Введение к работе
Актуальность работы
В перечень обязательных требований, предъявляемых к современным технологическим процессам, входят высокая степень чистоты исходных и целевых продуктов, экологическая безопасность технологий и организация замкнутых водооборотных циклов. Одной из наиболее распространенных при соблюдении указанных требований проблем является необходимость глубокой очистки технологических растворов и сточных вод от ионов металлов.
В тех случаях, когда исходная концентрация мешающих ионов относительно мала, а степень извлечения должна быть высока, наиболее целесообразным является применение сорбционных методов. Эти методы достаточно хорошо зарекомендовали себя при решении широкого круга задач, связанных с глубокой очисткой сточных вод от токсичных металлов до уровня предельно-допустимых концентраций (ПДК), а также технологических растворов от примесей металлов, содержание которых ограничено регламентными требованиями производств.
Тем не менее, для большинства сорбционных процессов, применяемых для этих целей, характерен ряд недостатков:
- неполное использование емкостных свойств сорбентов, что связано с
неоптимальными условиями их эксплуатации, а также низкой
эффективностью аппаратурного оформления процессов очистки.
Результатом этого является повышенный расход сорбентов и
регенерирующих веществ, а также образование поликомпонентных элюатов,
утилизация металлов из которых затруднена;
многостадийность технологических процессов, вызванная обязательностью пред- и послесорбционной обработки очищаемых растворов;
- громоздкость используемого оборудования и, соответственно, большие
размеры площадок, занимаемых установками очистки, что связано с
проведением сорбционных процессов при низких скоростях и в
периодическом режиме;
- относительно низкая экономическая эффективность, являющаяся
следствием изложенных выше причин и приводящая к увеличению
себестоимости выпускаемых продуктов.
Частичное или полное устранение указанных недостатков позволяет существенно увеличить экономическую и экологическую целесообразность сорбционных процессов очистки технологических растворов и сточных вод от микропримесей металлов. Однако, следует отметить, что интенсификация процессов сорбционной очистки водных растворов от ионов металлов является сложной многофакторной задачей, оптимальное решение которой
предполагает использование комплексного подхода. Именно это обусловило постановку данной работы.
Цель работы состояла в решении ряда теоретических и практических проблем интенсификации процессов сорбции микропримесей металлов из водных растворов сложного состава на основе комплексного изучения свойств сорбционных систем и использовании разработанного подхода при создании высокоэффективных процессов глубокой очистки технологических растворов и сточных вод.
Научная новизна работы
Впервые предложен комплексный последовательный подход к решению многофакторных задач интенсификации сорбции микропримесей металлов из водных растворов и показана эффективность его применения при разработке процессов очистки сточных вод и технологических растворов.
Сформулированы критерии сравнения эффективности действия различных сорбционных материалов в заданных условиях, и разработан алгоритм решения задачи выбора оптимального сорбента и условий его эксплуатации.
Обоснован выбор рационального аппаратурного оформления
сорбционных процессов глубокой очистки водных растворов от микропримесей металлов, основанный на определении и расчете их кинетических, динамических и технологических параметров.
Разработаны математические модели циклических процессов сорбционной очистки водных растворов от микропримесей металлов, организованных в периодическом и непрерывном (ступенчато-противоточном) режимах; на основании этих моделей проведена оптимизация процессов очистки сточных вод и технологических растворов по экономическому критерию и определены оптимальные технологические параметры их реализации.
Выявлены специфические особенности сорбционного извлечения микропримесей металлов из водных растворов сложного солевого состава, сопряженные с комплексо- и гидратообразованием в фазе сорбента, и установлена корреляция эффективности сорбции со степенью реализации различных видов взаимодействия. Показаны возможные пути активного воздействия на процесс сорбции за счет применения материалов с заданными комплексообразующими и структурными свойствами, смесей сорбентов, а также модифицирования ионитов для придания им окислительной способности и повышения акцепторной активности функциональных групп.
Практическая значимость работы
Разработаны методы расчета ионообменных установок, которые позволяют не только определять технологические параметры работы отдельных аппаратов при заданных условиях ведения процесса, но и решать задачи оптимизации работы установок и выбора рациональной технологической схемы очистки сточных вод и технологических растворов от микропримесей металлов.
Предложены и внедрены в практику методы оценки сорбционных свойств различных ионообменных материалов, позволяющие проводить выбор оптимального сорбента для очистки водных растворов от микропримесей металлов.
Разработаны, испытаны в производственных условиях и внедрены новые конструкции высокопроизводительных ионообменных аппаратов.
Полученные в работе основные выводы и рекомендации использованы при разработке исходных данных для проектирования промышленных установок сорбционной очистки технологических растворов и сточных вод от микропримесей металлов.
