Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов

Министерство  образования и науки РФ

     ГОУ ВПО «Уфимский  государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Прикладная  экология»

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине «Химия окружающей среды»

на тему:

«Очистка сточных вод  от ионов тяжелых металлов»

 

 

 

 

 

Проверил                                                                        Г.Г.Ягафарова                               

                                                                                         д-р техн.наук,проф

 

Выполнил                                                                        О.Г.Иванова                                                                                                                                                                   

                                                                       студ.гр ОС-08-01

 

 

 

 

Уфа 2011

СОДЕРЖАНИЕ

           C.

Введение                                                                                                       

1.Общие сведения  о тяжелых металлах………………………………………4

2.Реагентный метод…………………………………………………………….6

2.1Особенности очистки  сточных вод  от катионов  меди……………………7

2.2Особенности  очистки сточных вод от катионов  цинка…………………...8

3.Ионный обмен ……………………………………………………………….10

4.Флотация………………………………………………………………………13

5.Электрохимические методы………………………………………………….15

5.1Электролиз……………………………………………………………………16

5.2Электрокоагуляция…………………………………………………………...19

5.3Электродиализ………………………………………………………………..20

6.Биохимический  метод очистки сточных вод…………………………………21

Заключение

Список использованных источников

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Очистка сточных  вод приобретает все большую  значимость в промышленности и муниципальном  хозяйстве как одно из необходимых  мероприятий, предназначенных для  перехода к устойчивому водопотреблению и созданию замкнутых производственных циклов. Тяжелые металлы (ТМ) являются основными токсическими компонентами сточных вод.Удаление данных загрязнений позволит вторично использовать сточные воды в основной технологии, обеспечив, таким образом, энерго- и ресурсосбережение.    

Целью настоящей pаботы является ознакомление с методами очистки сточных вод от ионов  тяжелых металлов.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе  рассматриваются общие сведения о тяжелых металлах, присутствие которых в сточных водах отрицательно сказываются на их состоянии.

Во второй главе  описывается реагентный метод очистки  сточных вод . Этот метод позволяет  довольно полно удалять из стоков ИТМ. 

Третья глава  рассматривает ионно обменный метод очистки. Это процесс извлечения из воды одних ионов и замены их другими.  

В четвертой  главе описывается такой метод  очистки СВ,как флотация. Она заключается в создании комплекса частица-пузырек воздуха или газа, всплывании этого комплекса и удалении образовавшегося пенного слоя.

Пятая глава  рассматривает электрохимические  методы очистки, которые получили довольно широкое применение при очистке  промышленных стоков от ионов тяжелых  металлов.

 Шестая глава  рассматривает биохимические методы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Суть метода заключается в обработке сточных вод накопительной культурой сульфатвосстанавливающих бактерий.

В заключении сделаны  выводы по результатам проделанной  работы.

 

1.Общие  сведения о тяжелых металлах

Тяжёлые мета́ллы — группа химических элементов со свойствами металлов (в том числе  и полуметаллы) и значительным атомным весом либо плотностью.Используемый критерий для определения тяжелого металла является  атомный вес свыше 50.Другим часто используемым критерием является плотность, примерно равная или большая плотности железа(8 г/см3).

Среди разнообразных  загрязняющих веществ тяжёлые металлы (в том числе ртуть, свинец, кадмий, цинк, мышьяк) и их соединения выделяются распространенностью, высокой токсичностью, многие из них — также способностью к накоплению в живых организмах. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистительные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Они также поступают в окружающую среду с бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий. Многие металлы образуют стойкие органические соединения, хорошая растворимость этих комплексов способствует миграции тяжелых металлов в природных водах. К тяжелым металлам относят более 40 химических элементов, но при учете токсичности, стойкости, способности накапливаться во внешней среде и масштабов распространения токсичных соединений, контроля требуют значительно меньшее число элементов. Многие ионы металлов играют чрезвычайную важную роль во множестве самых разнообразных биологических процессов. Например, ионы калия, магния, марганца, железа, кобальта, меди, молибдена и цинка входят в состав ферментов, катализируемых такие реакции как перенос групп, окислительно-восстановительные или гидролитические процессы, причем в этих процессах участвуют не только металло-содержащие ферменты, но и другие белковые системы, осуществляющие накопление и контроль за концентрацией ионов металлов, а также транспортирующие их в соответствующий участок клетки для включения в нужную ферментную систему или систему макро молекулярной организации клетки.

