Epurarea apelor industriale uzate prin schimb ionic

Epurarea apelor industriale uzate prin schimb ionic

Acest procedeu de epurare se bazeaza pe proprietatile unor materiale care puse in contact cu o apa mineralizata, ce contine saruri sub forma de ioni, sunt capabile sa schimbe ionii aflati in apa cu ioni proveniti din materialul din care este confectionat. In industrie se utilizeaza schimbatori de ioni de doua tipuri:

Schimbatori de cationi numiti cationiti;

Schimbatori de anioni numiti anioniti.

In practica cei mai utilizati schimbatori de ioni sunt cei in stare solida. Principial modul in care se realizeaza schimbul ionic pentru cazul retinerii de cationi si pentru cazul retinerii de anioni este prezentat mai jos.

demineralizare

2ZH + Ca⁺⁺   ----- ----- ----------------- Z₂ Ca + 2H⁺⁺

cationit regenerare cationit epuizat

demineralizare

2ROH + SO₄ ^{- -} ----- ----- ------------- R₂ SO₄ + 2 OH^-

anionit  regenerare anionit epuizat

In ecuatiile prezentate se elibereaza in cazul cationitilor ioni de hidrogen si in cazul anionitilor ioni ai gruparii OH. Reactiile sunt reversibile si ca urmare prin tratarea schimbatorilor de ioni epuizati cu acizi in cazul cationitilor si cu baze in cazul anionitilor se reface cationitul si respectiv anionitul.

Daca punem succesiv apa mineralizata in contact cu cantitati suficiente de astfel de schimbatori de ioni se obtine o apa aproape pura, iar daca ionii de H si ionii de OH sunt in proportii corespunzatoare ei se combina si formeaza apa.

Demineralizarea prin schimbatori de ioni se aplica la obtinerea apei utilizate in industria alimentara, dar procedeul se poate aplica si la epurarea apelor industriale uzate in deosebi pentru retinerea ionilor de metale grele, care sunt deosebit de toxici.

Utilizarea acestei tehnici pentru epurarea apelor uzate sau la demineralizarea apelor marine pe scara larga se poate justifica numai in cazul in care in zona respectiva este un mare deficit de apa ce poate fi potabilizata, sau s-a impus din motive de poluare reutilizarea apei uzate in procesele de fabricatie.

Inconvenientul principal al metodei consta in faptul ca in urma epuizarii si regenerarii materialelor utilizate la schimbatoarele de ioni rezulta o serie de materiale toxice ce trebui depozitate in conditii ecologice.

Electrodializa

Electrodializa constituie un proces de separare prin membrane cu permeabilitate selectiva la anioni si respectiv la cationi. Deplasarea acestora facandu-se sub actiunea unui camp electric ca intr-un proces de electroliza clasica. In figura 4.24. este prezentata schema de principiu al procesului de electrodializa.

Fig. 4.24. Schema de principi al electrodializei

1- catod; 2 - anod; C- membrana permeabila pentru

cationi; A-membrana permeabila pentru anioni.

Prin migrarea ionilor spre catozi, respectiv spre anozi are loc o scadere a concentratiei de saruri in compartimentul central.

O astfel de celula simpla nu este economica pentru ca necesita consumuri energetice mari in deosebi pentru deshidratarea ionilor la depunerea pe electrozi. Daca insa, cresc numarul de celule de electrodializa, atunci consumul specific energetic se reduce, in sensul ca se modifica raportul intre consumul de energie pentru deshidratarea ionilor pe electrozi si consumul de energie pentru transportul ionilor. In practica se utilizeaza baterii de 50 - 400 de astfel de celule de electrodializa.

In figura 4.25. este prezentata schema unei instalatii de electrodializa cu mai multe compartimente.

Dupa cum rezulta din schema de principiu de functionare a instalatiei de electrodializa se introduce in fiecare compartiment apa mineralizata, rezultand apa partial demineralizata, respectiv produsul dorit si apa cu o concentratie mai mare in saruri.

In practica din motive economice se obtine o apa partial demineralizata.

Fig.4.25. Schema unei instalatii de electrodializa

A- membrana permeabila la anioni; C- membrana permeabila la cationi.

