Физико химические способы переработки

Физико-химические методы переработки

Переработка твердых отходов

«В химии нет отходов,

а есть неиспользованное сырьё»

Утилизация твердых отходов в большинстве случаев приводит к необходимости либо их разделения на компоненты (в процессах очистки, обогащения, извлечения ценных составляющих) с последующей переработкой сепарированных материалов различными методами, либо придания им определенного вида, обеспечивающего саму возможность утилизации отходов ВМР.

Твёрдые отходы необходимо либо разделить на составляющие их компоненты и в дальнейшем перерабатывать каждый компонент по соответствующему методу, либо придать ему определённый вид с целью его использования в самом процессе утилизации. Рассмотрим несколько способов.

Дробление. Активность химических и биохимических процессов возрастает с увеличением поверхности взаимодействия с реагента­ми. Для получения материала определённой фракции используют дробление. Этот процесс применяют при переработке отходов вскрыши (открытые разработки полезных ископаемых) отвальных шлаков металлургических предприятий, вышедших из употребления резиновых технических изделий, отвалов галита и фосфогипса, от­ходов древесины, некоторых пластмасс, стройматериалов и др. Крупность дробления — 5 мм. Для дробления большинства видов твёрдых отходов используют щековые, конусные, валковые, ротор­ные дробилки и др. Для разделки очень крупных агломератов отхо­дов применяют копровые механизмы, механические ножницы, диско­вые пилы, ленточно-шильные станки и др. Выбор типа дробилки производят с учётом прочности, упругости, крупности материала.

Измельчение. Метод измельчения используют при необходимости получения из кусковых отходов зерновых и мелкодисперсных фрак­ций крупностью 1 цветных металлов, топливных и металлических шлаков, отходов углеобогащения, производственных шламов, пластмасс, пиритных огарков, фосфогипса и т.д. При этом используют в основном такие агрегаты, как стержневые, шаровые, ножевые мельницы. Измельчение некоторых типов отходов пласт­масс и резиновых технических изделий проводят при низких температурах.

Барабанные, стержневые и шаровые мельницы используют ‘как для сухого, так и для мокрого помола.

Классификация и сортировка. Эти процессы используют для разделения твёрдых отходов на фракции по крупности. Они включа­ют методы грохочения (рассева) кусков перерабатываемого матери­ала на их разделение под действием гравитационно-инерционных и гравитационно-центробежных сил. Эти методы широко применяют в качестве самостоятельных и вспомогательных при переработке твёрдых отходов. Когда классификация имеет самостоятельное значение называют сортировка, т.е. вы получаете ту или иную фракцию материала в виде готового продукта.

Грохочение — процесс разделение на классы по крупности раз­личных по размерам кусков. Для этого используют колосниковые решётки, штампованные решета, проволочные сетки и щелевидные сита. Это грохоты: неподвижные колосниковые, волновые, барабанные вращающиеся, дуговые, ударные, плоские качающиеся, полувиб­рационные, вибрационные и т.д.

Окускование. Существует и обратная задача — укрупнение мел­кодисперсных частиц. Она объединяет различные гранулирования, таблетирования, брикетирования и высокотемпературные агломерация.

Их используют при переработки в строительные материалы от­вальных пород в процессе утилизации фосфогипса, в с/х, цемент­ной промышленности, при подготовке к переплавке мелкокусковых и дисперсных отходов чёрных и цветных металлов, в процессах ути­лизации пластмасс, саж, пылей, древесной мелочи, при переработ­ке шлаковых расплавов в металлургических производствах и т.д. и т.п.

Гранулирование. Методы гранулирования охватывают большую группу процессов формирования агрегатов шарообразной или ци­линдрической формы из порошков, паст, расплавов или растворов перерабатываемых материалов. Гранулирование порошкообразных ма­териалов скатыванием проводят в барабанных, тарельчатых, центробежных, лопастных, т.е. ротационных грануляторах, а также и в вибрационных. Производительность этих аппаратов и характерис­тики гранулятов зависят от свойств исходных материалов, от тех­нологических и конструктивных факторов.

Барабанные грануляторы характеризуются большой производи­тельностью, простотой конструкции, надёжностью, но на них нель­зя получить гранулят узкого фракционного состава. С этой целью чаще используют тарельчатые грануляторы окатывания. Недостаток — высокая чувствительность к содержанию жидкой фазы в исходном материале.

