содержание      ..     11      12      13      14     ..

2.8.2 Методы и сооружения очистки сбросов (сточных вод и растворов) гальванических цехов - часть 2

2.8.2.1.2 Мембранные методы очистки сбросов (сточных вод и растворов) в гальваническом производстве

Процессы, возникающие при мембранном разделении смесей, определяются свойствами мембран. Необходимо учитывать молекулярные взаимодействия между мембранами и разделяемыми потоками, физико-химическую природу которых определяет скорость переноса. Эти взаимодействия с материалом мембран отличают мембранный метод от микроскопических процессов обычного фильтрования [47].

Мембранные методы отличаются типами используемых мембран, движущими силами, поддерживающими процессы разделения, а также областями их применения.

Существуют мембранные методы шести типов:

1) микрофильтрация — процесс мембранного разделения коллоидных растворов и взвесей под действием давления;

2) ультрафильтрация — процесс мембранного разделения жидких смесей под действием давления, основанный на различии молекулярных масс или молекулярных размеров компонентов разделяемой смеси;

3) обратный осмос — процесс мембранного разделения жидких растворов путем проникновения через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного раствору давления, превышающего его осмотическое давление;

4) диализ — процесс мембранного разделения за счет различия скоростей диффузии веществ через мембрану, проходящий при наличии градиента концентрации;

5) электродиализ — процесс прохождения ионов растворенного вещества через мембрану под действием электрического поля в виде градиента электрического потенциала;

6) разделение газов — процесс мембранного разделения газовых смесей за счет гидростатического давления и градиента концентрации.

В области очистки стоков гальванического производства наибольшее применение нашли ультрафильтрация, обратный осмос (гиперфильтрация) и электродиализ. Основные характеристики мембранных процессов представлены в таблице 2.55.

Таблица 2.55 — Основные характеристики мембранных процессов

Метод обратного осмоса и ультрафильтрации. Процессы обратного осмоса и ультрафильтрации основаны на способности молекул воды проникать через полупроницаемые мембраны. Осмос — самопроизвольный переход воды в раствор (например, сточные воды), отделенный от нее полупроницаемой мембраной, при этом со стороны воды возникает осмотическое давление. Уровень раствора повышается до тех пор, пока разница в уровнях не уравновесит осмотическое давление.

Это явление приводит к тому, что из стоков удаляется вода, а в стоках концентрируются ионы тяжелых металлов и другие загрязнения. Этот механизм справедлив как для обратноосмотических (гиперфильтрационных), так и для ультрафильтрацион-ных установок. Отличие заключается в практической реализации этих методов. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых сравнимы с размерами молекул воды (диаметр частиц 0,000 1-0,001 мкм). В обратноосмотических установках используют полупроницаемые мембраны толщиной 0,1-0,2 мкм с порами 0,001 мкм под давлением 6-10 МПа. При ультрафильтрации размер отделяемых частиц на порядок больше (диаметр частиц 0,001-0,02 мкм). В ультрафильтрационных установках применяют полупроницаемые мембраны с порами 0,005-0,2 мкм под давлением 0,1-0,5 МПа.

Обратный осмос рекомендуется использовать при следующей концентрации стоков: для одновалентных солей — не более 5 % — 10 %; для двухвалентных — 10 % — 15 %; для многовалентных — 15 % — 20 %. Для уменьшения влияния концентрационной поляризации организуют рециркуляцию раствора и перемешивание прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя мешалки, вибрационные устройства и увеличение скорости движения жидкости вдоль поверхности мембраны. Наиболее эффективная работа мембран при прочих равных условиях достигается при скорости потока жидкости от 0,3 до 0,9 м/с. Увеличение скорости потока выше 1,0 м/с в ряде случаев приводит к снижению водопроницаемости и коэффициента опреснения.

С повышением давления удельная производительность мембран увеличивается, так как растет движущая сила процесса. Однако при высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызывает снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран устанавливают оптимальное рабочее давление.

С ростом температуры уменьшаются вязкость и плотность раствора, что способствует росту проницаемости. Однако при этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость. Кроме того, при повышении температуры начинается усадка и стягивание пор мембраны (что приводит к уменьшению проницаемости), а также возрастает скорость гидролиза материала мембраны, сокращая срок ее службы.