В общем все  металлы можно условно разделить  на 2 группы - сущест-

венные и  несущественные для организма. Для клетки необходимы все пере-

численные металлы, они называются "элементами жизни", но когда организ-

му их не хватает, их место  занимают вредные для здоровья человека, вызы-

вающие различные заболевания, так называемые тяжелые металлы.

Одним из источников загрязнения водоемов, приводящих к ухудшению качества воды и нарушающих условия обитания в них гидробионтов, являются сточные воды заводов, содержащие разбавленные растворы тяжелых металлов. Состав их чрезвычайно разнообразен, он изменяется в процессе появления новых производств и усовершенствования существующих. В сточных водах предприятий металлургической, машиностроительной, при боростроительной, автомобильной и других отраслей промышленности содержится значительное количество загрязняющих веществ, в состав которых входят ионы металлов: Cr(VI), Fe(III), Zn(II), Cu(II), Ni(II), Al(III)-, а также различные органические вещества - спирты, кислоты, поверхностно-активные вещества и нефтепродукты.Тяжелые металлы в природных водах находятся в растворенном и адсорбированном состоянии. Попадая в воду в ионной форме, они накапливаются в осадках в виде гидрооксидов, карбонатов, сульфидов или фосфатов. Содержание различных металлов в водоемах варьирует в широких пределах.Высокие концентрации тяжелых металлов обнаруживаются в верхних слоях воды.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Реагентный  метод

Наибольшее  распространение в практике очистки  сточных вод от ионов тяжелых  металлов (ИТМ) получил реагентный метод. Этот метод включает в себя процессы нейтрализации, окислительно-восстановительные реакции, осаждение и обезвоживание образующегося осадка, и позволяет довольно полно удалять из стоков ИТМ.

При этом методе ионы тяжелых металлов переводятся, как правило, в гидроксидные соединения путем повышения рН усредненных  стоков до рН их гидратообразования с последующим осаждением, фильтрацией. В необходимых случаях до достижения рН очищенных стоков регламентируемого для сброса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1Особенности  очистки сточных вод  от  катионов меди

Произведение  растворимости гидроокиси меди равно 5,0 х 10-20, в то время, когда растворимость основного карбоната меди практически равна нулю. Поэтому медь выгодно осаждать в виде основного карбоната: для этого в растворе нейтрализующего реагента необходимо иметь одновременно как гидроксильные ионы (ОН)-, так и карбонатные (СО32-). Таким образом, для осаждения из растворов ионов мединерационально применение только едких щелочей и извести высшего сорта, так же только соды, мела, мрамора, доломита и известняка, дающих в раствор в основном карбонат – ионы.

В связи с изложенным, лучшим реагентом для очистки сточных вод от катионов меди является недожженная известь III-его сорта, содержащая СаСО3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2Особенности  очистки сточных вод от катионов  цинка

При осаждении  цинка из сульфатных растворов едкой щелочью и известью образуются в основном осадки в виде основных солей цинка: ZnSO4 . nZn(ОН)2, причем число n возрастает с увеличением рН. Так, при рН 7 осаждается основной сульфат цинка, соответствующий формуле ZnSO4 . 3Zn(ОН)2, а повышение рН до 8,8 приводит к образованию осадка, состав которого выражается формулой - ZnSO4 . 5Zn(ОН)2.

При осаждении  цинка из сульфатных растворов недожженной  известью III-его сорта, содержащей СаСО3 состав основных карбонатов в осадке зависит от условий реакции –  температуры, исходной концентрации цинка и известкового раствора, величины рН раствора и т.п. По литературным данным, при рН = 7-9,5 образуется основной карбонат цинка состава 2 ZnСO3 . 3 Zn(ОН)2.

