Способ взаимоочистки сточных вод

 

Изобретение относится к очистке сточных вод от эмульгированной органики, стабилизированной в водной фазе поверхностно-активными веществами, и экологически опасных электролитов и может быть использовано для взаимной очистки сточных вод промышленных предприятий. Для осуществления способа в сточные воды, содержащие эмульгированные органические вещества, вводят отработанные технические растворы электролитов, разделяют водную и органическую фазы, при этом эмульгированные органические вещества экстрагируют ионы тяжелых металлов при следующих соотношениях оптимальных параметров процесса: С_тХ_к^-1 - KQ = n_в, где С_т - концентрация экстрагируемого вещества в объеме отработанного технического раствора электролита; Х_к - концентрация экстрагируемого вещества в рафинате; К = n_в + C_эρ^-1 (Dn_э - n_в); Q - отношение объемов сточной воды, содержащей эмульгированные органические вещества, и отработанного технического раствора электролита; n_в - отношение объемов рафината и водной фазы объединенного стока; С_э - концентрация экстрагента в объеме сточной воды, содержащей эмульгированные органические вещества; ρ - плотность экстрагента; D - коэффициент распределения экстрагируемого вещества между экстрактом и рафинатом; n_э - отношение объемов экстракта и экстрагента, при условии, что D >> 1 и Х_к ≅ С_нD^-1, где С_н - концентрация экстрагируемого вещества в насыщенном растворе экстракта. Способ обеспечивает создание безреагентной и безотходной технологии взаимоочистки сточных вод, основанной на проведении экстракции ионов металлов в масляную фазу при оптимальных параметрах. 2 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области очистки сточных вод от эмульгированной органики, стабилизированной в водной фазе поверхностно-активными веществами (ПАВ), и экологически опасных электролитов и может быть использовано для очистки сточных вод промышленных предприятий.

Известен способ очистки отработанной водной эмульсии [АС N 701956, кл. С 02 F, 1/66, 1979 г.] путем смешения ее с травильными растворами, содержащими сернокислотные соли меди и цинка в соотношении (1:0,1)-(0,5:1), отделенную от осадка водную фазу обрабатывают щелочью до pH 8-9 и отстаивают.

Недостатком способа является его многостадийность, а также наличие стадии образования объемного, гидрофильного, плохо фильтрующегося осадка.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ [Патент РФ N 2107039, кл. С 02 F, 1/58, 1998 г.] очистки сточных вод от эмульгированных органических веществ, включающий введение в сточные воды отработанных растворов электролитов с последующим разделением водной и органической фаз, причем отработанный электролит вводят в количестве, обеспечивающем массовое отношение органических веществ к содержанию металлов в электролите (5-5000): 1.

Недостатком способа является затруднение в определении оптимального количества отработанных растворов электролитов, вводимых в сточные воды для очистки от эмульгированных органических веществ.

Задачей изобретения является нахождение оптимальных параметров процесса взаимоочистки сточных вод, основанной на экстракции ионов тяжелых металлов в масляную фазу.

Техническим результатом является создание безреагентной и безотходной технологии взаимоочистки сточных вод, содержащих эмульгированную органику и ионы тяжелых металлов.

Этот технический результат достигается тем, что в известном способе взаимоочистки сточных вод, содержащих эмульгированную органику и ионы тяжелых металлов, включающем введение отработанных технических растворов электролитов в сточные воды, содержащие эмульгированные органические вещества, с последующим разделением водной и органической фаз, при этом эмульгированные органические вещества экстрагируют ионы тяжелых металлов при следующих соотношениях оптимальных параметров процесса: C_тX_к^-1-KQ = n_в, где C_т - концентрация экстрагируемого вещества в объеме отработанного технического раствора электролита; X_к - концентрация экстрагируемого вещества в рафинате; K = n_В+C_эρ^-1(Dn_э-n_В); Q - отношение объемов сточной воды, содержащей эмульгированные органические вещества, и отработанного технического раствора электролита; n_в - отношение объемов рафината и водной фазы объединенного стока; C_э - концентрация экстрагента в объеме сточной воды, содержащей эмульгированные органические вещества; ρ - плотность экстрагента; D - коэффициент распределения экстрагируемого вещества между экстрактом и рафинатом;
n_э - отношение объемов экстракта и экстрагента,
при условии, что D >> 1 и X_к ≅ С_нD^-1 где C_н - концентрация экстрагируемого вещества в насыщенном растворе экстракта.

При нарушении указанных условий может образоваться, помимо масляной и водной фаз, третья фаза - осадок гидроксидов или гидроксокомплексов.

Сущность способа заключается в том, что его использование позволяет избежать стадию образования осадка за счет экстракции ионов тяжелых металлов в масляную фазу. В этом способе взаимоочистки сточные воды, содержащие эмульгированные органические вещества, и отработанные технические растворы электролитов сливают в таком объемном соотношении, которое обеспечивает очистку осветленной водной фазы от экологически опасных составляющих на уровне ПДК или до такого их содержания, которое позволяет использовать очищенную воду для технических целей. Масляную фазу, очищенную от ионов тяжелых металлов, можно использовать для технических целей. Таким образом реализуется замкнутый цикл безотходного производства.