Аппараты для ультра- и гиперфильтрации подразделяются по способу укладки мембран на четыре типа:

1) аппараты типа «фильтр-пресс» с плоскопараллельными фильтрующими элементами. В этих аппаратах мембраны уложены с обеих сторон плоских пористых дренажных пластин, которые расположены на расстоянии 0,5-5,0 мм друг от друга. Фильтрующие элементы зажаты между двумя фланцами, стянутыми болтами. Фильтрат, последовательно прошедший через мембраны, уходит через дренажные слои. Применяются при невысокой производительности. Основной недостаток этих аппаратов — невысокая удельная площадь поверхности мембран (60-300 м2 на 1 м3 объема аппарата) и большая металлоемкость;

2) аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами имеют ряд преимуществ: простота конструкции, малая металлоемкость, легкость перемешивания раствора. В качестве фильтрующих элементов используют пористые трубы (металлические, керамические, пластмассовые) диаметром 6-30 мм, на внутреннюю или внешнюю поверхность которых наносится мелкопористая подложка, а на нее полупроницаемая мембрана. Недостаток аппаратов — невысокая удельная площадь поверхности мембран (100-200 м2/м3), трудность замены вышедших из строя мембран;

3) аппараты с фильтрующими элементами рулонного или спирального типа имеют большую удельную площадь мембран (300-800 м2/м3). При изготовлении аппарата пакет, состоящий из двух мембран, гибкой пористой пластины и гофрированного сепарационного листа, навивают в виде спирали на трубу, имеющую продольные прорези. Сточная вода движется в каналах гофрированного листа. Проникающий через мембраны фильтрат заполняет объем пустот в пористой пластине и проходит по ним к трубе, откуда удаляется. Ширина навивающегося пакета равна 300-500 мм, а длина — 0,6-2,5 м. Недостаток этих аппаратов — сложность монтажа и смены мембран, трудность обеспечения герметичности аппарата;

4) аппараты с мембранами из полых волокон малого диаметра (45-200 мкм). Волокна (из ацетатцеллюлозы, нейлона и др.) собираются в пучки длиной 2-3 м, которые прикрепляются к стенкам аппарата. Удельная площадь поверхности мембран в этих аппаратах достигает 20 000 м2/м3. Расположение волокон может быть линейным или U-образным. Аппараты с мембранами из полых волокон компактны и высокопроизводительны. Недостаток аппаратов — трудность замены поврежденных волокон. Если разделяемый раствор протекает внутри волокон, то необходима тщательная очистка его от механических загрязнений.

На рисунке 2.21 представлена принципиальная схема ультра- и гиперфильтрации (обратный осмос).

1 — накопитель стоков; 2 — насос; 3 — механический фильтр;
4 — накопитель стоков и концентрата 2-й ступени;
5 — обратноосмотический аппарат 1-й ступени; 6 — накопитель фильтрата 1-й ступени; 7 — обратноосмотический аппарат 2-й ступени
Рисунок 2.21 — Принципиальная схема ультра- и гиперфильтрации
(обратного осмоса)



Наибольшее распространение для очистки сточных вод гальванических производств получили двухступенчатые установки типа УГОС-1 и УГОС-2. На первой ступени происходит концентрирование сточных вод, полученный концентрат возвращается в производство. На второй ступени проводят дополнительную очистку фильтрата первой ступени. Производительность установки УГОС-1 по фильтрату на первой и второй ступенях составляет соответственно 95 и 70 л/ч, для установки УГОС--2 производительность составляет для первой ступени 630 л/ч, для второй ступени 450 л/ч.

На тамбовском заводе АО «Комсомолец» выпускается серия обратноосмотических установок мембранных рулонных (УМР) для очистки воды от различных загрязнений, в том числе для очистки сточных вод гальванических производств (УМР 12/10/2-ВПУ). ЗАО «Баромембранная технология» выпускает ультрафильтрационные и обратноосмотические установки различного назначения — от бытовых установок серии «Ручеек» до установки очистки сточных вод гальванических производств серии УМГ производительностью 1-25 м3/ч.

Метод электродиализа. Сущность процесса удаления солей из воды электродиализом состоит в следующем. Если в среднее отделение ванны, разделенной диафрагмами на три отделения (см. рисунок 2.22), залить воду, содержащую растворенные соли, например сульфат натрия, а в крайние отделения, залитые чистой водой, поместить электроды и вести электролиз, то анионы будут переноситься током в анодное пространство. На аноде будет выделяться кислород и образовываться кислота (пропорционально количеству выделившегося кислорода). Одновременно с этим катионы переносятся в катодное пространство. На катоде будет выделяться водород и образовываться щелочь (пропорционально количеству выделившегося водорода).

