Очистка сточных вод от ионов аммония методом окисления

Управление образования администрации

Московского района























Очистка сточных вод от ионов аммония методом окисления





Секция экологии











                                                               Авторы: 

Русак Наталья Юрьевна

Есенина 15-119, тел. 2747056

гимназия №10, 10 «Б» класс



Лагутин Петр Васильевич

Слободская 137-68, тел. 3765024

гимназия №10, 10 «Б» класс



  Научный руководитель:

          Давыденко Татьяна Николаевна

          гимназия № 10

          учитель химии













Минск, 2007


Содержание



Введение

Глава 1. Общие сведения о загрязнении вод.

1.1 Проблема чистой воды и источники ее загрязнения.

1.2 Отходы производств и потребления

1.3 Типы затрат на природоохранные мероприятия

Глава 2. Характеристика сточных вод

Глава 3. Методы очистки сточных вод

3.1 Общие сведения

3.2 Химический

3.3 Биологический

3.4 Радиационно-химический

3.5 Механический

3.6 Проблема традиционных методов очистки

3.7 Роль химии в очистке сточных вод

Глава 4. Характеристика окислителей, применяемых при химической очистке сточных вод.

4.1 Озон

4.2 Хлор

4.3 Гипохлорит натрия

4.4 Гипохлорит кальция

Глава 5. Методика проведения эксперимента по окислению ионов аммония.

Глава 6. Практическая часть

Выводы

Литература



3



5

8

10

12



13

14

15

15

16

16

18





20

20

21

21

23



24

30

31






Введение



    Вода – одно из самых важных веществ для всех живых организмов на земле, в том числе и человека. Чистая пресная вода необходима человеку в быту, она широко используется на всех промышленных и сельскохозяйственных предприятиях, а также просто для питья.

    Неуклонное возрастание числа химических соединений, используемых в промышленности, сельском хозяйстве, быту создает принципиально новую по своей опасности экологическую ситуацию для окружающей среды, в том числе и для воды, а значит и для человека. Ежегодно во внутренний водоёмы и моря сбрасывают 150 км3 сточных вод, в том числе 40 км3 без очистки. Сброс неочищенных сточных вод в водоёмы изменяет качество природных вод: снижает рН, повышается содержание тяжёлых металлов и неметаллов (Pb, Hg, Zn, As, Cd), нитратов и нитритов, фосфатов, ПАВ, пестицидов и продуктов их распада; уменьшается содержание кислорода и прозрачность; увеличивается количество вирусов и бактерий. 

Проблема химической безопасности воды приобретает все большее значение. Основными источниками чистой воды для населения являются подземные воды, реки, озера. Пути их загрязнения различны. В основном это – сточные воды промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Вот почему очистка сточных вод от содержащихся в них различных небезопасных веществ имеет большое значение для устранения загрязнений водоемов и улучшения экологической ситуации.

     В настоящее время на многих промышленных предприятиях существует проблема очистки сточных вод от ионов аммония NH4+.

Большое количество аммонийного азота приводит к кислородному голоданию растений и отрицательно влияет на флору и фауну водного бассейна. В питьевой воде содержание аммонийного азота вообще не допустимо.

     Для очистки сточных вод от ионов аммония, которые образуются при загрязнении сточных вод солями аммония и аммиаком, широко применяются химические методы: в частности окисление. В качестве окислителей могут применяться озон, хлор, так же гипохлориты щелочных и щелочноземельных металлов таких как NaClO и Ca(ClO)2.

Окисление с помощью гипохлоритов является наиболее приемлемым методом, т.к. их растворы безопасны, обеспечивают высокую степень очистки, способ прост в осуществлении, не требует создания специальных установок. 

Химизм процесса окисления гипохлоритами можно выразить следующими уравнениями реакций:

2NH4OH+ 3NaClO = N2 + 3NaCl+ 5H2O

4NH4OH+ 3Ca(ClO)2 = 2N2 + 3CaCl2+ 10H2O

В результате токсичные ионы аммония заменяются на ионы натрия или кальция.

Цель исследования - определение степени очистки сточных вод от ионов аммония при различных условиях проведения химико-технологического процесса, таких как температура, значение рH среды и количество окислителя.

Объект исследования - промышленные сточные воды с содержанием ионов аммония 0,816 г/л. 






	Глава 1. Общие сведения о загрязнении вод

	

1.1. Проблема чистой воды и источники ее загрязнения.



Распределение воды на нашей планете очень неравномерно. Основную её часть (97,41%) содержат океаны только малая часть (2,59%) находиться на суше. Большая часть воды на суше малодоступна, поскольку она  присутствует в виде льда, снега или грунтовых вод, и только небольшое количество от общего влагопользования (0,014%) доступно людям и другим живым организмам. 

