Физико-химические методы защиты биосферы. Очистка фильтрационных вод

Анализ представленных данных позволяет выбрать наиболее деше­ вые и достаточно эффективные сорбенты, которые целесообразно исполь­ зовать для очистки фильтрационных вод. Наибольшей сорбционной актив­ ностью обладают мезопористые образцы - сорбент-Н, АБД, размер мезопоркоторых соизмерим с размерами частиц гуминовых соединений.

Шлак, в состав которого входят оксиды кальция, кремния, железа, также обладает достаточной для практического использования сорбцион­ ной емкостью. На шлаке возможно одновременное протекание процессов коагуляции и адсорбции.

На кафедре охраны окружающей среды ПГТУ были проведены экс­ перименты по возможности применения мезопористых относительно де­ шевых сорбентов АБД и сорбент-Н, а также металлургического шлака для очистки ФВ полигона ТБО г. Перми. Испытания проводились в лаборатор­ ных условиях в динамическом режиме. Выходные кривые сорбции органи­ ческих примесей ФВ представлены на рис. 4.13.

Объем, л

♦ сорбент-Н , ■ А БД , * ш лак

Рис. 4.13. Выходные кривые сорбции органических веществ из фильтрационных вод полигона ТБО г. Перми

На основании экспериментов было определено время фильтроцикла для каждого сорбента и рассчитана длина работающего слоя. Наибольшей динамической емкостью на единицу объема слоя сорбента из выбранных образцов обладают АБД и шлак.

Применение углеродсодерж ащ их мат ериалов для доочистки предва­ рительно озонированных фильтрационных вод. Ранее в подразд. 4.1 были представлены результаты по озонированию ФВ. При обработке воды доза­ ми озона 100-150 мг/л происходит деструкция высокомолекулярных со­ единений ФЗ (молярная масса образующихся продуктов озонирования ме­ нее 2000 г/моль) и полное окисление низкомолекулярных органических

ка (50 мг Ог/л) возрастает с 100 до 120 мг Ог/л. Примеси с молярной мас­ сой менее 2000 г/моль, образующиеся при озонировании воды, в большин­ стве случаев сорбируются в микропорах АУ. Незначительное увеличение емкости сорбента можно объяснить недостаточным развитием объема микропор сорбента-Н (0,08 см3/г).

Динамическая емкость АГМ при сорбции примесей из озонирован­ ной воды возросла с 110 до 215 мг CVr. Озонирование позволяет более полно использовать объем микропор АУ при сорбции. При выборе угле­ родсодержащих сорбентов для доочистки озонированных вод преимуще­ ство следует отдавать сорбентам с развитой микропористой структурой.

Основной технической проблемой, связанной с применением сорб­ ционных фильтров, является восстановление их сорбционной емкости. Для этого применяют химические, термические или биологические методы.

Использование озона создает условия для продления фильтроцикла активного угля. Озонированные ФВ обладают биологической активно­ стью. Известно, что на АУ активно протекают биохимические процессы окисления органических примесей. Озонированная вода, обогащенная рас­ творенным кислородом, катализирует поверхность АУ, стимулирует про­ цессы жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий и способствует биологическому самоочищению слоя загрузки. Озонирование воды перед угольными фильтрами увеличивает межрегенерационный период до не­ скольких лет.

Перспективы применения сорбционного метода для очистки фильтрационных вод. Анализ результатов исследований по возможности применения адсорбции для очистки фильтрационных вод позволяет опре­ делить перспективы применения метода.

1. Метод целесообразно использовать для очистки или доочистки ФВ, имеющих ХПК не более 300-500 мг О2/Л. Наиболее эффективно при­ менение адсорбции для очистки ФВ, образующихся в метаногенной фазе деструкции отходов и содержащих биорезистентные примеси.

2. Сложный состав органических примесей ФВ, различающихся по молярной массе, структуре, полярности, содержанию, приводит к необхо­ димости разработки многостадийной сорбционной технологии, реализация которой возможна с использованием многослойных фильтров, содержащих сорбенты с различной пористой структурой (мезо- и микропористые).

