Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и анализ методов очистки сточных вод, содержащих трудноокисляемые органические вещества 8
1.1 Источники образования сточных вод, опасных для окружающей среды 8
1.2 Окислительные методы очистки сточных вод от фенолов 9
1.3 Усовершенствованные окислительные процессы 12
1.4 Кавитация в очистке сточных вод 20
Выводы 29
2 Объекты и методы исследования 31
3 Расчет и конструирование устройства для генерирования кавитации 43
3.1 Устройства для генерирования кавитации 43
3.2 Струйный кавитатор 48
3.3 Экспериментальная установка для реализации окисления нитрофенолов со струйным кавитатором 57
4 Окисление 4-нитрофенола в условиях гидродинамической кавитации 60
4.1 Механизмы растворения железа в водном растворе 60
4.2 Эксперименты по анодному растворению железа в условиях кавитации. 65
4.3 Окисление фенолов и нитрофенолов реагентом Фентона в условиях кавитации 68
4.4 Параметры системы, влияющие на протекание процессов окисления в условиях гидродинамической кавитации 75
4.4.1 Форма кавитации 75
4.4.2 Свойства среды 76
4.4.3 Солесодержание 77
4.4.4 Влияние рН 79
4.5 Эффективность окисления 4-NP методами, основанными на АОР процессах 81
Выводы 83
5 Технологии очистки сточных вод с использованием кавитационных устройств 84
5.1 Технологическая схема очистки сточных вод от фенолов и 4-нитрофенолов на основе разработанного кавитационного устройства 84
5.2 Сравнение эффективности очистки фенолосодержащих сточных вод озонированием и предлагаемым методом 90
5.3 Технология флотационной очистки сточных вод с использованием кавитационных устройств в режиме диспергирования воздуха 95
5.3.1 Кавитационные аппараты для проведения флотационной обработки сточных вод 95
5.3.2 Экспериментальная работа по флотационной обработке сточных вод..98
5.3.3 Флотатор на основе роторного и струйного кавитаторов 101
5.4 Экономическая эффективность разработанной технологической схемы флотационной очистки сточных вод 105
5.4.1 Существующая схема очистки сточных вод от процесса мойки вагонов 105
5.4.2 Предлагаемая схема очистки сточных вод от процесса мойки вагонов 106
Выводы 111
Основные выводы 113
Список литературы 115
Приложение 1 129
Приложение 2 130
Приложение 3 134
Приложение 4 137
Приложение 5 140
Приложение 6 141
Приложение 7 142
- Окислительные методы очистки сточных вод от фенолов
- Экспериментальная установка для реализации окисления нитрофенолов со струйным кавитатором
- Окисление фенолов и нитрофенолов реагентом Фентона в условиях кавитации
- Сравнение эффективности очистки фенолосодержащих сточных вод озонированием и предлагаемым методом
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из приоритетных задач в области охраны окружающей среды является снижение поступления токсичных веществ со сточными водами промышленных предприятий, в том числе предприятий по производству лакокрасочной продукции, взрывчатых веществ и др. Сточные воды таких предприятий, характеризуются высоким содержанием фенолов, красителей, нефтепродуктов и их производных.
Анализ литературных данных показывает, что очистка сточных вод на большинстве подобных предприятий осуществляется с использованием традиционных технологий и подходов путем обработки коагулянтами и флокулянтами с последующим осветлением стоков отстаиванием. Лишь в единичных случаях частично очищенные воды направляют на глубокую доочистку, для чего окисление остаточных фенолов осуществляют с использованием АОР (Advanced Oxidation Processes) процессов (озонирование, окисление Н2О2 в присутствии ионов Fe2+, окисление ультрафиолетом в комбинации с 03 или Н202, окисление озоном или пероксидом водорода в условиях кавитации, генерированной ультразвуком, и др.). Каждый из указанных методов наряду с положительными сторонами отличается специфическими недостатками, что обуславливает необходимость дальнейшего поиска экономически рациональных и ресурсосберегающих методов и технологий очистки сточных вод.
В связи с этим, большой интерес вызывает возможность использования для решения технологических и экологических задач при очистке сточных вод энергии, высвобождаемой в объеме жидкости в результате возникновения так называемой гидродинамической кавитации.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС) при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант 08-08-00867-а).
