книги / Общая химическая технология.-1

дутся большие работы по внедрению замкнутых систем водопотребления, малоотходных технологических процессов, безотходных производств, новых систем водо-, пыле- и газоочистки.

Промышленные загрязнения биосферы подразделяют на материальные, которые включают в себя механические, химические, биологические загрязнения, и энергетические.

К механическим загрязнениям относятся инертные аэрозоли, инертные твердые тела и, в меньшей степени, частицы в воде и в почве.

Химические загрязнения – это разнообразные газовые, жидкие

итвердые химические вещества, которые вступают в химическое взаимодействие с биосферой.

Биологические загрязнения – это различные микроорганизмы

ипродукты их жизнедеятельности. Это наиболее опасный вид загрязнений, возникший в результате развития процессов микробиологического синтеза.

Энергетические загрязнения – это все виды энергии: тепловая, механическая (вибрация, шум, ультразвук), световая (видимая, инфракрасная, ультрафиолетовая), электромагнитные поля, ионизирующие излучения (α, β, γ, рентгеновское, нейтронное).

Для снижения уровня энергетических загрязнений применяют

восновном различные способы экранирования источников шума, электромагнитных полей и ионизирующих излучений, поглощения шума и динамического гашения вибрации.

Различают источники загрязнения сосредоточенные (точечные), рассредоточенные, а также непрерывного и периодического действия (залповые).

Загрязнения бывают стойкими (биологически жесткими) и нестойкими, разрушающимися под воздействием природных химикобиологических процессов. Подробнее рассмотрим выбросы вредных веществ в атмосферу и гидросферу и методы борьбы с ними.

51

2.3.1. Источники загрязнения атмосферы

Загрязнение воздуха может быть естественным и искусственным.

Естественные загрязнения не связаны с производственной деятельностью человека (вулканическая деятельность, пыльные бури, лесные пожары и др.). Эти загрязнения учитываются при определении общего уровня загрязнения воздуха (фоновый уровень).

Основными источниками искусственного загрязнения являются мощные тепловые электростанции, работающие на различном топливе, автотранспорт, предприятия черной и цветной металлургии, химическая промышленность.

Наиболее характерными и крупнотоннажными являются выбросы диоксида серы (SO2), оксидов углерода (CО, CО2), оксидов азота (NOx), различных углеводородов и пыли. На их долю приходится до 86 % всех выбросов в атмосферу.

В настоящее время в мире в атмосферу выбрасывается больше 100 млн т твердых веществ, около 150 млн т SO2, 60 млн т NOх. Кроме перечисленных веществ, химические предприятия выбрасывают в атмосферу различные органические растворители (ацетон, метанол, дихлорэтан и др.), амины, альдегиды, хлор, синильную кислоту, фтористые соединения, фосфор, ртуть, сероводород, сероуглерод, металлоорганические соединения и др.

Значительное количество вредных веществ выбрасывают в атмосферу производства кислот, щелочей, удобрений, цемента, предприятия нефтехимии и т.д.

2.3.2. Очистка отходящих газов химических производств

Очистка от аэрозолей. Для этих целей преимущественно используют механические и физические методы.

Механические методы очистки бывают сухими и мокрыми. Сухие методы основаны на улавливании взвешенных в возду-

хе частиц без использования жидкости (очистка такими методами

52

проводится в гравитационных, инерционных, центробежных пылеуловителях, в рукавных фильтрах), а мокрые методы – на улавливании частиц с помощью жидкости, чаще всего воды. Аппараты, в которых проводится мокрая очистка, называются скрубберами (полые и насадочные башни, центробежные скрубберы (мокрые циклоны), пенные аппараты, скоростные скрубберы Вентури и др.).

Физические методы очистки основаны на осаждении взвешенных частиц под воздействием электрического поля и акустических волн.

Электроосадители (старое название – электрофильтры) имеют коронирующий и осадительный электроды (рис. 5). К ним подводится постоянный электрический ток высокого напряжения (до 35– 40 кВ). В центре, вблизи коронирующего электрода, создается максимальная напряженность электрического поля, а на краях, около осадительного электрода, – минимальная.

1

Чистый воздух

À-À

2

2 1

Загрязненный воздух

Рис. 5. Схема и принцип действия электроосадителя (электрофильтра): 1 – коронирующий электрод; 2 – осадительный электрод

Благодаря этому вблизи коронирующего электрода создается коронирующий электрический разряд, вызывающий ионизацию га-

53

за. Проходя вдоль этих электродов, взвешенные частички заряжаются в основном отрицательным зарядом и осаждаются на положительно заряженном осадительном электроде. По мере накопления уловленных частиц на поверхности осадительного электрода их удаляют тем или иным способом. Работа такого аппарата полностью автоматизирована.

