Физико-химические методы очистки

Физико-химические методы очистки

Воды является самым нужным ресурсам природы. Она важны для природы и лежит в основе жизни. Промышленное производство и сельскохозяйственная деятельность не могут функционировать без воды. Она нужна растительному и животному миру, а так же человеку. Водный мир богат обитателями, которым не выжить на суши.

За последние два столетия города стали интенсивно расти, промышленность развиваться, сельскохозяйственные земли находятся на орошенных территориях. Все это привело к возникновению проблем со снабжением чистой пресной водой.

Человек нуждается в водных ресурсах. Нужды людей с каждым годом растет в геометрической прогрессии. Более 70% всей используемой воды идет на сельскохозяйственные нужды. Ученые во всем мире озабочены проблемой обеспечения пресной водой. Сегодня стремятся к расширению воспроизводства пресных источников  и их использования, предлагают массу новых технологий с минимальными загрязнениями сточных вод.

Химические метод очистки воды
Химические метод очистки воды

Загрязнения в воде бывают в любом агрегатном состоянии: твердом, жидком, газообразном. Они не позволяют потреблять воду без обработки. Загрязнения появляются в природных источниках из  необработанных сточных вод промышленного производства, животноводства, растениеводства, добычи ископаемых, транспортных компаний и т.д. Вода меняет свой химический состав, физические и биологические свойства.

Во время очистки сточных вод опасные вещества разрушаются или физически удаляются. Это достаточно сложный процесс. Существует насколько способов очистки сточных вод:

  • механический;
  • химический;
  • физико-химический;
  • биологический;
  • комбинированный, включающий несколько методов.

Физико-химические методы очистки сточных вод

Физико-химическая обработка изымает из сточной воды тонкодисперсные и растворенные неорганические вещества, разрушает трудноокисляемые и органические соединения.

Существует несколько способов физико-химической очистки:

  • коагуляция;
  • адсорбция;
  • флотация;
  • экстракция;
  • ионный обмен;
  • диализ и др.

Физико-химические методы очистки сточных вод обладают большими возможностями:

  • глубокая очистка;
  • удаляются неокисляемые токсичные загрязнения;
  • минимальные габариты очистных сооружений;
  • минимальная чувствительность к переменам нагрузок;
  • допустимо полностью автоматизировать процесс очистки;
  • не надо контролировать работу живых организмов;
  • допустимо рекупирация веществ;
  • все процессы более изучены и отработаны на практике.

Для эффективного выбора метода очистки руководствуются техническими и санитарными требованиями, количеством примесей в сточной воде и ее объемом.

Коагуляция

Коагуляция

В основе метода лежит добавление в сточные воды активных коагулянтов: соли аммония, меди, железа и т.д. Вредные вщества выпадают в  осадок хлопьями, которые изымаются без особого труда. Коагуляция популярна на большинство предприятий промышленности: текстильной, легкой, нефтехимической, целлюлозабумажной, химической и др.

Механическая очистка делает обработанные воды агрегативно устойчивыми. Баланс нарушается при появлении коагулянтов и флокулянтов. Формируются крупные образования  благодаря воздействию молекулярных сил сцепления во время перемешивания или движения под воздействием внешнего силового поля.  Могут слипаться как однородные частицы (гомокоагуляция), так и неоднородные (гетерокоагуляция). Воду опять отправляют на механическую обработку. При коагуляции осадок в форме хлопьев составляет почти пятую часть всех фильтруемых сточных вод.

Метод имеет эффективность до 95%.

Для форсирования могут использоваться эмульгированные или тонкодисперсные вещества. Эффективно удаляются частицы от 1 до 100 мкм. Возможно самопроизвольное протекание очистки.

Коллоидные частицы образуют составной электрический слой на поверхности частицы. Первая часть фиксируется в месте раздела двух фаз, а другая – представляет собой скопление ионов. Наблюдается две части слоя: одна  — подвижная (диффузный слой), а другая – неподвижная.

Хлопья образуются из взвешенных частиц и коагулянта. Что бы это произошло, необходимо приблизить частицы для возникновения силы притяжения и химического сродства. Это случается благодаря броуновскому движению и турбулентному движению воды.