Цель работы. Исследование и разработка метода, технологических схем и устройства для очистки сточных вод с использованием гидродинамической кавитации.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
- разработать генератор гидродинамической кавитации и установку для кавитационной обработки жидких сред;
- изучить влияние гидродинамической кавитации на механизмы и кинетику окисления фенолов;
— изучить возможность использования генераторов гидродинамической кавитации вихревого типа для реализации процесса флотонасыщения при очистке сильнозагрязненных сточных вод;
- разработать технологические схемы очистки сточных вод с использованием устройства для генерирования гидродинамической кавитации.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовали современные физико-химические методы исследования: UV/Vis-спектрофотометрию, потенциометрию, стандартные методики кинетических измерений, статистические методы обработки результатов на ПЭВМ с использованием пакетов прикладных программ Origin v 7.0, Excel 2003.
Научная новизна защищаемых в диссертации положений заключается в следующем:
- разработан и запатентован генератор гидродинамической кавитации, необходимый для реализации кавитационной обработки сточных вод (Патент РФ № 2269386 С1);
- обоснованы и экспериментально подтверждены условия и механизм каталитического окисления 4-нитрофенола пероксидом водорода при одновременном растворении стальной загрузки в условиях гидродинамической кавитации;
- разработан способ и технологическая схема глубокой очистки сточных вод с использованием гидродинамической кавитации для инициирования реакций окисления трудноокисляемых примесей на примере 4-нитрофенола;
- предложены новые технические решения по использованию гидродинамической кавитации в технологиях флотационной очистки сточных вод.
Практическая значимость работы заключается в том, что автором получены исходные данные для разработки и проектирования промышленных аппаратов, в которых генератор гидродинамической кавитации использован для интенсификации процессов окисления примесей в сточных водах. Разработана установка флотационной очистки сточных вод, в которой на стадии флотонасыщения использован генератор гидродинамической кавитации. По результатам испытаний пилотной установки на заводе ЗАО «Агрохимсервис» (г. Новосибирск) выполнены проекты реконструкции очистных сооружений и рабочие чертежи флотатора для нескольких предприятий Западносибирской железной дороги (ЗСЖД). На защиту выносятся:
- способ очистки сточных вод от фенолов с использованием гидродинамической кавитации и устройство для его реализации;
- результаты по окислению растворов нитрофенола реагентом Фентона в условиях гидродинамической кавитации.
- технологические схемы очистки сильнозагрязненных сточных вод с использованием генератора кавитации вихревого типа на стадиях флотонасыщения.
Апробация работы:
Результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях и семинарах: VI международная конференция (Кемерово, 2003г.); 3-я школа-семинар молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (Улан Удэ, 2004); XI международная научно-практическая конференция «Химия - XXI век: новые технологии, новые продукты» (Кемерово, 2008), международная научно-практическая конференция "Приоритеты
Байкальского региона в Азиатской геополитике России" (Улан-Удэ, 2008).
Окислительные методы очистки сточных вод от фенолов
Окислительные методы очистки применяют в случае невозможности или экономической нецелесообразности извлечения примесей из сточных вод. Они технологичны, эффективны, не дают осадков. К этой группе методов относятся термоокислительные способы, обработка стоков реагентами-окислителями (например, озоном, хлором), а также электрохимическое окисление [3,8,9].
Реагентное окисление является в настоящее время одним из наиболее распространенных методов очистки сточных вод от фенолов. В качестве окислителей применяют хлор и некоторые его соединения, перманганат калия, бихромат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, озон и др. [10, 11]. Наиболее распространенными окислителями являются молекулярный хлор и вещества, содержащие "активный хлор" - связанный или свободный ион ОСГ (двуокись хлора, гипохлориты кальция и натрия, хлорамины) [10,12]. Активный хлор, взаимодействуя с веществами, присутствующими в воде, участвует в реакциях присоединения, замещения и окисления. Протекание этих реакций зависит как от условий проведения процесса (дозы окислителя, рН, времени контакта), так и от природы окисляемых веществ.
