книги / Химия воды и основы очистки природных и сточных вод физико-химическими методами
..pdfПорядок выполнения работы
Опыт 1. Определение ионов Cr2O72 в модельном растворе
Концентрацию бихромат-ионов в растворе определяют методом объемного титрования, основанном на протекании следующей окис- лительно-восстановительной реакции:
Cr2O72– + 6Fe2+ + 14H+ = 2Cr3+ + 6Fe3+ +7H2O
Для титрования в мерную колбу отбирают пипеткой 10 мл исследуемой воды, добавляют 5 мл раствора серной кислоты и 5 капель индикатора – ферроина. Титруют 0,05н раствором соли Мора до перехода окраски из красно-фиолетовой в зеленую. Концентра-
цию ионов Cr2O72 (моль-экв/л) определяют по закону эквивалентов:
С0 |
|
Cн V2 |
, |
(5.5) |
|
||||
н |
|
V1 |
|
|
|
|
|
||
где Сн – нормальность раствора соли Мора (моль-экв/л); V1 – объем анализируемого раствора (мл); V2 – объем соли Мора, пошедший на титрование (мл).
Среднее значение концентрации Cr2O72 вычисляют из трёх параллельных определений.
Опыт 2. Извлечение ионов Cr2O72
методом ионного обмена
Ионообменную колонку заполняют 5 мл набухшего анионита АВ-17 в ОН-форме и пропускают через неё 300–500 мл модельной сточной воды, фильтрат отбирают порциями по 100 мл. В каждой отобранной пробе определяют концентрацию Cr2O72. Емкость слоя анионита (Е, мг-экв) рассчитывают по формуле
Е = (С0 – Сп)V, |
(5.6) |
где С0 – исходная концентрация Cr2O72 (мг-экв/л); Сп – концентрация ионов Cr2O72 в анализируемой пробе (мг-экв/л); V – объем пробы (л).
61
Результаты экспериментов заносят в таблицу:
№ |
Объём порции, |
Суммарный |
Концентра- |
Емкость |
Суммарная |
п/п |
мл |
объём, мл |
ция Cr2O72– |
катионита, |
емкость |
|
|
|
в пробе, |
мг-экв |
катионита, |
|
|
|
мг-экв/л |
|
мг-экв |
1 |
|
|
|
|
|
По полученным данным строят выходную кривую ионного обмена и определяют ионообменную ёмкость анионита до проскока
0,1 мг хрома (VI) в пересчете на концентрацию ионов Cr2O72 в фильтрате.
6.ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФЛОТАЦИИ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Флотация – процесс адсорбции примесей на поверхности раздела двух фаз: газа и воды. Метод основан на различной смачиваемости частиц жидкостью (водой) и на их избирательном прилипании к поверхности раздела жидкость-газ. Сущность процесса флотационной очистки сточных вод состоит в адсорбции несмачиваемых и эмульгированных примесей (нефтепродукты, жиры, масла, смолы и др.) на поверхности пузырьков воздуха или газа, диспергированных в объем сточных вод, и всплывании их на поверхность.
Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом (воздухом) (рис. 6.1)
Мерой смачивания является краевой угол , который в системах Т–Ж–Г определяется углом между твердой фазой и касательной к Ж, проведенной к точке соприкосновения трех фаз (см. рис. 6.1).
Смачивание связано с явлением адгезии – прилипания, обусловленным силами межмолекулярного взаимодействия на поверхности контакта конденсированных фаз.
62
Рис. 6.1. Смачивание поверхности:
1 |
– |
газ (Г); 2 – жидкость (Ж); |
3 |
– |
твердое тело (Т); – краевой |
угол смачивания, σ3,1 – поверхностное натяжение на межфазной поверхности Т–Г; σ2,1 – поверхностное натяжение на межфазной поверхности Ж–Г; σ2,3 – поверхностное натяжение намежфазнойповерхностиЖ–Т
Работа адгезии определяется по уравнению
W 3,1 2,1 2,3. |
(6.1) |
При равновесии всех сил выполняется соотношение
3,1 2,1 |
2,1 cos |
(6.2) |
|
и, следовательно, |
|
||
cos |
3,1 2,1 |
. |
(6.3) |
|
|||
|
2,1 |
|
|
Чем меньше угол и соответственно больше соs , тем лучше смачивается поверхность.
Если угол меньше 90º, поверхность называют гидрофильной, если угол больше 90º – гидрофобной.
Объединяя уравнения (6.1) и (6.2), получим
W 2,1 1 cos . |
(6.4) |
Чем выше степень гидрофобности частицы, тем выше способность ее прилипания (выше работа адгезии) к пузырьку воздуха.
Уменьшить смачиваемость твердых частиц возможно введением реагентов: ПАВ, коллекторов, пенообразователей (крезол, фенолы, алкил-сульфат натрия).
