5.4. Экстракция

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 (табл. 1.3). 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 несмешивающихся (или слабо смешивающихся) растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения (или экстракции)

kp = Cэ / Cст ≈ const, (1.12)

где Сэ, Сст – 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 эктстрагенте. 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.

Таблица 1.3

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 подразделить (рис. 1.37) на перекрестно-точные, ступенчато-противоточные, непрерывно-противоточные.

Прямоток в процессах экстракции не применяется при многоступенчатой перекрестной (рис. 1.37, а) схеме сточная вода на каждой ступени контактирует со свежим экстрагентом, что требует значительных его расходов.

Практическое  применение получили методы ступенчато-противоточной  (рис. 1.37, б) 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.

Конечная концентрация экстрагируемого из раствора вещества в воде может быть определена по формуле

(1.13)

где Cк, Cн – конечная и начальная концентрация экстрагируемого вещества, кг/м3; n – число экстракций; b – удельный расход экстрагента для одной экстракции, м3/м3

b=W / (n·Q).

Здесь W– общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию, м ; Q – количество сточных вод, подвергающихся экстракции, м3;kp – коэффициент распределения.

Анализируя уравнение (1.37) можно, сделать вывод о большой эффективности многократной экстракции.

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 плоскость обрабатываемой сточной воды больше плотности экстрагента (γcт > γэ), то вода вводится в экстракционную колонну сверху, а экстрагент – снизу (рис. 1.38, а). При γэ > γcт экстрагент вводится в верхнюю часть колонны, а обрабатываемая сточная вода - в нижнюю (рис.1.38, б).

Для определения концентрации экстрагируемого вещества в обработанной сточной воде можно воспользоваться формулой

Cк = (1 – b·kP)·Cн. (1.14)

Требуемый удельный расход экстрагента при заданных начальной и конечной концентрациях экстрагируемого вещества в сточной воде определяется из выражения

b = Cн – Cк / (kp Сн). (1.15)

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 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, торф), 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).