться в напорной и вакуумной установках, механической аэрацией, при помощи пористых пластин и др. Наибольшее распространение получили напорные флотационные установки, позволяющие очищать сбросные воды с концентрацией взвесей до 4…5 г/л. Они имеют большую эффективность, чем нефтеловушки и меньшие габаритные размеры. Производительность таких установок от 5…10 /ч до 1000…2000 /ч; давление в напорной камере 0,17…0,39 МПа. На рис.11.2 представлена схема многократной флотационной установки с рециркуляцией.

Рис. 11.2. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляцией: 1– емкость; 2– вход воды на очистку; 3– выход шлама; 4– гидроциклон; 5– пеносъемник; 6– флотационные камеры; 7– выход очищенной воды; 8– подвод воздуха; 9– напорная емкость; 10– аэраторы

4. Адсорбция – это процесс поглощения нерастворимых малодисперсных взвесей из воды твердыми частицами больших размеров с развитой поверхностью адсорбции. В качестве адсорбентов используются активированный уголь, синтетические вещества и отходы производства (зола, шлак, опилки и др.).

Адсорбент в процессе адсорбции насыщается примесями, поэтому через определенный промежуток времени его приходится выводить из технологического процесса и производить регенерацию. Адсорбционная способность адсорбента (например, активированного угля) определяется развитой поверхностью и пористостью.

Минеральные вещества (глина, селикагелий, алюмогелий и др.) для адсорбции не используются, так как у них энергия взаимодействия с молекулами воды иногда превышает энергию адсорбции. Адсорбент должен удовлетворять некоторым требованиям: иметь хорошую адсорбционную емкость, быть прочным, хорошо смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав, не обладать каталитической активностью к реакциям окисления и конденсации, иметь низкую стоимость, быстро восстанавливаться в процессе регенерации, обеспечивать большое количество циклов работы.

Процесс адсорбции состоит из трех стадий: перенос примесей из воды к поверхности адсорбента (внешнедиффузионная область); процесс адсорбции; перенос примесей внутри частиц адсорбента (внутридиффузионная область). Размер частиц адсорбента колеблется от 0,5 до 5…15 мм. Для активированного угля оптимальный размер частиц – 2,5 мм. Эффективность очистки воды достигает 80…95 % и зависит от физико-химических свойств адсорбента.

Технологические схемы адсорбционных методов очистки воды выполняются одноступенчатыми и многоступенчатыми с последовательным (рис. 11.3,а) и противоточным (рис. 11.3,б) введением адсорбента.

Рис. 11.3. Адсорбционные установки с последовательным (а) и противоточным (б) введением абсорбента: 1 – сбросная вода на очистку; 2 – смесители; 3 – подвод адсорбента; 4 – отстойники; 5 – выход очищенной воды; 6 – выход отработавшего адсорбента; 7 – приемник адсорбента; 8 – насосы

5. Ионный обмен – это процесс взаимодействия взвесей с твердыми частицами, обладающими свойствами обменивать ионы, содержащиеся в них, на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, называются ионитами.

Ионнообменный метод очистки воды применяется для извлечения из сбросных вод таких металлов, как цинк, медь, хром, никель, свинец, ртуть, кадмий, ванадий, марганец, а также соединений мышьяка. В качестве ионитов (катионов и анионов) могут использоваться как неорганические (минеральные), так и органические вещества. К неорганическим ионитам относятся глинистые минералы, полевые шпаты, слюда и др. К органическим ионитам относятся гуминовые кислоты, сульфоуголь, искусственные смолы с развитой поверхностью.

6. Экстракция – это процесс вывода из сбросной воды примесей путем растворения их в органическом растворителе. Экстракцию применяют для очитки воды от фенолов, масла, органических кислот, ионов металлов и др. Процесс очитки воды экстракцией включает три стадии:

a) смешение очищаемой воды с экстрагентом, в результате чего образуется экстракт и рафинат (экстракт – смесь удаляемого вещества и экстрагента, рафинат – смесь очищаемой воды и экстрагента);

б) разделение экстракта и рафината;

в) регенерация экстракта и рафината.

Целесообразность применения экстракции определяется концентрацией примесей в воде. При концентрации менее 1 г/л экстракция практически не применяется. Ее следует применять только при экономически выгодном процессе извлечения примесей из воды.

7. Обратный осмос и ультрафильтрация – это процесс фильтрации растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающем осмотическое. Мембраны пропускают молекулы воды, задерживая растворенные в ней вещества. При обратном осмосе размеры частиц (молекул, ионов) не превышают размеров молекул воды (0,0001…0,001 мкм). При ультрафильтрации размеры удаляемых частиц больше (0,001…0,02 мкм).

Обратный осмос проводится при давлении 6…10 МПа; ультрафильтрация – при 0,1…0,5 МПа. Эффективность процесса зависит от свойств, применяемых мембран: селективности (разделяющей способности), проницаемости, устойчивости к действию среды, неизменности рабочих характеристик, механической прочности, стоимости. Обратный осмос рекомендуется использовать при определенной концентрации электролитов: для одновалентных солей – не более 5…10 %; для двухвалентных – 10…15 %; для многовалентных – 15…20 %.

Очистку сточных вод проводят также с использованием электрохимических методов. Такие процессы возникают при пропускании через воду постоянного электрического тока, который может вызвать анодное окисление и катодное восстановление примесей, электрокоагуляцию, электрофлокуляцию и электродиализ. Электрохимические методы очистки сбросных вод относительно просты, однако требуют больших затрат электроэнергии. Эффективность таких методов зависит от разности потенциалов между электродами.

Для удаления газовых примесей, растворенных в сбросной воде, проводятся процессы десорбции и дегазации.