Для эффективного протекания флотации в статических условиях образования комплекса «пузырек – частица» сила адгезии пузырька к частице должна превышать силу тяжести флотируемой частицы и противодействующее капиллярное давление газа внутри пузырька. В динамических условиях всплытия комплекса силе адгезии дополнительно противодействуетсила сопротивления жидкой среды(рис. 6.2).
На процесс флотации влияет гидрофобность частицы, ее плотность, вязкость среды, размер пузырька воздуха. Оптимальным размером воздушных пузырьков считается 15–30 мкм.
63
Существуют различные способы диспергирования воздуха в обрабатываемую воду:
• подача воздуха через пористые материалы: воздух в аппарат подается через мелкопористые фильтросные пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Величина отверстий 4–20 мкм, давление воздуха 0,1–0,2 МПа, продолжительность флотации
20–30 мин;
Рис. 6.2. Флотация частиц:
1 – газовый пузырек; 2 – частица;– краевой угол смачивания
•механическое диспергирование воздуха (импеллерные, без-
напорные и пневматические флотационные установки). Суть способа: при перемещении струи воздуха в воде создается интенсивное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырьки;
•флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, на-
порные и эрлифтные флотационные установки). Сущность способа заключается в создании перенасыщенного раствора воздуха в воде. Выделяющийся из раствора воздух образует микропузырьки, которые
ифлотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения. Количество воздуха составляет 1–5 % объема обрабатываемой сточной воды.
Наибольшее практическое применение получили флотационные установки двух типов: 1) импеллерная флотация с механическим диспергированием воздуха турбинкой насосного типа; 2) диспергирование путем изменения давления (напорная флотация).
Импеллерная флотация (рис. 6.3). Сточная вода перемешивается импеллером, и туда же подается воздушная струя, которая при перемешивании разбивается на пузырьки воздуха. Решетки, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому диспергированию воздуха в воде. Образующаяся пена, содержащая эмульгированные примеси, удаляется лопастным пеноснимателем.
64
Рис. 6.3. Импеллерный флотатор: а – поперечный разрез; б – ротор и статор: 1 – корпус камеры; 2 – пенный желоб; 3 – воздуховод; 4 – привод импеллера; 5 – площадка обслуживания; 6 – блок импеллера; 7 – статор; 8 – импеллер
Импеллерная флотация имеет ряд недостатков: формируются пузырьки разного размера, они неравномерно распределяются по объему флотомашины.
Напорная флотация. Метод напорной флотации основан на насыщении воздухом части осветленной воды при давлении 4–6 атм и ее смешении с очищаемой водой во флотационной установке. Перед подачей водовоздушной смеси в установку она подвергается декомпрессии, что приводит к образованию микропузырьков воздуха размером 20–50 мкм. Микропузырьки воздуха прилипают к веществам загрязнений сточных вод, которые всплывают на поверхность, образуя флотошлам. Последний собирается со всей поверхности в центр флотатора спиральным сборником флотошлама.
Применение установок напорной флотации для очистки промышленных сточных вод обусловлено их универсальностью, компактностью и высокой эффективностью (рис. 6.4).
Для повышения эффективности очистки сточных вод напорную флотацию можно совмещать с процессами коагуляции и флокуляции.
Эффективность флотации зависит от рН среды, температуры сточных вод и интенсивности подачи воздуха. Оптимальное значение рН определяется экспериментальным путем.
65
Метод используется для очистки сточных вод от нефтепродуктов, извлечения жиров из сточных вод пищевой промышленности, извлечения волокон из СВ целлюлозно-бумажных производств.
Рис. 6.4. Схема установки напорной флотации KWI Supercell (SPC)
Электрофлотация. Метод основан на насыщении воды газом, образующимся при электролизе воды. При этом наряду с флотацией возможно протекание дополнительных процессов, увеличивающих эффективность очистки воды: поляризация частиц, электрофорез, электрохимические окислительно-восстановительные реакции, восстановление металлов на катоде. Продукты электролиза способны взаимодействовать друг с другом с образованием труднорастворимых соединений.
Интенсивность указанных процессов зависит от химического состава сточных вод, материала электродов, которые могут быть растворимыми, обладающими высокой коагулирующей способностью. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в межэлектродном пространстве создает условия для более эффективной флотационной очистки.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 Очистка нефтесодержащих сточных вод на флотационной установке
Цель работы – определение эффективности очистки нефтесодержащих сточных вод методом напорной флотации и влияния флотореагента на эффективность очистки.
66
Приборы и оборудование:
1.Мешалка лабораторная.
2.Флотатор.
3.Делительные воронки.
4.Пипетки, объем 5, 10, 20 мл.
5.Цилиндры мерные.
Для проведения анализа сточной воды
6.Колбы конические, объемом 250 мл.
7.Цилиндры.
8.Капельница.
9.Пипетки градуированные.
10.Бюретки.
Реактивы и материалы:
1.Модельный водный раствор, содержащий 1 г/дм3 нефтепродуктов (моторное масло, бензин, гексан).