3. Широкое применение сорбционного метода в технологиях очист­ ки сточных вод ограничивается необходимостью периодической регенера­ ции сорбентов, что усложняет и удорожает технологию очистки. Исполь­ зование в качестве фильтрующих и сорбционных материалов отходов про­ изводств и дешевых АУ дает возможность одноразового использования сорбентов без дорогостоящей регенерации. При применении промышлен­

ных марок АУ необходимо организовать систему сбора отработанных АУ

иих термическую регенерацию на предприятиях по производству АУ.

4.Адсорбционный метод может быть использован при разработке комплексных технологий очистки ФВ, включающих в себя: а) предвари­ тельную биологическую очистку фильтрата; б) предварительное озониро­ вание ФВ.

5.Сочетание озонирования и адсорбции позволит снизить энергети­ ческие затраты при озонировании и увеличить фильтроцикл АУ.

6.На углеродсодержащих материалах возможно протекание биосорбционных процессов - деструкции адсорбированных примесей под воз­ действием микробиоценоза биопленки, формирующейся на развитой поверхности сорбентов. Углеродсодержащие материалы можно использо­ вать в биосорбционных методах очистки ФВ.

Вопросы и задания к главе 4

4.1.Чем обусловлено использование озона для очистки и обеззара­ живания сточных вод? Приведите основные физико-химические свойства озона.

4.2.Как получают озон в промышленных озонаторных установках?

4.3.Объясните механизм воздействия озона на высоко- и низкомо­ лекулярные примеси сточных вод.

4.4.Чем обусловлено использование озона для очистки подземных

источных вод от ионов железа (II), марганца (II)?

4.5.В чем проявляется обеззараживающее действие озона?

4.6.В каких случаях целесообразно использование озона для очист­ ки сточных вод? Рассмотрите основные критерии выбора метода озониро­ вания для очистки сточных вод.

4.7.Какие факторы влияют на эффективность очистки сточных вод озонированием?

4.8.Как определяют дозу озона, необходимую для очистки сточных вод и время озонирования?

4.9.Назовите закономерности озонирования фильтрационных вод.

4.10.Что понимают под термином «адсорбция»? Под действием ка­ ких сил протекает физическая адсорбция веществ на поверхности адсор­ бента?

4.11.Чем обусловлено широкое применение адсорбционных методов для очистки сточных вод? В каких случаях применение сорбционного ме­ тода для очистки сточных вод наиболее целесообразно?

4.12.Какие сорбенты применяют для очистки сточных вод от орга­ нических примесей?

4.13. Почему при очистке воды от органических примесей наиболее эффективно применение углеродсодержащих материалов, активных углей

(АУ)?

4.14. Перечислите основные физико-химические характеристики промышленных адсорбентов, применяемых для очистки сточных вод. Ка­ кие из них необходимо учитывать при выборе марки АУ для очистки во­ ды?

4.15. Что представляют собой АУ? Назовите основные характери­ стики пористой структуры АУ. Объясните, как образуются микро- и мезопористая структура АУ?

4.16. Какие методы используются при определении пористой струк­ туры сорбентов?

4.17. Как с помощью уравнения Дубинина - Радушкевича по изотер­ ме адсорбции паров бензола на АУ определить величину предельного объ­ ема адсорбционного пространства (tV0), характеристическую энергию ад­ сорбции (Е0)?

4.18.Какова взаимосвязь характеристической энергии адсорбции с размером микропор (полушириной щелевидной микропоры)?

4.19.Как влияет химическая природа поверхности АУ на его адсорб­ ционную способность?

4.20.Какие особенности извлечения органических веществ из воды на углеродсодержащих сорбентах? Почему увеличение растворимости и полярности примесей сточных вод снижают адсорбционную способность АУ?

4.21.Что характеризует изотерма адсорбции ?

4.22.Как определяется статическая емкость сорбента? Как строится изотерма адсорбции? По изотерме адсорбции фенола на АУ марки БАУ (рис. 4.10) определите емкость АУ при концентрации фенола в сточной воде 15 мг/л.