Основное достоинство  реагентного метода – возможность  применения его для обезвреживания кислотно-щелочных сточных вод различных объемов с различной концентрацией ионов тяжелых металлов.

    Его недостатки:

-         значительное повышение солесодержания  очищенных от ИТМ стоков за  счет внесения реагентов, что  вызывает необходимость дополнительной доочистки;

-         большой расход реагентов;

-          получение трудно обезвоживаемого  и неутилизируемого осадка;

-          большие трудозатраты по эксплуатации;

-          необходимость организации и  содержания реагентного хозяйства со специальным коррозионноустойчивым оборудованием и дозирующими устройствами и т.п.

Особо следует  отметить, что при реагентных методах  очистки и выполнении технологических  регламентов остаточные концентрации основных ионов тяжелых и цветных  металлов в очищенных стоках достигают следующих минимальных величин, мг/л:

Fe(OH)2   - 0,3-1,0

Zn(OH)2 - 0,05

Cu(OH)2 -0,1-0,15,

и представлены, в основном, в виде их гидроксидов, легко диссоциируемых и растворимых  в слабокислых водных растворах.

 

 

 

3.Ионообменный метод

Ионообменный  метод очистки воды применяют  для обессоливания и очистки  воды от ионов металлов и других примесей. Сущность ионного обмена заключается в способности ионообменных материалов забирать из растворов электролита  ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита.

Очистку воды осуществляют ионитами — синтетическими ионообменными  смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2...2 мм. Иониты изготовляют  из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности  подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в воде. Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н+- или Na+- форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН- или солевой форме), а также иониты смешанного действия. Основополагающим фактором кинетики процесса является скорость ионообмена между ионами воды и омываемой частицей смолы. На наружной поверхности омываемой частицы образуется неподвижная водяная пленка, толщина которой зависит от скорости потока очищаемой воды и размеров зерна смолы. Ион, который стремится попасть внутрь частицы смолы, в функциональную группу, должен диффундировать из воды через пленку, пройти через граничную поверхность частицы и внутри смолы в растворе набухания устремиться к ассоциации с функциональной группой. Диффузия ионов через пленку является важнейшим этапом процесса.

 Избирательное  поглощение молекул поверхностью  твердого адсорбента происходит  вследствие воздействия на них  неуравновешенных поверхностных сил адсорбента.

 Ионообменные  смолы имеют возможность регенерации.  После истощения рабочей обменной  емкости ионита он теряет способность  обмениваться ионами и его  необходимо регенерировать. Регенерация  производится насыщенными растворами, выбор которых зависит от типа ионообменной смолы. Процессы восстановления, как правило, протекают в автоматическом режиме. На регенерацию обычно затрачивают около 2 часов, из них на взрыхление - 10 – 15 мин, на фильтрование регенерирующего раствора - 25 – 40 мин, на отмывку - 30 - 60 мин. Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием воды через катиониты и аниониты.

 В зависимости  от вида и концентрации примесей  в воде, требуемой эффективности  очисткииспользуют различные схемы  ионообменных установок.

Умягчение воды катионированием

 Умягчение  воды катионированием – один  из методов умягчения (обессоливания)  воды.

 Катионирование - процесс обработки воды методом  ионного обмена, в результате  которого происходит обмен катионов. В зависимости от вида ионов (Н+ или Na+), находящихся в объеме катионита, различают два вида катионирования: Н-катионирование и Na-катионирование.

 Ионообменные методы применяются для избирательного удаления ионов тяжелых металлов. Процесс ионообменного метода очистки сточных основан на замене ионов, которые необходимо извлечь на нейтральные. Ионообменная смола представляет собой пористые гранулы, в которых содержатся функциональные группы для извлечения ионов. Эти группы могут быть катионообменные или анионообменные для извлечения катионов и анионов соответственно. Производительность 0,5-500 м3/ч. Ионообменный метод при небольшом объеме воды так же может применяться в гальваническом производстве для доочистки от тяжелых металлов перед сбросом в водоем.