Существует другая разновидность этого метода – электрохимическая коагулирование. Для его осуществления необходимы железные или алюминиевые электроды и постоянный электрический ток. Анодный металл подвергается ионизации и попадает  в воду. Примеси начинают коагулировать малорастворимые гидроксидами железа или алюминия. Концентрация электролита оказывает прямое влияние на скорость очистки.

Важно отметить, что полидисперсные системы лучше подаются коагуляции: крупные частицы тянут на дно мелкие. Влияет и форма частиц: круглые медленнее коагулируют, чем длинные.

Хорошим коагулянтом считается двухвалентное железо FeSО4, которое является отходом процесса травления стали. Травильные стоки содержат до 15 % железа. При его использовании очистка по ХПК – до 75%, мутность снижается до 90%, количество фосфора – на 98%, бактерий – до 80%.

Флокуляция

Схема флотатора-отстойника
Схема флотатора-отстойника
  1. отстойник;
  2. флотационная камера;
  3. кольцевой водосборный лоток;
  4. радиальные водосборные лотки;
  5. насос;
  6. воздухорастворитель (сатуратор);
  7. вода на очистку;
  8. вода после очистки;
  9. рециркуляционная линия аэрированной воды;
  10. сжатый воздух

Флокулянты представляют собой высокомолекулярные соединения. Молекулы флокулянта контактируют с частицами примесей, что приводит к агрегации загрязнений. Мелкие частицы переходят во взвешенное состояние. Обычно этот метод дополнительно используют  коагуляцией, что бы ускорить выпадение в осадок хлопьев и сократить объемы необходимого коагулянта.

При добавлении флокулянта происходят следующие воздействия:

  • на поверхностном слое коллоидных частиц адсорбируются молекулы коагулянта;
  • молекулы флокулянта образуют сетчатую структуру;
  • воздействие сил Ван-дер-Ваальса заставляет коллоидные частицы слипаться.

Очистка этим способам очень проста в реализации и применении.  Сначала подбирают необходимый объем флокулянта и добавляют его в воду. Выпадают хлопья, которые забирают  механическим методом.

Фокулянты бывают природного (диоксид кремния) или синтетического (полиакриламид) происхождения.

Они могут быть разной полярной группы:

  • неионогенные: -ОН, -СО;
  • анионные: -СООН, -SО3Н, -ОSО3Н;
  • катионные: -NН2, NН;
  • амфотерные: включают анионные и катионные группы.

На скорость флокуляции  влияют последовательность добавления реактивов, частота и сила перемешивания, температура воды и степень ее загрязненности. Рекомендуемое время нахождение сточных вод в смесители – 2 минуты, контакт с реагентами  — от 0,2-1 час. Далее воду осветляют в отстойниках.

Экономить на коагулянтах и флокулянтах возможно при выполнении двойной обработки воды: сначала отстаивание без реагентов, а потом отстаивание с коагулянтами и флокулянтами.

Если концентрация примесей не превышают 4 г/л, то совмещают коагуляторы и осветлители. Это наиболее действенно обычных отстойников.

Вода в осветлителях идет снизу вверх через выделенный шлам с большой скоростью, что бы не вымывался взвешенный осадок. Таким образом, задерживаются мелкосуспензированные частицы. Для стабильной работы осветлителя важно, что бы подаваемая вода была без газовых пузырьков и постоянной температуры (колебания в диапазоне 1 градуса). Лишний шлам уходит в особую камеру благодаря разной плотности взвешенного слоя и осветленной воды.

Адсорбция

Адсорбция воды
Адсорбция воды

Адсорбция основана на способности определенных веществ впитывать примеси. Наиболее частыми реагентами являются активированный уголь, бентонитовые глины, торф, цеолиты и т.д.

Основным плюсам адсорбции является большая результативность, очистка от нескольких видов загрязнений, рекуперация.

Разделяют регенеративную и деструктивную адсорбционную очистку. В первом виде примеси удаляются из адсорбента и подвергаются утилизации. При втором виде примеси подвергаются уничтожению вместе с адсорбентом.

В зависимости от вида используемого адсорбента и удаляемого  химического вещества можно достигнуть эффективности до 95%.