С ростом населения Земли и увеличением выпуска промышленной и сельскохозяйственной продукции потребление воды в глобальном масштабе возрастает. 

По оценкам Института мировых ресурсов около 9000 км3 пресной воды доступно для человеческой деятельности. Этот запас воды в принципе достаточен, чтобы обеспечить 20млрд человек в год. Водопотребление на одного человека колеблется от 30 до 400 литров в сутки. Например, в Минске на одного человека расходуется 320 литров в сутки, в Москве 560, в Ташкенте 915, в Лондоне 250, в Нью-Йорке 600 литров в сутки. В среднем городское водопотребление оценивается в 460 литров в сутки, из них 50% идёт на хозяйственно-питьевые, 20% - на коммунально-бытовые, и 30% - на производственные нужды. Однако в целом главным потребителем воды в разных странах является сельское хозяйство. В мировом масштабе – это 73% используемой воды. Невозможно указать другое вещество, которое находило бы столь разнообразное и широкое применение, как вода. Вода – химический реагент, участвующий в производстве кислорода, водорода, щелочей, азотной кислоты, спиртов, альдегидов, гашеной извести и многих других важнейших химических продуктов. Вода – необходимый компонент при схватывании и твердении гипса, цемента, извести и др. Как технологический компонент для варки, растворения, разбавления, выщелачивания, кристаллизации вода применяется в многочисленных производственных процессах. В технике вода служит энергоносителем, теплоносителем, рабочим телом в паровых машинах, используется для передачи давления. или передачи мощности. Вода, подаваемая под значительным давлением через сопло, размывает грунт или породу

Требования, предъявляемые к воде в промышленности, весьма разнообразна. Вода особой чистоты нужна для развития производств и полупроводников, люминофоров, используется в атомной технике.

Видимые громадные запасы воды, её доступность и дешевизна определили бездумное, бесхозяйственное отношение к её использованию. Стремительный рост потребления воды промышленностью ставит перед человеком новую важную проблему – борьбы с истощением и загрязнением водных ресурсов планеты. Обеспечение достаточным количеством качественной воды – серьёзная проблема, над которой работают учёные во многих странах. 

При прохождении через гидрологический цикл  вода загрязняется взвешенными и растворёнными веществами – как природными компонентами, так и отходами человеческой деятельности. Доля промышленности в загрязнении поверхностных вод в целом составляет 70- 80%. Основная часть используемой в промышленности воды возвращается в естественные водоёмы, но уже в виде стоков, загрязнённых примесями взвешенных и растворённых соединений, большинство из которых токсичны или меняют солевой состав водоёмов, вызывают вторичное загрязнение, например, после анаэробного разложения. Особую экологическую опасность представляют сточные воды химических  и нефтехимических  предприятий. Это связано с их сложным и переменным составом, высокой токсичностью, преимущественным содержанием растворённых загрязнений, которые с трудом окисляются биохимическим методом. Примером может служить загрязнение сточных вод при электрохимических производствах ионами тяжёлых металлов, цианид-анионами, поверхностно-активными веществами и т.д. 

Загрязняющие вещества могут попадать в озёра и реки и из таких источников, как неисправные канализационные сети, скотные дворы и животноводческие фермы, разного рода выгребные ямы, ливневые стоки городских и промышленных территорий, а так же при протекании через загрязненную почву. Поступление большого количества удобрений со сточными водами в водоёмы (на склоновых землях вымывается до 20% азота, 2 – 5% фосфора и 10 – 70% калия) приводит к чрезмерному росту водорослей. Когда разросшиеся за счёт притока питательных веществ водоросли гибнут, они при разложении поглощают почти весь растворённый в воде кислород, вследствие этого быстро ухудшаются условия для существования живых организмов (эвтрофикация водоёмов). 

Особо опасным источником загрязнения поверхностных и грунтовых вод являются свалки химических отходов. Так, в апреле 1990 года возникла социально-экологическая напряжённость в Донбассе, связанная с химической опасностью: многие горняки шахты «Углегорска» (г. Горловка), а также шахты в г. Енакиево отравились «неизвестными химическими веществами». Источником отравления была свалка хим.завода, созданная почти 30 лет назад на месте бывшего песчаного карьера.

Некоторые загрязнители (серная и азотная кислоты, сульфаты, нитраты, соединения тяжёлых металлов, ДДТ и др.) попадают в природные воды из атмосферы с осадками. В начале 90-ых годов среднегодовая величина общей минерализации осадков на территории Беларуси изменилась в пределах от 10 до 20 мг/л. Основной вклад в общую минерализацию вносят сульфаты и нитраты (35 - 40% и 20% соответственно). На величину потока загрязняющих веществ значительное влияние оказывает неравномерность выпадения осадков. Часто, высокие концентрации химических веществ в атмосфере над территорией республики не приводили к выпадению их на поверхность земли только благодаря отсутствию или небольшим количеством атмосферных осадков.

