Л.О. Штриплинг, Ф.П. Туренко
Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов
Учебное пособие – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 192 с.

Глава 1. Основы очистки сточных вод

5. Физико-химические процессы очистки сточных вод

5.4. Экстракция

При относительно высоком содержании в производственных сточных водах растворимых органических веществ, представляющих техническую ценность (например, фенолы, жирные кислоты), эффективным методом очистки является экстракция органическими растворителями – экстрагентами (табл. 1.3). Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся (или слабо смешивающихся) растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения (или экстракции)

k_p = C_э / C_ст ≈ const,                                          (1.12)

где С_э, С_ст – концентрация экстрагируемого вещества в эктстрагенте и сточной воде соответственно при установившемся равновесии.

Коэффициент распределения зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а также от наличия различных примесей в сточных водах и эктстрагенте. После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. Сконцентрированное в эктстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после этого вновь используется в технологическом процессе очистки.

Таблица 1.3

Метод экстракционной очистки экономически целесообразен при значительной концентрации органических примесей или высокой стоимости извлекаемого вещества. Для большинства продуктов применение экстракции рационально при концентрации их 2 г/л и более.

Для успешного протекания процесса экстракции экстрагент должен иметь следующие свойства:

— хорошую экстрагирующую способность по отношению к экстрагируемому веществу, т.е. высокий коэффициент распределения;

— селективность – способность экстрагировать из воды одно вещество или определенную их группу;

— малую растворимость в воде;

— плотность, отличающуюся от плотности воды;

 — температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры кипения экстрагируемого вещества;

— небольшую удельную теплоту испарения и малую теплоемкость, что позволяет снизить расходы пара и охлаждающей воды;

— возможно меньшую огне- и взрывобезопасность;

— низкую токсичность;

— низкую стоимость.

Экстрагент не должен подвергаться заметному гидролизу и взаимодействовать с экстрагируемым веществом, материалом трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры экстракционной установки. Методы экстрагирования органических веществ по схемам контакта экстрагента и сточной воды можно подразделить (рис. 1.37) на перекрестно-точные, ступенчато-противоточные, непрерывно-противоточные.

Прямоток в процессах экстракции не применяется при многоступенчатой перекрестной (рис. 1.37, а) схеме сточная вода на каждой ступени контактирует со свежим экстрагентом, что требует значительных его расходов.

Практическое  применение получили методы ступенчато-противоточной  (рис. 1.37, б) и непрерывно-противоточной экстракции. При ступенчато-противоточной экстракции каждая ступень включает перемешивающее устройство для смешения фаз и отстойник для их гравитационного разделения. Могут применяться также центробежные сепараторы, обладающие более высокой разделительной способностью по сравнению с гравитационными.

Рис. 1.37. а – схема многоступенчатой перекрестноточной очистки;

б – схема ступенчато-противоточной экстракции:

1 – подача сточной воды; 2, 3, 4 – экстракционные установки;

5 – подача чистой воды; 6 – выпуск обработанной сточной воды;

7 – отвод отработанного экстрагента; 8 – отстойники

Вода и экстракт движутся навстречу друг другу, причем экстракт последующей ступени смешивается в смесителе с водной фазой предыдущей ступени.

 Смеситель должен обеспечить максимальную степень диспергирования  экстракта в воде, исключающую, однако, возможность образования стойких эмульсий, которые препятствуют разделению фаз.

Конечная концентрация экстрагируемого из раствора вещества в воде может быть определена по формуле

                                          (1.13)

где C_к, C_н – конечная и начальная концентрация экстрагируемого вещества, кг/м³;            n – число экстракций; b – удельный расход экстрагента для одной экстракции, м³/м³

b=W / (n·Q).

Здесь W – общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию, м ; Q – количество сточных вод, подвергающихся экстракции, м³; k_p – коэффициент распределения.

Анализируя уравнение (1.13) можно, сделать вывод о большой эффективности многократной экстракции.

