Химическая очистка сточных вод от соединений железа с использованием кислорода воздуха, хлора, озона. Уравнения и условия реакций

Хлор и вещества, содержащие "активный" хлор, являются наиболее распространенными окислителями. Их используют для очистки сточных вод от сероводорода, гидросульфида, метилсернистых соединений, фенолов, цианидов и др. При

введении хлора в воду образуются хлорноватистая [оксохлорат (I)

водорода] и соляная (хлороводородная) кислоты:

Сl₂+Н₂О = НОСl + НСl

Далее происходит диссоциация хлорноватистой кислоты, степень

которой зависит от рН среды. При рН = 4 молекулярный хлор

практически отсутствует:

HOCI=H⁺ + ОСl^-

Сумма Сl₂ + НОСl + ОСl^- называется свободным "активным"

хлором.

Процесс хлорирования проводят в хлораторах периодического и

непрерывного действия, напорных и вакуумных. Принципиальная

схема очистки вод хлорированием показана на рис.

Хлорирование проводится в емкости, включенной в систем}7 циркуляции. В

инжекторе газообразный хлор захватывается сточной водой,

циркулирующей в системе до тех пор, пока не будет достигнута заданная

степень окисления, после чего вода выводится для использования.

Источниками "активного" хлора могут быть также хлорат каль-

ция, гипохлориты, хлораты, диоксид хлора. Хлорат кальция

(хлорную известь) получают при взаимодействии:

Са(ОН)₂+Сl₂ = СаОСl₂+Н₂О

Гипохлорит (оксохлорат) натрия образуется при протекании

газообразного хлора через раствор щелочи:

Сl₂ + 2NaOH = NaCIO + NaCl

Гипохлорит кальция приготовляют хлорированием гидроксида

кальция при температуре 25~30°С:

Са(ОН)₂ + 2Сl₂ = Са(СlO)₂+ СаСl₂ + 2Н₂О.

Промышленность выпускает двухосновную соль Са(СlО₂)*2Са(ОН)_2*2Н₂О.

Сильным окислителем является хлорат натрия NaClO₂ который

разлагается с выделением СlO₂. Диоксид хлора — зеленовато-желтый ядовитый газ, обладающий более интенсивным запахом, чем хлор. Для его получения проводят следующие реакции:

2NaClO₂ + Сl₂=2СlO₂ + 2NaCl,

5NaClO₂ + 4HCl=5NaCl + 4СlО₂ + 2Н₂О.

При взаимодействии с хлором протекает следующая реакция:

Fe(HCO₃)₂ + Сl₂ + Ca(HCO₃)₂=2Fe(OH)₃+ СаСl₂ + 6C0₂

Скорость этой реакции увеличивается с повышением рН. На

окисление 1 мг двухвалентного железа расходуется 0,64 мг С1Г В случае использования хлората кальция его используют в виде 1-2%-го раствора,который дозируют непосредственно в сточную воду

Окисление кислородом воздуха. Кислород воздуха используют

при очистке воды от железа для окисления соединений

двухвалентного железа в трехвалентное с последующим отделением от воды гидроксида железа. Реакция окисления в водном растворе протекает по схеме:

4Fe²⁺+ О₂ + 2Н₂О = 4Fe³⁺+ 4OH^-;

Fe³⁺+ 3H₂O = Fe(OH)₃+3H⁺

Окисление проводят при аэрировании воздуха через сточную воду

в башнях с хордовой насадкой. Образующийся гидроксид железа

отстаивают в контактном резервуаре, а затем отфильтровывают.

Использование колонн с кусковой насадкой или кольцами Рашига нецелесообразно, так как происходит зарастание насадки. Возможен процесс упрощенной аэрации. В этом случае над поверхностью фильтра разбрызгивают воду, которая в виде капель падает на поверхность фильтрующей загрузки. При контакте капель воды с воздухом происходит окисление железа.

Озонирование. Окисление озоном позволяет одновременно

обеспечить обесцвечивание воды, устранение привкусов и запахов и обеззараживание. Озонированием можно очищать сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений мышьяка, ПАВ, цианидов, красителей, канцерогенных ароматических углеводородов, пестицидов и др.

