Chemiczne metody oczyszczania ścieków
Ścieki to wody zużyte na potrzeby bytowo-gospodarcze ludzi, w procesach produkcyjnych oraz wody opadowe. Odbiornikami ścieków są wody powierzchniowe, a także wierzchnia warstwa gruntu.
Możliwości samooczyszczania rzek, które są najczęstszymi odbiornikami ścieków, są z reguły niewystarczające wobec ładunków zanieczyszczeń wprowadzanych do nich wraz ze zrzucanymi ściekami.
Metody oczyszczania ścieków:
§ Mechaniczne
§ Chemiczne i fizykochemiczne
§ Biologiczne
Rodzaj zanieczyszczenia determinuje użytą metodę. Zadaniem technologa jest dobranie takiej metody lub grupy kilku metod, aby
§ ścieki o ściśle określonym składzie zostały oczyszczone w takim stopniu jak jest to wymagane przez prawo
§ technologia ta była ekonomiczna dla zakładu
Podział metod chemicznych i fizykochemicznych:
§ Metody chemiczne:
v neutralizacja
v utlenianie i redukcja
§ Metody fizykochemiczne:
v koagulacja
v procesy membranowe
v wymiana jonowa
v flotacja
v adsorpcja
NEUTRALIZACJA czyli zobojętnianie, to proces prowadzący do otrzymania żądanego pH.
H3O+ + OH- = 2H2O
§ proces ostateczny przed odprowadzeniem ścieków do odbiornika otwartego lub kanalizacji - odczyn jest określony przez przepisy Ministerstwa Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa.
§ proces wstępny - neutralizację prowadzi się do pH, które jest najlepsze do prowadzenia kolejnych etapów oczyszczania
Neutralizacja
§ Ścieków alkalicznych
v stosowane odczynniki: mocne kwasy (HCl, H2SO4 – ma on wady: przy rozcieńczanie wydziela się duża ilość ciepła, mogą wytrącać się trudno rozpuszczalne siarczany, wymagana jest instalacja odporna na korozję; CO2, sprężony lub pochodzący z gazów spalinowych) i inne
Przykładowe reakcje neutralizacji ścieków zawierających wodorotlenku potasu:
KOH + HCl = KCl + H2O
2KOH + H2SO4 = K2SO4 + 2H2O
2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O
Instalacja opatentowana przez Polaków, wykorzystująca gazy kominowe do oczyszczania ścieków alkalicznych (maksymalne stężenie NaOH: 25g/l)
§ Ścieków kwaśnych
v procesowi temu często towarzyszy strącanie wodorotlenków metali ciężkich, nierozpuszczalnych soli
v Stosowane odczynniki: NaOH (r-ry 20-30%), Ca(OH)2 w postaci zawiesiny (wadą jest tworzenie się dużych ilości osadów, zaletą – niska cena), MgCO3 w postaci granulatu i inne
UTLENIANIE – proces polegający na utracie elektronów przez atom; zawsze towarzyszy mu proces REDUKCJI, w którym inny atom przyjmuje elektrony.
§ Substancje unieszkodliwiane przez utlenienie to m. in. różnorodne związki organiczne oraz silnie toksyczne cyjanki (mają większe powinowactwo do hemoglobiny niż tlen), na których przykładzie zostaną omówione różne typy utleniania
v utlenianie aktywnym chlorem (w postaci Cl2, NaOCl, Ca(OCl)2)
CN- + OCl- + H2O = CNCl + 2OH-
CNCl + 2OH- = CNO- + Cl- + H2O
CNCl jest toksyczny i lotny już w 38ºC – należy prowadzić kontrolę temperatury.
Powstałe cyjaniany są nietrwałe i łatwo ulegają hydrolizie, można je jednak utleniać dalej:
2CNO- + 2H+ + 3OCl- = 2CO2 + N2 + 3 Cl- + H2O
Wady: znaczny wzrost zasolenia ścieków, drugi etap silnie zależy od pH
v utlenianie nadtlenkiem wodoru
zalety: metoda nie pozostawiająca niekorzystnych produktów ubocznych, duża skuteczność w szerokim zakresie pH; bardziej praktyczna w przypadku ścieków stężonych
CN- + H2O2 = CNO- + H2O
v utlenianie ozonem
zalety: powoduje całkowite utlenienie cyjanków, nie pozostawia szkodliwych produktów ubocznych
CN- + O3 = CNO- + O2
OCN- + 2H+ + H2O = CO2 + NH4+
2 OCN- + 3 O3 = 2HCO3- + N2 + 3O2
v utlenianie tlenem z powietrza
znajduje zastosowanie w utlenianiu związków siarki
v procesy pogłębionego utleniania
prowadzi się je m.in. przy użyciu bardzo reaktywnego i mało selektywnego rodnika ·OH . Ma on bardzo wysoki potencjał (2,8V). Metody otrzymywania ·OH :
o H2O2 + 2O3 → 3O2 + 2 ·OH
o 2O3 + OH- → ·OH + 2O2 + O2-
o Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + ·OH
o działanie promieniowaniem UV
Procesy pogłębionego utleniania pozwalają na usunięcie wielu związków organicznych, które wcześniej stanowiły problem przy oczyszczaniu ścieków.