Установлено [12], что окисление фенола активным хлором протекает постадийно: на первой стадии образуются хлорфенолы, на второй -многоатомные фенолы и хиноидные соединения, на третьей - группа карбоновых кислот. Наиболее интенсивный хлорфенольный запах воды обнаруживается при мольном соотношении хлора и фенола 2:1. Дальнейшее увеличение дозы хлора до б: 1 приводит к разрыву ароматического кольца с образованием малеинового ангидрида, и при избытке хлора 8:1 наблюдается наиболее глубокое окисление фенола. В качестве продуктов реакции в данном случае обнаружены, кроме малеиновой, также муконовая и муравьиная кислоты. Лучшие результаты достигаются при окислении фенола в слабощелочной среде (рН 7.2-8.5).
Несмотря на простоту и компактность установок для хлорирования воды, доступность и дешевизну хлора и его производных, метод очистки сточных вод активным хлором может иметь лишь ограниченное применение. Связано это с недостаточной глубиной окисления органических примесей (до органических кислот), образованием токсичных хлорорганических соединений, необходимостью применения высоких доз активного хлора, высокой токсичностью самого хлора.
Один из наиболее перспективных путей базируется на процессах окисления органических примесей экологически "чистыми" окислителями, поскольку при их использовании не происходит вторичное загрязнение воды продуктами разложения самого реагента. К «чистым» окислителям относятся озон, пероксид водорода и кислород.
Широкое распространение в практике очистки питьевой воды и промышленных сточных вод получило применение озона. Окисление озоном позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание воды, устранение привкусов и запахов и обеззараживание.
Обычное традиционное применение озона для глубокой очистки воды от органических примесей требует его высокого удельного расхода. Кроме того, широкое применение озона в практике водоочистки сдерживается наличием в сточных водах достаточно большого количества трудноокисляемых органических соединений, не поддающихся глубокому окислению при простом озонировании. Это приводит к образованию продуктов неполного окисления, которые могут быть более токсичными, чем исходные соединения. Использование озона наиболее эффективно только в щелочных средах, что требует применения стойких к окислению конструкционных материалов и, поскольку озон токсичен (ПДК= 0.1мг/м3), необходимо организовывать систему "дожигания" непрореагировавшего газа. Кроме того, узким местом процесса озонирования является аппаратурное оформление узла смешения озона с водой [13].
Пероксид водорода является одним из наиболее эффективных и перспективных окислителей, применяющихся в настоящее время в водоподготовке. В последние годы он начинает все шире использоваться и при очистке бытовых и производственных сточных вод, в частности в горнодобывающей промышленности, химической, ЦБП, в машиностроении и др. [14]. Значительный экологический эффект использования пероксида водорода обеспечивается прежде всего тем, что основными продуктами химических реакций, лежащих в основе процессов водоочистки, являются безвредные вещества: Н20, СО2, 02.
Анализ литературных данных [15,16-20] показывает, что процесс окислительной деструкции фенольных соединений пероксидом водорода эффективен при длительной обработке (до 60 мин.), повышенном расходе окислителя и катализатора - до 39 моль пероксида водорода на 1 моль органического соединения и до 300 мг/л Fe"+ при начальных концентрациях загрязняющих веществ 30-40 мг/л.
Проведенное обобщение проблем водоснабжения и водоотведения при очистке воды от токсичных соединений типа фенолов, пестицидов, нефтепродуктов, красителей показало, что малая концентрация и очень низкая окисляемость этих соединений приводит к тому, что окисление становится эффективным только в экстремальных условиях процесса очистки, какими являются сверхкритические давления и температура, облучение светом, ускоренными электронами или у-квантами [21]. В этих условиях генерируется большое количество оксильных радикалов и реализуется цепное свободно-радикальное окисление органических примесей.
Свободным радикалом называется частица, атом или молекула, имеющая на внешней оболочке один или несколько неспаренных электронов [22]. Это делает радикалы химически активными, поскольку радикал стремится либо вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул, либо избавиться от «лишнего» электрона, отдавая его другим молекулам.
Экспериментальная установка для реализации окисления нитрофенолов со струйным кавитатором
Для реализации исследований по влиянию кавитации была создана опытная установка (рис. 24). Рабочее давление в потоке жидкости 210 Па при расходе 0.5 м /час. Объем циркулирующего раствора 26 л, время пребывания в реакционной зоне аппарата составляет 1.3 минуты, один цикл составляет 3.12 минуты.