В тех районах, где рост промышленного производства в речном бассейне сопровождается эффективной обработкой отходов и принятие мер по предотвращению попадания загрязняющих веществ в водоемы, хорошее качество воды сохраняется. Аналогичная ситуация сложилась на реке Даугава в ноябре 1990 года. В результате аварии на химическом комбинате в г.Новополоцке произошел сброс в реку большого количества цианидов. В связи с закрытием водозаборных станций, питающих ряд населенных пунктов, а так же районов г. Риги, пришлось срочно производить расконсервирование резервных артезианских скважин для обеспечения населения чистой водой.

Приведенные примеры показывают, что во всех странах мира до сих пор проявляется поразительная недальновидность в отношении использования водных ресурсов. Если не произойдет существенного улучшения в использовании воды на земле, то будущее рода человеческого и жизни вообще окажется под угрозой.



1.2 Отходы производства и потребления.



На предприятиях химико-лесного комплекса воду используют для производственных и хозяйственно-бытовых нужд. Потребление свежей воды на каждом предприятии достигает огромных размеров и сопровождается образованием сточных вод, сброс которых загрязняет водоёмы. С учётом этого для сокращения потребления свежей воды, и уменьшения количества сточных вод проводят различные мероприятия: разрабатывают безводные и маловодные технологические процессы; совершенствуют действующие производства; внедряют аппараты воздушного охлаждения, повторно используют в оборотных и замкнутых системах очищенные сточные воды.

Основное количество воды (до 80%) служит для охлаждения оборудования, газообразных и жидких продуктов. Охлаждающая вода  не соприкасается с материальными потоками и циркулирует в оборотных системах (условно чистая вода); она многократно нагревается до 40-45С и охлаждается в вентилируемых градирнях или брызгальных бассейнах. В результате испарения безвозвратно теряется  значительно количество воды. Кроме того, для предотвращения инкрустаций, коррозии, биологического обрастания аппаратов и трубопроводов, часть обработанной воды выводится из системы на очистку (продувочная вода). Указанные потери компенсируются подачей в систему свежей воды. В целом на химической промышленности и предприятии по производству удобрений коэффициент использования воды К =0,73 (на некоторых предприятиях 0,85 – 0,95), а доля оборотной воды достигла 82,5%. 

Для химических отраслей промышленности характерна широкая номенклатура продукции и многообразие различных по составу физхическо-химических свойствам отходов производства. Количество последних вследствие развития производства непрерывно возрастает, что способствует загрязнению окружающей среды. Между тем выброс в неё отходов  нецелесообразен не только экологически, но и экономически, поскольку большинство их представляет собой вторичные материальные ресурсы. Научно-технический прогресс позволяет благодаря разработке и внедрению соответствующих прогрессов и методов, а так же оборудования не только сократить отходы производства и повысить его эффективность (вследствие значительного снижения расходы сырья и материалов и стоимости продукции), но и обеспечить необходимую защиту окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами. Отходы в химической технологии классифицируют по агрегатному состоянию, токсичности, методам переработки и др. По агрегатному состоянию различают отходы газообразные жидкие и твёрдые. Газообразные отходы – выделение химико-технологических процессов, выбросы из промышленных печей, сушилок, отдувочных аппаратов и тд. Жидкие отходы почти полностью состоят из жидкой фазы и содержат растворённые в воде или иных растворителях соли, щёлочи, концентраты, органические вещества, а так же примеси взвешенных частиц. Твёрдые отходы получают в виде порошков, пылей, слитков или затвердевшей массы. К отдельной группе отходов относят так называемые шламы-остатки, содержащие твёрдую и жидкую фазы (осадки после фильтрования, седиментации, нейтрализации). 

Кроме отходов производства возникают так же отходы потребления. Промышленные отходы – металлолом, вышедшее из строя оборудование, технические изделия из пластмасс, резин, стекла и др. Бытовые отходы – пищевые остатки, изношенные одежда, обувь и тп., использованная тара и тд.

По токсичности отходы подразделяют на безвредные, токсичные и особо токсичные. Токсичность отходов устанавливают: по эффекту непосредственного воздействия на здоровье людей, по воздействия на животных, по бимолекулярным свойствам, по устойчивости в окружающей среде, по свойствам продуктов разложения и т.д.



1.3 Типы затрат на природоохранные мероприятия.



Отходы, попадающие в атмосферу, гидросферу и литосферу, ухудшают природную среду. Для поддержания её на заданном уровне на современном этапе развития производства требуются значительные затраты:

 - на мероприятия, необходимые для уменьшения поступления выбросов в окружающую среду.

 - на компенсацию социальных последствий от выбросов.

 - на возмещение потерь сырья и продуктов с отходящими газами и сточными водами.

