Очистка промышленных сточных вод
Промышленные сточные воды представляют собой жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке органического и неорганического сырья. В технологических процессах источниками сточных вод являются: 1) воды, образующиеся при протекании химических реакций (они загрязнены исходными веществами и продуктами реакций); 2) воды, находящиеся в виде свободной и связанной влаги в сырье и исходных продуктах и выделяющиеся в процессах переработки; 3) промывные воды после промывки сырья, продуктов и оборудования; 4) маточные водные растворы; 5) водные экстракты и абсорбенты; 6) воды охлаждения; 7) другие сточные воды; воды с вакуум- насосов, конденсаторов смешения, систем гидрозолоудаления, после мытья тары, оборудования и помещений. Количество и состав сточных вод зависит от вида производства.
Сточные воды загрязнены различными веществами. Комитетом ВОЗ рекомендована следующая классификация химических загрязнителей воды: 1) биологически нестойкие органические соединения; 2) малотоксичные неорганические соли; 3) нефтепродукты; 4) биогенные соединения; 5) вещества со специфическими токсичными свойствами, в том числе тяжелые металлы, биологически жесткие неразлагающиеся органические синтетические соединения.
Сточные воды многих производств, кроме растворимых неорганических и органических содержат коллоидные примеси, плотность которых может быть больше или меньше плотности воды. Концентрация примесей весьма различна.
Имеется несколько путей уменьшения количества загрязненных сточных вод, среди них следующие: 1) разработка и внедрение безводных технологических процессов; 2) усовершенствование существующих процессов; 3) разработка и внедрение совершенного оборудования; 4) внедрение аппаратов воздушного охлаждения; 5) повторное использование очищенных сточных вод в оборотных и замкнутых системах.
Промышленные сточные воды подвергаются очистке механическими, химическими, физико-химическими, биологическими и термическими методами до необходимого качества, зависящего от вида производства.
Указанные методы очистки подразделяются на рекуперационные и декструктивные. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех веществ. В декструктивных методах вещества, загрязняющие воды, подвергаются разрушению путем окисления или восстановления. Продукты разрушения удаляются из воды в виде газов или осадков.
В зависимости от фазового и дисперсного состава и химических характеристик примесей различают методы очистки от суспензированных и эмульгированных примесей и очистку от растворенных примесей- минеральных и органических. Очистка от суспензированных и эмульгированных примесей включает методы отстаивания, флотации, фильтрования, центробежные методы для механической очистки от грубодисперсных примесей и методы коагуляции, флокуляции и электрические методы при очистке от мелкодисперсных коллоидных примесей.
Очистка от минеральных примесей проводится реагентными и электрохимическими методами, методом дистилляции, ионного обмена, обратного осмоса, ультрафильтрации и замораживанием.
Очистку сточных вод от органических примесей проводят методами экстракции, ректификации, адсорбции, электродиализа, ионной флотации, биологическим, жидкофазным, парофазным, радиационным и электрохимическим окислением.
Если в сточных водах содержится небольшое количество примесей, то наиболее эффективными методами глубокой очистки является адсорбция, электродиализ, ионный обмен.
Химическая очистка. Во многих отраслях промышленности перерабатывают или применяют различные соединения цинка, железа, никеля и других веществ, что ведет к загрязнению ими сточных вод. Предельно допустимая концентрация ионов цинка в воде не должна превышать 1 мг/ л воды, ионов железа- 0,5 мг/л воды, ионов никеля- 0,1 мг/ л воды.
Для удаления этих веществ из сточных вод в настоящее время наиболее широко применяются реагентные методы очистки воды. Сущность их заключается в переводе растворимых в воде веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов, с последующим отделением их от воды в виде осадков. Недостаток этого метода – безвозвратная потеря ценных веществ с осадками.
В качестве реагентов для удаления из сточных вод ионов тяжелых металлов используют гидроксиды кальция и натрия, карбонат натрия, сульфид натрия. Наиболее широко используют гидроксид кальция. Осаждение металлов происходит в виде гидроксидов.
Ионообменная очистка. Для извлечения из сточных вод ионов металлов (цинка, никеля и др.) применяется ионообменная очистка. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки вод.
Ионный обмен- процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы- ионита.
Иониты – это твердые зернистые, порошкообразные, формованные или волокнистые, механически прочные, химически устойчивые нерастворимые вещества, содержащие в своем составе функциональные (ионогенные) группы, способные к обмену на ионы в растворе. По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты и аниониты. Катиониты содержат подвижный катион 
или 
, аниониты содержат подвижную группу 
.
Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т.е. возможность проведения реакции в обратном направлении, что лежит в основе их регенерации.
Процессы ионообменной очистки сточных вод осуществляется в аппаратах периодического или непрерывного действия.
В лабораторных условиях используются колонки с неподвижным фильтрующим слоем ионита, при соотношении высоты слоя ионита к диаметру колонки не менее 6:1. Скорость пропускания регенерирующих растворов и сточной воды составляет 10 мл/мин.
Цель работы: Ознакомиться с химическим и ионообменным методами очистки воды от ионов цинка и (или) никеля. Сравнить степень очистки воды различными методами.
Очистка сточной воды от ионов 
.