Работа установки организована следующим образом: насосом (насос -марка КМ32-22-120) 2 производится подача загрязненной воды из бака 1 по подающей линии 3 в кавитатор 4, после чего кавитирующий поток поступает в реактор со взвешенным слоем загрузки 5. Из реактора жидкость поступает в рабочий объем аппарата 6 и сбрасывается по трубопроводу 10. Часть воды по рециркуляционному трубопроводу 7 возвращается на повторную обработку (рециркуляционный расход определяется степенью загрязнения воды). При работе установки возможна подача окислителя (жидкого или газообразного) непосредственно в кавитатор (позиция 9). Рисунок 24 - Схема экспериментальной установки с кавитационным модулем. 1 - бак с грязной водой; 2 — подающий насос; 3 — подающая линия; 4 - струйный кавитатор; 5 - реактор со взвешенным слоем загрузки (катализатор); 6 - рабочий объем аппарата; 7 - рециркуляционный трубопровод; 8 - система охлаждения; 9 - подача окислителя; 10 - отвод очищенной воды
При проведении экспериментов по окисления 4-нитрофенола в условиях барботирования воздухом (без кавитации) на данной установке производился демонтаж кавитационного модуля, на дно опускался фильтр Шотта подключенный к компрессорной установке. Объем циркулирующего раствора сохранялся.
Одной из задач, поставленных при разработке кавитатора, было создание скоростного напора, достаточного для удержания загрузки во взвешенном состоянии. Решение, применить взвешенный слой, продиктовано необходимостью хорошего контакта потока и загрузки. В случае стационарного положения загрузки наблюдается ее быстрая цементация, и эффективность растворения падает.
Поток, пройдя через реактор, попадает в реакционную зону, откуда самотеком поступает обратно в бак. Так как в процессе работы установки происходит нагрев жидкости (температура в процессе работы за 10 мин повышается на 2С), то для поддержания постоянной температуры в баке установлен теплообменник 8, по которому протекает охладитель - холодная вода из водопровода. Так как экспериментальная работа поводилась в холодное время года, то температура охладителя не превышала 9С, а рабочая температура раствора составляла 20С.
Использование Fe для технологии очистки сточных вод в системе Фентон возможно для продуцирования ионов Fe (растворение железа из загрузки - коррозия). Рассматривая коррозию в условиях водной среды можно выделить основные факторы, влияющие на процесс растворения железа: рН, солесодержание, наличие растворенных газов, размер и чистота поверхности контакта, а так же условия, в которых происходит процесс.
Под коррозией понимают физико-химическое или химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы. Ржавчина - это слой частично гидратированных оксидов железа Fe203 H20, образующийся на поверхности железа и некоторых его сплавов в результате коррозии. Гидрооксид железа(Ш) очень неустойчив, быстро теряет воду и превращается в оксид железа(Ш). Это соединение не защищает поверхность железа от дальнейшего окисления.
Коррозия является электрохимической, если при выходе из металлической решётки образующийся катион вступает в связь не с окислителем, а с другими компонентами коррозионной среды; окислителю же передаются электроны, освобождающиеся при образовании катиона. Такой процесс возможен в тех случаях, когда в окружающей среде существуют два типа реагентов, из которых одни (сольватирующие или комплексообразующие) способны соединяться устойчивыми связями с катионом металла без участия его валентных электронов, а другие (окислители) могут присоединять валентные электроны металла, не удерживая около себя катионы. Подобными свойствами обладают растворы или расплавы электролитов, где сольватированные катионы сохраняют значительную подвижность. Таким образом, при электрохимической коррозии удаление атома из металлической решётки (что составляет суть любого коррозионного процесса) осуществляется в результате двух независимых, но сопряжённых, связанных между собой электрическим балансом, электрохимических процессов: анодного - переход сольватируемых катионов металла в раствор, и катодного - связывание окислителем освобождающихся электронов.