In practica din motive economice se obtine o apa partial demineralizata. Daca demineralizarea este continuata la valori foarte ridicate, atunci consumurile energetice cresc foarte mult si procesul devine practic o electroliza. Se considera un consum rezonabil cel ce asigura o cantitate de substante mineral care sa permita ca apa sa fie potabila sau sa poata fi utilizata in procesele de fabricatie

S-au facut incercari si pentru utilizarea procedeului la epurarea apelor menajere uzate, dar procedeul este costisitor si in plus trebuie in prealabil sa fie indepartate din apa uzata toate substantele organice.

Oxidarea si reducerea compusilor poluanti din apele industriale uzate

Oxidarea si reducerea sunt procese chimice in care substantele aflate in apele uzate sunt transformate prin schimb de atomi, in substante mai putin toxice sau mai usor de separat.

Intru-cat din punct de vedere chimic un proces de oxidare trebuie cuplat cu un proces de reducere, procesul se numeste de oxi-reducere.

Oxidarea.

Scopul oxidarii in epurarea apelor uzate este de a converti compusii chimici nedoriti din apele uzate in altii care nu sunt atat de toxici, sau se pot usor indeparta. In acest scop nu intotdeauna este necesar oxidarea completa, de exemplu in cazul substantelor organice nu este necesara transformarea lor pana la CO₂ , H₂ O si alti oxizi.

Oxidarea se aplica atat substantelor anorganice ce contin ioni din categoria Mn²⁺ , S^2- , CN^- , SO₃ ^2- etc., cat si substantelor de natura organica, cum sunt: fenoli, aminele, acizi humici, si diverse alte combinatii care au un caracter toxic , inclusiv bacteriilor.

Oxidarea clasica cu oxigenul din aer decurge cu viteze relativ mici si depinde de temperatura, presiune si concentratia de oxigen. Viteze mari de oxidare se obtin daca oxigenul se gaseste sub forma activata, cum ar fi ozon, oxigen atomic, sau gruparea OH.

In cazul epurarii apelor uzate urbane in faza epurarii biologice, oxidarea substantelor organice se face utilizand bacterii, dar procesul decurge lent si ca urmare sunt necesare bazine de mari dimensiuni.

Pentru oxidarea chimica a impuritatilor de natura organica din apele uzate provenite din industria alimentara, pentru ca procesul sa decurga mult mai rapid se utilizeaza oxidanti energici cum sunt ozonul, clorul, saruri ale unor peracizi ca de exemplu permanganatul de potasiu, dar care au pret mai ridicat si ca urmare nu se pot recomanda din motive economice deocamdata pentru epurarea apelor uzate urbane.

Fata de alte procedee, oxidarea chimica prezinta avantajul ca poate fi aplicat atat la apele uzate industriale, dar si la solutii concentrate, precum si faptul deloc de neglijat, ca o data cu impuritatile de natura organica sunt oxidate si impuritatile de natura anorganica cum sunt sulfurile, sulfitii si cianurile, dar si microorganismele din apa.

Dintre cele mai utilizate procedee de oxidare chimica in procesele de epurare a apelor uzate amintim:

Insuflare de aer, ce contine o cantitate insemnata de oxigen;

Folosirea de oxidanti ce contin oxigen activ: ozon, apa oxigenata, radicali liberi - OH;

Oxidarea accelerata cu oxigen molecular, bazata pe reactia in lant cu radicali liberi OH, drept promotori de radicali liberi OH se foloseste apa oxigenata in prezenta fierului bivalent;

Oxidarea catalitica, ce utilizeaza catalizatori paladiu si nichel, cand se utilizeaza oxigen molecular si substantele de natura organica sunt retinute prin adsorbtie pe suprafata unui material solid;

Oxidarea substantelor organice prin procese electrochimice, cand au loc reactii de reducere la catod si de oxidare la anod.

Ozonul este un oxidant mult mai energic si este capabil sa reactioneze rapid cu o gama larga de poluanti si cu microorganismele din apa. El se genereaza prin descarcari electrice la tensiuni inalte in, respectiv 5000 - 30.000 V, in aer sau in oxigen uscat. Consumurile energetice pentru generarea ozonului nu sunt prea ridicate, ele variaza in jurul valorii de 7 kWh / 1 kg ozon.

