第十章其他相转移分离法

第十章其他相转移分离法第一节吹脱、汽提法吹脱和汽提都属于气-液相转移分离法。即将气体(载气)通入废水中，使之相互充分接触，使废水中的溶解气体和易挥发的溶质穿过气液界面，向气相转移，从而达到脱除污染物的目的。常用空气或水蒸气作载气，习惯上把前者称为吹脱法，后者称为汽提法。水和废水中有时会含有溶解气体。例如用石灰石中和含硫酸废水时产生大量CO2；水在软化脱盐过程中经过氢离子交换器，产生大量CO2；某些工业废水含有H2S，HCN、NH3、CS2及挥发性有机物等。这些物质可能对系统产生侵蚀，或者本身有害，或对后续处理不利，因此，必须分离除去。产生的废气根据其浓度高低，可直接排放、送锅炉燃烧或回收利用。将空气通入水中，除了吹脱作用以外，还伴随充氧和化学氧化作用，例如OHSOSH22221。一、吹脱法吹脱法的基本原理是气液相平衡相传质速度理论。在气液两相系统中，溶质气体在气相中的分压与该气体在液相中的浓度成正比。当该组分的气相分压低于其溶液中该组分浓度对应的气相平衡分压时，就会发生溶质组分从液相向气相的传质。传质速度取决于组分平衡分压和气相分压的差值。气液相平衡关系和传质速度随物系、温度和两相接触状况而异。对给定的物系，通过提高水温，使用新鲜空气或负压操作，增大气液接触面积和时间，减少传质阻力，可以达到降低水中溶质浓度、增大传质速度的目的。吹脱设备一般包括吹脱池(也称曝气池)和吹脱塔。前者占地面积较大，而且易污染大气，对有毒气体常用塔式设备。1．吹脱池依靠池面液体与空气自然接触而脱除溶解气体的吹脱池称自然吹脱池，它适用于溶解气体极易挥发，水温较高，风速较大，有开阔地段和不产生二次污染的场合。此类吹脱池也兼作贮水池，其吹脱效果按下式计算：207.02lg43.0221thDcc(10—1)式中t——废水停留(吹脱)时间，min；c1、c2——分别为气体初始浓度和经过t后的剩余浓度，mg/L；h——水层深度，mm；D——气体在水中的扩散系数，cm2/min。O2、H2S、CO2和Cl2的扩散系数分别为1.1×10-3，8.6×10-4，9.2×10-4和7.6×10-4cm2/min。由上式可知，欲获得较低的c2，除延长贮存时间外，还应当尽量减小水层深度，或增大表面积。为强化吹脱过程，通常向池内鼓入空气或在池面以上安装喷水管，构成强化吹脱池。其吹脱效果按下式计算VStcc43.0lg21(10—2)式中S——气液接触面积，m2；V——废水体积，m3；β——吹脱系数，其值随温度升高而增大，25℃时，H2S、SO2、NH3、CO2、O2和H2的吹脱系数分别为0.07、0.055、0.015、0.17、1和1。喷水管安装高度离水面1.2～1.5m。池子小时，还可建在建筑物顶上，高度达2～3m。为防止风吹损失，四周应加挡水板或百叶窗。喷水强度可采用12m3/m2.h。国内某维尼纶广的酸性废水经石灰石滤料中和后，废水中产生大量的游离CO2，pH4.2～4.5，不能满足生物处理的要求，因此，中和滤池的出水经预沉淀后，进行吹脱处理。吹脱池为一矩形水池，见图10-1，水深1.5m，曝气强度为25～30m2/m2.h，气水体积比为5，吹脱时间为30～40min。空气用塑料穿孔管由池底送入，孔径10mm，孔距5cm。吹脱后，游离CO2由700mg/L降到120～140mg/L，出水pH达6～6.5。存在问题是布气孔易被中和产物CaSO4堵塞、当废水中含有大量表面活性物质时，易产生泡沫，影响操作和环境。可用高压水喷射或加消泡剂除泡。2．吹脱塔为提高吹脱效率，回收有用气体，防止二次污染，常采用填料塔、板式塔等高效气液分离设备。填料塔的主要特征是在塔内装置一定高度的填料层，废水从塔顶喷下，沿填料表面呈薄膜状向下流动。空气由塔底鼓入，呈连续相由下而上同废水逆流接触。塔内气相和水相组成沿塔高连续变化，系统如图10-2所示。板式塔的主要特征是在塔内装置一定数量的塔板，废水水平流过塔板，经降液管流入下一层塔板。