По характеру дополнительных воздействий коррозию делят на следующие виды. Коррозионная эрозия (или коррозия при трении) представляет собой ускоренный износ металла при одновременном воздействии взаимно усиливающих друг друга коррозионных и абразивных факторов (трение скольжения, поток абразивных частиц и т. п.). Родственная ей кавитационная коррозия возникает при кавитационных режимах обтекания металла агрессивной средой, когда непрерывное возникновение и «захлопывание» мелких вакуумных пузырьков создаёт поток разрушающих микрогидравлических ударов, воздействующих на поверхность металла.
Для установления скорости коррозии металла в данной конкретной среде обычно ведут наблюдения за изменением во времени какой-либо характеристики, объективно отражающей изменение свойства металла.
При использовании процесса коррозии, для получения ионов двухвалентного железа, происходит постепенное снижение выделения количества Fe2+ - это происходит благодаря изменениям в морфологии поверхности железа. Например, образования из нерастворимых оксидов железа могут загрязнять поверхность, сокращая восстановительный процесс и замедляя рост трещин на поверхности металла. Подобный процесс наблюдается при местной коррозии, в данном случае поражения локальны и оставляют практически незатронутой значительную (иногда подавляющую) часть поверхности. В зависимости от степени локализации различают коррозионные пятна, язвы и точки (питтинг).
Окисление фенолов и нитрофенолов реагентом Фентона в условиях кавитации
Для изучения влияния кавитации на процесс окисления реагентом Фентона были выполнены эксперименты по окислению фенола и 4-NP в различных условиях (значения рН, концентрация пероксида водорода, солесодержание исходной воды, состав и масса загрузки).
Эксперименты проводились на установке, схема которой представлена на рисунке 24. Рабочее давление в потоке жидкости 2x105 Па при расходе 0.5 м7час. Объем циркулирующего раствора 26л. Температура раствора 20 ± 0.2С.
Эксперименты по окислению фенола проводились с начальной концентрацией фенола 2.ІХІ0"4 моль/л. В качестве загрузки в реакторе использовалась гальванопара железо/медь (общая масса загрузки 88г). Процесс окисления проводили при различных соотношениях окислителя и фенола - рисунок 30. Полное окисление наблюдается через 5 минут при соотношении пероксида водорода и фенола 1:14 моль. При введении окислителя меньше требуемого по стехиометрии полное окисление происходит медленнее, но благодаря активации процесса окисления кавитацией процесс продолжается. 10 т, мин Рисунок 30 - Кинетика гальванохимического окисления фенола Н202 в условиях кавитации с загрузкой в реакторе железо/медь. Начальная концентрация фенола 2.ІХІ0"4 моль/л, соотношение Н202 : Ph, (моль):1 - 5.6; 2-9.8; 3-14.0 При проведении экспериментов по окислению 4-нитрофенола начальная концентрация 4-NP (реактив марки «Ч») составляла 9.3 мг/л (6.7105 моль/л); Н202 - 4.02х10"4моль/л; Fe2+ - І.ббхІО"4моль/л, рН раствора 3.3-3.4.
Повысить эффективность процесса окисления позволяет проведение реакции Фентона в условиях кавитации. Согласно экспериментальным данным константа скорости возрастает до 5.33x10" с" . Наблюдается увеличение скорости реакции окисления и, соответственно, степени конверсии нитрофенола в 1.6 раза в кавитирующем потоке по сравнению с окислением 4-NP реагентом Фентона и диспергированием воздуха.
Поскольку концентрация ионов Fe2+ в растворе уменьшается, наблюдается быстрое снижение скорости окисления 4-NP реагентом Фентона даже при наличии Н2Ог. Дефицит Fe обычно восполняют, периодически дозируя в реакционную смесь раствор соли Fe2+, либо восстанавливая Fe + облучением растворов ультрафиолетом [ПО], электрохимическим [133] или гальванохимическим растворением Fe [134]. Дальнейшим усовершенствованием процесса окисления является включение в систему источника растворения железа - реактор со взвешенной загрузкой из стальной стружки.
Согласно экспериментам по растворению железа через 2.5 минуты работы установки концентрация железа составляет 0.5 мг/л, при дозировании начальная концентрация железа составляла 10 мг/л. Из-за недостатка Fen+ константа скорости окисления 4-NP при растворении железа меньше, чем при его дозировании. При дальнейшей работе установки происходит накопление достаточного количества железа для поддержания реакции Фентона.