Для уменьшения размеров экономического ущерба необходимо увеличивать выпуск очистных сооружений и повышать их эффективность. Для стабилизации и улучшения состояния окружающей среды в разных странах выделяются средства в размере 1 – 2,5% от национального дохода. 

                  




Глава 2. Характеристика сточных вод



В зависимости от условий образования различают сточные воды: промышленные, атмосферные (образуются в результате выпадения атмосферных осадков и, загрязняясь минеральными и органическими 

веществами, стекают с территории предприятий), хозяйственно-бытовые.

Промышленные сточные воды представляют собой жидкие отходы, которые образуются при переработке неорганического и органического сырья. Источники сточных вод в технологических процессах:

 - воды, образующиеся при протекании химических реакций (загрязнены их продуктами и исходными веществами).

 - воды, находящиеся в виде свободной и связанной влаги в сырье или исходных продуктах и выделяющиеся при их переработке.

 - воды от промывок сырья, продуктов и оборудования.

 - маточные водные растворы.

 - водные экстракты и абсорбенты.

 - хладагенты.

 - прочие – воды вакуум-насосов, конденсаторов смешения, установок гидрозолоудаления, от мытья тары и д.р.

Количество образующихся сточных вод определяются видом химического производства.

Ежегодно во внутренний водоёмы и моря сбрасывают 150 км3 сточных вод, в том числе, 40 км3 без очистки. Сброс неочищенных сточных вод в водоёмы изменяет качества природных вод: снижает рН, повышается содержание тяжёлых металлов и неметаллов (Pb, Hg, Zn, As, Cd), нитратов и нитритов, фосфатов, ПАВ, пестицидов и продуктов их распада; уменьшается содержание кислорода и прозрачность; увеличивается количество вирусов и бактерий.





Глава 3. Методы очистки сточных вод



3.1. Общие сведения об очистке сточных вод.



Для потребления в оборотных системах и технологических процессах сточные воды подвергаются очистке до необходимого качества, которое зависит от видов химического производства. В промышленности применяют механический, химический, физико-химический, биохимический и термический методы очистки, подразделяемые на рекуперационные и деструктивные. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных веществ. С помощью деструктивных методов вещества, загрязняющие сточные воды, подвергаются разрушению путём окисления или восстановления; продукты деструкции удаляются из стоков в виде газов или осадков.

Перед подачей на очистные сооружения сточные воды обычно поступают в аппараты, в которых усредняются их состав и расход. Эффективность различных методов очистки: механических 50 – 70%, химических 80 – 90%, физико-химических 90 – 95%, биохимических 85 – 95%. 

Метод очистки и инженерное оформление соответствующего процесса выбирают, принимая во внимание:

 -  санитарные и технические требования к качеству очищенных вод и направление их дальнейшего использования.

 -    количество стоков. 

 - наличие на предприятии необходимых для их обезвреживания энергетических и материальных ресурсов (пар, топливо, сжатый воздух, электроэнергия, сорбенты, реагенты),  а так же площадей для сооружения очистных установок.

 - эффективность обезвреживания сточных вод.



	3.2 Химический метод

	

В практике химической очистки питьевой воды и промышленных сточных вод применяется такие окислители, как озон, хлор и пероксид водорода. В виду того, что хлорирование воды приводит к образованию заметных количеств хлоруглеводородов, вредных для здоровья человека, в последнее время шире применяется озон и пероксид водорода. Основными продуктами химических реакций, протекающих при водоочистке с использованием озона и пероксида водорода, являются безвредные вещества: вода, углекислый газ, кислород. 

Большое количество аммонийного азота  в стоках приводит к кислородному голоданию растений и отрицательно влияет на флору и фауну водного бассейна.

	В технологии очитки сточных вод от ионов аммония могут быть использованы различные методы. Однако большинство этих методов имеет ряд недостатков, что ограничивает область их применения. Одним из широко применяемых методов очистки сточных вод с невысоким содержанием аммония является окислительный метод. В качестве окислителя могут применяться озон и хлор, однако их применение связано с высокими затратами и повышенной опасностью. Могут быть использованы также гипохлориты щелочных и щелочноземельных металлов. При этом необходима предварительная корректировка pH сточных вод до начальных значений 8 – 10,5 щелочным агентом или буферной смесью, затем проводят обработку гипохлорит-ионами, используя гипохлориты щелочных или щелочноземельных металлов NaClO или Ca(ClO)2  в количестве эквивалентном или превышающем на 5% эквивалентное содержание аммиака или аммонийных солей в сточных водах. Процесс окисления протекает в жидкой гомогенной среде с образованием газообразного продукта.

