Очистка сточных вод экстракцией загрязнений
Жидкостную экстракцию применяют при относительно высоком содержании в сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техническую ценность (фенолы, органические кислоты, масла).
Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на растворении находящегося в сточной воде загрязнителя органическими растворителями - экстрагентами, т.е. на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций вдвухнесмешивающихся (или слабосмешивающихся) растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения:
(11.26)
где Сэ, Сст - концентрация экстрагируемого вещества соответственно в экстрагенте и сточной воде при установившемся равновесии, кг/м3.
Это выражение является законом равновесного распределения и характеризует динамическое равновесие между концентрациями экстрагируемого вещества в экстрагенте и воде при данной температуре.
Коэффициент распределения kр зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а также от наличия различных примесей в сточных водах и экстрагенте.
После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем веточной воде. Сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после этого вновь используется в технологическом процессе очистки.
Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий: смешение сточной воды с экстрагентом. При этом образуются две жидкие фазы: экстракт, содержащий извлекаемое вещество и экстрагент, и рафинат, содержащий сточную воду и экстрагент; разделение экстракта и рафината; регенерация экстрагента из экстракта и рафината.
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, так как чем она выше, тем меньше потребуется экстрагента;
иметь низкую растворимость в сточной воде и не образовывать устойчивых эмульсий, так как 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, так как это может затруднить регенерацию экстрагента;
не быть вредным, взрыво- и огнеопасным и не вызывать коррозию материала аппаратов;
иметь невысокую стоимость.
Коэффициент распределения, установленный опытным путем, зависит от природы компонентов системы, содержания примесей в воде и экстрагенте и температуры. Это соотношение справедливо, если экстрагент совершенно нерастворим в сточной воде. Однако экстрагент частично растворяется веточной 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 Си А каждая из них при экстракции будет представлять собой трехкомпонентный раствор, состав которого невозможно отложить на диаграмме с координатами х и у. Составы таких трехкомпонентных фаз удобно представить в треугольной диаграмме (рис. 11.5).
Вершины равностороннего треугольника А, В и С обозначают чистые компоненты: растворитель исходного раствора А, экстрагент С и распределяемое вещество В. Каждая точка на сторонах АВ, ВС и СА соответствует составу двухкомпонентных растворов.
Каждая точка на площади внутри диаграммы соответствует составу трех компонентного 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 M характеризует тройную смесь, состоящую из 20% растворителя A 40% растворителя С и 40% распределяемого вещества В.
Рис. 11.5. Треугольная диаграмма растворимости компонента
Если участвующие в процессе экстракции фазы практически не растворимы, то материальный баланс процесса описывается общим уравнением
(11.27)
При однократном взаимодействии фаз (периодическая экстракция) материальный баланс процесса по потокам принимает вид
(11.28)
или в принятых обозначениях
(11.29)
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 входящие 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
(11.30)
Однако часто участвующие в исходной экстракции фазы обладают частичной взаимной растворимостью, поэтому количества потоков по высоте экстрактора будут изменяться, а значит отношение А/С в уравнении
(11.31)
не будет постоянным.
Тогда на диаграмме Y - X (см. рис. 7.4) 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 (11.29) следующим образом:
(11.32)
Выражение позволяет представить материальный баланс на треугольной диаграмме (см. рис. 11.5), например, как процесс смешения потоков F + S = М и затем разделения этой тройной смеси состава М на потоки R + Е.
Материальный баланс компонентов А и В в потоках, например экстракта Е и рафината R, выразится следующим образом:
(11.33)
(11.34)
Способы экстрагирования органических веществ по схемам контакта экстрагента и сточной воды можно разделить на перекрестноточные, ступенчато-противоточные и непрерывно-противоточные. Прямоток в процессах экстракции не применяется.
При многоступенчатой перекрестноточной схеме сточная вода на каждой ступени конктактирует со свежим экстрагентом, что требует значительных его расходов.
Практическое применение получили методы ступенчато-противоточной и непрерывно-противоточной экстракции. В противоточ-ных схемах вода и экстрагент движутся навстречу друг другу, экстракт последующей ступени смешивается в смесителе с водной фазой экстракта предыдущей ступени.
При непрерывно-противоточной экстракции вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающем диспергирование экстрагента в воде; при этом примеси сточной воды непрерывно переходят в экстрагент.
Регенерация экстрагента. В общем случае регенерация может быть проведена с применением вторичной экстракции - с другим растворителем, а также выпариванием. Так как совершенно нерастворимых в воде жидкостей нет, то в процессе экстракции часть экстрагента растворяется в сточной воде, т.е. он становится новым ее загрязнителем, поэтому необходимо удалять экстрагент из рафината. Регенерация экстрагента из сточной воды в зависимости от свойств экстрагента может осуществляться отдувкой воздухом или другими газами, а также реэкстракцией. Наиболее распространенным способом извлечения растворителя из рафината является адсорбция или отгонка паром (газом). Потери растворителя с рафинатом (сточной водой) допустимы лишь при условии его растворимости в воде не выше ПДК.
Регенерация экстрагента из экстракта производится путем ректификации.