Окисление 4-NP в течение первых 5 минут сопровождается окрашиванием раствора в бурый цвет, что, судя по всему, указывает на образование преимущественно п-диоксибензола, n-бензохинона и промежуточного продукта окисления п-диоксибензола хингидрона. Константа скорости, рассчитанная в приближении реакции первого порядка по уравнению (48) составила 4.73x10" с" . Максимальная степень конверсии 4-NP в кавитирующем потоке при начальных концентрациях 4-NP и Н2С 2, указанных выше, была 98%.
Высокая степень конверсии 4-NP объясняется как активацией молекул 4-NP коллапсирующими пузырьками газа, так и тем, что в обоих случаях радикально-цепной механизм окисления фенола поддерживается наличием в реакционной смеси ионов Fe2+, необходимая концентрация которых обеспечивается путем быстрого восстановления Fe3+ интермедиатами. Экспериментальное подтверждение роли интермедиатов для регенерации Fe2+ при окислении фенольных соединений в водных растворах реагентом Фентона недавно опубликовано в [135]. При окислении 4-NP в реакторе со стальной загрузкой непрерывное поступление Fe"+ обеспечивается, кроме того, и её растворением.
Результаты работ [ПО, 136-137] показывают, что окисление нитрофенола различными методами с участием Н2Ог (ультрафиолет/Н202 [110, 135], ультразвук/Фентон [136], электро-Фентон [137] происходит с образованием одних и тех же промежуточных продуктов: п-диоксибензола, 4-нитро-о-диоксибензола, п-бензохинона, 1,2,4-тригидроксибензола, фумаровой и щавелевой кислот. И только относительное содержание интермедиатов в реакционной смеси зависит от метода окисления.
На первой стадии окисления имеет место активирование молекул 4-NP в орто- и пара- положении, гидроксилирование и образование 4-нитро-о-диоксибензола и n-диоксибензола, которые затем подвергаются атаке со стороны "ОН радикалов и окисляются сначала до 1,2,4-тригидроксибензола и, далее, до фумаровой (малеиновой) и щавелевой кислот при наличии достаточного количества Нг02 в реакционной смеси. Но поскольку в начальный период времени на 1 моль 4-NP приходится всего 6 моль Н2Ог, происходит быстрое накопление первичных интермедиатов, а затем окисление n-диоксибензола до п-бензохинона и образование хингидрона. Устанавливается достаточно устойчивое равновесие между этими вторичными продуктами окисления 4-NP.
Сравнение эффективности очистки фенолосодержащих сточных вод озонированием и предлагаемым методом
Сравнение эффективности окисления предлагаемого метода произведено с озонированием, так как это способ которым удается очищать воду от фенолов и их производных до уровня ПДК и ниже, не производя вторичного загрязнения. Озонирование — широко используемый способ глубокой очистки воды от фенолов. Озон обладает большой окислительной способностью, оказывает сильное бактерицидное действие, устраняет неприятный запах и привкус и возвращает воде естественный цвет. Окислительные свойства озона в воде могут проявляться в реакциях прямого окисления, озонолиза, катализа, окисления радикалами и полимеризации.
Для ускорения процесса окисления его целесообразно проводить в щелочной среде. Чем выше величина показателя рН среды, тем больше степень окисляемости озоном. Оптимальное значение рН для окисления фенолов равно 11.4 [145].
Метод озонирования позволяет эффективно очищать воду от фенолов, при этом образуются альдегиды, щавелевая и дикарбоновые кислоты, гидропероксид, диоксид углерода и вода. Озон может быть применен для глубокой очистки слабо концентрированных сточных вод, содержащих биологически трудно окисляемые вещества. С помощью озонирования можно достичь очистки сточных вод до уровня 0.05 мг/л и ниже. При озонировании фенольных сточных вод, содержащих другие примеси углеводородов, образующихся при обессоливании -обезвоживании нефтепродуктов расход озона значительно возрастает по сравнению с расходом на озонирование чистых водных растворов, и достигает 5 - 10 г озона и более на 1 г фенола [146].
