Введение
Вопросы охраны природы и рационального использования природных ресурсов в настоящее время находятся в центре внимания. Особое внимание уделяется охране водных ресурсов, так как способность водоемов к самоочищению ограничена, и антропогенные нагрузки вызывают их деградацию. В результате, водные объекты теряют рыбно-хозяйственное значение, а вода становится непригодной для удовлетворения нужд населения, промышленного и сельскохозяйственного использования.
Для этой цели в нашей стране действует Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 № 7-ФЗ, который предусматривает ответственность за загрязнение водных объектов. Разработан ряд нормативных документов, регулирующих общие правила рационального использования водных ресурсов, права, обязанности и ответственность водопользователей, контроль использования и охраной вод. Созданы органы Государственного надзора за использованием и охраной водных ресурсов.
Проблема очистки сточных вод сложна, так как чрезвычайное разнообразие производственных стоков требует специальных исследований для каждого вида производства и приводит к использованию специфических методов обработки.
Например, сточные воды гальванических цехов, содержащие токсичные и агрессивные соединения и ионы тяжелых металлов, целесообразно обрабатывать на локальных очистных сооружениях, предназначенных для обезвреживания стоков непосредственно после технологических процессов. Большую сложность представляет переработка шахтных вод ввиду значительных объемов этого вида стоков, повышенной жесткости и наличия ионов цветных металлов.
Несмотря на многообразие существующих методов очистки вод от загрязняющих веществ, универсальный метод до сих пор не найден. Большую проблему представляет разработка селективных методов очистки.
Одним из перспективных, широко применяемых в различных отраслях промышленности, в том числе в водоподготовке и охране окружающей среды, является метод ионного обмена. Использование ионообменного метода очистки позволяет сократить расход свежей воды на 90% за счет возврата в технологический процесс частично обессоленной воды [5].
Ионообменный метод является примером современных сорбционных технологий, которые в последние годы играют всё более важную роль в различных химических отраслях и занимают важное место, обеспечивая необходимый уровень автоматизации, качества продукции и эффективности процесса в целом.
Цель данной работы -- ознакомление с ионообменным методом как примером сорбционных технологий, с ионообменными смолами и их характеристиками, особенно такими, как сорбционная обменная ёмкость.
Сорбционная объёмная ёмкость является важнейшей для практики характеристикой ионитов, позволяющей судить об эффективности использования марки или объема ионита. В условиях эксплуатации обычно используется лишь часть этой величины. В зависимости от условий определения различают полную динамическую обменную емкость (ПДОЕ), динамическую обменную емкость (ДОЕ), статическую (равновесную) обменную емкость (СОЕ), рабочую обменную емкость (РОЕ)[4].
1. Сорбционные технологии
Сорбционная технология - прогрессивная, быстро развивающаяся область гидрометаллургии. Приоритет в ней принадлежит нашей стране [7].
Сорбенты (от латинского sorbens -- поглощающий) -- твердые тела или жидкости, избирательно поглощающие (сорбирующие) из окружающей среды газы, пары или растворённые вещества. В зависимости от характера сорбции различают абсорбенты -- тела, образующие с поглощённым веществом твёрдый или жидкий раствор, адсорбенты -- тела, поглощающие (сгущающие) вещество на своей (обычно сильно развитой) поверхности, и химические поглотители, которые связывают поглощаемое вещество, вступая с ним в химическое взаимодействие. Отдельную группу составляют ионообменные сорбенты (иониты), поглощающие из растворов ионы одного типа с выделением в раствор эквивалентного количества ионов другого типа. Широко используют активированный уголь, силикагель, оксид алюминия, диоксид кремния, различные ионообменные смолы, дибутилфталат и другие [10].
На рынке присутствует достаточное количество сорбентов для сбора нефтепродуктов, мазута, дизтоплива, масла или жира, но не каждый из них может обеспечить требуемую безопасность, удобство применения и качество. Так например, сорбент мазута, дизтоплива, масла не должен гореть сам по себе, понижая тем самым температуру воспламенения, поэтому применение сорбента на основе мха, опилок, синтепона, пенопласта, резины создает пожароопасную ситуацию. Некоторые токсичные жидкости начинают разъедать структуру сорбента, что так же не допустимо. Немаловажным свойством сорбента, является его дальнейшая утилизация. Как правило, утилизация производится через захоронение, сжигание или размещение на специальных полигонах. Сжигание возможно только сорбентов, которые, впитав в себя нефтепродукты, остались рассыпчатыми и не образовали сгустков. Такими свойствами сорбенты на основе полимерных, синтетических, угольных волокон, полипропилена, пенопласта не обладают. При нагревании они плавятся, забивают систему подачи сжигающей установки, образуют сгустки, что делает невозможным их утилизацию [10].
Сорбция - это процесс поглощения одного вещества из окружающей среды другим веществом, твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое - сорбатом. В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию. Поглощение вещества всей массой жидкого сорбента называется абсорбция, а поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента - адсорбция. Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией [9].
Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической, как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность поглощения веществ из многокомпонентных смесей и высокая степень очистки, особенно слабо концентрированных сточных вод [6].
Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Адсорбция растворенных веществ - результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида сил межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенного вещества с молекулами (или атомами) поверхности сорбента и молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация).
Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, не электролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например, содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низких одноатомных спиртов этот метод не применим.
