Жидкостная экстракция применяется для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов и др. Целесообразность использования экстракции для очистки сточных вод определяется концентрацией органических примесей в них. Экстракция может быть экономически выгодным процессом, если стоимость извлекаемых веществ компенсирует все затраты на его проведение. Для каждого вещества существует концентрационный предел рентабельности извлечения его из сточных вод. В общем случае для большинства веществ можно считать, что при концентрации выше 3…4 г/л их рациональнее извлекать экстракцией, чем адсорбцией. При концентрации меньше 1 г/л экстракцию следует применять только в особых случаях.

Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий:

• первая стадия – интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). В условиях развитой поверхности контакта между жидкостями образуются две жидкие фазы. Одна фаза – экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент, другая – рафинат – сточную воду и экстрагент;

• вторая стадия – разделение экстракта и рафината;

• третья стадия – регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Чтобы снизить содержание растворенных примесей до концентраций, ниже предельно допустимых, необходимо правильно выбрать экстрагент и скорость его подачи в сточную воду. При выборе растворителя следует учитывать его селективность, физико-химические свойства, стоимость и способы регенерации.

Экстрагент должен отвечать следующим требованиям:

· растворять извлекаемое вещество значительно лучше, чем вода, т.е. обладать высоким коэффициентом распределения; обладать большой селективностью растворения. Чем меньше он будет растворять компоненты, которые должны остаться в сточной воде, тем более полно будут извлекаться необходимые вещества;

· иметь по возможности наибольшую растворяющую способность по отношению к извлекаемому компоненту. Чем она выше, тем меньше потребуется экстрагента, т.е. тем ниже будут затраты на очистку;

· иметь низкую растворимость в сточной воде и не образовывать устойчивых эмульсий, так как в противном случае снижается производительность установки, затрудняется разделение экстракта и рафината, и увеличивается продолжительность этого процесса, возрастают потери растворителя;

· значительно отличаться по плотности от сточной воды. Обычно она меньше; разность плотностей обеспечивает быстрое и полное разделение фаз;

· обладать большим коэффициентом диффузии. Чем он больше, тем больше скорость массообмена, т.е. скорость процесса экстракции;

· регенерироваться простым и дешевым способом;

· иметь температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры экстрагируемого вещества, чтобы обеспечить легкое разделение;

· иметь небольшую удельную теплоту испарения и небольшую теплоемкость;

· не взаимодействовать с извлекаемым веществом, так как это может затруднить регенерацию экстрагента и увеличить его потери;

· по возможности не быть вредным, взрыво- и огнеопасным и не вызывать коррозию материала аппаратов;

· иметь небольшую стоимость,

Экстрагент должен равномерно распределяться в объеме сточной воды. Скорость подачи экстрагента в сточную воду должна быть минимальной. Она зависит от степени очистки и коэффициента распределения, который равен отношению растворенного вещества в экстрагенте и в воде:

k_Р = С_э / С_в.

Это выражение является законом равновесного распределения и характеризует динамическое равновесие между концентрациями экстрагируемого вещества в экстрагенте и в воде при данной температуре. Коэффициент распределения устанавливается опытным путем и зависит от природы компонентов системы, наличия примесей в воде и экстрагенте и температуры. Это соотношение справедливо, если экстрагент совершенно нерастворим в сточной воде. Однако экстрагент частично растворим в сточной воде, поэтому k_p будет зависеть не только от температуры, но и от концентрации извлекаемого вещества в рафинате, т.е. будет величиной переменной.

При содержании в сточной воде нескольких примесей целесообразно извлекать экстракцией сначала один из компонентов – наиболее ценный или токсичный, а затем, если это необходимо, другой и т.д. При этом для каждого компонента может быть разный эксграгент. При необходимости одновременной экстракции нескольких веществ из сточной воды экстрагент не должен обладать селективностью извлечения, а иметь близкие и достаточно высокие коэффициенты распределения для всех извлекаемых веществ. Проведение такого процесса очистки затрудняет выбор экстрагента и его регенерацию.

Необходимость извлечения экстрагента из экстракта связана с тем, что его надо вновь вернуть в процесс экстракции. Регенерация может быть проведена с применением вторичной экстракции – с другим растворителем, а также выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением. Не проводить регенерацию экстрагента возможно в случае, если нет необходимости возвращать его в цикл. Например, после извлечения какого-либо вещества можно использовать экстракт для технологических целей или в качестве топлива. В последнем случае экстрагируемые вещества при сжигании разрушаются. Это целесообразно делать, когда они не представляют большой ценности.

Так как совершенно нерастворимых в воде жидкостей нет, то в процессе экстракции часть экстрагента растворяется в сточной воде, становится новым загрязнителем ее, поэтому необходимо удалять экстрагент из рафината. Это также необходимо производить и в целях сокращения потерь растворителя. Потери растворителя с рафинатом допустимы лишь при условии его растворимости в воде не

выше ПДК, но только при его очень низкой стоимости. Наиболее распространенным способом извлечения растворителя из рафината является адсорбция или отгонка паром (газом). Для этой цели целесообразно использовать отработанный пар или отходящие дымовые газы.

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной многоступенчатой экстракции и непрерывной противоточной экстракции (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Схема непрерывной противоточной экстракции с регенерацией экстрагента из экстракта и рафината:

1 – система для удаления экстрагента из рафината, 2 – колонна, 3 – система для удаления экстрагента экстракта