Озон — газ бледно-фиолетового цвета. В природе находится в

верхних слоях атмосферы. При температуре -111,9°С озон

превращается в нестойкую жидкость темно-синего цвета. Чистый озон взрывоопасен, так как при его разложении

высвобождается значительное количество тепла; очень токсичен.

Максимальная допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны равна 0,0001 мг/м3. Обеззараживающее действие озона основано на высокой окислительной способности, обусловленной легкостью отдачи им активного атома кислорода (О3 = Оо + О). Озон окисляет все металлы, кроме золота, превращая их в оксиды. При обработке воды озоном происходит разложение органических веществ и обеззараживание воды; бактерии погибают в

несколько тысяч раз быстрее, чем при обработке воды хлором.

Растворимость озона в воде зависит от рН и содержания в воде растворимых веществ. Небольшое содержание кислот и нейтральных солей увеличивает растворимость озона. Присутствие щелочей снижает растворимость О3. значительное обогащение воды растворенным кислородом.

Окисление веществ может быть прямое и непрямое, а также может

осуществляться катализом и озонолизом.

Примером прямых реакций может служить окисление ряда

органических и минеральных веществ (Fe2+, Mn2+), которые после

озонирования осаждаются в форме нерастворимых гидроксидов

или переводятся в диоксиды и перманганаты. Озон окисляет как неорганические, так и органические вещества, растворенные в сточной воде.Соединения металлов окисляются озоном до соединений высшей валентности. Например, реакции с соединениями железа и марганца протекают по следующей схеме:

2FeSO₄ + H₂SO₄ + O₃ = Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂0 + O₂

56.Физико-химические основы очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией. В чём заключаются сходства и различия этих методов?

Коагуляция. Это процесс укрупнения дисперсных частиц в

результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке

сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждение

тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т. е. частиц размером 3—100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ —коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья

обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные

частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение. Для начала коаглляции частицы должны приблизиться друг к другу на расстояние, при котором между ними действуют силы притяжения и химического сродства. Сближение частиц происходит в результате броуновского движения, а также при ламинарном или турбулентном движении потока воды. Коагулирующее действие солей есть результат гидролиза, который проходит вслед за растворением. Процесс гидролиза коагулянтов и образования хлопьев происходит по следующим стадиям:

В действительности процесс гидролиза протекает значительно

сложнее. Ион металла образует ряд промежуточных соединений в

результате реакций с гидроксид-ионами и полимеризации.

Образующиеся соединения имеют положительный заряд и легко

адсорбируются отрицательно заряженными коллоидными частицами. В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия,железа или их смеси. Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды.

В качестве коагулянтов используют сульфат алюминия

A1₂(SO₄)₃*18H₂O; алюминат натрия NaAlO₂: гидроксохлорид алюми-

ния Аl₂(ОН)5Сl; тетраоксосульфаты алюминия-калия и алюминия-

аммония [квасцы — алюмокалевые KAl(SO₄)₂* 12H₂O и аммиачные

NH₄Al(SO₄)*12H₂O].

Флокуляция. Это процесс агрегации взвешенных частиц при

добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений,

называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при епосредственном контакте частиц,но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.Для очистки сточных вод используют природные и синтетические флокулянты. К природным флокулянтам относятся крахмал,декстрин, эфиры целлюлозы и др. Активный диоксид кремния (xSiO₂* yH₂O) является наиболее распространенным неорганическим флокулянтом. Из синтетических органических флокулянтов наибольшее применение в нашей стране получил полиакриламид [-СН₂- CH-CONH₂]_n, технический (ПАА) и гидролизованный (ГППА).Технический ПАА получают при взаимодействии акрилонитрила с серной кислотой с последующей полимеризацией акриламида.Гидролизованный полиакриламид получают омылением технического ПАА щелочью.

57.Схема очистки сточных вод коагуляцией / флокуляцией. Виды коагулянтов (Al- и Fe- содержащие) и флокулянтов (природные и синтетические).