В качестве сорбентов применяют различные искусственные и пористые природные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные гели и др. Эффективными и наиболее универсальными сорбентами являются активированные угли различных марок.
Для более глубокой очистки воды используют процесс адсорбции. С технико-экономической точки зрения, адсорбция весьма эффективна для извлечения из сточных вод ценных продуктов с целью использования их в замкнутом цикле основного производства. Степень адсорбционной очистки достигает 80-95% и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе.
Адсорбенты, применяемые для очистки воды, представляют собой измельченные порошкообразные материалы или гранулы диаметром 0,5-1,0 мм. Порошкообразыне адсорбенты добавляют в воду, которая находится в осветлителе. Гранулированные адсорбенты используют в аппарате, имеющем устройство, подобное напорному фильтру [12].
Количество извлекаемых из воды примесей зависит от природы сорбента и примесей, от площади поверхности сорбента, на которой идет сорбция, условий проведения процесса.
Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств адсорбента является изотерма адсорбции [13]. Изотерма адсорбции характеризует зависимость количества адсорбированного вещества А от его равновесной концентрации в растворе Ср. Типы возможных изотерм адсорбции представлены на рисунке 1. Вещества, хорошо сорбируемые из водных растворов, имеют выпуклую изотерму адсорбции, а плохо сорбируемые - вогнутую.
Рисунок 1 - Изотермы адсорбции: 1 - резковыпуклая, 2 - выпуклая, 3 - линейная, 4 - S-образная, 5 - вогнутая
Величину адсорбции А (мг/г) рассчитываю по формуле:
,
где С0 - исходная концентрация извлекаемого вещества, мг/л; Ср - равновесной концентрации извлекаемого вещества, мг/л; V - объем обрабатываемого раствора, л; m - масса активного угля, г.
В зависимости от условий проведения процесса различают:
· сорбцию в статических условиях;
· сорбцию в динамических условиях.
Сорбция в статических условиях заключается в контактировании воды с определенным количеством адсорбента в течение некоторого времени и с последующим отделением отработанного сорбента путем фильтрования, отстаивания и т.д. Последовательным введением в отделяемую воду новых порций сорбента можно достичь практически любой заданной степени очистки или концентрации извлекаемого компонента. Для интенсификации процесса сорбции осуществляется интенсивное перемешивание адсорбента с водой.
Сорбция в статических условиях осуществляется периодически. Процесс проводят в одну или несколько ступеней. Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства.
Многоступенчатая схема адсорбции позволяет проводить процесс очистки более эффективно. В такой схеме новая порция адсорбента приводится в контакт с уже частично очищенной водой. Многоступенчатая схема позволяет значительно сократить расход сорбента по сравнению с одноступенчатой адсорбцией при сохранении эффективности очистки. Чаще всего многоступенчатая схема очистки применяется в случаях, когда использованный адсорбент не регенерируется.
Рисунок 2 - Сорбционная установка с последовательным введением сорбента: 1, 2 - подача соответственно сточной воды и сорбента; 3 - резервуары с перемешивающим устройством; 4 - отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 5 - выпуск обработанной сточной воды; 6 - выпуски отработанного сорбента
Сорбция в динамических условиях заключается в фильтровании жидкости через слой адсорбента до проскока в фильтрат извлекаемых веществ в количестве, превышающем заданный по технологическим условиям предел, например, до появления в фильтрате концентрации вещества, превышающего его ПДК в водоеме, либо допустимый уровень содержания органических веществ в технической воде в случае возврата очищенных стоков на предприятии.
Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента являются достаточно простыми и надежными аппаратами, поэтому широко применяются в технологии очистки сточных вод. Такие аппараты используются на установках большой и малой производительности для очистки общезаводских промышленных сточных вод, а также для доочистки биологически очищенных стоков.
Сорбция в динамических условиях является более эффективной, так как при фильтровании воды через слой сорбента достигается практически полное извлечение примесей. С экономической точки зрения сорбция в динамических условиях предпочтительна потому, что позволяет более полно использовать сорбент и реже проводить его регенерацию.
Существует два типа аппаратов с неподвижным слоем адсорбента:
· открытые (безнапорные) адсорберы, выполненные в виде резервуаров прямоугольного или круглого сечения;
· закрытые (напорные) адсорберы, представляющие собой стальные цилиндрические колонны.
Каждый аппарат оборудуется необходимым числом задвижек и вентилей для управления работой аппарата, отбора проб воды и выпуска воздуха или газов, попадающих в адсорбер вместе с очищаемой водой.
Рисунок 3 - Безнапорный железобетонный адсорбер: 1 - корпус; 2 - активированный уголь; 3 - желоб для сбора очищенной воды; 4 - дренажная система; 5 - поддерживающие гравийные слои; 6 - трубопроводы поверхностной промывки слоя адсорбента; 7 - трубопровод подачи очищаемой сточной воды; 8 - трубопровод отвода очищенной воды; 9 - трубопровод подачи взрыхляющей воды
Направление движения жидкости в адсорберах с неподвижным слоем может быть как сверху вниз, так и снизу вверх:
· при фильтровании воды сверху вниз верхний слой активированного угля наряду с поглощением растворенных органических загрязнений задерживает высокодисперсные взвеси, если предварительно они не были удалены из сточной воды;