Наиболее распространено использование активированного угля.

В адсорбции обязательно предусматривают перемешивание воды и сорбента или пропускание воды через его слой. Сорбционная установка может состоять из 3-5 фильтров в определенной последовательности.

Флотация

Схема флотационной установки
Схема флотационной установки
  1. труба, по которой поступает взвесь измельченной руды в воде
  2. сосуд, из которого капает флотационный реагент (масло)
  3. поступление воздуха, засасываемого винтом
  4. место, где всплывшая полезная порода отделяется от оседающей пустой породы
  5. сток пены с полезной породой (концентрат)

Флотация основана на образовании воздушных пузырьков, которые поднимают примеси вверх. Образуется слой пены, которую легко удалить. Метод действенен при обработке сточных вод от нефтепродуктов, волокнистых частиц, масел и других веществ.

Примеси прилипают на разделе двух сред: жидкой и газообразной. Существует несколько разновидностей флотации.

Наиболее популярная – напорная для очистки сточных вод с концентрацией примесей до 5 г/л. Происходит обогащение воды газовыми пузырьками под давлением. Эта разновидность флотации требует больше времени.

На результат очистки влияет количество и размер пузырьков. Так как примеси находятся во всем объеме сточных вод, то стремятся к максимально равномерному распределению пузырьков по всему объему. Газовые пузырьки должны быть 15-30 мкм в диаметре. При большем размере они быстро всплывают и не успевают захватить примеси.

Вода после флотации может направляться на внутренние нужды предприятия или подвергаться более тщательной очистки.

Экстракционный метод

Загрязняющие примеси распределяются в смеси двух жидкостей, которые не растворяются друг в друге. Используют для удаления со сточных вод органики, которую впоследствии перерабатывают: жирные кислоты, фенолы. Таким образом, подбираются такие жидкости, которые способны растворить ценные вещества из сточной воды, но не растворяются с самой очищаемой водой.

Здесь работает физико-химический закон распределения: при активном перемешивании двух нерастворимых жидкостей всякое вещество, растворенное в одной из них, начнет распределяться согласно своей растворимости. После выделения первой жидкости из второй, одна из них будет частично очищена.

Во время очистки вводят определенное количество экстрагента. Когда примеси начинают скапливаться в экстракционном слое, покидая воду, экстракт удаляется. Важно выждать время, что бы содержание веществ в экстракте было значительно выше, чем остаточное в воде.

Экстрагируемое вещество отделяется и подвергается переработки, а экстрагент опять используется в технологии очистки.

Экстрагент должен соответствовать определенным требованиям:

  • не должна образовываться эмульсия;
  • несложная регенерация;
  • нетоксичен.

Для эффективности очистки сточную воду подвергают экстракционной очистки несколько раз. Каждая заливка должна иметь новый экстрагент в той же пропорции, что и предыдущий раз. Это не очень экономично. Например, при очистке 1 литра воды от фенола с концентрацией 6 г/л необходимо затратить 2,2 литра бензола.

Сэкономить средства поможет противоточная экстракция, когда вода направлена на поток экстрагента. Так для очистки воды из предыдущего примера уже необходимо только 0,5 литра бензола. В специальных установках сточная вода подается сверху в поток менее плотного эстрогента. В противоположнос случае все происходит наоборот: вода — снизу, а эстрогент – сверху.

Существует трехступенчатая экстракционной очистки: вода встречается с двумя направленными потоками экстрогента. Синергический эффект способен ускорить очистку. Значение рН важно при кислотном или основном характере примесей.

Сорбционная очистка

Сорбционная очистка сточных вод

Наиболее универсальный способ. Сегодня даже рассматривают вопросы замены биологической очистки сорбционными методами. Существует три вида сорбции:

  • адсорбция – участвует вся поверхность твердого поглотителя;
  • абсорбция – поглощенные вещества поступают во внутрь сорбента диффузным поглощением;
  • хемосорбция – сорбент и примеси вступают в химические реакции.

Сорбентами могут быть не только природные материалы, но и синтетические, которые обладают высокой пористостью. Сорбенты характеризуются структурой пор, химическим составом, пористостью. Основной недостаток — высокая стоимость.