Коагуляция. Это процесс укрупнения дисперсных частиц в

результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке

сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждение

тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т. е. частиц размером 3—100 мкм.

Флокуляция. Это процесс агрегации взвешенных частиц при

добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений,

называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц,но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией

состоит из следующих стадий: дозирование и смешение реагентов со сточной водой; хлопьеобразование и осаждение хлопьев.

Для смешения коагулянтов с водой применяют гидравлические и

механические смесители. В гидравлических смесителях смешение

происходит вследствие изменения направления движения и

скорости потока воды. Схема одного из смесителей показана на рис.18,а.

В механических смесителях — аппаратах с мешалкой — процесс

перемешивания должен быть равномерным и медленным, чтобы

частицы при сближении образовывали хлопья, которые не разрушались бы при вращении мешалки. После смешения сточных вод с реагентами, воду направляют в камеры хлопьеобразования. Используют перегородчатые, вихревые и с механическими мешалками камеры. Образование хлопьев в камерах протекает медленно — за 10-30 мин. Схема перегородчатой камеры показана на рис. 18б

Она представляет собой резервуар, разделенный перегородками

на ряд последовательно проходимых водой коридоров. Скорость воды в коридорах принимают 0,2-0,3 м/с. Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветлителях,конструкции которых описаны в седьмой главе. Часто стадии смешения, коагулирования и осаждения проводят в одном аппарате. Один из таких аппаратов показан на рис. 18в.

Сточная вода, смешанная с коагулянтом, по трубе поступает в

воздухоотделитель. Затем вода движется по центральной трубе к

распределительным трубам, которые заканчиваются соплами для

распределения и вращения воды в кольцевой зоне, куда вводят флокулянт. Хлопья коагулянта образуются в кольцевой зоне. Взвешенные частицы с хлопьями оседают на дно и их удаляют из аппарата.Осветленная вода через отверстие попадает в желоб, откуда ее направляют на использование.

В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия,железа или их смеси. Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды.

В качестве коагулянтов используют сульфат алюминия

A1₂(SO₄)₃*18H₂O; алюминат натрия NaAlO₂: гидроксохлорид алюми-

ния Аl₂(ОН)5Сl; тетраоксосульфаты алюминия-калия и алюминия-

аммония [квасцы — алюмокалевые KAl(SO₄)₂* 12H₂O и аммиачные

NH₄Al(SO₄)*12H₂O].Из них наиболее распространен сульфат

алюминия, который эффективен в интервале значений рН=5-7,5. Он

хорошо растворим в воде и имеет относительно низкую стоимость. Его применяют в сухом виде или в виде 50%-го раствора. При

коагулировании сульфата алюминия он взаимодействует с

гидрокарбонатами, имеющимися в воде:

Al₂(S0₄)₃+3Ca(HCO₃)₂=2Al(OH)₃+3CaSO₄+6CO₂

Алюминат натрия применяют в сухом виде или в виде 45%-го

раствора. Он является щелочным реагентом, при рН=9,3-9,8

образует быстроосаждающиеся хлопья. Для нейтрализации избыточной щелочности можно использовать кислоты или дымовые газы,содержащие СО₂:

2NaAlO₂+CO₂+3H₂O=Al(OH)₃+Na₂C0₃

В большинстве случаев используют смесь NaAlO₂+Al(S0₄)₃ в

соотношении (10: 1) — (20:1):

6NaAlO₂+Al₂(SO₄)₃+12H₂0=8Al(OH)₃+3Na₂S0₄

Совместное употребление этих солей дает возможность повысить

эффект осветления, увеличить плотность и скорость осаждения

хлопьев, расширить оптимальную область рН среды.