Гранулирование порошков прессованием характеризуется проме­жуточной стадией упругопластического сжатия, т.е. частицы в процессе грануляции испытывают давление и нагревание в резуль­тате чего образуются коагуляционные структуры, способные к быстрому переходу в кристаллизационную. Прессовое гранулирова­ние проводят в валковых и таблеточных машинах различной конс­трукции, червячных и ленточных прессах, дисковых экструдерах и других механизмах.

Используют таблеточные машины, принцип действия которых ос­нован на прессовании дозируемых в матричные каналы порошков пу­ансонами. Используют червячные прессы (экструдеры различной конструк­ции). Рабочими элементами у них являются червяки (шнеки) или валки, пластицирующие перерабатываемый материал и продавливаю­щие его через перфорированную решётку.

Брикетирование. Используют с целью компактности и удобства транспортировки отходов. Брикетирование дисперсных материалов проводят без связующего при давлениях прессовании > 80 МПа и с добавками связующего при давлении 15-26 МПа. На процесс брикетирования существенное влияние оказывает состав, влажность и крупность материала, температура, удельное давление и продолжительность прессования. Пе­ред брикетированием материал подвергается грохочению, дробле­нию, сушке, охлаждению и другим подготовительным операциям. Приме­няются штемпельные, вальцовые, кольцевые прессы.

Высокотемпературная агломерация. Используется при перера­ботке пылей, окалины, шлаков, мелочи рудного сырья в металлур­гических производствах, пиритных огарков и др. железосодержащих отходов. Для проведения агломерации приготовляют шихту, включа­ющую твёрдое топливо, (6–7 % коксовой мелочи) и другие компоненты. Увлажнённую, шихту размещают на движущихся тележках агломераци­онной машины. Процесс спекания минеральных компонентов шихты происходит при температуре 1100-1600 °С, т.е. температура горения твёр­дого топлива. Спечённый агломерат дробят до крупности 100–150 мм валковых дробилках, продукт подвергают грохочению и последу­ющему охлаждению. Фракцию

8 мм (30–35 %) возвращают на агломе­рацию.

Термическая обработка. Включает различные приемы пиролиза (отходы пластмасс, древесины, резиновых технических изделий, шлаков нефтепереработки), переплава (отвальные металлургические шлаки, отходы термопласта, металлолома), обжига (пиритные огарки, шла­ки цветной металлургии, железосодержащие шлаки, пыли) и огнево­го обезвреживания (сжигания), многих видов отходов на органичес­кой основе.

Физико-химическое выделение компонентов

Выщелачивание (экстрагирование). Его используют в практике переработки отхо­дов горнодобывающей промышленности, металлургических и горных шлаков, топливных шлаков, пиритных огарков, древесных и др. Ме­тод основан на извлечении одного или нескольких компонентов из комплексного твёрдого материала путём его избирательного раст­ворения в жидкости ― экстрагенте. Различают:

1)простое раство­рение (целевой компонент извлекается в раствор в составе, присутствующего в исходном материале соединения;

2)выщелачивание с химической реакцией ― целевой компонент, находится в исходном материале в составе малорастворимого соединения, переходит в хорошо растворимую форму.

При выборе экстрагента к нему предъявляются такие требова­ния как: селективность, величины коэффициента распределения и диффузии, плотности, горючести, коррозионной активности, ток­сичности и др. Процесс выщелачивания зависит от концентрации экстрагента, размера и пористости зерен, обрабатываемого мате­риала, интенсивности гидродинамики и др., температура, наложе­ние различных силовых полей и других, электрическое, электромагнитное, ультразвуковое, центробежные силы и даже микроорганиз­мы.

Процессы экстракции могут быть периодическими и непрерывными. Периодические процессы проводят настаиванием или вытеснени­ем, непрерывное экстрагирование проводят путём многоступенчато­го контакта прямоточным, противоточным и комбинированным спосо­бом.

Растворение. Метод заключается в реализации гетерогенного взаимодействия между жидкостью и твёрдым веществом, при этом твёрдое вещество переходит в раствор. Процессы растворения осу­ществляют в аппаратах периодического действия в стационарном слое частиц или с перемешиванием и непрерывного действия.

Кристаллизация. При переработке твёрдых отходов используют выделение твёрдой фазы в виде кристаллов из них, растворов, расплавов или паров. Чтобы наиболее рационально выбрать способ проведения кристаллизации используют диаграммы состояния раст­воров. Скорость процесса кристаллизации зависит от степени пересыщения раствора, температуры, интенсивности перемешивания, содержания примесей и т.д.

