Концентрирование сточных вод

Этот метод в основном используют для обезвреживания минеральных сточных вод.

Он позволяет выделять из стоков соли с получением условно чистой воды, пригодной для оборотного водоснабжения. Процесс разделения минеральных веществ и воды может быть проведен в две стадии: стадия концентрирования и стадия выделения сухих веществ.

Концентрирование сточных вод может быть проведена испарением (выпариванием), вымораживанием и кристаллизацией.

Выпаривание является энергоемким процессом. Энергия, затрачиваемая на выпаривание, складывается из энергии на нагрев сточной воды от начальной температуры до температуры испарения; на деформирование и перенос центров парообразования; на работу, затраченную на разделение растворителя и раствора; на формирование поверхностных паровых пузырей при испарении; на преодоление сил давления при формировании пузырей; на преодоление пузырем границы раздела фаз и на транспортирование паровых пузырей до границы раздела фаз.

При расчете энергетических затрат учитывают энергию, затраченную на испарение r, и на работу разделения раствора и растворителя lp, т.к. остальные составляющие невелики:

q = r + l_p (5.126)

Поскольку при выпаривании с кристаллизацией выделяется теплота кристаллизации rкр, то затраты энергии на выпаривание будут

q^* = q – r_кр (5.127)

При выпаривании низкоконцентрированных растворов с кристаллизацией значение lр мало, поэтому затраты энергии на выпаривание составят

q = r – r_кр (5.128)

Процесс вымораживания заключается в том, что при температуре ниже температуры замерзания чистая вода образует кристаллы пресного льда, а раствор с растворенными в нем солями размещается в ячейках между этими кристаллами. Температура замерзания рассола всегда ниже температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации растворенных солей. Для исключения образования мелких кристаллов и отделения межкристаллитного рассола процесс вымораживания проводят при режимах медленного переохлаждения.

Разность между температурой замерзания чистого растворителя tз и раствора tз^* называют понижением температуры замерзания раствора Δtз:

Δt_з = t_з^* – t_з (5.129)

Понижение температуры замерзания для разбавленных растворов неэлектролитов пропорционально концентрации раствора:

Δt_з = k · m (5.130)

где k – криоскопическая константа растворителя, зависящая только от природы растворителя (но не растворенного вещества), для воды k = 1,85; m – молярная концентрация.

Вымораживание можно проводить под вакуумом или при помощи специальной холодильной установки.

Наиболее распространенными хладоагентами являются аммиак, диоксид углерода, бутан, пропан, изобутан, хладоны (ССl2F2, ССl3F, ССlF3) и их оксиды.

5.5.2. Кристаллизация веществ из растворов

Для выделения веществ из концентрированных растворов используют методы кристаллизации и сушки.

Вещества, растворимость которых существенно возрастает с повышением температуры (положительная растворимость), кристаллизуют при охлаждении их насыщенных растворов – это политермическая или изогидрическая кристаллизация, идущая при неизменном содержании воды в системе. Если с ростом температуры растворимость вещества уменьшается (отрицательная растворимость), то кристаллизацию проводят при нагревании раствора. Вещества, мало изменяющие растворимость при изменении температуры, кристаллизуют путем испарения воды при постоянной температуре – изотермическая кристаллизация.

Положительной растворимостью обладают растворы МgCl2, МgSO4, NaCl; отрицательной - растворы CaSO4, СаSiO3, и др.

Кристаллизацию соли можно также проводить введением в концентрированный раствор веществ, уменьшающих ее растворимость. Это вещества, содержащие одинаковый ион с данной солью или связывающие воду. Кристаллизацию такого типа называют высаливанием.

Распространенным видом кристаллизации является химическое осаждение вещества из растворов с применением реагентов. Например, примеси ионов металлов осаждают в виде гидроксидов, добавляя в раствор щелочи.

Выделение кристаллов происходит только из пересыщенных растворов. Пересыщенные растворы характеризуют разностью между концентрациями пересыщенного Сп и насыщенного С^* растворов, относительным пересыщением (Сп - С^*)/С^* или коэффициентом пересыщения Сп/С^*.

Образование кристаллов состоит из двух последовательных стадий:

1) возникновение в пересыщенном растворе центров кристаллизации -

зародышей кристаллов;

2) рост кристаллов на базе этих двух зародышей.

Для зародыша сферической формы работа образования равна:

А = 4/3 π ∙r² ∙σ (5.131)

где r - размер зародыша; σ - коэффициент поверхностного натяжения.

Размер зародыша, находящегося в равновесии с пересыщенным раствором, обратно пропорционален логарифму степени пересыщения:

r = 2 σ ∙М/[ρ·R·T·ln(С_п/С^*)] (5.132)

где М - молярная масса твердой фазы; ρ - плотность вещества; R - универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура.

Вероятность образования зародышей возрастет с повышением температуры. Этому процессу способствует механическая вибрация, перемешивание, воздействие акустического и магнитных полей.

Рост кристаллов происходит в результате диффузии вещества из основной массы раствора к поверхности растущего кристалла с последующим включением частиц растворенного вещества в кристаллическую решетку.

Скорость диффузии частиц к поверхности кристалла определяется по уравнению

dM_τ/dτ = β·F(С_п - С_кр) (5.133)

а скорость роста кристалла

dM_τ/dτ = β_кр·F(С_кр - С^*) (5.134)

Общее уравнение скорости кристаллизации имеет вид

dM_τ/dτ = 1/(1/β + 1/β_кр)·F(C_п - С^*) = k_кр·F(С_п - С^*) (5.135)

где Мτ – количество диффундирующего вещества; τ – время; β и βкр – коэффициент массоотдачи и процесса кристаллизации; F – площадь поверхности кристалла; Скр – концентрация вещества у поверхности кристалла; kкр – коэффициент скорости кристаллизации.

Некоторые примеси в растворе увеличивают скорость кристаллизации, другие уменьшают.