Оксихлорид алюминия обладает меньшей кислотностью и

поэтому пригоден для очистки слабощелочных вод; ввиду высокого

содержания в нем водорастворимого алюминия ускоряется хлопьеобразование и осаждение коагулированной взвеси, например, по реакции:

2Аl₂(ОН)₅Сl+Са(НСО₃)₂=4Аl(ОН)₃+СаСl₂+2СО₂

Из солей железа в качестве коагулянтов используют сульфаты

железа Fe₂(SO₄)_3*2H₂O, Fe₂(SO₄)₃*3H₂O и FeSO₄*7H₂O,a также хлорное железо FeCl3. Наибольшее осветление происходит при

использовании солей трехвалентного железа. Хлорное железо применяют в сухом виде или в виде 10-15%-х растворов. Сульфаты используют в виде порошков. Доза коагулянта зависит от рН сточных вод. Для Fe3+ рН равен 6-9, а для Fe2+ рН 9,5 и выше. Для подщелачивания сточных вод используют NaOH и Са(ОН)2. Образование хлопьев протекает по реакциям:

FeCl3+3H20->Fe(OH)3+3HCl,

Fe2(SO4K+6H2O-+2Fe(OH)3+3H2SO4;

при подщелачивании:

2FeCl3+3Ca(OH)2->2Fe(OH)3+3CaCl2,

Fe2(SO4)3+3Ca(OH)2->2Fe(OH)3+3CaSO4.

Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед

солями алюминия: лучшее действие при низких температурах воды;более широкая область оптимальных значений рН среды; большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава;способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки:образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов;сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры;менее развитая поверхность хлопьев.Для очистки сточных вод используют природные и синтетические флокулянты. К природным флокулянтам относятся крахмал,декстрин, эфиры целлюлозы и др. Активный диоксид кремния (xSiO₂* yH₂O) является наиболее распространенным неорганическим флокулянтом. Из синтетических органических флокулянтов наибольшее применение в нашей стране получил полиакриламид [-СН₂- CH-CONH₂]_n, технический (ПАА) и гидролизованный (ГППА).Технический ПАА получают при взаимодействии акрилонитрила с серной кислотой с последующей полимеризацией акриламида.Гидролизованный полиакриламид получают омылением технического ПАА щелочью.

58. Виды смесителей коагулянта с водой. Изобразить схемы дырчатого и перегородчатого смесителей. Определить гидравлическое сопротивление смесителя (м вод.ст.), имеющего 4 перегородки с отверстиями, коэффициент сопротивления отверстия ξ = 3,9, скорость воды в отверстии 1 м/с.

Для смешения коагулянтов с водой применяют гидравлические и

механические смесители. В гидравлических смесителях смешение

происходит вследствие изменения направления движения и

скорости потока воды. Схема одного из смесителей показана на рис.18,а.

В механических смесителях — аппаратах с мешалкой — процесс

перемешивания должен быть равномерным и медленным, чтобы

частицы при сближении образовывали хлопья, которые не разрушались бы при вращении мешалки. После смешения сточных вод с реагентами, воду направляют в камеры хлопьеобразования. Используют перегородчатые, вихревые и с механическими мешалками камеры. Образование хлопьев в камерах протекает медленно — за 10-30 мин. Схема перегородчатой камеры показана на рис. 18б

Она представляет собой резервуар, разделенный перегородками

на ряд последовательно проходимых водой коридоров. Скорость воды в коридорах принимают 0,2-0,3 м/с. Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветлителях,конструкции которых описаны в седьмой главе. Часто стадии смешения, коагулирования и осаждения проводят в одном аппарате. Один из таких аппаратов показан на рис. 18в.

Сточная вода, смешанная с коагулянтом, по трубе поступает в

воздухоотделитель. Затем вода движется по центральной трубе к

распределительным трубам, которые заканчиваются соплами для

распределения и вращения воды в кольцевой зоне, куда вводят флокулянт. Хлопья коагулянта образуются в кольцевой зоне. Взвешенные частицы с хлопьями оседают на дно и их удаляют из аппарата.Осветленная вода через отверстие попадает в желоб, откуда ее направляют на использование.

Дырчатый смеситель (рис. 2.2) представляет собой железобетонный или металлический лоток с дырчатыми перегородками.Расстояние между перегородками принимают равным ширине лотка.Диаметр отверстий 20—100 мм.

1-подача воды;2-перегородка с отверстиями