Озон эффективно обесцвечивает питьевую воду, улучшает её вкусовые качества, устраняет неприятные запахи. Озон в водных растворах при нормальных условиях и относительно малых концентрациях, которые характерны для его применения в водных технологиях, разрушается за 4 – 8 минут за счёт реакции с ионом OH¯. При разложении озона в воде образуется кислород, повышение концентрации которого так же положительно сказывается на её качестве. Однако в ряде случаев, в частности, при наличии в сточных водах большого количества трудно окисляемых органических веществ, неподдающихся полному окислению при простом озонировании воды, применение озона нежелательно, так как возможно образование продуктов неполного окисления, причём более токсичных, чем исходные органические соединения.

	

	3.3. Биологический метод

	

Метод биологической очистки (с участием микрофлоры активного ила) теоретически может обеспечить снижение концентрации органических веществ на 90 – 95%. Но практически снижает её на 80%. К недостаткам данного метода следует отнести накопление огромного количества активного ила после биологической очистки в ило- и шламонакопителях, который после обезвоживания вывозится в отвал. Так, предприятия целлюлозно-бумажной промышленности накапливают за год миллионы тон твёрдых отходов, которые пользуются лишь на 4 – 6%. 

	

	3.4 Радиохимический метод

	

Наиболее эффективно окислительные процессы с участием пероксида водорода протекают с одновременным УФ-облучением раствора, приводящим к образованию гидроксильных радикалов. 

Для очистки сточных вод таких загрязнителей, как красители, пестициды, поверхностно-активные вещества, вредные микроорганизмы применяют радиационные методы. Механизм этих процессов заключается в том, что при действии ионизирующего излучения происходит образование активных радиальных частиц, эффективно участвующих в процессах окисления.

Неорганические и органические иониты условно подразделяют на природные (цеолиты, целлюлоза, торф и др.) и синтетические (силикагель, ионообменные смолы). В промышленности широко используются иониты, имеющие гранульную форму. Обычно процесс сорбции проводится в колонне с движущимся раствором и неподвижным слоем ионита. Реже используется процессы с движущимся слоем сорбента. Для процессов очистки больших объёмов загрязнённой воды более перспективным является использование волокнистых ионитов. Применение ионитов в виде текстильных материалов позволяет легко осуществлять контролируемое передвижение ионитов непосредственно в водоёме или канале. Подходящими формами ионитов могут быть сети, конвейерные ленты, плавающие или закреплённые под водой маты, периодически извлекаемые для регенерации, рыхлые слои большой протяжённости. 



3.5 Механический метод



Механическую очистку осуществляют методами процеживания и фильтрования для выделения из сточных вод нерастворимых грубодисперсных примесей. 

Цель отстаивания – это удаление твердых и жидких нерастворимых примесей. Для этого используют отстойники периодического и непрерывного действия, которые по направлению движения сточных вод делят на горизонтальные, радиальные и вертикальные. Загрязнения с плотностью, меньше чем у воды (нефтепродукты, смолы и другие) удаляют при всплывании их в горизонтальных и радиальных нефтеловушках, которые по устройству мало отличаются от отстойников. Нефтепродукты, всплывающие на поверхность воды, с помощью нефтесборных труб удаляются на дальнейшую переработку. Степень очистки 60 - 70%. 

Для разделения неоднородных систем «вода - твёрдые частицы» (суспензии) широко используется процесс фильтрования, реализуемый за счёт пористых фильтровальных перегородок. На ряду с обычной фильтрацией, в настоящее время в ряде областей промышленности (пищевой, фармацевтической, текстильной, металлообрабатывающей, электронной) нашла широкое применение ультрафильтрация. Ультрафильтрация – это процесс мембранного разделения растворённых и диспергированных частиц, который основан на различиях в их молекулярной массе или размерах и протекает под действием давления. Растворитель и часть растворённых веществ проходит через мембрану, а молекулы, или ассоциаты, более крупные, чем поры, задерживаются. Верхний предел задерживаемых частиц обычно составляет 0,05 – 0,1 мкм. 

При больших объёмах сточных вод используют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и с зернистым слоем. Фильтр последнего типа представляет собой резервуар, в нижней части которого размещено дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывается слой поддерживающего металла, за тем фильтрующие материалы. 

Для удаления примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются, используют флотацию. Наиболее распространены установки напорной флотации. В них сточные воды сначала насыщаются воздухом в напорной ёмкости при давлении 0,15 – 0,40 МПа, затем водовоздушная смесь поступает во флотационную камеру, работающую при атмосферном давлении. В камере воздух выделяется в виде пузырьков, которые, поднимаясь, захватывают взвешенные частицы. Пенный слой, образующийся на поверхности воды и содержащий загрязнения, удаляется из камеры. Достоинства процесса: высокая степень очистки (85 – 98%), широкий диапазон выделяемых из воды примесей, небольшие капитальные затраты, большая скорость по сравнению с отстаиванием. возможность получения шлама меньшей влажности.  