空气以鼓泡或喷射方式穿过板上水层，相互接触传质。塔内气相和水相组成沿塔高呈阶梯变化。泡罩塔和浮阀塔的构造示意见图10-3。吹脱塔的设计计算同吸收塔相仿，单位时间吹脱的气体量，正比于气液两相的浓度差(或分压差)和两相接触面积，即cAKG(10—3)式中G——单位时间内由水中吹脱的气体量，3010ccQG,kg/h；Q——废水流量，m3/h；c0、c——分别为原水和出水中的气体浓度，mg/L；Δc——吹脱过程的平均推动力，可近似取c0和c的对数平均值；A——气液两相的接触面积，m2，由填料体积和特性参数确定；K——吹脱系数，与气体性质，温度等因素有关，m/h。吹脱CO2时，53.014.086.067.002.12vdqDKctCO(10—4)式中Dt——水温t℃时水中CO2的扩散系数，m2/h；2002.0120tDDtD20——水温20℃时的扩散系数，为6.4×10-6m2/h；q——淋水密度，m3/m2.h；de——填料的当量直径，m；v——水的运动粘度，m2/h；吹脱H2S时，324.0/1107.507602fnKSH(10-5)n为常压下H2S在水中的溶解度，kg／m3，可用下式计算2310507.21975.0993.6TTn(10—6)式中T——水温，℃；f——吹脱塔的截面积，m2。选择鼓风机时，其风量为(30～40)Q；进风压力为p0＝α1h0+400，式中α1为单位演料高度的空气阻力。一般α1=200～500Pa/m填料。h0为填料高度，400为进出风管和填料支承架等的空气阻力经验数值，Pa。从废水中吹脱出来的气体，可以经过吸收或吸附回收利用。例如，用NaOH溶液吸收吹脱的HCN，生成NaCN；吸收H2S，生成Na2S，然后将饱和溶液蒸发结晶，用活性炭吸附H2S。饱和后用亚氨基硫化物的溶液浸洗、饱和溶液经蒸发可回收S。在吹脱过程中，影响因素很多，主要有以下几点。(1)温度在一定压力下，气体在水中的溶解度随温度升高而降低，因此，升湿对吹脱有利。(2)气水比空气量过小，气液两相接触不够；空气量过大，不仅不经济，还会发生液泛，使废水被气流带走，破坏操作。为使传质效率较高，工程上常采用液泛时的极限气水比的80％作为设计气水比。(3)pH值在不同pH值条件下，气体的存在状态不同。废水中游离H2S和HCN的含量与pH值的关系如表10-1所示。因为只有以游离的气体形式存在才能被吹脱，所以对含S2-和CN-的废水应在酸性条件下进行吹脱。表10-1游离H2S、HCN与pH值的关系pH值5678910游离H2S，％10095641520游离HCN，％99.799.393.358.112.2二、汽提法汽提法用以脱除废水中的挥发性溶解物质，如挥发酚、甲醛、苯胺、硫化氢、氨等。其实质是废水与水蒸气的直接接触，使其中的挥发性物质按一定比例扩散到气相中去，从而达到从废水中分离污染物的目的。单位体积废水所需的蒸汽量称为汽水比，用V0表示。假定在废水进口处气液两相传质已达平衡，可得如下关系：QQckVccQ00(10—7)000kcccQVV(10—8)式中，k为汽液平衡时溶质在蒸汽冷凝液与废水中的浓度之比，或称分配系数。对低浓度(0.01～0.1N)废水，可视为定值。挥发酚、苯胺、游离NH3、甲基苯胺、氨基甲烷的k值分别为2、5.5、13、19和11。实际生产中，汽提都是在不平衡的状态下进行的，同时还有热损失，故蒸汽的实际耗量比理论值大，约为2～2.5倍。常用的汽提设备有填料塔、筛板塔、泡罩塔、浮阀塔等。1．含酚废水处理汽提法最早用于从含酚废水中回收挥发酚，其典型流程如图10-4所示。汽提塔分上下两段，上段叫汽提段，通过逆流接触方式用蒸汽脱除废水中的酚；下段叫再生段，同样通过逆流接触，用碱液从蒸汽中吸收酚。其工作过程如下：废水经换热器预热至1OO℃后，由汽提塔的顶部淋下，在汽提段内与上升的蒸汽逆流接触，在填料层中或塔板上进行传质。