КМ — катионитовая мембрана; АМ — анионитовая мембрана;
- — катод; + — анод
Рисунок 2.22 — Схемы электродиализаторов с пористыми диафрагмами (а) и ионообменными мембранами (б)



Однако по мере прохождения тока концентрация сульфата натрия в среднем пространстве снижается и в процессе переноса электричества начинают в большей степени принимать участие ионы Н+ и ОН-, образующие в среднем пространстве воду. Таким образом, со временем уменьшается эффективность очистки, т. е. уменьшается доля тока, расходующегося на унос из среднего пространства загрязнителя (сульфата натрия). Одновременно с этим осуществляется ненужный перенос в среднее пространство катионов Н+ из анодного и анионов ОН- из катодного пространства. Кроме того, по мере увеличения концентрации сульфат-ионов в анодном и ионов натрия в катодном пространстве увеличивается разность концентраций между крайними и средним пространствами, градиент которой способствует повышению диффузии через пористые диафрагмы катионов из катодной камеры и анионов из анодной обратно в центральное пространство (см. волнистые стрелки на рисунке 2.22), т. е. за счет диффузии увеличивается скорость обратного движения ионов.

Средний выход по току (отношение удаленного количества солей к количеству соли, которое должно быть удалено при 100%-ном использовании тока) при очистке воды в трехкамерных диафрагменных аппаратах не превышает 20 %. Он может быть повышен при использовании мелкопористых керамических диафрагм, которые обладают высоким сопротивлением диффузии.

Эффективность процесса очистки сточной воды резко повышается в результате применения электрохимически активных (ионообменных) мембран, способных пропускать ионы только одного знака. Благодаря селективной ионной проводимости, а также высокому сопротивлению диффузии ионообменных мембран применение их позволяет повысить выход по току до 85 % — 95 %.

На рисунке 2.23 представлена принципиальная схема электродиализной очистки промывных и сточных вод. Катоды в электродиализаторах изготавливаются из нержавеющей стали или титана, аноды в зависимости от состава очищаемой воды — из платинированного титана, графита, сплавов свинца или магнетита.

1 — накопитель стоков; 2 — насос; 3 — механический фильтр;
4 — сорбционный фильтр; 5 — электродиализатор; 6 — выпрямитель
Рисунок 2.23 — Принципиальная схема электродиализной очистки промывных и сточных вод



Процесс очистки на электродиализных установках осуществляется по трем основным схемам: прямоточной, циркуляционной порционного действия и циркуляционной непрерывного действия.

При прямоточной схеме загрязненную воду пропускают по дилюатному контуру один раз, и при этом солесодержание снижается до заданной концентрации. Эти схемы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Для уменьшения сопротивления мембранного пакета рассол частично повторно возвращается в цикл установки. Рециркуляции может также подвергаться и дилюат, но в этом случае при большом количестве рециркуляций возрастают энергетические потери из-за снижения средней концентрации очищаемого потока.

В циркуляционных установках порционного действия загрязненную воду пропускают многократно через дилюатные камеры до получения заданной степени очистки исходной воды. С целью исключения увеличения перепада концентраций в камерах воду рассольных камер разбавляют очищенной водой, с тем чтобы его концентрация не более чем в 3-4 раза превышала концентрацию солей в очищаемой воде. Недостатком этой схемы является трудность автоматизации процесса, вызванной постоянным изменением электросопротивления из-за нестационарности режима очистки и необходимостью в связи с этим регулирования напряжения.

В циркуляционных системах непрерывного действия процесс очистки сводится к циркуляции через камеры электродиализного аппарата, или только рассола, или рассола и дилюата с непрерывной продувкой рассола. Контур рассола выполняется замкнутым и с частичным его сбросом.

В циркуляционных схемах имеет место повышенный расход электроэнергии на повторную перекачку рассола и дилюата.

Различают три гидравлических вида потокораспределения воды: параллельное, последовательное и комбинированное.

При параллельном потокораспределении очищаемая вода и рассол движутся параллельно по дилюатным и рассольным камерам электродиализного аппарата, обычно работающего по порциональной циркуляционной схеме очистки. Выход по току составляет порядка 60 %.

При последовательном движении всей очищаемой воды и рассола потоки их последовательно проходят все дилюатные и рассольные камеры. Основным недостатком такой схемы является создание большого перепада концентраций по обе стороны мембран, так как с одной стороны мембраны находится очищенная вода, а с другой — рассол, с концентрацией в 2-2,5 раза большей, чем у исходной воды. В таких условиях селективность мембран снижается, и это особенно заметно у мембран, находящихся на концевых участках движения потоков воды. По этой причине понижается выход по току и уменьшается срок службы мембран. Выход по току составляет порядка 40 % — 45 %.

Комбинированная система распределения потоков воды в многокамерных аппаратах предполагает параллельное движение жидкости по всем рассольным камерам и последовательное движение очищаемой воды по дилюатным камерам. Разность концентраций очищенной воды и рассола на выходе из аппарата в 2 раза меньше, а расход электроэнергии в 1,5 раза ниже, чем при последовательной системе. Выход по току достигает 90 % — 95 %.

Основным недостатком электродиализа является концентрационная поляризация, приводящая к осаждению солей на поверхности мембран и снижению показателей очистки. Поэтому периодически электродиализный комплекс промывается серной кислотой.

2.8.2.1.3 Ионообменные методы

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, кадмия, ртути, марганца и т. д.), а также соединений мышьяка, фосфора и цианистых соединений. Этот метод очистки позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе (сточной воде). Вещества, составляющие эту твердую фазу, носят название ионитов. Они практически нерастворимы в воде. Иониты, способные поглощать из растворов положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы — анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, вторые — основными. Если иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными [22], [24].

Иониты бывают неорганические и органические. Это могут быть природные или синтетические вещества.

К неорганическим природным ионитам относят цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты, различные слюды и др.

К неорганическим синтетическим ионитам относятся силикагели, пермутиты, труднорастворимые оксиды и гидроксиды некоторых металлов (алюминия, хрома, циркония и др.).

Органические природные иониты — это гуминовые кислоты почв и углей. Они проявляют слабокислотные свойства. Для усиления кислотных свойств и обменной емкости угли измельчают и сульфируют в избытке олеума. В результате такой обработки получаются сульфоугли. К недостаткам таких ионитов следует отнести их малые химическую стойкость и механическую прочность зерен, а также небольшую обменную емкость, особенно в нейтральных средах.

К органическим искусственным ионитам относятся ионообменные смолы с развитой поверхностью. Они-то и приобрели наибольшее практическое значение для очистки сточных вод. Синтетические ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку, называемую матрицей, с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами, состоящими из способного к обмену противоиона, соединенного с матрицей фиксированными (анкерными) ионами. Например, сульфокатиони-ты записываются как RSO3K Здесь R — матрица, Н — противоин, SО3 — фиксированный (анкерный) ион.

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости. Полная обменная емкость — это количество поглощаемого вещества при полном насыщении единицы объема или массы ионита. Статическая обменная емкость — это обменная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях. Статическая обменная емкость обычно меньше полной. Динамическая обменная емкость — это емкость ионита до «проскока» ионов в фильтрат, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической.

Обменная емкость сильнокислотных катионитов и сильноосновных анионитов по отношению к различным ионам остается постоянной в широком интервале значений pH. Обменная емкость слабокислых катионитов и слабоосновных анионитов в большой степени зависит от величины pH и максимальна для слабокислых катионитов в щелочной среде (pH > 7), а для слабоосновных анионитов — в кислой среде (pH < 7).

Иониты в контакте с водой не растворяются, но поглощают некоторое количество воды и набухают. При набухании объем ионитов увеличивается в 1,5-3 раза. Степень набухания зависит от строения смолы, природы противоионов, состава раствора. Синтетические иониты набухают в воде больше и имеют большую обменную емкость, чем природные. Срок службы синтетических катионитов значительно больше, чем анионитов. Это объясняется низкой стабильностью групп, выполняющих роль фиксированных ионов.

Селективность обмена зависит от величины давления набухания в порах смолы и от размера пор ионита. При малом размере пор большие ионы не могут достичь внутренних активных групп. В целях повышения селективности ионитов к определенным металлам в состав смол вводят вещества, способные образовывать с ионами этих металлов внутрикомплексные соединения (хелаты).

Ионообменные смолы могут применяться как в плотном неподвижном слое в установках периодического действия (фильтрах), так и в псевдоожиженном или движущемся слое в аппаратах непрерывного действия.

Фильтр периодического действия представляет собой закрытый цилиндрический сосуд с расположенным на днище щелевым дренажным устройством, служащим для равномерного отвода очищенной воды по всему сечению фильтра. Если подача сточной воды и регенерирующего раствора осуществляется сверху, фильтр называется параллельноточным, если сточная вода поступает снизу, а регенерирующий раствор сверху — противоточным.

Преимущество аппаратов непрерывного действия с псевдоожиженным слоем ионита проявляется при очистке сточных вод, содержащих высокодисперсные взвеси, заиливающие плотный слой ионита в типовых ионообменных фильтрах.

Применяются аппараты непрерывного действия различных конструкций, однако общим у них является нижний отбор отработанного ионита и последующая подача его в верхнюю часть регенерационного устройства. В этих установках ионит движется по

замкнутому контуру, последовательно проходя стадии сорбции, регенерации и промывки.

Наибольшее распространение получили металлические ионообменные фильтры, выпускаемые таганрогским заводом «Красный котельщик», Бийским котельным заводом и Саратовским заводом энергетического машиностроения. Помимо металлических корпусов для ионообменных фильтров, широкое распространение получили также стеклопластиковые напорные корпусы фирм Structural и Wave Cyber.

Применение противоточной ионообменной технологии позволяет повысить эффективность процесса очистки сточных вод. При противоточной технологии обрабатываемая вода проходит слои ионита со все более увеличивающейся глубиной регенерации, т. е. концентрационный напор сохраняется по всему пути воды. Тем самым обеспечивается высокое качество умягчения и деминерализации, наиболее полно используется рабочая обменная емкость ионита, уменьшается расход реагентов, воды на собственные нужды и сточных вод. В настоящее время используются различные про-тивоточные ионообменные технологии: Швебебет, Лифтбет, Ринзебет, Мультистеп, UPCORE и др., отличающиеся организацией процесса и конструкциями ионообменных фильтров.

По технологии Швебебет (с нем.: Schwebebett — взвешенный, плавающий слой) обрабатываемая вода в фильтре направляется снизу вверх, регенерационный раствор — сверху вниз. Масса ионита находится в фильтре между двумя дренажнораспределительными системами (трубы или плиты с перфорацией или колпачками со щелями). Между слоем ионита и верхней дренажно-распределительной системой расположен слой инертного гранулированного материала (обычно полиэтилен) высотой 100-300 мм, защищающий верхнюю систему от засорения мелкими частицами ионита (следствие истирания или раскалывания зерен) и от загрязнений исходной воды. Кроме того, в фильтре есть небольшое пространство для расширения (набухания) ионита.

Конструкция фильтра по технологии Лифтбет (с нем.: Liftbett — поднятый слой) представляет собой две камеры, расположенные одна над другой и разделенные дренажно-распределительной системой — верхней для нижней камеры. Эта система и верхняя система верхней камеры защищены слоями «инерта». Нижняя камера заполнена ионитом только на одну треть высоты, а оставшееся свободное пространство служит для расширения ионита во время взрыхления. Так как исходная вода проходит снизу последовательно две камеры, то слой в нижней камере воспринимает все загрязнения исходной воды, защищая слой ионита верхней камеры. Слой нижней камеры подвергается взрыхлению. Верхняя камера заполнена ионитом и «инертом» полностью. Выгрузка ионита в другую емкость для взрыхления не нужна.

Для технологии Ринзебет (с нем.: Rinsebett — промываемый слой) разработана следующая конфигурация фильтра. Несколько выше середины высоты фильтра установлена перфорированная плита, через отверстия которой свободно могут проходить гранулы ионита во время фильтрования воды снизу вверх. Под ней — дренажнораспределительная система для отвода из фильтра обработанной воды. Часть ионита — так называемый покровный слой — находится над перфорированной плитой. Во время рабочего цикла этот слой препятствует чрезмерному расширению основного ионообменного слоя и поглощает основное количество загрязнений и ионитной «мелочи». Он же обеспечивает возможность проведения взрыхляющей промывки непосредственно в фильтре, без перегрузки ионита в специальную емкостью. Существенное отличие

этой технологии от других противоточных технологий — возможность разбавления ре-генеранта неумягченной (недеминерализованной) водой и отмывка ионитов от остатков регенерационного раствора такой же водой. Это возможно потому, что верхний покровный слой ионита поглощает ионы исходной воды и регенерационный раствор и отмывочная вода поступают к основному ионитному слою умягченными (деминерализованными).