4.23.Какие основные уравнения используются в практике водоочи­ стки для описания изотерм адсорбции растворенных веществ? Как опреде­ ляются константы в уравнении Фрейндлиха?

4.24.Какие свойства сорбентов и сорбатов необходимо учитывать при выборе сорбента для очистки сточных вод?

4.25.Как определяется доза сорбента при очистке воды, проводимой

встатическом режиме? Определите дозу АУ марки АГМ, необходимую для очистки воды, содержащей 10 мг/л л-крезола, в статическом режиме по одноступенчатой схеме. Необходимая степень очистки 98 %. При расчете используйте уравнение изотермы адсорбции Фрейндлиха. Константы уравнения представлены в табл. 4.6.

4.26.Как представляется механизм адсорбции примесей в динами­ ческом режиме на неподвижном слое сорбента?

4.27.От каких факторов зависит эффективность работы фильтра с неподвижным слоем сорбента?

4.28.Что понимают под понятием «выходная кривая сорбции»?

4.29.Как определяется время защитного действия слоя сорбента по выходной кривой сорбции?

4.30.Как по выходной кривой адсорбции примесей рассчитать длину работающего слоя?

4.31.Как на практике осуществляют адсорбционную очистку сточ­

ных вод?

4.32.Какие методы регенерации отработанных сорбентов использу­

ют в практике очистки сточных вод?

4.33.Рассмотрите основные закономерности адсорбции примесей из фильтрационных вод полигонов ТБО.

4.34.От каких параметров пористой структуры АУ зависит адсорб­ ционная активность сорбента при извлечении крезолов и фенолов из низ­ коконцентрированных растворов?

4.35.Какие параметры пористой структуры АУ определяют эффективность применения сорбента при очистке воды от высокомолекулярных соединений гумусовой природы?

4.36.Рассчитайте, какой объем и масса сорбента марки ATM (плот­

ность 0,48 г/см3) необходимы для сорбционной очистки фильтрационных вод. Производительность установки 10 м /ч, концентрация примесей (ХПК) - 300 мг О/л, динамическая емкость сорбента 150 мг О/г, время ра­ боты сорбента до регенерации 0,5 года, степень очистки 90 %, длина рабо­ тающего слоя 50 см. Блок сорбционной очистки состоит из двух последо­ вательно работающих фильтров и одного резервного.

4.37. Как влияет предозонирование фильтрационных вод на эффек­ тивность их сорбционной очистки? Почему возрастает сорбционная ем­ кость микропористых АУ при очистке предварительно озонированной во­ ды?

где Св , СА, Св , С% - концентрации ионов в фазе раствора и ионита.

Если S> 1, ионит селективен к иону А. Избирательность ионитов за­ висит главным образом от заряда и радиуса сорбируемых ионов.

Иониты классифицируют по происхождению на природные и синте­ тические, по составу - на неорганические и органические, по знаку заряда обменивающихся ионов - на катиониты, аниониты и амфолиты (послед­ ние в зависимости от условий могут обмениваться как катионами, так и анионами).

К природным неорганическим ионитам относят цеолиты, глинистые минералы. Цеолиты - алюмосиликаты щелочных и щелочно-земельных металлов с общей формулой Ме2/„0 AI2O3 xSi02 .УН2О, где Me - катион щелочного или щелочно-земельного металла, п - его валентность. Большинство цеолитов имеют трехмерную сетчатую структуру в виде жесткой кристаллической решетки (алюмокремнекислородный каркас, образованный тетраэдрами SiC>4 и AIO4) со значительными расстояниями между узлами (до 0,7 нм) решетки. Имеются цеолиты со слоистой и волокнистой структурой. Часть ионов кремния в решетке изоморфно замещены ионами алюминия, что создает избыток отрицательного заряда решетки, нейтрализуемый достаточно подвижными ионами калия, натрия, кальция или др. Таким образом, каркас решетки заряжен отрицательно, и положительные ионы металлов являются противоионами.