3.6. Проблема традиционных методов очистки



Большое содержание загрязняющих веществ или наличие особо токсичных соединений делают непригодным применение традиционных методов очистки, а стоимость обезвреживания отходов столь велика, что становится нерентабельным основное производство. Сложившаяся обстановка требует не только интенсификации известных уже методов водоочистки, но и разработки новых. 

Уже очевидно, что более перспективным путём сохранения хорошего качества водных ресурсов планеты является предотвращение попадания загрязнений в водоемы. Водоочистные технологии становятся всё более сложными и дорогостоящими, так как увеличивается число загрязняющих веществ. Кроме того, средства, истраченные на удаление вредных веществ из воды, лучше бы использовать на то, чтобы грязь не попала в воду. Часто оказывается, что фабрики, спроектированные так, чтобы сделать минимальным объём сточных вод, оказываются более экономичным, чем те, которые строят собственные очистные сооружения, отвечающие экологическим требованиям.



3.7. Роль химии в защите окружающей среды.



Химические отрасли промышленности относятся к отраслям хозяйства, оказывающей отрицательное влияние на природу. Одновременно они имеют важное значение для осуществления мероприятий по её охране: в разнообразную гамму химической продукции входят различные реагенты, сорбенты, ионообменные материалы, катализаторы и др., которые широко используются в системах очистки отходящих газов и сточных вод. На основе достижений химической науки и производства разработаны и создаются экологически чистые виды топлива, новые электрохимические источники энергии, например, свинцово-кислотные аккумуляторы для перемещения на транспорте, методы локализации загрязнения Мирового океана нефти и нефтепродуктами, новые методы опреснения воды.    




Глава 4. Характеристика окислителей, применяемых при химической очистке сточных вод



4.1. Озон



Получают в озонаторах при пропуске тихого электрического разряда через О2

О3 – ядовит. ПДК – 0,16 мг/м3 в атмосферном воздухе.

0,002 – 0,02 мг/л вызывает раздражение дыхательных путей, кашель, рвоту, головокружение.

О3 – взрывоопасен во всех агрегатных состояниях. Дополнительные примеси повышают ее чувствительность.

Обеззараживание озоном питьевой воды более эффективно, чем хлором.

О3 используется для обезвреживания сточных вод химических предприятий, особенно в случае фенольных и цианидных загрязнений.



4.2. Хлор



Весьма токсичен.

Содержание Сl2 в воздухе 0,006 мг/л оказывает раздражающее действие на дыхательные пути.

При большей концентрации, чем 0,1 мг/л опасен для жизни.

ПДК в атмосфере 0,1 мг/л3 – разовая. 0,03 – среднедопустимый.

При концентрации выше, чем 0,1 мг/л остановка дыхания может наступить через 5-25 минут.









4.3 Гипохлорит натрия



Бесцветен, нестабильный, содержание 95,2% активного Cl (количество) Cl2 при взаимодействии с HCl

600 C - разлагается 

700 C - взрывается 

В водном растворе не устойчив. При обычной температуре (250 С) распадается на 0,085 % в сутки. Наиболее устойчив в растворе с уровнем pH11.

Промышленность выпускает щелочной водный раствор NaClO.

Способ получения: хлорирование раствора NaOH или Na2CO3 при температуре не выше 350С.

применяется для очистки воды, как дезинфицирующее средство, для отбеливания тканей и бумаги, при хлорировании и окислении органических соединений.

Негигроскопичен, на воздухе переходит в жидкое состояние из-за разложения. Добавление NaOH замедляет разложение в растворе.



4.4 Гипохлорит кальция



Бесцветные кристаллы, устойчив в сухой атмосфере, в отсутствии СО2.

При 1800С разлагается с выделением большого количества тепла.

При 500С медленно распадается с отделением активного хлора.

Са(ОСl)2 → CaCl2 + O2

→ Ca(ClO3)2 + CaCl2

→ CaO + Cl2 

Ca(OH)2 - замедляет распад

СО2 и влага ускоряют 

В промышленности выпускается Са(ОСl)2 с содержанием активного хлора 50 – 70 %

Или 3Са(ОСl)2 * 2Ca(OH)2 * Н2О содержание активного хлора 50 – 55 %

Так же водный раствор с концентрацией активного хлора 85 – 110 г/л

Применяется так же как NaClO.




Глава 5. Методика проведения эксперимента



При проведении эксперимента использовали следующую методику. В термостатируемый реакционный сосуд заливали 100 мл сточной воды с содержанием ионов аммония 0,816 г/л. Затем, используя делительную воронку, подавали рассчитанное количество окислителей: гипохлорита натрия (техническое название «Белизна»), с содержанием активного хлора ClO-  - 78 г/л. или гипохлорита кальция с содержанием активного хлора ClO-  - 66,48 г/л. Расчет  количества окислителей проводили по уравнениям реакции. 

