ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ ПАВ МЕТОДОМ ПЕННОЙ СЕПАРАЦИИ

Лабораторная работа № 8

Общие положения

Сущность метода пенной сепарации воздухом состоит в адсорбции ПАВ на границе раздела фаз “раствор-воздух” и в непрерывном снятии поверхностного слоя. При этом необходимо, чтобы выделяемое ПАВ обладало хорошими пенообразующими свойствами и образующаяся пена была стабильной.

Молекулы всех ПАВ, которые можно удалять из сточных вод пенной сепарацией, состоят из высокомолекулярного гидрофобного радикала и полярной относительно низкомолекулярной гидрофильной группы.

Кинетика процесса извлечения ПАВ из сточных вод (СВ) чрезвычайно сложна, т.к. определяется влиянием большого числа факторов. Так, в процессе перехода ПАВ на поверхность раздела “раствор-воздух” происходит изменение поверхностного натяжения раствора, в результате увлажнения пены изменяется объем раствора, доставка ПАВ на границу раздела фаз затрудняется из-за диффузионных процессов.

Одним из показателей, характеризующих процесс пенной сепарации, является степень извлечения ПАВ в пенный продукт S_п, которая выражается в процентах:

S_п = (С_о - С_раств) / С_о х 100 = (С_п / С_о)х 100

где: С_о - исходное содержание ПАВ в растворе, мг/л;

С_раств - остаточное содержание ПАВ в растворе, мг/л;

С_п - содержание ПАВ в пенном продукте, мг/л.

Степень извлечения вещества связана со скоростью подачи воздуха V и коэффициентом устойчивости пены a соотношением:

S = К₁ V a /(1-a+К₁a),

где К₁ - константа.

Коэффициент устойчивости пены a определяется отношением объема пены через определенный момент времени к первоначальному объему пены.

В технологии извлечения ПАВ из сточных вод существенное значение имеет распределение ПАВ между пенным продуктом и раствором. Процесс пенной сепарации следует вести таким образом, чтобы в конечном итоге получить пенный продукт наименьшего объема с наибольшей концентрацией ПАВ. Оценка эффективности извлечения ПАВ производится по коэффициенту распределения e_п:

e_п = С_п/С_раств

В ходе извлечения ПАВ его концентрация в растворе (С_раств) и в пенном продукте (С_п) изменяется, меняются также объемы очищаемого раствора и пенного продукта. Поэтому значение коэффициента распределения с течением времени также изменяется. Отсюда эффективность извлечения, в конечном итоге, определяется усредненным коэффициентом распределения.

Процесс извлечения ПАВ характеризуется фактором интенсивности Ф_и:

Ф_и = e_п /t

где t - время извлечения.

Он представляет собой усредненную степень обогащения пенного продукта ПАВ в единицу времени.

Поскольку изменение объема раствора и пенного продукта в ходе пенной сепарации существенно влияют на концентрацию ПАВ в пенном продукте и коэффициент распределения, то при оценке эффективности процесса извлечения необходимо учитывать соотношение объемов пенного продукта и раствора Ф_v:

Ф_v = V_п /V_раств

где V_п- объем пенного продукта;

V_раств - объем очищаемого раствора.

Качественная связь между факторами, характеризующими процесс пенной сепарации, определяется уравнением:

С_о-С_раств= А(QL^-1)^aС_о^b,

где: А,а,b - константы, характеризующие процесс пенной сепарации различных веществ; Q - расход воздуха; L - расход сточной воды.

Как видно из этого уравнения, степень извлечения вещества пропорциональна его начальной концентрации С₀ в степени b и расходу воздуха на единицу обрабатываемой воды в степени а, т.е. интенсивности барбатажа воздуха.

Установлено, что приближенно кинетика процесса пенной сепарации описывается уравнением:

ln C_раств/ C_о = - K t

где К - константа процесса; t - время; С_о - исходная концентрация в текущий момент.

Влияние основных технологических факторов на показатели процесса выделения ПАВ в пенный продукт

1. Расход диспергированного воздуха

Расход диспергированного воздуха, необходимый для наиболее полного извлечения ПАВ из раствора определенной концентрации, не зависит от интенсивности его подачи, и определяется исходной концентрацией ПАВ. Определено, что оптимальная скорость подачи диспергированного воздуха составляет 12 см³/мин, через 1 см² площади поперечного сечения аппарата.