2.Флотореагент.
Реактивы для проведения анализа сточной воды:
3.Дихромат калия, 0,25 н раствор.
4.Сульфат серебра по ТУ 6-09-3703, ч.д.а.
5.Сульфат ртути по ГОСТ 5558, ч.д.а.
6.Соль Мора (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O, 0,25 н раствор.
7.Серная кислота по ГОСТ 4204, х.ч.
8.Ферроин.
Схема лабораторной установки напорной флотации представлена на рис. 6.5.
Опыт 1. Приготовление модельного раствора сточной воды, содержащей нефтепродукты
Ход работы
1.Для приготовления модельного раствора сточной воды, содержащей нефтепродукты, берется водопроводная вода умеренной жесткости (5 л).
2.В воду вносится нефть или нефтепродукт в количестве, заданном преподавателем. Полученный раствор тщательно перемешивают в течение 10–15 мин на механической мешалке или вручную.
3.Содержание нефтепродуктов определяют по величине ХПК, как описано в лабораторной работе № 1.
67
Рис. 6.5. Установка напорной флотации сточных вод: 1 – бак для насыщения воды воздухом; 2 – манометр; 3 – воронка для залива сточной воды; 4 – вентиль для регулирования давления; 5 – подача воздуха от компрессора; 6 – подача водовоздушной смеси во флотатор; 7 – флотационная колонна; 8 – пеносборник; 9 – сборник флотоконденсата; 10 – бак смешения сточной
воды с реагентами; 11 – мешалка
Опыт 2. Определение эффективности очистки воды от эмульгированных нефтепродуктов
на флотационной установке
Ход работы
1.В напорную емкость 1 залить 1 дм3 дистиллированной воды.
2.Во флотационную колонну 7 залить 1,5 л сточной воды.
3.Включить компрессор для подачи воздуха. Установить давление 0,4 МПа.
4.Насыщенную воздухом воду через клапан выпуска водовоздушной смеси 6 с определенной скоростью подавать во флотатор.
68
5.Через каждые 15 мин отбирать пробу сточной воды из нижнего отвода и определять концентрацию нефтепродуктов по величине ХПК.
6.На основании выполненных измерений построить график зависимости концентрации нефтепродуктов от времени. Рассчитать эффективность очистки воды.
Все данные заносятся в таблицу:
Условия проведения опыта |
Время флотации, мин |
|||||
0 |
15 |
30 |
45 |
60 |
||
|
||||||
Опыт № 2 (без внесения флотореагента) |
|
|
|
|
|
|
концентрация нефтепродуктов, мг/л |
|
|
|
|
|
|
эффективность очистки, % |
|
|
|
|
|
|
Опыт № 3 (с внесением флотореагента, С, мг/л) |
|
|
|
|
|
|
концентрация нефтепродуктов, мг/л |
|
|
|
|
|
|
эффективность очистки, % |
|
|
|
|
|
|
Опыт 3. Влияние флотореагента на эффективность флотационной очистки сточных вод от нефтепродуктов
Ход работы
1.В напорную емкость 1 залить 1 дм3 дистиллированной воды.
2.В модельный раствор объемом 1,5 л добавить флотореагент
(флотореагент и доза флотореагента задаются преподавателем)
ираствор тщательно перемешать.
3.Во флотационную колонну 7 залить 1,5 л полученной модельной сточной воды, содержащей флотореагент.
4.Включить компрессор для подачи воздуха. Установить давление 0,4 МПа.
5.Насыщенную воздухом воду через клапан выпуска водовоздушной смеси 6 с определенной скоростью подавать во флотатор.
6.Через каждые 15 мин отбирать пробу сточной воды из нижнего отводаиопределятьконцентрациюнефтепродуктов по величине ХПК.
6.На основании выполненных измерений построить график зависимости концентрации нефтепродуктов от времени. Рассчитать эффективность очистки воды.
69
7. Определить влияние флотореагента на эффективность очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты.
Все данные заносятся в таблицу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
1.Воронов Ю.В., Алексеев Е.В. Водоотведение: учебник для вузов. – М.: АСВ, 2014. – 416 с.
2.Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твёрдых бытовых отходов: монография / Я.И. Вайсман [и др.]; под ред. Я.И. Вайсмана / Науч.-исслед. ин-т экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина. – Пермь: Издво Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 258 с
Дополнительная
3.Алексеев Е.В. Физико-химическая очистка сточных вод: учеб. пособие для вузов / Ассоциация строительных вузов. – М.:
АСВ, 2007. – 247 с
4.Ксенофонтов Б.С. Флотационная очистка сточных вод. – М.: Новые технологии, 2003. – 159 с.
5.Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы: пер. с англ. / М. Хенце [и др.]. – М.: Мир, 2004. – 480 с.
6.Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод: учебник для вузов. – М.: АСВ, 2004. – 703 с.
70