Конечные результаты взаимоочистки зависят от эффективности использования эмульгированных органических веществ в качестве экстрагентов ионов тяжелых металлов, а также величины pH, температуры, концентрации ионов тяжелых металлов и экстрагентов в объединенном стоке.

Экспериментально установлено, что технологическая смазка марки СП-3 состава, % мас.: олеиновая кислота 10-12; триэтаноламин 4,5-6,0; машинное масло - остальное, используемая для приготовления смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в кузнечно-прессовом и прокатном производствах, является хорошим экстрагентом ионов тяжелых металлов. Таким образом, пульпа отработанной СОЖ, полученной на основе смазки СП-3, содержит в своем составе экстрагенты для извлечения ионов тяжелых металлов из водной в масляную фазу.

В качестве отработанных технических растворов электролитов можно использовать отработанные растворы ванн травления, гальванических ванн, их промывные воды, солевые растворы, кислые и щелочные сточные воды.

Рассмотрим предлагаемый способ взаимоочистки в наиболее общем виде, для чего дополнительно введем обозначения:
М - объем сточной воды, содержащей эмульгированные органические вещества;
N - объем отработанного технического раствора электролита;
m_Т - масса экстрагируемого вещества;
m_э- масса экстрагента;
V₁ - объем экстрагента;
V₂ - объем водной фазы объединенного стока;
λ - отношение объемов водной фазы и экстрагента в объединенном стоке;
X₀ - концентрация экстрагируемого вещества в объеме водной фазы объединенного стока;
V₃ - объем экстракта;
V₄ - объем рафината;
Y_K - концентрация экстрагируемого вещества в экстракте.

В соответствии с принятыми обозначениями получим:
Q= MN^-1 (1)
m_T = С_TN (2)
m_э = C_эМ (3)
V₁ = m_э ρ^-1 = C_эM ρ^-1 (4)
V₂ = M + N - V₁ = M + N - C_эМ ρ^-1 (5)
λ = V₂V₁^-1 = ρ C_э^-1(1+Q^-1)-1 (6)
X₀ = m_TV₂^-1 = C_T(1 + Q - C_эQ ρ^-1) ^-1 (7)
V₃ = n_эV₁ = n_эC_эM ρ^-1 (8)
V₄ = n_ВV₂ = n_B(М + N - C_эM ρ^-1 ) (9)
Y_К = DX_K (10)
Для реализации предлагаемого способа взаимоочистки необходимо выполнение следующих условий:
1. Величина pH и температура объединенного стока должны обеспечивать максимальную эффективность экстракции (D >> 1).

2. Концентрация экстрагируемого вещества в экстракте не должна превышать его концентрацию в насыщенном растворе экстракта:
Y_K ≅ C_H
откуда, учитывая уравнение 10,
C_H ≥ DX_K
Данное выражение определяет условие выбора конечной концентрации экстрагируемого вещества в рафинате X_K.

3. Материальный баланс по экстрагируемому веществу:
m_T = X_KV₄ + Y_KV₃,
откуда с учетом уравнений 1,2,8-10 получим
C_TX_K - KQ = n_B,
где K = n_B + C_э ρ^-1 (Dn_э - n_B).

Во многих случаях n_B = n_э = 1, тогда с учетом уравнений 3-5 получим
V₃ = C_эMρ^-1 = V₁
V₄ = М + N - C_эM ρ^-1 = V₂
C_TX_к^-1 - KQ = 1,
где K = 1+C_Эρ^-1(D-1),
а если D >> 1, то K = 1+C_эDρ^-1.
Уравнения материального баланса определяют условия выбора концентрации C_T и объема N отработанного технического раствора электролита для заданной сточной воды, содержащей эмульгированные органические вещества.

Данный способ взаимоочистки укладывается в схему экстракции с прямотоком.

На фиг. 1 дана схема прямотока, на фиг. 2 - рабочая линия прямотока согласно уравнению
Y = λ (X₀-X),
в частности,
Y_K = λ (X₀-X_K)
Примеры конкретного выполнения способа.

На фиг. 3 представлена технологическая схема процесса взаимоочистки сточных вод: отработанной пульпы СОЖ и отработанных технических растворов электролитов - кислых растворов медного купороса (II), сульфата хрома (III) и хлорида кальция (II). При объединении указанных сточных вод при pH = 6,0 - 6,5 компоненты технологической смазки СП-3, содержащиеся в отработанной пульпе СОЖ, экстрагируют ионы меди (II), хрома (III) и кальция (II), содержащиеся в отработанном техническом растворе электролита. Установление оптимального значения pH осуществлялось при непрерывном перемешивании раствора добавлением щелочного раствора отработанной пульпы СОЖ или кислого отработанного технического раствора электролита. После перемешивания пульпа отстаивалась и разделялась на масляную (экстракт) и водную (рафинат) фазы с одновременной экстракцией ионов меди (II), хрома (III) и кальция (II) в масляную фазу. Рафинат направлялся на фильтрацию для очистки воды от остатков масляных составляющих. Следы нефти могут быть удалены фильтрованием через смесь натуральных (пенька, копра, торф) и синтетических (полиэтилен, полипропилен, полистирол) волокон. Экстракт направлялся на реэкстракцию металлов, регенерированное масло может быть использовано для технических целей.