2NH4OH  + 3NaClO = N2 + 3NaCl + 5H2O

4NH4OH + 3Ca(ClO)2 = 2N2 + 3CaCl2 + 10H2O



После прибавления окислителей с помощью магнитной мешалки осуществляли непрерывное перемешивание в течении заданного времени. Процесс окисления проводили при температурах 00С, 200С, 300С. После проведения процесса отбирались пробы для анализа содержания концентрации ионов аммония и гипохлорит ионов. Анализ концентраций проводился в Институте мелиорации колориметрическим методом. 

Результаты исследований отражены  в таблицах и графиках




Глава 6. Практическая часть



В настоящее время на многих промышленных предприятиях существует проблема очистки сточных вод от ионов аммония. Большое количество аммонийного азота  в стоках приводит к кислородному голоданию растений и отрицательно влияет на флору и фауну водного бассейна.

В технологии очитки сточных вод от ионов аммония могут быть использованы различные методы. Однако большинство этих методов имеет ряд недостатков, что ограничивает область их применения. Одним из широко применяемых методов очистки сточных вод с содержанием аммония является окислительный метод. В качестве окислителя могут применяться озон и хлор, однако их применение связано с высокими затратами и повышенной опасностью. Могут быть использованы также гипохлориты щелочных и щелочноземельных металлов. При этом необходима предварительная корректировка pH сточных вод до начальных значений 8 – 10,5 щелочным агентом, затем проводят обработку гипохлорит-ионами, используя гипохлориты щелочных или щелочноземельных металлов NaClO или Ca(ClO)2  в количестве эквивалентном или превышающем  эквивалентное содержание аммиака или аммонийных солей в сточных водах. Процесс окисления протекает в жидкой гомогенной среде с образованием газообразных продуктов и нетоксичных веществ. 



2NH4OH + 3NaClO =  N2 + 3NaCl + 5H2O ,



4NH4OH + 3Ca(ClO)2 = 2N2 + 3CaCl2 + 10H2O



В результате токсичные ионы аммония заменяются на ионы натрия или кальция.



Способ прост в осуществлении, не требует создания специальных установок (как при озонировании) и обеспечивает высокую степень очистки. В отличие от хлора и озона растворы гипохлоритов натрия или кальция являются безопасными, имеют меньшую стоимость, поскольку образуются в качестве отходов некоторых химических предприятий.

В данной работе проведены исследования отработки наиболее оптимальных режимов очистки сточных вод от ионов аммония методом окисления. 

 Целью исследования являлось определение степени очистки сточных вод от ионов аммония при различных условиях проведения химико-технологического процесса, таких как температура, значение рH среды и количества окислителя.

Объектом нашего исследования являлись промышленные сточные воды с содержанием ионов аммония 0,816 г/л. В качестве окислителя, как уже указывалось раньше, мы использовали гипохлорит натрия NaClO (техническое название «Белизна») с содержанием активного хлора 78 г/л и гипохлорита кальция Ca(ClO)2 с содержанием активного хлора 66,48 г/л.

Процесс окисления проводился в жидкой гомогенной среде при рН среды 8, как при стехиометрическом, так и превышающем стехиометрический на 20, 40 %, при температурах 00, 200, 300 в промежутке времени от 20 до 90 минут. Таблицы и графики полученных при исследовании результатов приведены ниже.






Таблица 1.

Результаты очистки сточных вод раствором гипохлорита натрия при различных температурах и стехиометрическом расходе окислителя.


Таблица 2.

Результаты очистки сточных вод раствором гипохлорита кальция при различных температурах и стехиометрическом расходе окислителя



t, мин

X, %

CNH4+

t0C

30

71

0.579

0

60

73

0.596



90

76

0.620



30

72

0.588

20

60

75

0.612



90

77

0.628



30

73

0.596

30

60

85

0.694



90

89

0.726





t, мин

X, %

CNH4+

t0C

30

64

0.522

0

60

75

0.612



90

84

0.685



30

65

0.530

20

60

78

0.636



90

84

0.685



30

65

0.530

30

60

80

0.653



90

84

0.685












Таблица 3.

Результаты очистки сточных вод раствором гипохлорита натрия при различных температурах и 20 % избытке окислителя.


Таблица 4.

Результаты очистки сточных вод раствором гипохлорита натрия при различных температурах и 40% избытке окислителя.



t, мин

проценты

CNH4+

t0C

30

70

0.571

20

60

85

0.694



90

86

0.702



30

72

0.588

30

60

85

0.694



90

88

0.718





t, мин

Проценты

CNH4+

t0C

30

71

0,579

20

60

85

0,694



90

88

0,718



30

83

0,677

30

60

89

0,726



90

90

0,734











Таблица 5.