2. Время и исходная концентрация ПАВ в растворе

Время, необходимое для извлечения ПАВ из раствора методом пенной сепарации, при постоянной скорости подачи диспергированного воздуха прямо пропорционально логарифму концентрации ПАВ в растворе.

С увеличением исходной концентрации ПАВ возрастает пенообразующая способность ПАВ и степень извлечения его из раствора, что связано с ростом дисперсности образующихся в пене пузырьков воздуха. Однако фактор интенсивности процесса снижается, т.к. из-за резкого увеличения объема пенного продукта коэффициент распределения уменьшается быстрее, чем сокращается время извлечения ПАВ.

3. Высота слоя раствора в аппарате

Высота слоя продуваемого раствора оказывает существенное влияние на процесс пенной сепарации, т.к. для установления адсорбционного равновесия между объемом раствора и поверхностью раздела фаз “раствор-воздух” требуется определенное время. Время контакта всплывающего пузырька воздуха с раствором зависит от высоты слоя раствора. Установлено, что для достижения в системе состояния, близкого к равновесию, достаточно высоты слоя раствора 100 мм. Если высота слоя раствора велика, то необходимо увеличивать высоту сепарационного пространства. В противном случае будет происходить унос большого количества раствора в пенный продукт из-за сильного увлажнения пены, т.к. она не будет успевать осушиться.

Расход воздуха растет пропорционально увеличению высоты слоя раствора, а удельный расход воздуха (расход воздуха на единицу объема раствора) остается постоянным. Особенно сильное влияние расхода воздуха на процесс ощущается при высоте слоя жидкости до 3 м.

4. рН среды и температура

Большое влияние на степень извлечения ПАВ из воды, оказываемое рН среды, связано с изменением химического поведения ПАВ в различных средах, что сказывается в конечном итоге на их способности переходить на границу раздела фаз.

Например, в случае выделения неионогенных ПАВ, содержащих оксиэтиленовые цепочки, из кислых растворов (при рН 2-3) образуется достаточно сухая пена и значение объемного фактора невелико.

При увеличении рН до 5 пена обогащается водой в связи с образованием водородных связей между эфирными атомами кислорода в группах оксида этилена, из которых состоят полимерные цепочки молекул ПАВ, и молекулами воды. При рН 5,0-5,5 углубляется гидролиз ПАВ и обводнение пены еще больше увеличивается.

Однако несмотря на то, что пенный продукт в кислой среде получается более сухим, степень извлечения ПАВ в этих условиях, как правило, не превышает 60-65 %. Считается, что оптимальными условиями, обеспечивающими максимальную степень извлечения ПАВ является рН 9-10,5.

Изменение температуры в пределах от 10 до 40^оС не оказывает существенного влияния на степень извлечения ПАВ в пенный продукт. Увеличение температуры более 40^оС приводит к резкому падению степени извлечения.

В промышленной практике очистки сточных вод это большого значения не имеет, т.к. температура сбрасываемых стоков даже в летний период, как правило, не превышает 25-28^оС.

5. Влияние минеральных солей

Минеральные соли присутствуют, практически, во всех сточных водах, из которых требуется удалить ПАВ, и оказывают существенное влияние на процесс пенной сепарации. Установлено, что увеличение концентрации солей в растворе приводит к росту коэффициента извлечения ПАВ в пенный слой. Это происходит в результате дегидратации некоторых полярных групп молекул ПАВ.

Присутствие электролитов сказывается также на структурно-механических свойствах пены, изменяется коэффициент устойчивости пены, который определяется отношением объема пены к объему пропущенного воздуха.

Таким образом, из вышесказанного можно заключить, что процесс пенной сепарации чрезвычайно сложен и определяется большим количеством факторов.

Для разработки технологических схем очистки конкретных стоков от ПАВ в каждом случае следует получить экспериментальные данные о зависимости степени извлечения вещества от концентрации раствора, а также о кинетике его извлечения,о зависимости коэффициента обогащения от концентрации ПАВ, его химической структуры, интенсивности барботажа воздуха и времени контакта раствора с воздухом, а в некоторых случаях и от природы газа, используемого для пенной сепарации

Цель работы: Ознакомление с процессом очистки сточных вод от неионогенных ПАВ методом пенной сепарации диспергированным воздухом, определение некоторых основных показателей процесса очистки и измерение кинетики удаления ПАВ из сточных вод.