Фильтр, работающий по технологии Мультистеп (с нем.: Multistep — многоступенчатые, многокаскадные слои), состоит из двух или более камер, разделенных перфорированными плитами или колпачковыми устройствами. Каждая камера, кроме верхней, имеет дренажно-распределительную систему, где исходные раствор и сточные воды отводятся от регенерации предыдущей камеры. При регенерации ионита сверху вниз ионит нижерасположенной камеры защищен от загрязнения продуктами регенерации блокирующим потоком воды навстречу указанным продуктам. По технологии Мультистеп можно в одном фильтре провести все операции по умягчению и деминерализации воды.

Технология UPCORE (с англ.: UP.CO.RE. — UРflowCOurtercurrentRЕgeneration — противоточная регенерация восходящим потоком) фирмы DowChemicalCo. В фильтре, работающем по этой технологии, обрабатываемая вода движется сверху вниз, регенерационный раствор — снизу вверх. Технология обладает всеми преимуществами про-тивоточных технологий и в то же время лишена недостатков, свойственных другим противоточным схемам. Так как во время рабочего цикла вода движется сверху вниз (30-40 м/ч), слой ионита остается зажатым при любых колебаниях нагрузки, даже при полном прекращении подачи воды. Таким образом, регенерированный слой ионита в нижней части фильтра не разрушается.

Одна из принципиальных особенностей технологии — наличие инертного материала. Верхнее дренажно-распределительное устройство прикрыто и как бы погружено в слой плавающего слоя инертного материала. Через этот слой свободно проходят вода, взвешенные примеси, ионитная мелочь, а целые гранулы ионита задерживаются. Регенерационный раствор пропускается снизу вверх с такой скоростью, что поднятый в предыдущей операции слой ионита остается прижатым к слою инертного материала. Две эти операции, помимо своих прямых функций, отменяют необходимость взрыхляющей промывки. Следующие этапы регенерации — отмывка ионита снизу вверх от остатков регенерационного раствора; оседание слоя ионита; отмывка ионита сверху. Весьма важная особенность технологии UPCORE — возможность осуществления послойной загрузки анионитов в одном фильтре без каких-либо разделяющих устройств. За счет специального подбора слабоосновного и сильноосновного анионитов с соответствующими значениями плотностей слой слабоосновного анионита всегда сохраняет свое положение над слоем сильноосновного анионита, защищая последний от отравления органическими веществами.

Ионообменную очистку сточных вод обычно осуществляют путем их последовательного фильтрования через катиониты (в Н+-форме) и аниониты (в ОН--форме). В некоторых случаях для очистки водных растворов применяют иониты в солевой форме (например, катиониты в №+-форме, аниониты в Cf-форме). При наличии в воде анионов сильных и слабых кислот анионирование ведут в две ступени, извлекая сначала анионы сильных кислот на слабоосновных анионитах, а затем анионы слабых кислот на сильноосновных анионитах.

В процессе очистки сточных вод происходит насыщение ионитов катионами и анионами. Насыщенные иониты подвергают регенерации, перед которой их взрыхляют очищенной водой с интенсивностью 3-5 л/(см2). Регенерацию катионитов осуществляют 2-8%-ными растворами минеральных кислот, регенерацию анионитов — 26%-ными растворами едких щелочей. После регенерации проводят отмывку ионитов.

В основе процедуры регенерации любой ионообменной смолы лежит принцип замещения селективно сорбированных ионов на ионы с меньшей селективностью. Большинство ионообменных смол могут быть регенерированы растворами кислот (избыток ионов водорода), соли (избыток ионов натрия или хлорид-ионов) или щелочи (избыток гидроксил-ионов). В процессе регенерации сорбированные ионы извлекаются из смолы и замещаются на ионы, указанные выше.

Чем прочнее связь между сорбированным ионом и смолой, тем большее количество регенеранта требуется для полного восстановления обменной емкости смолы. Практикой работы водооборотных комплексов установлено, что для полноценной регенерации применяемых смол достаточного двойного (по отношению к объему смолы) объема регенеранта. В этом случае обменная емкость смолы сохраняется на исходном уровне в течение 100 циклов и более.