Ступенчато-противоточная экстракция может быть непрерывной или периодической (при малых расходах сточных вод). При непрерывно-противоточной экстракции вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающим диспергирование экстрагента в воде. При этом примеси сточной воды непрерывно переходят в экстрагент.

Если плоскость обрабатываемой сточной воды больше плотности экстрагента (γ_cт > γ_э), то вода вводится в экстракционную колонну сверху, а экстрагент – снизу (рис. 1.38, а). При γ_э > γ_cт экстрагент вводится в верхнюю часть колонны, а обрабатываемая сточная вода — в нижнюю (рис.1.38, б).

Рис. 1.38. Схема непрерывно-противоточной экстракции:

а – сверху; б – сточной воды снизу; 1 – подача экстрагента;

2 – подача сточной воды; 3 – отвод отработанного экстрагента;

4 – отвод обработанной сточной воды

Для определения концентрации экстрагируемого вещества в обработанной сточной воде можно воспользоваться формулой

C_к = (1 – b·k_P)·C_н.                                             (1.14)

Требуемый удельный расход экстрагента при заданных начальной и конечной концентрациях экстрагируемого вещества в сточной воде определяется из выражения

b = C_н – C_к / (k_p С_н).                                           (1.15)

Применение противоточных экстракционных колонн непрерывного действия целесообразно при многоступенчатой экстракции. Эффективность метода зависит от того, насколько легко образуются и разрушаются эмульсии в сточной воде, от длительности полного разделения фаз и кинетики экстрагирования.

Технологическая схема очистки производственных сточных вод экстракционным способом зависит от количества и состава сточных вод, свойств экстрагента, способов его регенерации и обычно включает следующие четыре этапа:

1. Подготовка воды перед экстракцией – для этого используются: отстойники, флотаторы, фильтры, нейтрализаторы, охладительные устройства.

2. Улавливание паров экстрагента (собственно экстракция) – используются экстракционная колонна и резервуары (сборники экстрагента). Конструкция экстракционной колонны зависит от способа контакта сточной воды и вида экстрагента. Существуют колонны без какой-либо насадки – распылительные, инжекторные.

Часто применяются насадочные колонны, в качестве насадки используют блочные конструкции из керамики, металла, пластичных масс, а также засыпные элементы, выполненные из керамики, металлов (кольца Рашига, кольца Палля, седла Берля и др.). Для повышения интенсивности и эффективности перемешивания применяют тарельчатые колонны, колонны с пульсацией потоков или с движущимися сетчатыми тарелками. Экстракционные колонны имеют значительную высоту. Для обеспечения необходимой продолжительности контакта. В распылительной и насадочной колоннах, а также в колонне с движущимися сетчатыми тарелками высота, эквивалентная одной ступени экстракции, соответственно равна 10; 6; 0,8 м. Выбор типа колонны определяется необходимым числом ступеней экстракции и допустимыми затратами энергии.

3. Регенерации экстрагента из сточной воды. Отгонка экстрагента обычно осуществляется в насадочной колонне, в которую сверху подается обработанная сточная вода снизу – острый пар. Регенерация в зависимости от свойств экстрагента и его товарной способности может осуществляться отдувкой, воздухом или другими газами,  а также экстракцией.

4. Регенерации экстрагента из экстракта – теплообменник, подогреватель, одно и двухступенчатая регенерационная (ректификационная) колонна, охлаждающее устройство, сепараторы, сборники регенерируемого экстракта и экстрагируемых веществ.

Наиболее широко применяются методы экстракции для очистки сточных вод предприятий по термической обработке твердых топлив (каменного и бурного углей, сланцев, торф), содержащих значительное количество фенолов. Утилизация извлекаемых из сточных вод фенолов позволяет не только покрыть расходы на их извлечение, но и при начальной концентрации фенолов 3-4 г/л обеспечивает рентабельность их очистки. Эффективность увеличения фенолов из сточных вод достигает 80-90 %.

Таким образом, экстракция – процесс перераспределения примесей сточных вод в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента).