Лекции по экологии (стр. 4 )

Движущей силой процесса является разность концентраций загр. вещества в газе и жидкости.

Скорость переноса определяется:

1)  свободной поверхностью абсорбции

2)  движущей силой процесса

3)  коэффициентами массы переноса

Площадь абсорбции поверхности зависит:

1)  от количества орошающей жидкости на единицу объема газа

2)  от размера капель

3)  от конструкции абсорбера

Коэффициент массы переноса зависит от диффузии молекул газа, толщины переходного слоя на поверхности жидкости, температуры и давления в системе.

Абсорбция отличается от чистой абсорбции тем, что при поглощении вредное вещество вступает в химическую реакцию с каким либо реагентом и переводится в безвредное состояние.

Хемосорбция применяется для очистки газов от угарного газа, углекислого газа, оксидов азота, сероводорода, оксидов серы, хлористого водорода и подобных веществ.

Биохимические методы основаны на способности микроорганизмов поглощать и перерабатывать некоторые вещества.

Разложение происходит под действием ферментов, которые вырабатываются этими микроорганизмами.

Биохимическая очистка применяется в основном для очистки газов от органических примесей, а также соединений серы и азота. Эти методы применимы для очистки газа постоянного состава. При изменении состава газа микроорганизмы не успевают адаптироваться и эффективность очистки падает. Высокий эффект очистки достигается при условии, что скорость биохимического окисления условленных веществ превышает скорость их поступления с газом. Различают две группы аппаратов биохимической очистки:

1) биоскрубберы 2) биофильтры

1)  Биоскрубберы – абсорбционные аппараты, в которых орошающей жидкостью является водная субстанция активного ила, и вредные вещества расщепляются микроорганизмами активного ила.

2)  Биофильтры - очищаемый газ пропускается через фильтрующий слой, который орошается водой для создания необходимой влажности. Фильтрующим слоем служат природные материалы, например, почва или торф или искусственные материалы, на которые наносится пленка активного ила.

Методы адсорбции:

При адсорбции используются твердые пористые вещества, активированный уголь. Поверхность адсорбции может быть очень велика и для некоторых материалов составляет несколько десятков квадратных метров на один один грамм материалов. Поглощаемые материалы удерживаются в порах либо химическими силами – химическая адсорбция, либо физическими силами Ван-дер-вальса - физическая адсорбция.

Газ адсорбируется в несколько стадий:

1)  перенос молекулы газа к поверхности твердого тела

2)  проникновение молекул в поры твердого тела

3)  собственно адс. и удержание молекул весь процесс лимитируется самой медленной из трех стадий. Движущей силой является градиент концентрации загрязн. твердого вещества в газе и на поверхности твердого тела.

С ростом концентрации на поверхности этот градиент уменьшается и преобладающим процессом является не адсорбция, а равновесный обмен молекулами. Адсорбция рекомендуется для газов с невысокими концентрациями загрязняющих веществ. Адсорбируемые вещества удаляются из пор десорбцией, инертным газом или паром или термической десорбцией при нагревании.

Достоинства метода:

1)  высокая степень очистки

2)  отсутствие жидкостей: а) газы не охлаждаются, б) нет необходимости в насосах и энергии на перекачку.

Недостатки:

1)  могут очищаться только сухие и не запыленные газы.

2)  Скорость движения газа через аппарат должна быть мала.

Термические методы.

Основаны на способности горючих токсичных компонентов окисляться до менее токсичных при высоких температурах.

Преимущества:

1)  небольшие габариты установок

2)  простота обслуживания

3)  высокая эффективность очистки

4)  низкая стоимость очистки

Область применения методов ограничивается характером получающихся при окислении веществ. Так при сжигании газов, содержащих серу, галогены, фосфор образуются вещества существенно более токсичные, чем исходные. Различают три схемы термической нейтрализации:

1.  прямое сжигание в пламени

2.  термическое окисление

3.  каталитическое окисление

1 и 2 осуществляются при температурах от 600 до 8000 С. 3 – при 250 – 400 С.

Выбор

1.  химическим составом загрязняющих веществ

2.  концентрациями загрязняющих веществ

3.  начальной температурой выброса

4.  объемными расходами газовой смеси

5.  ПДВ загрязняющих веществ

1.  производится в тех случаях, когда выбрасываемые газы обеспечивают не менее 50% общей теплоты сгорания. При прямом сжигании температура в факеле может достигать 1300 С. При наличии избытка кислорода и достаточном времени при таких условиях начинают образовываться оксиды азота, которые чрезвычайно токсичны. Примером прямого сжиган ия является завод Норси (г. Кстово). Существует ряд конструктивных решений, которые позволяют осуществлять прямое сжигание в замкнутой камере. Основные требования здесь:

1) обеспечение высокой турбулентности, т. е. перемешивание газового потока п

3)  обеспечение необходимого времени пребывания газа в аппарате

Существуют камерные дожигатели с открытым пламенем для нейтрализации отходов лакокрасочных производств.

2-я схема

Термическое окисление применяется тогда, когда выбрасываемые газы имеют достаточно высокую температуру, но в смеси не хватает либо кислорода либо горючих элементов, для поддержания открытого пламени. Термическое окисление в основном проводят в закрытых аппаратах с высокой турбулентностью потока. Основное преимущество термического окисления – это отсутствие открытого пламени – экономия на материалах камеросжигания и отсутствие окислов азота.

3-я схема

Каталитическое окисление используется для превращения токсических компонентов в менее токсичные путем введения в систему дополнительных веществ – катализаторов. Катализатор взаимодействует с одним из компонентов газовой смеси, образуя промежуточный продукт, который затем распадается с образованием менее токсичного вещества и чистого катализатора. Каталитическое окисление происходит быстрее, чем термическое, что позволяет уменьшить размеры аппарата.

Существенное влияние на скорость и эффективность каталитического процесса, оказывает температура газа. Для каждой реакции существует минимальная температура начала, ниже которой катализатор не проявляет активность. С повышением температуры в заданном интервале эффективность каталитического процесса возрастает. Для осуществления каталитического окисления требуется незначительное количество катализатора расположенного так, чтобы обеспечить максимальную поверхность контакта с газовым потоком. В большинстве случаев катализатором служат металлы: платина, серебро, палладий; или оксиды металлов: меди, ванадия. Катализатор обычно наносят на огнеупорные материалы. Каталитическим процессам сильно мешает пыль и каталитические яды – химические вещества, которые снижают эффективность катализатора.

Каталитические методы применяются, например, для очистки выхлопных газов автомобилей.

6.12.2000г.

Очистка сточных вод

В зависимости от условий образования сточные воды делятся на атмосферные, бытовые и промышленные.

Классификация примесей в сточных водах в зависимости от фазово-дисперсного состава

Группа	Размер частиц (см)	Краткая характеристика
Гетерогенные системы(многофазные)
1. Взвеси	10 степень-5	Суспензии и эмульсии, а также твердые нерастворимые примеси соответствующих размеров, обуславливающие мутность воды. Кроме того, к этой группе относятся микроорганизмы и планктон
2.Коллоид-ные растворы	10 степень-6, 10 степень-5	Коллоиды и высокомолекулярные соединения, обуславливающие окисляемость и цветность воды.
Гомогенные системы(однофазные)
3. Молекулярные растворы	10 степень-6, 10 степень-7	Газы и растворимые в воде органические соединения, обуславливающие запахи и привкусы
4. Ионные растворы	Меньше 10 в степени-7	Соли, основания и кислоты, обуславливающие жесткость, минерализованность, щелочность и кислотность воды

Промышленные сточные воды очищаются от примесей механическими, химическими, физико-химическими, биохимическими и термическими методами.

Все методы разделяются на рекуперационные и деструктивные.

При рекуперации из сточных вод извлекаются и перерабатываются ценные примеси. При деструктивных методах загрязняющие вещества подвергаются разрушению за счет окисления или восстановления, а продукты разрушения удаляются из раствора в виде газа или осадка.

Механические методы

Используются для удаления из раствора твердых не растворимых примесей и делятся на три группы:

1.  процеживание

2.  отстаивание

3.  фильтрование

Выбор метода зависит от

1.  размера частиц

2.  физико-химических свойств частиц

3.  концентрации загрязненных частиц

4.  необходимость степени очистки.

Процеживание

Используется для удаления из раствора грубо дисперсных или крупных нерастворимых примесей. Осуществляется через решетки и сетки. Решетки могут быть неподвижные, подвижные и совмещенные с дробилками. Чаще используются неподвижные, размещенные на пути следования раствора 60-75%. Решетку изготавливают из стержней прямоугольного или круглого сечения. Размеры поперечного сечения стержня выбираются из условия минимальных потерь давления на решетки. Решетки очищаются специальными механическими устройствами.

Отстаивание

Может быть гравитационным и центробежным.

1. Гравитационное отстаивание под действием силы тяжести. Для этого используются песколовки и отстойники больше крупные частицы меньше критической частоты.

Схема горизонтальной песколовки

H1 ________

L

1

н2

2

1 корпус

2.  слой песка

L - длина песколовки

Н1 – толщина слоя воды над песком

Н2 – толщина слоя песка

Глубина аппарата выбирается из условия:

Скорость оседания частиц , время пребывания движения воды в песколовке

Длина песколовки:

- скорость движения воды в песколовке

K – безразмерный коэффициент, учитывающий неравномерность движения воды в аппарате.

Вертикальный отстойник.

Вода поступает на очистку через трубку 5, затем движется по кольцевому каналу, который оборудован корпусом 6 и цилиндрической перегородкой 2. В процессе вертикального движения сточная вода встречает на своем пути отражательное кольцо 7

2

1 3 4 Вода на очистку

5

6

 

7

8

которое направляет воду во внутреннюю полость перегородки 2, а твердые частицы оседают в пеламосборнике –8 (масса твердых частиц с водой).

Очищенная вода через кольцевой водосбор –3 и трубку –1 удаляется из аппарата. Осадок, накопившийся в пеламосборнике периодически удаляется через трубку 4.

Отделение твердых нерастворимых примесей под действием центробежной силы происходит в гидроциклонах, схема которого совпадает с схемой циклона для очистки газа от пыли.

Фильтрация

Используется для отделения от воды дисперсионных примесей малых размеров или коллоидных соединений.

Разделение происходит с помощью перегородок пропускающих жидкость и задерживающих дисперсионную фазу.

Выбор перегородки зависит от :

1.  Свойств сточных вод

2.  От температуры раствора

3.  от давления фильтрования

4.  от конструкции аппарата.

В качестве фильтрующей перегородки используются металлические ленты и сетки, волокнистые тканевые и зернистые фильтры.

Фильтры подразделяются на :

1.  по характеру протекания процесса

а) периодический

б)непериодический

2.  по виду процесса

а) д\разделения

б) д\ сгущения

в\ для очистки

3.  по давлению при фильтровании

а) под действием гидростатического давления столба жидкости

б) под повышенным давлением перед перегородкой

в) под вакуумным за перегородкой

4.  По направлению фильтрования

5.  По конструктивным особенностям

Химические методы очистки сточных вод

1.  нейтрализация

2.  окисление

3.  восстановление

Все методы связаны с расходом реагентов и поэтому достаточно дороги.

Нейтрализация

Сточные воды, содержащие кислоты и щелочи перед сбросом нейтрализуют. Нейтральной считается вода с pH = 6,5 – 8,5

Существуют следующие пути нейтрализации:

1.  Смешивание кислотных и щелочных сточных вод

2.  Добавление реагентов

3.  Фильтрование сточных вод через нейтрализирующие материалы

4.  Абсорбция кислых газов щелочными сточными водами

5.  Абсорбция аммиака кислыми сточными водами.

Выбор метода зависит от:

1.  объема сточных вод

2.  С сточных вод

3.  Режима поступления сточных вод

4.  Наличия и стоимости реагентов.

Нейтрализацию смещением применяют, когда на одном или близких предприятиях образуются и кислые и щелочные сточные воды. При нейтрализации за счет добавления реагентов в случае кислых вод используются щелочиили карбонаты или водные растворы аммиака

Для нейтрализации щелочных вод используют растворы минеральных кислот или кислые газы.

Окисление

За счет реакции окисления загрязняющие вещества разрушаются и переходят в менее токсичное состояние. В качестве окисления используются газообразные или сжиженный хлор, кислород воздуха, озон, перманганат калия и другие окислители. Очистка окислением связана с большим расходом реагентов поэтому применяется тогда, когда сточные воды не возможно или не целесообразно очистить другими методами.

Пример : для очистки цианосоединений.

Восстановление

Используется когда в растворе содержатся легко восстанавливающие вещества. В основном – это ионы тяжелых металлов, такие как хром, ртуть и т. д. Так, например, соединение ртути восстанавливают до металла ртути, который затем удаляется отстаиванием или фильтрованием.

Физико-химические очистки сточных вод

1.  Электрохимическая очистка:

1  2 1- положительно заряженный анод

2  – отрицательно заряженный катод

3  – корпус аппарата

На аноде электроны отдают электроны, т. е. происходит реакция анодного окисления. На катоде ионы получают электроны, т. е. происходит реакция катодного восстановления.

Существует еще несколько электрохимических методов, которые являются вариантами других физико-химических методов и будут рассматриваться в дальнейшем.

2.  Коагуляция – слияние частиц коллоидной системы при их столкновении в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты, т. е. более крупные вторичные частицы, состоящие из боле мелких первичных частиц. Первичные частицы соединяются в такие скопления силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку растворителя. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего количества в объеме раствора

. Существует несколько вариантов коагуляции

1.  термокоагуляция – за счет повышения температуры. При повышении температуры растет скорость движения частиц и количество их столкновений и частицы быстрее слипаются. (варка куриного яйца).

2.  Электрокоагуляция под воздействием электрического поля

3.  Реагентная коагуляция – за счет добавления реагентов.

Схема установки для реагентной коагуляции

Вода реагент

 

чистая

вода осадок

1.  емкость для приготовления раствора.

2.  дозатор

3.  смеситель

4.  камера, коагуляции (хлопьсобразования)

5.  отстойник

4.  Флотация - процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз (газ-жидкость). Этот процесс обусловлен избытком свободной энергии поверхностных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Этими методами вода очищается от нефти, нефтепродуктов, масел и волокнистых материалов. Процесс флотации заключается в образовании этого комплекса на поверхность. Удаление образующейся пены различными методами. Существует несколько схем флотации:

1. С выделением газа из раствора механическими методами

2.с мех. Добавлением газа

3.химическая флотация, когда газ выделяется в результате химической реакции

4 электрохимическая флотация, когда газ выделяется на одном из электродов.

5.  Биохимическая флотация, когда газ выделяют микроорганизмы.

4.Сорбция: адсорбция и абсорбция

Здесь справедливо то, что было сказано при поглощении жидкостей и газов. Только абсорбция возможна если жидкости не смешиваются.

5.Ионный обмен.

Используется для извлечения из сточных вод ионов металлов, а также соединений мышьяка, фосфора, цианкосоединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки. Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой. Причем эта твердая фаза обладает свойствами обмена. Ионы, присутствующие в ней на ионы находящиеся в растворе. Вещества, Ю составляющие эту твердую фазу, практически нерастворимы и называются ионитами.

