Реагентные методы выделения загрязняющих веществ в виде малорастворимых и нерастворимых соединений

Вещества условно можно разделить на растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые. Растворимость первых составляет примерно 1 г вещества в 100 мл растворителя (воды) и приблизительно 0,1 М по катиону, а последних — менее 0,1 г вещества в 100 мл растворителя или примерно 0,01 М по катиону. Вещества, занимающие промежуточное положение между ними, называют малорастворимыми. (В химической и экологической литературе нередко используют термин «труднорастворимые соединения», включая в него как практически нерастворимые, так и малорастворимые вещества.).

Рассмотрим, следуя Л. Полингу, основные классы нерастворимых веществ. К ним в первую очередь относятся все гидроксиды, за исключением гидроксидов щелочных металлов, аммония и бария, причем Са (ОН)2 и Sr (OII)2 — малорастворимы. Все средние карбонаты и сульфаты нерастворимы, за исключением соответствующих соединений щелочных металлов и аммония. Все сульфиды, за исключением сульфидов щелочных и щелочноземельных металлов, нерастворимы. Для очистки производственных сточных вод от соединений тяжелых цветных металлов и в первую очередь от соединений Си, Ni, Со, Pb, Cd, Hg их осаждают в виде соответствующих гидроксидов, сульфатов либо карбонатов. Растворимость вышеуказанных соединений может быть охарактеризована также произведением растворимости.

Для выделения из кислых сточных вод тяжелых цветных металлов и железа используются те же реагенты, что и при нейтрализации. При этом протекают следующие реакции:

Количество реагентов (G, кг), необходимых для нейтрализации кислых сточных вод, содержащих тяжелые цветные металлы, рассчитывают по следующей формуле:

где k — коэффициент запаса расхода реагента по сравнению с теоретическим (для известкового молока k = 1,1, для известкового теста и сухой извести k = 1,5); В — количество активной части в товарном продукте, %; Q — количество сточных вод, подлежащих нейтрализации, м³; а — расход реагента для нейтрализации, кг/кг; А — концентрация щелочи, кг/м³; С_у С₂у С_п — концентрации металлов в сточных водах, кг/м³; Ъ_УЪ<1, Ъ_п — расход реагентов, требуемых для перевода металлов из растворенного состояния в осадок (данные представлены в табл. 13.2), кг/кг.

Расход реагентов, требуемых для удаления металлов, кг/кг.

Значения pH, соответствующие началу и окончанию осаждения гидроксидов цветных металлов и железа, представлены в табл. 13.3.

В многокомпонентных сточных водах значения pH, соответствующие началу и окончанию осаждения гидроксидов, существенно сдвинуты в сторону больших величин.

Следует указать, что ионы тяжелых цветных металлов могут осаждаться не только в виде гидроксидов, но и гидроксидкарбонатов (в случае использования для осаждения реагентов, содержащих в своем составе карбонатные ионы).

Гидроксиды цинка, свинца, меди, алюминия и некоторых других металлов растворяются в избытке едкой щелочи с образованием комплексных анионов.

Цинк, алюминий и некоторые другие металлы, обладающие амфотерными свойствами, могут содержаться в виде анионов в щелочных сточных водах. Для их удаления используют.

Таблица 13.3

Величины pH осаждения гидроксидов металлов.

растворы кислот. При этом образуются осадки гидроксидов этих металлов согласно следующим уравнениям:

Необходимо указать, что эффективнее совместное осаждение ионов двух или нескольких металлов при одной и той же величине pH, чем при осаждении каждого металла в отдельности.

Это связано с образованием смешанных кристаллов и адсорбционными процессами на их поверхности.

При обработке щелочными реагентами сточных вод, содержащих ионы тяжелых цветных металлов, достигается снижение их концентраций до величин, позволяющих осуществлять сброс очищенной воды в городскую канализацию или водоемы санитарно-бытового пользования.

В том случае, когда требуется более глубокая степень очистки, тяжелые металлы рекомендуется выделять в виде сульфидов. Обычно в виде сульфидов выделяют Си, Со, Ni, Fe, Sn, Mo, As, Sb, Hg, Ag, Zn, Cd, Pb. Для двухвалентного катиона металла реакция образования сульфида может быть записана в следующем виде:

В качестве осадителя обычно используют Na₂S (реже — (NH₄)₂S). Растворимость сульфидов зависит от pH раствора.

В отечественной практике для выделения из сточных вод сурьмы и мышьяка в виде малорастворимых сульфидов в качестве реагента-осадителя используют сульфат железа.

Sb^{, 3+} в зависимости от величины pH содержится в сточных водах в виде анионов тиосолей (SbS₂) либо в виде кислородсодержащихх анионов, что практически встречается редко. Указанные анионы тиосолей диссоциируют в растворе с образованием сульфид-ионов. При выделении из раствора сульфид-ионов эта реакция практически целиком сдвигается вправо. При этом образуется нерастворимый сульфид сурьмы, и вода оказывается очищенной. Данный метод позволяет очистить сточную воду от сурьмы практически полностью.

Рассмотренный метод может быть использован и для очистки сточных вод от мышьяка, если он присутствует в растворах в виде тиосолей.

Существуют методы осаждения катионов тяжелых цветных металлов в виде труднорастворимых соединений, в основе которых лежат окислительно-восстановительные реакции. Примером этого является способ выделения из растворов и промышленных сточных вод двухвалентного кобальта с использованием органического реагента — этилксантогената калия KSCSOC₂H₅.

Гидроксиды и сульфиды тяжелых металлов образуют устойчивые коллоидные системы, поэтому для интенсификации процесса их осаждения в сточные воды добавляют коагулянты и флокулянты. В качестве коагулянтов чаще всего используют сульфаты алюминия (A1(S0₄)₃-18Н₂0) или трехвалентного железа (Fe₂(S0₄)₃-9H₂0). Расширению оптимальных режимов коагуляции (по pH и температуре) способствуют флокулянты. Они также в несколько раз увеличивают скорость выпадения осадков тяжелых металлов. Чаще всего в качестве флокулянта применяют полиакриламид, который обычно вводят в количестве 0,1—10 г/м³ очищаемой воды.

К преимуществам реагентного метода следует отнести высокую степень очистки от тяжелых металлов (до ПДК), а также простоту эксплуатации оборудования. Основные недостатки метода — образование значительного количества трудно перерабатываемого шлама, а также существенный расход реагентов и связанная с этим необходимость организации реагентного хозяйства, что естественно удорожает их стоимость. Кроме того, очищенная этим методом вода содержит значительное количество солей и может быть использована в оборотных системах водоснабжения лишь после дополнительной очистки.

Контрольные вопросы

• 1. Как процесс нейтрализации используется для очистки сточных вод, а также каковы области его применения, достоинства, недостатки и эффективность?
• 2. В чем состоит суть процессов очистки сточных вод окислением хлором? Каковы область применения и эффективность?
• 3. В чем состоит суть процессов очистки сточных вод окислением кислородом? Каковы область применения и эффективность?
• 4. В чем состоит суть процессов очистки сточных вод окислением озоном? Каковы область применения и эффективность.
• 5. Каковы основные схемы и аппараты процессов озонирования?
• 6. Каковы основы расчетных методов удаления из сточных вод ионов тяжелых металлов? Каковы достоинства и недостатки методов и эффективность?