Результаты очистки сточных вод раствором гипохлорита кальция при различных температурах и 20% избытке окислителя.

Таблица 6.

Результаты очистки сточных вод раствором гипохлорита кальция при различных температурах и 40% избытке окислителя.



t, мин

X, %

CNH4+

t0C

30

64

0,522

20

60

71

0,579



90

84

0,685



30

78

0,636

30

60

85

0,694



90

88

0,718





t, мин

X, %

CNH4+

t0C

30

80

0,653

20

60

83

0,677



90

86

0,702



30

79

0,645

30

60

88

0,718



90

90

0,734







На основе данных таблиц построены графики зависимости степени очистки сточных вод от времени и температуры для стехиометрического расхода окислителя и превышающего на 20 и 40% стехиометрический. 



 График 1. Зависимость степени очистки сточной воды Х(%) от времени t (мин) при температурах: 1. – 00С , 2. – 200С, 3 – 300С для гипохлорита натрия при стехиометрическом расходе окислителя.





График 2. Зависимость степени очистки сточной воды Х(%) от времени t (мин) при температурах: 1. – 00С , 2. – 200С, 3 – 300С для гипохлорита кальция при стехиометрическом расходе окислителя.





График 3. Зависимость степени очистки сточной воды Х(%) от времени t (мин) при температурах: 1, 2. – 200С; 3, 4 – 300С и избытке окислителя 1, 3 – 20 %; 2, 4 – 40% для гипохлорита натрия.



График 4. Зависимость степени очистки сточной воды Х(%) от времени t (мин) при температурах: 1, 2. – 200С; 3, 4 – 300С и избытке окислителя 1, 3 – 20 %; 2, 4 – 40% для гипохлорита кальция.

Из графиков можно отметить, что при температуре 30оС степень очистки сточных вод выше при использовании гипохлорита кальция; при более низких температурах (0о и 20оС) степень очистки воды гипохлоритом натрия имеет более низкие значения. 

При использовании гипохлорита кальция конечная степень очистки (достигается через полтора часа) имеет практически одинаковые значения как при 300, так и при 00 и 200 С.

Таким образом, при низких температурах гипохлорит кальция лучше окисляет ионы аммония, чем гипохлорит натрия. Возможно, это связано с наличием в растворе гипохлорита кальция примесных ионов железа (III), ускоряющих процесс окисления. 

Из анализа зависимости степени очистки от времени (рис. 2) видно, что с повышением температуры и избытка гипохлоритов наблюдается увеличение степени очистки. 

В присутствии избытка гипохлорита уже в самом начале процесса очистки реакция идёт более интенсивно и степень очистки больше, о чём свидетельствует более высокое значение Х уже после 30 мин. от начала процесса. Следует отметить, что в проведённых сериях экспериментов (рис 1 и 2) максимальная степень очистки сточных вод от ионов аммония составил при указанных условиях 87 – 91%. 




Выводы



1. При стехиометрическом расходе окислителей наиболее эффективное время очистки СВ – 60 мин. при температурах 20ºС, 30ºС. Степень очистки СВ при этом составляет: примерно 88 % для NaClO и примерно 83 % для Ca(ClO)2.



2.За один и тот же промежуток времени (60 мин.) при низких температурах (0ºС, 20С) Ca(CLO)2 лучше окисляет ионы NH4+  , а при температуре 30ºС процесс окисления ионов NH4+ идет более эффективно с использованием окислителя NaClO.



3. Максимальная степень очистки СВ (89-91 %) достигается при использовании 40 % избытка окислителей в течение 90 мин. при температуре 30ºС.



4. Результаты проведенных исследований могут быть использованы в технологии очистки СВ промышленных предприятий с большим содержанием аммонийного азота.

	
Литература

	

	1. Ковалева Н.Г., Ковалев В.Г., Биохимическая очистка сточных вод предприятий химической промышленности, М., 1987

	2. Краткая химическая энциклопедия. Т. 3 / Под. ред.  И.Л. Кнунянца. М.: Сов.энциклопедия, 1964.  1112 с.

	3. Кудрявский Ю.П. // Цветная металлургия. 1977. № 8 – 9. С. 46 – 48.

	4. Пономарев В.Г., и др., Очистка сточных вод нефтеперерабатавывающих заводов, М., 1985 

	5. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И.  Очистка сточных вод в химической промышленности Л.: Химия, 1977. 256 с.

	6. Стадницкий Г.В., Родионов А. И., Экология, М.,1988

	7. Химия окружающей среды, под ред. Дж. Бориса, пер. с англ., М;1982

	8. Циганова А.П., Балацский О.Ф., Сенин В.Н., Технический прогресс – химия – окружающая среда, М.,1979;

	9. Шевченко М.А., Таран П.Н., Гончарук В. В., Очистка природных и сточных вод от пестицидов., Л., 1989.                                    





30