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.
Нашей компанией производяться несколько типов жидкостных экстракторов: противоточные, тангенциальные, роторно — дисковые, прямоточные.
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 не смешивающихся (или слабо смешивающихся) растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения (или экстракции):
kр = Cэ/Cст ≈ const ,
где Cэ, Cст, — 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 экстрагенте. 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.
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 разделить на перекрестноточные, ступенчато-противоточные, непрерывно-противоточные. Прямоток в процессах экстракции не применяется.
При многоступенчатой перекрестной (рис. 1а) схеме сточная вода на каждой ступени контактирует со свежим экстрагентом, что требует значительных его расходов. Практическое применение получили методы ступенчато-противоточной (рис. 1б) 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. 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.
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 плотность обрабатываемой сточной воды больше плотности экстрагента, то вода вводится в экстракционную колонну сверху, а экстрагент − снизу (рис. 2а). При обратных условиях экстрагент вводится в верхнюю часть колонны, а обрабатываемая сточная вода − в нижнюю (рис. 2б).
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, а 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, торфа), 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).