Окисление загрязнителей сточных вод

Для очистки сточных вод используют следующие окислители; газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориты кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, пероксосерные кислоты, озон, пиролюзит и др.

В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся в сточных водах, в результате химических реакций переходят в менее токсичные, которые удаляют из воды.

Активность вещества как окислителя определяется величиной окислительного потенциала. Первое место среди окислителей занимает фтор, который из-за высокой агрессивности не может быть использован на практике. Для других веществ величина окислительного потенциала равна: для озона – 2,07; для хлора – 0,94; для пероксида водорода - 0,68; для перманганата калия – 0,59.

Хлор и вещества, содержащие “активный” хлор, являются наиболее распространенными окислителями. Их используют для очистки сточных вод от сероводорода, гидросульфида, метилсернистых соединений, фенолов, цианидов и др.

При введении хлора в воду образуется хлорноватистая и соляная кислоты:

Cl₂ + H₂O = HOCl + HCl (5.98)

Пероксид водорода используется для окисления нитритов, альдегидов, фенолов, цианидов, серосодержащих отходов, активных красителей.

Пероксид водорода в кислой и щелочной средах разлагается по следующим схемам:

2H⁺ + H₂O₂ + 2ē → 2H₂O

2OH^- + H₂O₂ + 2ē → 2H₂O + 2O^2- (5.99)

В разбавленных растворах процесс окисления органических веществ протекает медленно, поэтому используют катализаторы – ионы металлов переменной валентности (Fe²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺, CO²⁺, Cr²⁺, Ag²⁺).

В процессах водообработки используют также восстановительные свойства пероксида водорода. В нейтральной и слабощелочной средах он легко взаимодействует с хлором и гипохлоритами, переводя их в хлориды:

H₂O₂ + Cl₂ → O₂ + 2HCl (5.100)

NaClO + H₂O₂ → NaCl +O₂ + H₂O (5.101)

Эти реакции используют при дехлорировании воды.

Кислород воздуха используют при очистке воды от железа. Реакция окисления в водном растворе протекает по схеме:

4Fe^3- + O₂ + 2H₂O = 4Fe^3- + 4OH^-

Fe³⁺ + 3H₂O = Fe(OH)₃ + 3H⁺ (5.102)

Пиролюзит является природным материалом, состоящим в основном из диоксида марганца.

Его используют для окисления трехвалентного мышьяка в пятивалентный:

H₃AsO₃+MnO₂+H₂SO₄=H₃AsO₄+MnSO₄+H₂O (5.103)

Окисление озоном позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание воды, устранение привкусов и запахов и обеззараживание. Озон окисляет как неорганические, так и органические вещества, растворенные в сточной воде. Озонированием можно очищать сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений мышьяка, ПАВ, цианидов, красителей, канцерогенных ароматических углеводородов, пестицидов и др.

При обработке воды озоном происходит разложение органических веществ и обеззараживание воды; бактерии погибают в несколько тысяч раз быстрее, чем при обработке воды хлором.

Действие озона в процессах окисления может происходить в трех различных направлениях: непосредственное окисление с участием одного атома кислорода; присоединение целой молекулы озона к окисляемому веществу с образованием озонидов; каталитическое усиление окисляющего воздействия кислорода, присутствующего в озонированном воздухе. Окисление веществ может быть прямое и непрямое, а также осуществляться катализом и озонолизом.

Кинетика прямых реакций окисления может быть выражена уравнением:

− ln[C_τ ]/[C₀ ]= k[O₃ ]∙τ (5.104)

где [ C₀ ] [ C_τ ], - начальная и конечная концентрация вещества, мг/л; k - константа скорости реакции, л/(моль∙с); [ O₃ ] - средняя концентрация озона во время прохождения реакции, мг/л; τ - продолжительность озонирования, с.

Непрямое окисление – это окисление радикалами, образующимися в результате перехода озона из газовой фазы в жидкость и его саморазложения.

Катализ – каталитическое воздействие озонирования заключается в усилении им окисляющей способности кислорода, который присутствует в озонированном воздухе.

Озонолиз представляет собой процесс фиксации озона на двойной или тройной углеродной связи с последующим ее разрывом и образованием озонидов, которые, как и озон, являются нестойкими соединениями и быстро разлагаются.

Озонирование представляет собой процесс абсорбции, сопровождаемый химической реакцией в жидкой фазе. Расход озона, необходимого для окисления загрязнений, может быть определен по уравнению массообмена:

M = β ж^* ∙ F ∙ ΔC_ж (5.105)

где M – расход озона, переходящего из газовой фазы в жидкую, кг/с;

β^*_ж - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при протекании в ней химической реакции, м/с; F - поверхность контакта фаз, м²; ΔCж - движущая сила процесса, кг/м³.

Процесс очистки сточных вод значительно увеличивается при совместном использовании ультразвука и озона, ультрафиолетового облучения и озона. Ультрафиолетовое облучение ускоряет окисление в 10²…10⁴ раз.