Электроосадители наиболее эффективны для очистки газов от самых мелких частиц (например, тумана серной кислоты), которые обычными методами уловить очень сложно.

Аппараты обладают очень большой производительностью (≈ 105 м3/час), а также малым гидравлическим сопротивлением. Недостатком их является высокая стоимость, особенно трансформаторов и выпрямителей переменного тока.

Очистку газов от мельчайших частиц можно интенсифицировать также методом акустической коагуляции. Он основан на агрегировании мельчайших частиц друг с другом при воздействии на очищаемый газ звуковых или ультразвуковых волн.

Очистка от парообразных и газообразных примесей. Для этих целей применяют методы абсорбции, адсорбции, термические и каталитические.

Методы абсорбции – физическую и хемосорбцию – используют для поглощения из газа примесей Н2S, SО2, NOх, паров кислот

(HF, H2SO4), СО2, СО и др.

В качестве абсорбентов используются жидкости (вода, растворы аммиака, известковое молоко Са(ОН)2, а также органические жидкости – моноэтаноламин, диэтаноламин, минеральные масла и др.).

Адсорбция – это поглощение примесей твердыми поглотителями. К ним относятся активированный уголь, силикагель, цеолит, алюмогель и др. Этим методом преимущественно извлекают высокотоксичные органические соединения, а также Cl2, F2 и пары ртути.

Этот весьма эффективный, но очень дорогой метод используют в качестве окончательной ступени очистки.

54

Термические методы используют в основном для очистки газов от горючих органических примесей (спиртов, эфиров, аминов и т.д.). Процесс проводится при 700–900 °С в течение 0,5–0,7 с. Степень очистки достигает 95 % и выше.

Если концентрация горючих примесей выше нижнего предела воспламенения, то применяют наиболее дешевый метод – факельное сжигание. Если же концентрация ниже нижнего предела воспламенения, то необходимое количество тепла для сжигания примесей получают за счет сжигания топлива. В этом случае обезвреживание проводят в специальных печах. Для повышения экономичности этого процесса теплоту отходящих газов используют, например, для получения водяного пара.

Каталитические методы основаны на использовании твердых катализаторов. В результате катализа вредные примеси превращаются в безвредные соединения либо в соединения, которые могут легко удаляться из газа.

Этот метод очень эффективен, степень очистки газа достигает 99 % и более. Кроме того, процесс протекает при относительно низкой температуре (350–400 °С).

2.3.3. Классификация сточных вод

Загрязнение водоемов возможно при попадании в них сточных вод. Среди сточных вод химической промышленности по происхождению и свойствам различают:

1.Реакционные воды, характерные для химических реакций, протекающих с образованием воды в виде побочного продукта. Эти воды содержат очень большую концентрацию примесей, и их очистка является наиболее сложной проблемой.

2.Воды, содержащиеся в исходном сырье и исходных продуктах (влажный уголь, сырая нефть, сланцы и др.).

3.Промывные воды, образующиеся в результате промывки сырья или готовых продуктов.

55

4.Маточные водные растворы, образующиеся при переработке сырья в водных средах (например, при кристаллизации, суспендировании, растворении, флотации).

5.Охлаждающие воды, образующиеся после водяных холодильников. В них контакт воды с охлаждаемой средой происходит через теплопередающую стенку. Загрязнение охлаждающих вод возможно через различного рода неплотности, в результате коррозии, износа и т.д. Поэтому такие воды еще называют условно чистыми.

Все сточные воды выводятся по канализационным сетям. При этом должна применяться раздельная система канализации (условно чистых вод, коррозионно-активных вод, фекальных вод и др.). Это необходимо потому, что при смешивании различных сточных вод могут происходить химические реакции с образованием осадков или токсичных газообразных веществ.

2.3.4. Очистка сточных вод

Существуют очистные сооружения трех основных типов: локальные или цеховые, общие или заводские, районные или городские.

На химических предприятиях используют локальные и общие очистные сооружения. Применяемые при этом основные методы очистки подразделяются на механические, физико-химические, биохимические и термические.

Механические методы – отстаивание, осветление и фильтрование – используют для удаления грубодисперсных взвешенных частиц. Для ускорения осаждения частиц вводят добавки коагулянтов и флокулянтов. В последнее время для этих целей начали использовать высокопроизводительные отстойные центрифуги.

Физико-химические методы – флотацию, дистилляцию, рек-

тификацию, адсорбцию, экстракцию, ионный обмен, обратный осмос, диализ и др. – применяют для очистки сточных вод от высокодисперсных коллоидных частиц, которые практически не осаждаются, а также от растворимых примесей.

56

Флотация заключается в том, что диспергированные в сточной воде мельчайшие пузырьки воздуха прилипают к гидрофобным частицам примеси и всплывают на поверхность, образуя слой загрязненной пены.