Эвапорационный метод

Сточную воду нагревают до температуры кипения и обрабатывают насыщенным водяным паром. Он забирает летучие примеси. Долее пар направляют на горячий поглотитель, который изымает эти вещества, а паром опять обрабатывают сточные воды. Основное условие – вода и пар должны идти друг на друга. Главным плюсом является отсутствие реагентов, простата очистных сооружений, экономичен.

Метод ионного обмена

Иониты твердой фазы и ионы в растворе происходит обмен. Благодаря этому можно забирать из сточных вод нужные радиоактивные вещества и примеси: фосфор, мышьяк, ртуть, свинец и др. Особо результативен ионный обмен при высокой токсичности воды.

Ионообменным материалом могут быть как природные, так и искусственные материалы. Часто используются различные виды смол, содержащие активные ионные группы. Ионная смола используется многократно после каждого восстановления в специальном растворе.

Обратный осмос

Схема осмосу и обратного осмосу
Схема осмосу и обратного осмосу

Ультрафильтрация заключается в пропускании сточных вод через мембрану. Обеспечивается давление, которое больше осмотического (0,1-10 Мпа). Мембрана не пропускает вещества, молекулы которых больше молекул воды.

Результат зависит от используемых мембран: их селективность (разделительная способность), проницаемость, химическая и физическая стойкость к воздействию среды, прочность и небольшая стоимость.

Диализ

В процессе диализа полупроницаемая мембрана освобождает коллоидные растворы и низкомолекулярные соединения из высокомолекулярных веществ. Низкомолекулярные вещества способны пройти через мембрану.

Обычный диализ имеет форму мешка из полупроницаемого материала, который заполнен диализируемой жидкостью. Этот мешок опускают в очищаемую воду. Со временем диализируемое вещество в обоих растворах становиться равным. Далее заменяется растворитель в мешочке,  опять повторяют все действия до полного очищения воды.

Главный недостаток диализа – долгий период очистки. Для ускорения процесса прибегают к увеличению активной площади и повышают температуру. Диализ объединяет в себе осмос и диффузию.

Используется для очистки коллоидных жидкостей от низкомолекулярных неэлектролитов и электролитов.

Кристаллизация

Удаление кристаллов примесей. Применяется в водоемах и прудах выпариванием. Возможно только при высоком содержании примесей.

Электрохимические методы

Электрокоагуляция

Электрокоагуляция

Сточные воды пропускают между электродами с постоянным током. В процессе электрокоагуляции коллоидные частицы увеличивают свой размер благодаря ориентации по силовым линиям образованного электромагнитного поля и объединения. Постоянный ток способствует электролизу при возникновении водородных ионов на катоде и растворение анодного металла. Гидроксиды металлов захватывают тонко дисперсные и растворенные вещества.

Электорофлотация

Во время электролиза образуются газы, которые захватывают взвешенные примеси. Размерные параметры пузырьков влияют на степень очистки и зависят от плотности тока. В отличии от обычной флотации воздушные пузырьки при электролизе значительно меньше и распределены более равномерно.

Электрофлотация эффективна для локальной очистки при небольших объемах воды и сильном загрязнении промышленными отходами.

Электрофоретический метод

К этому методу прибегают при изъятии веществ с отрицательным зарядом. Электрическое поле не позволяет отрицательно заряженным частицам коагулировать.

Электроосмос

Жидкость по воздействием электрического поля проходит по капиллярам. Примеси остаются на поверхности пористых перегородок. 

Во многих случаях уровень загрязнения сточной воды невидим визуально. Исключением являются пенящиеся средства, нефть и неочищенные стоки. Каждый год в бассейны водоисточников пресной воды выбрасывается тысячи химических веществ, среди которых множество новых. Последствия подобной деятельности человека непредсказуемы.  Нефть, радиоактивные отходы, токсичные тяжелые металлы, пестициды – все опасно не только для человека, но и всей жизни на нашей планете. ВОЗ бьет тревогу – 80% болезней возникают вследствие употребления воды плохого качества. Люди сельской местности во всем мире используют воду для бытовых нужд из загрязненных источников.