ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Экстракция загрязнений из растворов и твердых тел

Жидкостную экстракцию применяют для очистки сточных вод, со­держащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов. Целесо­образность использования экстракции определяется концентрацией орга­нических примесей. Для каждого вещества существует концентрационный предел рентабельности извлечения его из сточных вод. В общем случае для большинства веществ можно считать, что при концентрации выше 3.4 г/л примеси рациональнее извлекать экстракцией, чем адсорбцией. При концентрации меньше 1 г/л экстракцию следует применять только в особых случаях.

Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий. Первая стадия - смешение сточной воды с экстрагентом (органическим раство­рителем). При этом образуются две жидкие фазы. Одна фаза - экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент, другая фаза - рафинат со­держит сточную воду и экстрагент. Вторая стадия - разделение экстракта и рафината; третья стадия - регенерация экстрагента из экстракта и рафина - та. При выборе растворителя следует учитывать его селективность, физи­ко-химические свойства, стоимость и возможные способы регенерации.

Эктрагент должен:

- растворять извлекаемое вещество значительно лучше, чем вода, т. е. обладать высоким коэффициентом распределения;

- обладать большой селективностью растворения, т. е. чем меньше экстрагент будет растворять компоненты, которые должны остаться в сточной воде, тем более полно будут извлекаться вещества, которые необ­ходимо удалить;

- иметь, по возможности, наибольшую растворяющую способность по отношению к извлекаемому компоненту, т. к. чем она выше, тем меньше потребуется экстрагента;

- иметь низкую растворимость в сточной воде и не образовывать ус­тойчивых эмульсий, т. к. затрудняется разделение экстракта и рафината;

- значительно отличаться по плотности от сточной воды, для обеспе­чения быстрого и полного разделения фаз;

- обладать большим коэффициентом диффузии; чем он больше, тем выше скорость массообмена;

- регенерироваться простым и дешевым способом;

- иметь температуру кипения, отличающуюся от температуры экст­рагируемого вещества;

- иметь небольшую удельную теплоту испарения и небольшую теп­лоемкость;

- не взаимодействовать с извлекаемым веществом, т. к. это может за­труднить регенерацию экстрагента;

- не быть вредным, взрыво - и огнеопасным и не вызывать коррозию материала аппаратов;

- иметь небольшую стоимость.

Скорость подачи экстрагента в сточную воду должна быть мини­мальной. Она зависит от степени очистки и коэффициента распределения, который выражается отношением растворенного вещества в экстрагенте и воде. Это выражение является законом равновесного распределения и ха­рактеризует динамическое равновесие между концентрациями экстраги­руемого вещества в экстрагенте и воде при данной температуре.

Коэффициент распределения устанавливают опытным путем, он за­висит от природы компонентов системы, содержания примесей в воде и экстрагенте и температуры. Это соотношение справедливо, если экстра - гент совершенно нерастворим в сточной воде. Однако экстрагент частично растворяется в сточной воде, поэтому коэффициент распределения будет зависеть не только от температуры, но и от концентрации извлекаемого вещества в рафинате, т. е. будет величиной переменной.

При частичной взаимной растворимости фаз G и L каждая из фаз при экстракции будет представлять собой трехкомпонентный раствор, состав которого невозможно отложить на диаграмме с координатами x и у. Соста­вы таких трехкомпонентных фаз удобно представить в треугольной диа­грамме (рис. 4.15).

Вершины равностороннего треугольника L, G и M обозначают чис­тые компоненты: растворитель исходного раствора L, экстрагент G и рас­пределяемое вещество M. Каждая точка на сторонах LM, MG и GL соот­ветствует составу двухкомпонентных растворов.

І 100% И

Каждая точка на площади внутри диаграммы соответствует составу трехкомпонентного раствора (или тройной смеси). Для отсчета содержания каждого компонента в растворе на сторонах диаграммы нанесены шкалы, причем длина каждой стороны принята за 100% (массовых, объемных или мольных) или за единицу. Состав раствора или смеси определяется длиной отрезков, проведенных параллельно каждой из сторон треугольника до пе­ресечения с двумя другими. Так, точка N характеризует тройную смесь, состоящую из 20% растворителя L, 50% растворителя О и 30% распреде­ляемого вещества M.

Если участвующие в процессе экстракции фазы практически не рас­творимы, то материальный баланс процесса описывается общим уравнени­ем

2ОН = Шк. (4.97)

При однократном взаимодействии фаз (периодическая экстракция) материальный баланс процесса по потокам принимает вид уравнения

ОН + L н = Ок + L к (4.98)

Или в принятых обозначениях

F + S = E + R, (4.99)

Где F, S - количества исходного раствора и экстрагента соответственно, кг; E, R - количество экстракта и рафината соответственно, кг.

Уравнение может быть использовано и для непрерывного процесса при условии, что все входящее в него величины выражаются в единицах расхода, например в кг/с. Для рассматриваемого случая уравнение рабочей линии процесса экстракции описывается общим для массообменных про­цессов уравнением:

Yк = Yн + (ПО)(Хн - Хк). (4.100)

Для анализа и расчета процесса экстракции в условиях взаимной не­растворимости фаз можно использовать известный метод графического построения равновесной и рабочей линии на фазовой диаграмме y - x, с помощью которого определяют движущую силу процесса и высоту экс­трактора.