Эту пену собирают и перерабатывают тем или иным методом. Для гидрофобизации поверхности частиц используют добавки ПАВ.

Дистилляция основана на испарении легколетучих примесей при нагреве сточной воды. Этот метод применяют в случае, когда концентрация легколетучих примесей высока, а объемы образующихся сточных вод относительно невелики.

Ректификация – процесс разделения, основанный на многократном противоточном взаимодействии паров и жидкой фазы. Процесс проводят в колонных аппаратах. Ректификация в отличие от дистилляции позволяет более полно выделить легколетучие примеси из воды. Однако этот процесс более энергоемкий.

Адсорбция – поглощение растворенных примесей твердыми пористыми поглотителями (активными углями, синтетическими органическими и неорганическими сорбентами). Это очень эффективный, но дорогой способ, поэтому используется он только в качестве заключительной стадии очистки.

Экстракция – процесс извлечения примесей при помощи жидких поглотителей (экстрагентов). Экстрагенты должны быть нерастворимыми в воде, обладать большой поглотительной способностью по отношению к примесям и иметь большую плотность, чем вода. Это очень эффективный и перспективный метод очистки, в особенности от вредных органических примесей.

Биохимические методы широко используются для очистки от органических примесей, а также от некоторых неорганических веществ. В результате биологического разложения вредные примеси превращаются в безвредные вещества N2, CO2, СН4 и воду.

Биоочистку можно производить в аэробных и анаэробных условиях. Если в аэробных условиях примеси разлагаются до N2, СО2 и Н2О, то в анаэробных условиях продуктом жизнедеятельности

57

специальных бактерий является метан. Поэтому сооружения для анаэробного разложения называются метантенками.

Аэробная очистка проводится в присутствии кислорода воздуха и наиболее часто используется на практике. Кроме того, она более интенсивна и позволяет достичь большей степени очистки воды.

Однако при повышенных концентрациях вредных примесей аэробный метод не применим. В этом случае используется анаэробный метод как предварительная ступень очистки. При этом образующийся метан может быть использован как топливо.

В результате жизнедеятельности бактерий, кроме инертных веществ, образуются твердые отходы, так называемый активный ил. Его можно использовать после сушки и обеззараживания в качестве органического удобрения. Однако препятствием для этого может явиться наличие в нем примесей тяжелых металлов.

Биоочистные сооружения подразделяются на две группы:

1.Сооружения, в которых очистка протекает в условиях, близких к естественным. Это поля орошения, поля фильтрации и биологические пруды. Данные сооружения достаточно просты и дешевы, но скорость очистки в них очень низкая.

2.Сооружения, в которых создаются искусственные условия (температура, величина рН, аэрация и др.). К ним относятся биофильтры, аэротенки, окситенки и др. Скорость очистки в них гораздо выше.

Биологические очистные сооружения имеют очень большую мощность.

Степень очистки воды биологическим методом характеризуется биологическим потреблением кислорода (БПК), т.е. количеством кислорода (мг), необходимым для биохимического разложения примесей, содержащихся в одном литре загрязненной воды,

за определенный промежуток времени (одни сутки, двое суток и т.д.).

Это очень прогрессивный и универсальный метод очистки. Недостатками его являются довольно низкая скорость очист-

ки (несколько суток), а отсюда и громоздкость используемого обо58

рудования, чувствительность бактерий к некоторым ядовитым веществам, а также образование собственного отхода (активного ила).

Термические методы используются для обезвреживания высококонцентрированных сточных вод, содержащих горючие примеси. Процесс проводится на установках термического обезвреживания промышленных стоков (УТОПС). Чаще всего они представляют собой топки циклонного типа. В них сжигается топливо и в образующиеся высокотемпературные топочные газы (800– 900 °С) через форсунки впрыскивается сточная вода. Она испаряется, и органические примеси сгорают с образованием паров воды и углекислого газа.

Для повышения экономичности процесса тепло отходящих топочных газов утилизируется в экономайзерах, где вырабатывается пар.

2.3.5. Водооборотные циклы

Водооборотные циклы предполагают многократное использование водных ресурсов без сброса загрязненных сточных вод в водоемы. Расходование свежей воды связано только с естественной убылью ее в процессе многократной циркуляции на испарение, брызгоунос и утечку через неплотности оборудования, а также

счастичным обновлением оборотной воды («продувкой»).

Внастоящее время используют три основные схемы водооборотных циклов:

1) отработанную воду только охлаждают в специальных контактных аппаратах воздушного охлаждения (градирнях);

2) отработанную воду только очищают от примесей;

3) воду и охлаждают и очищают.

Основными аппаратами водооборотного цикла, служащими для охлаждения воды, являются градирни. Они подразделяются на два типа:

– градирни с естественной конвекцией охлаждающего воздуха;

59