В работе [147] отмечается, что степень очистки нефтесодержащих сточных вод, имеющих сложный состав, с помощью озонирования может колебаться в пределах 50 - 75%. Причем в озонируемой воде остаются промежуточные продукты окисления углеводородов, не поддающиеся дальнейшему разрушению и являющиеся более опасными, чем исходные вещества. Время контакта очищаемой воды, содержащей не более 0.5 мг/л нефтепродуктов, с озоном в реакторе должно быть не менее 13-15 мин. При несоблюдении этого условия реакция окисления идет не до конца, т.е. не до образования С02 и Н20, и выделяются очень опасные кислородсодержащие органические соединения. При окислении озоном бром-фтор-хлорорганики образуются бромистая, фтористая и соляная кислоты, а в случае хлорорганики - фосген, являющийся боевым отравляющим веществом.
Процесс озонирования осуществляют в барботажных ваннах или смесителях, в которых вода смешивается с озонируемым воздухом или кислородом [148, 149]. По данным литературных источников для производства 1 кг озона требуется от 50 - 60 кВт электроэнергии. [150.]. Озонирование используется и для доочистки сточных вод. При этом расчетная доза Оз принимается 2 - 4 мг на 1 мг загрязнителя (нефтепродуктов, фенолов, ПАВ).
Преимуществом данного метода очистки можно считать то, что в воду не вносятся химические реагенты. К недостаткам процесса озонирования следует отнести: — малое время жизни молекул озона; — низкий коэффициент полезного действия озонаторов; — высокую стоимость озона; необходимость применения коррозионно-стойких материалов для оборудования; — токсичность озона (ПДК в воздухе 0.1 мг/л); — образование при окислении высокомолекулярных соединений промежуточных токсичных органических веществ; — высокую чувствительность к нарушениям технологических параметров озонирования (скорости прокачки воды и составу загрязнений).
Предлагаемая технологическая схема использует для проведения процесса окисления пероксид водорода и кавитацию, под действием которой растворяется железная стружка. В данном случае потребление электроэнергии происходит насосом при подаче воды в кавитатор. Для проведения окисления в кавитационном модуле с производительностью 0.5 м /ч требуется насос с мощностью 0.4 кВт (например, данным требованиям отвечает бытовой насос Кама).
Аппараты для озонирования воды отличаются комплектацией и производительности по озону и обрабатываемой воде. Минимальная потребляемая мощность установок для генерирования 1 кг озона составляет от 50 - 60 кВт. Данная мощность учитывает производство озона без учета насосного оборудования, подающего воду на обработку.
Кроме того при озонировании необходимо производить смешивание озона с водой, для этого используются эжекторы. Для обеспечения требуемого количества озона требуется эжектор с расходом подаваемой на обработку воды 2.4 л/мин=0.114 м /ч и напором на входе 20 м. вод. ст. подачу воды.
Для проведения окисления 1 мг 4-NP предлагаемым способом необходимо затратить 0.08 Вт-ч, кроме того необходимо добавить 0.019 мл. Стоимость проксида водорода (по данным прайса на 12.08.2008г «РосСибНефть») 25 руб. за 25 л, и серная кислота (техническая) 13,0 руб. за 36 кг. При озонировании того же объема воды с таким же количеством фенолов необходимо затратить 0.21 Вт-ч. Принимая стоимость 1 кВт электроэнергии 123 коп/кВт-ч (по данным о тарифах «Новосибирскэнергосбыт», 2008 г.) стоимость окисления 1 кг 4-NP рассматриваемыми способами будет следующая (табл. 5.1.). флотокомплексов является результатом взаимодействия двух процессов [153-156]: 1) зарождения и роста пузырьков из растворенного воздуха на поверхности частиц твердой фазы; 2) адсорбции пузырьков подсасываемого в зону кавитации воздуха на поверхности твердой фазы при столкновении.
Аэрогидрокавитационная флотация может быть реализована с использованием двух типов устройств - роторных и струйных кавитаторов [157-159]. Принципиальная схема роторного генератора гидродинамических колебаний (РГГК), применяемого для реализации флотационной обработки представлена на рисунке 42. РГГК содержит корпус 1 с контактным междисковым пространством, в котором расположен активатор 4. Активатор выполнен в виде диска с установленными по нормали к его боковым поверхностям цилиндрическими активными кавитаторами 5. На верхнем 3 и нижнем 7 пассивных дисках установлены цилиндрические неподвижные кавитаторы 6.