Цеолиты обладают высокой избирательностью по отношению к

. крупным ионам щелочных металлов (рубидий, цезий), некоторых щелоч­ но-земельных металлов (стронций) и тяжелых металлов (свинец, ртуть, кадмий, цинк). Наличие в полимерном каркасе цеолитов системы каналов и полостей с окнами строго определенного размера, образованных из ки­ слородных колец с диаметром от 0,16 до 0,8 нм, обусловливает способ­ ность цеолитов к молекулярной сорбции воды, газов и органических жид­ костей. При удалении цеолитной воды (продувка, нагревание) они могут быть использованы как сорбенты для извлечения полярных соединений.

Перспективными ионитами для очистки сточных вод являются гли­ нистые алюмосиликатные минералы, в основном бентонитовые глины (монтмориллонит, бейделлит), каолинит, биотит, вермикулит, шабазит, морденит, серпентинит, диатомит. В отличие от цеолитов с пространст­ венной сетчатой структурой они имеют рыхлую слоистую кристалличе­ скую решетку, состоящую из слоев кремнекислородных тетраэдров и алюмокислородных октаэдров, связанных между собой силами межмолеку­ лярного взаимодействия и образующих элементарные пакеты. Глинистые минералы высокодисперсны, имеют развитую поверхность и являются хо­ рошими сорбентами для полярных веществ. Обменная емкость глинистых

пространственную сетку (каркас) с фиксированными на ней ионообмен­ ными функциональными группами (чаще SO3H , ОН").

Реакции ионного обмена можно представить в виде:

1) при контакте с катионитом: 2RSO3H + MgCl2 => (RS03)2Mg +

+2НС1,

2)при контакте с анионитом: ROlT + NaCl =s>RCl + NaOH.

В воде иониты не растворяются, но набухают, причем размеры их пор увеличиваются от 0,5-1,0 до 4,0 нм, а объем ионита возрастает в 1,5-3 раза. Набухание связано с поглощением молекул воды в надмолекулярной структуре полимера и влияет на селективность ионита и кинетику ионного обмена, так как при малом размере его пор крупные ионы не могут достичь внутренних функциональных групп.

Наиболее широко в водоочистке используются марки катионитов КУ-1, КУ-2 и анионитов АВ-17-8, АН-31, обменная емкость которых со­ ставляет 4 -10 мг-экв/г.

КУ-2 имеет гелевую структуру, является монофункциональным сильнокислотным сополимеризационным катионитом, содержащим один вид фиксированных ионов - сульфогруппу. Его получают сульфированием серной или хлорсульфоновой кислотой зерен сополимера стирола с 8 %-м дивинилбензолом. Обладает высокой химической стойкостью к щелочам, кислотам и окислителям, высокой механической прочностью, сохраняет обменную емкость в широком диапазоне значений pH среды. Является универсальным катионитом, способным с высокой эффективностью извле­ кать катионы различных металлов из водных растворов, при этом может работать как в солевой форме, так и Н-форме. Широко используется в во­ доподготовке для умягчения и обессоливания воды, в гальванотехнике для регенерации жидких отходов и извлечения ионов металлов из промывных вод.

В качестве полифункционального катионита используются сулъфоугли, содержащие в качестве ионогенных групп сульфогруппы, карбок­ сильные и фенольные группы. Их получают путем сульфирования (обра­ ботка олеумом при 110-140 °С) каменных углей. Полная статическая об­ менная емкость по 0,1 М NaOH составляет 2,5-3,0 мг-экв/г, динамиче­ ская емкость - 0,75-0,96 мг-экв/г. Сульфоугли устойчивы к действию раз­ бавленных растворов щелочей и кислот.

В практике водоочистки широкое применение получил анионит АВ-17-8 сополимеризационный сильноосновной монофункциональный анионит гелевой структуры, синтезируемый хлорметилированием сополи­ мера стирола с 8 %-м дивинилбензолом с последующим аминированием триметиламином. Обменной является ОН-группа. АВ-17-8 перспективен для очистки сточных вод от силикатов, нитратов, нитритов, анионных комплексов цветных и редких металлов, цианидов и др.