Очистка сточных вод экстракцией загрязнений Экстракция лат extractio

Очистка сточных вод экстракцией загрязнений Экстракция (лат. extractio — извлечение), экстрагирование, процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов).

Экстракция (лат. extractio — извлечение), экстрагирование, процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов). Достоинствами Э. являются низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации. Недостатком Э. в ряде случаев является трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ. Э. подчиняется законам диффузии и равновесного распределения. С А Cэ В В Cст фаза-экстракт = экстрагент С+ В+ р-ль А (вода) В – извлекаемое в-во фаза-рафинат = сточная вода + экстрагент С + В

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 рафината. При выборе растворителя следует учитывать его селективность, физикохимические свойства, стоимость и возможные способы регенерации.

При Э. из жидкостей после смешения исходного раствора с экстрагентом и расслоения образовавшейся смеси концентрация у экстрагируемого вещества (В) в фазе экстракта больше его концентрации х в фазе рафината. При взаимной нерастворимости экстрагента (С) и растворителя (А) исходного раствора зависимость у от х для равновесной системы (для которой у обозначается как ур) изображается на диаграмме у — х (рис. 1, а). Если раствор разбавлен, а вещество В в экстракте находится в неассоциированном и недиссоциированном состояниях, отношение: (коэффициент распределения) — величина постоянная, не зависящая от концентрации. Линия равновесия на диаграмме у—х является прямой; в противном случае Kp — функция концентрации, и линия равновесия криволинейна. Kp всегда зависит от температуры, практически не зависит от давления; определяется он экспериментальным путём. Рис. 1: а — диаграмма равновесия для систем, в которых экстрагент и растворитель исходного раствора взаимно нерастворимы.

Кинетика Э. описывается общим уравнением массообмена: M = K Δc F t, где М — количество экстрагированного вещества, К — коэффициент массопередачи, Δс — средняя разность концентраций экстрагируемого вещества в обеих фазах, F — величина межфазной поверхности, t — время. Величина Δс однозначно определяется заданными концентрациями х, у и ур, поэтому для достижения больших значений М стремятся увеличить К путём турбулизации потоков взаимодействующих фаз и F — путём диспергирования одной из фаз (экстрагента или исходного раствора) на мелкие капельки. Точное значение К пока не может быть рассчитано теоретическим путём, поэтому эффективность процесса Э. выражают, как и при ректификации или абсорбции, числом ступеней равновесия (идеальных тарелок). Графическое определение числа ступеней равновесия показано на рис. 1, а.

Вследствие кратковременности и несовершенства акта смешения экстрагента и исходного раствора действительная (рабочая) концентрация у всегда меньше равновесной ур. Степень приближения у к ур характеризует эффективность Э. , а разность yp—y является его движущей силой. В результате однократной Э. возможна сравнительно небольшая степень извлечения вещества В из исходного раствора, поэтому прибегают к многократному повторению актов смешения и последующего расслаивания взаимодействующих фаз при их встречном движении (рис. 1, б). Если в исходном растворе концентрация вещества В уменьшается от x 1 до x 2, то его концентрация в фазе экстракта возрастает от 0 до y 1. Из уравнения материального баланса Э. : Dy 1=W (x 1 - x 2) = М (а) (где D и W —расходы чистого экстрагента и чистого растворителя, соотв-но) можно определить расход экстрагента: Рис. 1, б — схема однократной экстракции при встречном движении исходного раствора и экстрагента. Уравнение (а) описывает прямую (см. рис. 1, а), проходящую через точки с координатами (x 1, 0) и (x 1, y 1). В приведённых выражениях x 1 и y 1 — концентрации относительно чистого растворителя А и чистого экстрагента С. Очевидно, что расход экстрагента растет по мере уменьшения концентрации (x 2) вещества В в рафинате и уменьшения его концентрации y 1 в экстракте.

Эктрагент должен: 1) растворять извлекаемое вещество значительно лучше, чем вода, т. е. обладать высоким коэффициентом распределения; 2) обладать большой селективностью растворения, т. е. чем меньше экстрагент будет растворять компоненты, к-рые должны остаться в ст. воде, тем более полно будут извлекаться вещества, к-рые необходимо удалить; 3) иметь, по возможности, наибольшую растворяющую способность по отношению к извлекаемому компоненту, т. к. чем она выше, тем меньше потребуется экстрагента; 4) иметь низкую раств-сть в ст. воде и не образовывать устойчивых эмульсий, т. к. затрудняется разделение экстракта и рафината; 5) значительно отличаться по плотности от ст. воды, для быстрого и полного разделения фаз; 6) обладать большим коэф-нтом диффузии; тем выше скорость массообмена; 7) регенерироваться простым и дешевым способом; 8) иметь температуру кипения, отличающуюся от т-ры экстрагируемого вещества; 9) иметь небольшую удельную теплоту испарения и небольшую теплоемкость; 10) не взаимодействовать с извл-мым в-вом, это затрудняет регенерацию экстрагента; 11) не быть вредным, взрыво- и огнеопасным и не вызывать коррозию аппаратов; 12) 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 экстрагент 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 y. Составы таких трехкомпонентных фаз удобно представить в треугольной диаграмме (рис. 6. 10).

Рис. 6. 10. Треугольная диаграмма растворимости компонента Вершины равностороннего треугольника L, G и М обозначают чистые компоненты: растворитель исходного раствора L, экстрагент G и распределяемое вещество М. Каждая точка на сторонах LM, MG и GL соответствует составу двухкомпонентных растворов. 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 G и 30% распределяемого вещества М.

Если участвующие в процессе экстракции фазы практически не растворимы, то материальный баланс процесса описывается общим уравнением ΣGн = ΣGк. (6. 80) При периодической экстракции (однократном взаимодействии фаз) материальный баланс процесса по потокам принимает вид уравнения Gн +Lн = Gк +Lк (6. 81) или в принятых обозначениях F + S = E + R, (6. 82) где F, S – количества исходного раствора и экстрагента соотв-но, 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 + (L/G)(Xн - Хк). (6. 83) 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.

При частичной взаимной растворимости количества потоков по высоте экстрактора будут изменяться, а значит отношение L/G в уравнении Yiк = Yiн + (L/G)(Xiн - Хiк) (6. 84) не будет постоянным. Тогда на диаграмме y - x рабочая линия будет криволинейной. Система является как минимум трехкомпонентной, и для анализа целесообразно воспользоваться треугольной диаграммой для построения не только равновесных, но и рабочих концентрационных зависимостей. Для этого перепишем уравнение (6. 82) следующим образом: F + S = М = E + R. (6. 85) Выражение позволяет представить материальный баланс на треугольной диаграмме (рис. 6. 10), например, как процесс смешения потоков F + S = М 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; RXBR + RXBE = МХBM. (6. 86) (6. 87)

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 экстрагент 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 противоточной многоступенчатой экстракции (рис. 6. 11) и непрерывной противоточной экстракции (рис. 6. 12). 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. Экстракция производится в аппаратах различной конструкции: распылительных, насадочных, тарельчатых колоннах, а также в центробежных экстракторах.