Определить начальную концентрацию ионов цинка в сточной воде по следующей методике:
Аликвотную часть (10 мл) исследуемого раствора переносят в коническую колбу для титрования ёмкостью 250 мл, добавляют 5 мл аммиачного буферного раствора, 30-50 мл дистиллированной воды, несколько кристалликов индикатора (эриохром черный Т) и титруют трилоном Б (0,1 Н) до перехода окраски в синюю. Концентрацию рассчитывают по формуле:
, г/л, где
-объем 0,1 Н раствора трилона Б, израсходованного на титрование пробы, мл;
-нормальность раствора трилона Б (г-экв/л);
-эквивалент цинка (32,685 г/г-экв);
-объем исследуемого раствора, мл (аликвота).
Зная концентрацию ионов цинка в сточной воде, рассчитать необходимое количество соды для очистки 200 мл сточной воды по уравнению реакции:
Расчет количества соды для осаждения ведется из данных содержания ионов цинка в 200 мл сточной воды, причем сода берется в виде 10%-ного раствора в 20%ном избытке. Плотность 10%-ного раствора соды равна 1,102 г/см 
.
Рассчитанный объем раствора соды добавить к 200 мл сточной воды. Для образования плотного осадка в раствор добавить 5 мл флокулянта (полиакриламид ПАА, ГИПАН, ДЭМАН и другие), тщательно все перемешать и оставить отстаиваться на 30 минут. Затем светлую часть раствора над осадком отфильтровать через бумажный фильтр на воронке Бюхнера с помощью водоструйного насоса. Отобрав из фильтрата аликвоту 10 мл, определить концентрацию ионов цинка в фильтрате после химического метода очистки сточной воды по методике, приведенной выше.
Далее фильтрат сточной воды доочистить на ионообменной смоле марки КУ-2, пропуская его через ионообменную колонку со скоростью 10 мл/мин. Предварительно через колонку с такой же скоростью пропустить 200 мл дистиллированной воды для промывки смолы от предыдущего раствора.(Это делается в то время, когда происходит отстаивание осадка при химической очистке). В очищенной воде после пропускания через колонку также определить содержание ионов цинка, только использовать аликвоту 50 мл.
Результаты экспериментов занести в таблицу 10
Очистка сточной воды от ионов 
Определить начальную концентрацию ионов никеля в сточной воде по следующей методике:
Аликвотную часть (10 мл) исследуемого раствора переносят в коническую колбу для титрования ёмкостью 250 мл, добавляют 30-50 мл дистиллированной воды, нейтрализуют 10%-ным раствором аммиака до явного запаха аммиака и отсутствия помутнения, вводят несколько кристалликов мурексида. Раствор должен приобрести коричневый цвет, значит, введен избыток 
, и раствор следует разбавить до появления коричневого или желтого цвета.
Раствор титруют 0,1 Н раствором трилона Б до перехода окраски раствора в фиолетовый цвет. Цвет может быть красно- или сине-фиолетовый. Концентрацию ионов никеля определяют по формуле:
г/л, где,
-объем 0,1 Н раствора трилона Б, израсходованный на титрование пробы, мл;
-нормальность раствора трилона Б, г- экв/л;
-эквивалент никеля (29,35) г/г- экв;
-объем исследуемого раствора (аликвота), мл
Зная концентрацию ионов никеля в сточной воде, рассчитать необходимое количество соды для очистки 200 мл сточной воды по уравнению реакции:
Расчет количества соды для осаждения ведется из данных содержания ионов никеля в 200 мл сточной воды, причем соды берется в виде 10%-ого раствора в 50%-ном избытке. Плотность 10%-ого раствора соды равна 1,102 г/см .
Рассчитанное количество раствора соды добавить к 200 мл сточной воды. Для образования плотного осадка в раствор добавить 5 мл коагулянта (ГИПАН, ДЕМАН, ПАА и другие), тщательно все перемешать стеклянной палочкой и оставить отстаиваться на 30 минут. Затем светлую часть раствора над осадком отфильтровать через бумажный фильтр на воронке Бюхнера под вакуумом, создаваемым с помощью водоструйного насоса. Отобрав из фильтрата аликвоту 10 мл, определить концентрацию ионов никеля в фильтрате после химического метода очистки сточной воды по методике, приведенной выше.
Далее фильтрат доочистить на ионообменной смоле марки КУ-2, пропуская его через ионообменную колонку со скоростью 10 мл/мин. Предварительно через колонку с такой же скоростью пропустить 200 мл дистиллированной воды для промывки смолы о т предыдущего раствора. (Это делается в то время, когда происходит отстаивание осадка при химической очистке.) В очищенной воде после пропускания через колонку также определить содержание ионов никеля, на анализ используется аликвота равная 50 мл.
Экспериментальные данные оформить в виде таблицы 10..
Таблица 10
Сравнительная эффективность химического и ионообменного методов очистки сточной воды
| Ион | Химический метод | Степень очистки | Ионообменный метод | Степень очистки | Общая степень очистки | ||
| Нач. концен- трация | Кон. концен- трация | Нач. концен- трация | Кон. концен- трация | ||||
Степень очистки вычисляется по формуле:
, где
- начальная концентрация ионов металла в воде
- конечная концентрация ионов металла в воде
- степень очистки воды.
Библиографический список
- Бесков В.С. Общая химическая технология: Учеб.- М:. ИКЦ «Академ- книга», 2005.-452 с.
- Основы химической технологии: Учеб./ Под ред. И.П. Мухленова.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1991.- 463 с.
- Практикум по общей химической технологии: Учеб.пос./ Под ред. И.П. Мухленова.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1979.- 423 с.
ИНСТРУКЦИЯ