净化的废水通过预热器排走。含酚蒸汽用鼓风机送到再生段，相继与循环碱液和新碱液(含NaOH10%)接触，经化学吸收生成酚钠盐回收其中的酚，净化后的蒸汽进入汽提段循环使用。碱液循环在于提高酚钠盐的浓度，待饱和后排出，用离心法分离酚钠盐晶体，加以回收。汽提脱酚工艺简单，对处理高浓度(含酚1g/L以上)废水，可以达到经济上收支平衡，且不会产生二次污染。但是，经汽提后的废水中一般仍含有较高浓度(约400mg/L)的残余酚，必须进一步处理。另外，由于再生段内喷淋热碱液的腐蚀性很强，必须采取防腐措施。2．含硫废水处理石油炼厂的含硫废水(又称酸性水)中含有大量H2S(高达10g/L)、NH3(高达5g/L)，还含有酚类、氰化物、氯化铵等。一般先用汽提回收处理，然后再用其他方法进行处理。处理流程如图10-5所示。含硫废水经隔油、预热后从顶部进入汽提塔，蒸汽则从底部进入。在蒸汽上升过程中，不断带走H2S和NH3。脱硫后的废水，利用其余热预热进水，然后送出进行后续处理。从塔顶排出的含H2S及NH3的蒸汽，经冷凝后回流至汽提塔中，不冷凝的H2S和NH3，进入回收系统，制取硫磺或硫化钠，并可副产氨水。国外某公司采用两段汽提法处理含硫废水，工艺流程如图10-6所示。酸性废水经脱气(除去溶解的氢、甲烷及其他轻质烃)后进行预热。送入H2S汽提塔，塔内温度约38℃，压力0.68MPa(表)。H2S从塔顶汽提出来，水和氨从塔底排出。塔顶气相仅含NH350mg/L，可直接作为生产硫或硫酸的原料。水和氨进入氨汽提塔，塔内温度94℃，压力0.34MPa(表)。氨从塔顶蒸出，进入氨精制段，除去少量的H2S和水，在38℃、1.36MPa下压缩，冷凝下来的NH3含H2O＜1g/L，含H2S＜5mg/L，可作为液氨出售。氨汽提塔底排出的水可重复利用。据报道，该公司用此流程处理含硫废水，流量45.6m3/h，每天可回收H2S72.6吨、NH336.3吨，2.3年可回收全部投资。国内也有多家炼油厂采用类似的双塔汽提流程处理含硫废水，将含H2S290～2170mg／L，含NH3365～1300mg/L的原废水净化至含H2S0.95～12mg/L，含NH344～55mg/L。运转表明，该系统操作方便，能耗低。除了用水蒸气汽提以外，也可用烟气汽提处理炼油酸性含硫废水。第二节萃取法一、概述为了回收废水中的溶解物质，向废水中投加一种与水互不相溶、但能良好溶解污染物的溶剂，使其与废水充分混合接触。由于污染物在该溶剂中的溶解度大于在水中的溶解度，因而大部分污染物转移到溶剂相。然后分离废水和溶剂，即可使废水得到净化。若再将溶剂与其中的污染物分离，即可使溶剂再生，而分离的污染物可回收利用，这种分离工艺称为萃取。所用的溶剂称为萃取剂；萃取后的溶剂称为萃取液(相)，废水称为萃余液(相)。萃取过程达到平衡时，污染物在萃取相中的浓度cs与在萃余相中的浓度ce之比称为分配系数Ex，即esxccE/(10—9)实验表明，分配系数不是常数，随物系、温度和浓度的变化而异。对实际废水处理，分配定律具有如下曲线形式：nesxccE/(10-10)某些溶剂萃取含酚废水的分配系数Ex如表10-2所示。表10-3溶剂萃取脱酚的分配系数Ex(20C)溶剂苯重苯醋酸丁酯磷酸三丁酯N-503803#液体树脂苯酚废水①甲酚废水②2.292.445064.11122.159332.2334.23—744.85686.581942①废水含苯酚23.0g/L。②废水含甲酚1.6g/L。液-液萃取的传质速度式类似于式(10-3)，过程的推动力是实际浓度与平衡浓度之差。由速度式可见，要提高萃取速度和设备生产能力，其途径有以下几条。①增大两相接触界面积。通常使萃取剂以小液滴的形式分散到废水中去，分散相液滴越小，传质表面积越大。但要防止溶剂分散过度而出现乳化现象，给后续分离萃取剂带来困难。对于界面张力不太大的物系，仅依靠重度差推动液相通过筛板或填料，即可获得