Схема ионообменной колонки

Вода на очистку 1

 

2

 

Чистая вода

1-  корпус

2-  слой ионита

Вода поступает сверху - ионит - обмен. Ионит выделяет ионы Н+, ОН - или Na+

Мембранные технологии.

Любой аппарат для мембранной технологии состоит из корпуса 1 , разделенного на 2 части полупроницаемой мембраной 2.

 

2

1

 

Мембранная технология является как бы противоположностью метода механического фильтрования. Если при фильтровании примеси задерживаются на мембране, то при мембранных методах они под воздействием некоторых сил переходят через мембрану в другую часть аппарата. Мембранные методы различаются по виду этих сил.

А) экстракция

Примеси переходят через мембрану под воздействием химических сил. Экстракция может приводится и без мембраны в том случае, когда жидкость в левой и правой части аппарата не смешиваются.

Б) обратный осмос и ультрафикация.

Примеси переходят через мембрану под воздействием разности давлений. Выбор того или иного метода происходит в зависимости от размера частиц примеси и величины разности давления.

В) электродионицизация. В обе части аппарата погружают по электроду и примеси переходят через мембрану под воздействием электрического поля.

7.Выпаривание. Используется для повышения концентрации примесей.

8.Кристаллизация. Основан различной растворимости содержащихся примесей, которая зависит как от их вида, так и от температуры. При понижении температуры получаются пересыщенные растворы и примеси выпадают в виде кристалов.

9.Дистилизация. Основан на разности температур испарения вредных веществ.

Биохимические методы

Используются при очистки сточных вод от органических соединений, а также соединений серы и азота. В процессе формирования своего органического вещества микроорганизмы частично разрушают загрязнитель, превращая в углекислый газ, воду, сульфат и нитрат ионы, а частично используются для построения своего органического вещества.

Биохимические методы делятся на две группы.

1.  Аэробные. В присутствие кислородовоздуха, Ж которые проводятся в естественных условиях на полях орошения или биологических прудах и в искусственных условиях, например, в биофильтрах и биоскрубберах.

2.  Аноэробные методы. Без кислородовоздуха. Используется для очистки высоко концентрированных стоков и осадков. Если сточные воды не могут быть очищены вышеперечисленными методами, то они подвергаются термической нейтрализации, т. е. сжиманием или закачиваются в глубинные скважины.

20.12.2000г.

Захоронение и утилизация твердых отходов

В настоящее время бытовые твердые отходы утилизируются в основном на городских свалках, где в течении нескольких лет они разлагаются сб образованием токсичных сточных вод и газов, более современными являются создание мусороперерабатывающих заводов. Однако для нашей страны существуют следующие проблемы:

1.  во всех странах такие заводы 30% дотируются государством. В нашей стране это практически не возможно.

2.  Отсутствие сортирования отходов: для металла, для бумаги и т. д.

В промышленности для утилизации и захоронения твердых отходов используютсчя специальные полигоны – территория не менее 50 гектаров, расположенная от ближайшего крупно населенного пункта на расстоянии не менее 100 км.

Под полигон выбирается территория, которая постигается водонепроницаемым отходам.

Полигон окружается кольцевым валом из глины и кольцевым каналом для перехвата сточных вод с поверхности. Полигон разделен на несколько секторов:

1.  сектор для захоронения гальванических отходов

2.  сектор для захоронения?

3.  сектор для захоронения особо токсичных отходов, которые захораниваются в гермитичных бетонных и металлических контейнерах.

4.  ---- малотоксичных и не токсичных отходов

5.  участок для сжигания горючих отходов и рекуперации тепла.

На полигоне существует лаборатория для анализа состава отходов и отборы проб из кольцевого канала.

ЭКЗАМЕН к 9 часам, аудитория 1319 или 1853.