Aerul impreuna cu ozonul sunt introdusi in apa la adancime printr-un sistem de conducte cu difuzori porosi, urmata de o agitatie mecanica a apei pentru o mai buna dispersie a ozonului. Ozonul este utilizat pentru decolorarea apelor, pentru dezinfectie, pentru oxidarea partiala a unor substante nocive din categoria fenolilor, detergentilor, cianurilor etc. Ozonul trebuie utilizat cu precautie pentru ca expunerea organismului omenesc la ozon timp indelungat il afecteaza, de fapt concentratia ozonului in mediul de lucru al personalului este limitat la 0,1 mg / m³ .

Permanganatii sunt oxidanti puternici si sunt folositi mai ales pentru finisarea unor procese de epurare pentru eliminarea culorii si a mirosului, precum si pentru oxidarea fierului, sulfurilor si cianurilor. In urma tratamentului cu permanganat rezulta ca reziduu bioxidul de mangan hidratat, care pe de o parte actioneaza ca un absorbant si coagulant, dar in final el trebuie indepartat din apa.

Clorul poate oxida eficient hidrogenul sulfurat, mercaptanii (ce rezulta in procesele de obtinere a celulozei si hartiei), nitritii, amoniacul, fierul si manganul, cianurile si unele substante organice. Este mult utilizat procedeul de distrugere a cianurilor cu clor pana la formarea de cianati sau chiar de azot molecular, conform reactiilor:

CN^- + OCl^- ------ CNO^- + Cl^-

2CNO^- + 3OCl^- ------ N₂ + 2HCO₃ ^- + Cl^-

Principalul dezavantaj al utilizarii clorului este faptul ca in urma reactiilor se produc compusi organici halogenati cu nocivitate ridicata. Acest efect este eliminat in cazul folosirii bioxidului de clor, care datorita stabilitatii sale scazute, se prepara direct in mediul de lucru.

In afara de clor se utilizeaza pentru epurarea apelor si compusi ai clorului ce contin clor activ. Este vorba de hipocloritul de sodiu si de calciu, clorura de var, precum si o gama de cloramine.

Ca si substante oxidante se utilizeaza si feratii de sodiu si potasiu: Na₂ FeO₅ si K₂ FeO₄ in mediu acid. Feratii au marele avantaj ca au si efect de coagulant ca urmare a formarii hidroxidului feric. Cercetarile realizate in domeniul indepartarii compusilor organici utilizand feratul de potasiu, la un pH de 2,2 si la o durata de contact de 5 minute au demonstrat ca indicele CCO a scazut cu 70 %.

In cazul reziduurilor apoase concentrate, cum sunt colectarile de levigabil de la gropile de deseuri menajere s-a experimentat procedeul de oxidare cu oxigen molecular la presiune de 85 - 125 at si o temperatura ridicata de circa 250 - 370 ⁰ C. Procedeul se numeste Zimmermann. Daca concentratia in substante organice este suficient de ridicata procesul este exoterm si energia termica produsa autointretine procesul.

Reducerea

Procesele chimice de reducere este folosit mai ales pentru transformarea unor poluanti care au un caracter oxidant si nociv in substante inofensive sau care pot fi indepartate din apa prin aplicarea altor procedee de epurare. Este cazul de exemplu al reducerii cromului hexavalent la crom trivalent in vederea precipitarii acestuia ca hidroxid, conform reactiei:

Cr₂ O₇ ^2- + 6FeSO₄ + 7H₂ SO₄ = Cr₂ (SO₄ )₃ + 3Fe₂ (SO₄ )₃ + 7H₂ O + SO₄ ^2-

Reducerea se poate face cu fier bivalent sau cu acid sulfuros in mediu acid. Agentii reducatori folositi curent in practica industriala sunt saruri ale fierului bivalent, sulfitii, acidul sulfuros, precum si alte combinatii cu sulf la valente mai mici decat 6.

In afara de tratarea apelor cu continut de cromati si bicromati, procesul chimic de reducere se aplica si pentru:

eliminarea clorului activ in exces cu sulfiti sau cu dioxidul de sulf;

insolubilizarea unor ioni metalici, prin reducerea cu metale ordinare, de regula fier;

transformarea nitroderivatilor aromatici in amine, prin reducere cu hidrogen;

transformarea compusilor organici halogenati prin inlocuirea halogenului cu hidrogen etc.