Разработаны, испытаны в опытно-промышленном масштабе и рекомендованы к внедрению технологии
очистки от кальция рассола хлористого натрия при получении хлора и каустической соды методом электролиза с ионообменной мембраной;
очистки от железа рассола хлористого натрия при получении хлора и каустической соды методом электролиза с ртутным катодом;
- очистки от токсичных ионов цветных металлов промывных вод
гальванических производств с централизованной регенерацией ионитов и
утилизацией металлов;
очистки от кадмия сточных вод производства ацетальдегида. Разработаны и внедрены в промышленность технологии:
очистки от ртути сточных вод производства хлора и каустической соды;
очистки от ртути сточных вод установки демеркуризации люминисцентных ламп;
- централизованной регенерации ртутьсодержащего анионита.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методология оценки эффективности процессов очистки водных
растворов от микропримесей металлов, которая основана на комплексном
изучении физико-химических и эксплуатационных свойств сорбционных
материалов и технологических параметров процессов, рассчитанных
методами математического моделирования.
2. Обоснование возможности интенсификации процессов сорбционной
очистки водных растворов от микропримесей металлов за счет нахождения
оптимума между сорбционной и десорбционной способностями ионитов.
3. Теоретическое обоснование и практическое подтверждение
возможности совершенствования технологических процессов сорбцирнной
очистки за счет сокращения их стадийности, основанной на применении
сорбционных материалов и регенерирующих растворов с заданными
свойствами.
-
Критерии рационального выбора аппаратуры для осуществления сорбционных процессов, основанные на анализе и сопоставлении кинетических и динамических параметров.
-
Технологические процессы сорбционной очистки сточных вод и технологических растворов различных производств от микропримесей металлов, разработанные на основании изучения равновесных, кинетических и динамических характеристик сорбционных систем с использованием методов математического, моделирования и их сравнительная технико-экономическая оценка.
Декларация личного вклада
В диссертации обобщены результаты исследований, проводившихся с 1976 по 1996гг. по программам Министерства химической промышленности СССР, Министерства промышленности Украины, ГКНТ Украины и ГОСПИЩЕПРОМа Украины. Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве, состоял в формировании направления исследований, общей постановке задачи, ее экспериментальном решении, а также в анализе и интерпретации полученных результатов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании "Охрана и рациональное использование водных ресурсов на предприятиях Минхимпрома" (г.Черкассы 1979г.), республиканском научно-техническом совещании (Узбекистан, 1979 г.), 2-й Всесоюзной конференции "Неорганические ионообменные материалы" (Ленинград, 1981г.), V-й Всесоюзной конференции "Физико-химические исследования фосфатов (Фосфаты-81)" (Ленинград, 1981г.), XIII-й Украинской республиканской конференции по физической химии (Одесса, 1980г.), Всесоюзном совещании "Применение адсорбционных процессов для защиты окружающей среды от загрязнений" (Минск, 1978г.), Всесоюзном научно-техническом совещании "Охрана окружающей среды на предприятиях хлорной подотрасли" (Темиртау, 1983 г.), Всесоюзном совещании по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов (Черкассы, 1986 г.), VI и VII Всесоюзных конференциях "Применение ионообменных материалов в промышленности и аналитической химии" (Воронеж, 1986, , 1991г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления
развития водоснабжения, водоотведения, очистки природных и сточных вод и обработки осадков" (Харьков, 1986 г.), Х-ом Всесоюзном семинаре "Химия и технология неорганических сорбентов" (Душанбе, 1986 г.), Всесоюзной научной конференции "Охрана от загрязнения сточными водами водоемов бассейнов внутренних морей" (Тбилиси, 1987 г.), VIII-й Всесоюзной конференции по методам получения и анализа высокочистых веществ" (Горький, 1988 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективные технологии очистки сточных вод с применением неорганических сорбентов" (Челябинск , 1988 г.), VII-й Республиканской конференции "Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств" (Львов, 1988 г.), Всесоюзной научно-технической конференціпі "Состояние основных фондов хлорных производств и меры по их модернизации" (Волгоград, 1988 г.), VI-й Всесоюзной конференции "Мембрашго-сорбционные процессы разделения веществ и их применение в народном хозяйстве" (Черкассы, 1988г.), Республиканской научно-технической конференции "Актуальные проблемы совершенствования управления природопользованием и охраны окружающей среды" (Черкассы, 1988 г.), конференции "Региональные экологические проблемы Крыма и пути их решения" (Севастополь, 1991 г.), конференции "Проблемы промышленной экологии" (Черновцы, 1991 г.), Международном конгрессе "Вода: Экология и технология" (Москва, 1994 г.), The Fourth International Conference and Industrial Exhibition on Ion Exchange Processes (Wales, United Kingdom, 1995 г.), Internationa! Conference on Ion Exchange (Takamatsu, Japan, 1995 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 70 печатных работ, в том числе 27 статей, 12 авторских свидетельств на изобретения и 3 патента.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложений, в состав которых включены акты и материалы внедрений.
Работа изложена на 307 страницах основного текста, включая 55 таблиц,
40 рисунков, и 54 страницах приложений. Объем библиографии - 433 источника.