§ REDUKCJA (na przykładzie redukcji związków chromu (VI))
v Tradycyjna dwustopniowa metoda:
redukcja chromu (VI) do chromu (III) w środowisku kwaśnym, strącenie wodorotlenku chromu (III) przez alkalizację wodorotlenkiem wapniastosowane reduktory: SO2, HSO3-, SO32-, S2O52-
2H2CrO4 + 3SO2 + 3H2O = Cr2(SO4)3 + 5H2O
Cr2(SO4)3 + H2SO4 + 4 Ca(OH)2 = 2Cr(OH)3 + 2H2O + CaSO4
v Innym reduktorem jest żelazo (II), najczęściej siarczan żelaza (II); wada: duża ilość osadówzalety: niska cena, skuteczny przebieg reakcji niezależnie od odczynu
Reakcja w środowisku kwaśnym prowadzi do strącenia siarczanu chromu (III), natomiast reakcja w środowisku zasadowym – wodorotlenku chromu (III)
KOAGULACJA – proces łączenia się cząstek koloidalnych oraz drobnej zawiesiny w zespoły cząstek, tzw. aglomeraty; powoduje ona powstanie trwałego, zwartego koagulatu lub przejście zolu w żel;
Stosowane koagulanty: sole żelaza i glinu takie jak:
siarczan glinu: Al2(SO4)3x18H2O, glinian sodu: Na2Al2O4, siarczan żelaza (II): FeSO4x7H2O, siarczan żelaza (III): Fe2SO4x9H2O, chlorek żelaza (III): FeCl3x6H2O
CaCl2 jest stosowany jako koagulant do usuwania zanieczyszczeń z produkcji PCW, natomiast MgCl2 do usuwania polistyrenu.
Strącające się wodorotlenki żelaza i glinu stanowią dla koloidów i jonów powierzchnię adsorpcyjną; jest to bardzo ważne, ponieważ potęguje to aglomerację cząstek w procesie koagulacji
W procesie koagulacji prowadzonym w celu oczyszczenia wody i ścieków, usuwania związków fosforu, siarkowodoru stosuje się koagulanty PIX (wodny roztwór FeClSO4 oraz dodatki) i PAX (wodny roztwór polichlorku glinu i dodatki).
Zalety: niska cena, mniejsze ilości osadów, wymagają mniejszej dawki, w mniejszym stopniu zakwaszają środowisko, łatwe w dozowaniu
Rodzaje koagulacji:
§ objętościowa – najczęściej stosowana
1. mieszanie koagulantów ze ściekami
2. koagulacja
3. sedymentacja osadu
§ kontaktowa
usuwanie części osadu – pozostałość przyspiesza koagulację kolejnej porcji ścieków
§ powierzchniowa
roztwór przepływa przez złoże filtracyjne
PROCESY MEMBRANOWE
polegają na rozdzielaniu składników mieszaniny w wyniku jej przepływu przez membranę, czyli warstwę porowatą.
v Główne metody:
• Odwrócona osmoza
• Nanofiltracja
• Utlrafiltracja
• Elektrodializa
v Membrany
Wrażliwe na chlor, utleniacze (np. ozon)
Wydajność procesu odwrotnie proporcjonalna do grubości membrany. Membrany organiczne produkuje się z octanu celulozy, trioctanu celulozy lub poliamidu; coraz bardziej popularne ze względu na wytrzymałość i możliwość regeneracji są membrany nieorganiczne wykonane ze stali, szkła lub tkanin węglowych.
§ Odwrócona osmoza
v Siła napędowa: różnica ciśnień
v Przenikanie rozpuszczalnika przez membranę od roztworu o niższym stężeniu do roztworu o wysokim stężeniu, odwrotnie niż w osmozie, spowodowany przyłożeniem do cieczy o wysokim stężeniu ciśnienia większego niż ciśnienie osmotyczne
...
DWito