Однако часто участвующие в исходной экстракции фазы обладают частичной взаимной растворимостью. Поэтому количества потоков по вы­соте экстрактора будут изменяться, а значит отношение L/О в уравнении

Y* = Y* + (L/О)(Хн - Хк) (4.101)

Не будет постоянным.

Тогда на диаграмме y - x рабочая линия будет криволинейной. По­скольку в этом случае система является как минимум трехкомпонентной, то для анализа таких систем целесообразно воспользоваться треугольной диаграммой для построения не только равновесных, но и рабочих концен­трационных зависимостей.

Для этого перепишем уравнение (4.99) следующим образом: F + S = M = E + R. (4.102)

Выражение позволяет представить материальный баланс на тре­угольной диаграмме (рис. 4.15), например, как процесс смешения потоков F + S = M и затем разделения этой тройной смеси состава М на потоки R + E.

Материальный баланс компонентов А и В в потоках, например экс­тракта Е и рафината R выразится: RXar + RXAE = MXAM; (4.103) RXBR + RXBE = MXBM. (4.104)

При содержании в сточной воде нескольких примесей целесообразно извлекать экстракцией сначала одни из компонентов - наиболее ценный или токсичный, а затем другой и т. д. При этом для каждого компонента может быть разный экстрагент.

При одновременной экстракции нескольких веществ из сточной во­ды экстрагент не должен обладать селективностью извлечения, а иметь близкие и достаточно высокие коэффициенты распределения для всех из­влекаемых веществ. Проведение такого процесса очистки затрудняет вы­бор экстрагента и его регенерацию.

Регенерация экстрагента может быть проведена с применением вторичной экстракции - с другим растворителем, а также выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением.

Так как совершенно нерастворимых в воде жидкостей нет, то в про­цессе экстракции часть экстрагента растворяется в сточной воде, т. е. он становится новым загрязнителем ее, поэтому необходимо удалять экстра - гент из рафината. Потери растворителя с рафинатом допустимы лишь при условии его растворимости в воде не выше ПДК, но только при его очень низкой стоимости. Наиболее распространенным способом извлечения рас­творителя из рафината является адсорбция или отгонка паром (газом).

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы про - тивоточной многоступенчатой экстракции (рис. 4.16) и непрерывной противоточной экстракции (рис. 4.17).

Схема многоступенчатой экстракционной установки представляет собой батарею смесителей и отстойников. Каждая ступень состоит из сме­сителя воды с экстрагентом и отстойника.

Свежий экстрагент и сточная вода поступают с противоположных сторон. В первой ступени сточная вода с небольшим содержанием приме­сей перемешивается со свежим экстрагентом, а в последней ступени ис­ходная сточная вода смешивается с экстрагентом, который уже содержит значительное количество извлекаемого вещества. Такое движение потоков способствует созданию большой движущей силы процесса экстракции и эффективной очистке сточных вод.

Рис. 4.17. Схема непрерывной противоточной экстракции с регенерацией экстрагента из экстракта и рафината: 1 - система для удаления экстрагента из рафината; 2 - колонна; 3 - система для удаления экстрагента из экстракта.

Экстракция производится в аппаратах различной конструкции: рас­пылительных, насадочных; тарельчатых колоннах, а также в центробеж­ных экстракторах.

Выщелачивание (экстрагирование) основано на извлечение одного или нескольких компонентов из комплексного твердого материала путем его (их) избирательного растворения в жидкости - экстрагенте. Различают простое растворение и выщелачивание с химической реакцией.

Скорость выщелачивания изменяется в ходе процесса и зависит от концентрации реагентов, температуры, величины поверхности твердой фа­зы:

DG/dx = - j S, (4.105)

Где G - количество выщелачиваемого вещества в твердой фазе; j - количе­ство выщелачиваемого вещества, переходящее в раствор в единицу време­ни т с единицы поверхности твердой фазы (поток выщелачивания, удель­ная скорость выщелачивания); S - поверхность взаимодействия фаз.

Растворение заключается в гетерогенном взаимодействии между жидкостью и твердым веществом, сопровождаемого переходом твердого вещества в раствор. Возможность самопроизвольного растворения твердо­го вещества оценивается знаком величины AG (изменение энергии Гиб- бса):

AG = АЯр - Г AS, (4.106)

Где АНр - изменение энтальпии; Т - абсолютная температура; AS - изме­нение энтропии.

При AG < 0 возможно растворение, AG = 0 соответствует равнове­сию в системе, при AG > 0 вероятен процесс кристаллизации. Раствори­мость твердых веществ в жидкостях обычно ограничена концентрацией насыщения СS. Скорость растворения можно рассматривать как массооб - менный процесс:

DG/dT = К F(Cs - С), (4.107)

Где G - количество растворенного вещества, кг.; Км - коэффициент массо­передачи (константа скорости процесса); F - общая поверхность раство­ренных частиц в момент времени т, м ; Ст - концентрация раствора в мо­мент времени т, кг/м3.