В таблице 2 дан материальный баланс процесса взаимоочистки, рассчитанный по выведенным уравнениям, с получением воды, очищенной до уровня ПДК (X_K = ПДК) по каждому из ионов меди (II), хрома (III) и кальция (II).

Пример 1 (таблица 2, опыт 1).

Отработанная пульпа СОЖ объемом М = 1 м³ содержала компоненты технологической смазки марки СП-3 в количестве C_э = 50 г/дм³, являющиеся экстрагентами иона меди (II) с коэффициентом распределения D = 75, плотность смазки ρ = 0,865 кг/дм³
Кислый раствор медного купороса с концентрацией C_T = 50 мг/дм³ Cu (II) получен из отработанного электролита ванн травления медных деталей.

В качестве условия взаимоочистки принимаем получение очищенной воды до уровня ПДК (X_K = 0,1 мг/дм³ Cu (II)), что не противоречит условию X_K ≅ C_HD^-1 = 130 мг/дм³.

Расчеты показывают, что для очистки М = 1 м³ отработанной пульпы СОЖ потребуется N = 10,58 дм³ кислого раствора медного купороса.

В результате взаимоочистки получим V₄ = 952,78 дм³ воды, очищенной до уровня ПДК по иону меди (II).

Пример 2 (таблица 2, опыт 2).

Отработанная пульпа СОЖ объемом М = 1 м³ содержала компоненты технологической смазки марки СП-3 в количестве C_э = 50 г/дм³, являющиеся экстрагентами иона хрома (III) с коэффициентом распределения D = 599, плотность смазки ρ = 0,865 кг/дм³.

Кислый раствор сульфата хрома (III) с концентрацией C_T = 500 мг/дм³ Cr (III) получен из отработанного электролита ванн хромирования после операции восстановления хрома (VI) до хрома (III).

В качестве условия взаимоочистки принимаем получение очищенной воды до уровня ПДК (X_k = 0,1 мг/дм³ Cr (III)), что не противоречит условию Хк ≅ C_HD^-1 = 20 мг/дм³.

Расчеты показывают, что для очистки М = 1 м³ отработанной пульпы СОЖ потребуется N = 7,11 дм³ кислого раствора сульфата хрома (III).

В результате взаимоочистки получим V₄ = 949,31 дм³ воды, очищенной до уровня ПДК по иону хрома (III).

Пример 3 (таблица 2, опыт 3).

Отработанная пульпа СОЖ объемом М = 1 м³ содержала компоненты технологической смазки марки СП-3 в количестве C_э = 50 г/дм³, являющиеся экстрагентами иона кальция (II) с коэффициентом распределения D = 8, плотность смазки ρ = 0,865 кг/дм³.

Кислый раствор технического хлорида кальция (II) содержал C_T = 5000 мг/дм³ иона кальция.

В качестве условия взаимоочистки принимаем получение очищенной воды до уровня ПДК (X_к = 150 мг/дм³ Ca(II)).

Расчеты показывают, что для очистки М = 1 м³ отработанной пульпы СОЖ потребуется N = 43,89 дм³ кислого раствора хлорида кальция.

В результате взаимоочистки (см. табл.1) получим V₄ = 986,09 дм³ воды, очищенной до уровня ПДК по иону кальция.

Для всех рассматриваемых примеров заданное значение X_к не превышало нормативов очистки воды до уровня хозяйственно-питьевого и культурно-бытового использования.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет оптимизировать процесс взаимоочистки сточных вод, основанный на экстракции экологически опасных составляющих в масляную фазу.

Формула изобретения

Способ взаимоочистки сточных вод, содержащих эмульгированную органику и ионы тяжелых металлов, включающий введение отработанных технических растворов электролитов в сточные воды, содержащие эмульгированные органические вещества, с последующим разделением водной и органической фаз, отличающийся тем, что эмульгированные органические вещества экстрагируют ионы тяжелых металлов при следующих соотношениях оптимальных параметров процесса:
С_тХ_к^-1 - КQ = n_в,
где С_т - концентрация экстрагируемого вещества в объеме отработанного технического раствора электролита;
Х_к - концентрация экстрагируемого вещества в рафинате;
K = n_в+C_эρ^-1(Dn_э-n_в);
Q - отношение объемов сточной воды, содержащей эмульгированные органические вещества, и отработанного технического раствора электролита;
n_в - отношение объемов рафината и водной фазы объединенного стока;
С_э - концентрация экстрагента в объеме сточной воды, содержащей эмульгированные органические вещества;
ρ- плотность экстрагента,
D - коэффициент распределения экстрагируемого вещества между экстрактом и рафинатом;
n_в - отношение объемов экстракта и экстрагента,
при условии, что D >> 1 и Х_к ≅ С_нD^-1, где С_н - концентрация экстрагируемого вещества и насыщенном растворе экстракта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6