Растворы, образующиеся при регенерации ионитов (элюаты), подвергают дальнейшей переработке с целью утилизации содержащихся в них ценных химических продуктов или нейтрализации.

Принципиально возможны три варианта ионообменной очистки сточных вод гальванических производств:

1) очистка сточных вод, образующихся в отдельных технологических процессах, — локальная очистка;

2) очистка общего стока гальванического цеха или участка;

3) очистка сточных вод, подвергнутых предварительному обезвреживанию с помощью химических реагентов для удаления из них минеральных солей.

На рисунке 2.24 представлена принципиальная схема очистки кислотнощелочных сточных вод ионообменным методом. Сточные воды из цеха поступают в накопитель-усреднитель 1, откуда насосом 2 через механический фильтр 3, загруженный кварцевым песком, подаются на сорбционную очистку 4 от органических примесей посредством активированного угля АГ-3, а затем на ионообменные фильтры. Катионитовые фильтры 5 заполняются катионитовой смолой, а анионообменные 6 — низкоосновным анионитом. При загрязнении стока анионами слабых кислот (борной, фосфорной, кремниевой и т. д.) в схему дополнительно включают анионообменные фильтры с высокоосновным анионитом в ОН^--форме.

1 — накопитель-усреднитель стоков; 2 — насос;
3 — механический фильтр; 4 — сорбционный фильтр;
5 — фильтры катионитовые; 6 — фильтры анионитовые
Рисунок 2.24 — Принципиальная схема очистки промывных и сточных вод ионообменным методом



Ионообменный метод применим в основном для очистки сточных вод с общим солесодержанием до 3 г/л. Увеличение солесодержания воды снижает экономичность способа из-за снижения продолжительности межрегенерационного цикла работы ионитов и повышения расхода химикатов на их регенерацию. Суммарная концентрация тяжелых металлов колеблется в кислотно-щелочных стоках от 0,5 до 1,5 г/л. Применение ионитов для очистки этих стоков позволяет возвратить в гальваническое производство около 90 % — 95 % очищаемых сточных вод, а также выделить для повторного использования тяжелые металлы.

С экономической точки зрения наиболее целесообразна не ионообменная очистка общего стока гальванического цеха, а локальная очистка. В этом случае переработка и возврат в производство концентрированных растворов, образующихся при регенерации ионитов и содержащих различные химические продукты, вызывают наименьшие трудности. Преимущество локальных систем очистки состоит также в том, что при их использовании глубина очистки определяется не ПДК в водоемах, а требованиями качественной промывки деталей, т. е. предельно допустимой концентрацией отмываемого компонента. В частности, вода после очистки на локальных системах, направляемая на промывку, может содержать несколько мг/л ионов меди, никеля, цинка, кадмия, хрома, циана. В то же время ПДКрыб.хоз для этих компонентов — 0,05-0,001 мг/л, что в сотни и тысячи раз меньше. Таким образом, очищать промывную воду перед сбросом ее в городскую канализацию необходимо на несколько порядков тщательнее, чем для возврата ее в производство.

Однако локальные системы ионообменной очистки не нашли широкого распространения из-за узкого аппаратурного ассортимента, сложности и громоздкости серийно выпускаемых аппаратов и других недостатков.

Емкость анионитов по хрому не зависит от величины pH в пределах от 1 до 6 и значительно снижается с увеличением pH более 6. Скорость фильтрования устанавливают равной 10-15 м/ч.

Регенерацию сильноосновных анионитов проводят 8-10%-ным раствором едкого натра. Скорость фильтрования при регенерации составляет 1-1,5 м/ч. Элюаты, содержащие 40-50 г/л шестивалентного хрома (Na2CrО4), могут рекуперироваться для приготовления пассивирующих растворов. Методом Н-катионирования хромат натрия может быть переведен в хромовую кислоту.

Простые и комплексные цианиды извлекаются на анионитах: сточные воды с щелочной реакцией обрабатывают анионитами в солевой форме, нейтральные и слабокислые воды — анионитами в гидроксидной и солевой форме.

Современные ионообменные системы используют объем регенерирующих реагентов, равный удвоенному объему смолы, при этом обменная емкость системы (длительность рабочего цикла) остается на постоянном уровне в течение длительного времени.

содержание      ..     11      12      13      14     ..