Пересыщение раствора можно достиг­нуть двумя способами: охлаждением насыщенных растворов (изогидрическая кристаллизация) и удалением части растворителя путём вы­паривания (изотермическая кристаллизация).

Иногда используют кристаллизацию высаливанием (введение в раствор веществ, пони­жающих растворимость соли), вымораживанием (охлаждением раство­ров до отрицательных температур с выделением кристаллов соли или их концентрирование с удалением части растворителя в виде льда) и др. способы.

Осуществляют в аппаратах различной конс­трукции. В зависимости от состава отходов и их физико-химических свойств, а также механических свойств первоначально необходимо определить:

― метод разделения фаз;

― способ выделения отдельных компонентов;

― необходимость химической или биохимической обработки;

― возможность их удаления’ без предварительной обработки.

Как правило, используют сочетание способов обработки.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Химические процессы переработки отходов

Химические процессы в ресурсосберегающих производствах имеют как самостоятельное значение для получения целевых продуктов основного химического производства, так и вспомогательное — для очистки газовых выбросов, сточных вод и твердых отходов.

Так, многие процессы утилизации твердых отходов основаны на использовании методов выщелачивания (экстрагирования), растворения и кристаллизации перерабатываемых материалов, в основе которых лежат физико-химические процессы.

Растворение заключается в реализации гетерогенного взаи­модействия между жидкостью и твердым веществом, сопровож­даемого переходом последнего в раствор, и широко используется в практике переработки многих твердых отходов.

Процессы растворения осуществляют в аппаратах периоди­ческого действия разнообразных конструкций (при небольшой производительности— в стационарном слое твердых частиц или с перемешиванием) и непрерывного (во взвешенном слое или с перемешиванием). Для интенсификации растворения в ряде случаев используют наложение различных силовых полей.

Выщелачивание (экстрагирование) широко используется при переработке отвалов горнодобывающей промышленности, неко­торых металлургических и топливных шлаков, пиритных огарков, древесных и многих других ВМР. Метод основан на извлечении одного или нескольких компонентов из комплексного твердого материала путем избирательного растворения в жидкости-экстрагенте.

В зависимости от характера физико-химических процессов, протекающих при выщелачивании, различают простое растворение и выщелачивание с химической реакцией.

В первом случае целевой компонент переводится в раствор в виде присутствующего в исходном материале соединения.

Во втором случае целевой компонент, находящийся в исходном материале в виде малорастворимого соединения, предварительно переводят в хорошо растворимое соединение.

При выборе экстрагента (растворителя) к нему предъявляют ряд требований в отношении селективности, величины коэф­фициентов распределения и диффузии, плотности, горючести, коррозионной активности, токсичности и ряда других показателей. На скорость выщелачивания влияют концентрация экстрагента, размер и пористость частиц отходов, интенсивность перемешивания, температура, наложение различных силовых полей (ультразвуковых, постоянных электрических, электромагнитных, высокочастотных, центробежных и других) и в некоторых случаях присутствие различных микроорганизмов (бактериальное выщелачивание).

Экстрагирование может быть периодическим и непрерывным. Периодический процесс проводят настаиванием, т. е. обработкой налитого экстрагентом материала в течение определенного времени с последующим сливом экстрагента и заменой его свежим. Более прогрессивное непрерывное экстрагирование проводят путем многоступенчатого контакта прямоточным, противоточным и комбинированным способами.

Используемые для реализации процесса экстракции аппараты характеризуются большим разнообразием конструкций. Экстрак­торы классифицируют по способу действия (периодические и не­прерывно действующие), по направлению движения растворителя и твердой фазы (противо- и прямоточные, с процессом полного смешения, с процессом в слое и комбинированные), по характеру циркуляции растворителя (с однократным прохождением, с рециркуляцией и оросительные) и по ряду других принципов.

Увеличения производительности непрерывнодействующих реакторов достигают, объединяя их в прямоточный каскад, что обеспечивает снижение выхода твердых частиц с малым временем и убывания.

Кристаллизация — это выделение твердой фазы в виде кристаллов из насыщенных растворов, расплавов или паров. Этот метод имеет большое распространение при переработке различных жидких и твердых отходов. При использовании кристаллизации для переработки твердых отходов их сначала переводят в раствор,

Для оценки поведения растворов при их кристаллизации и выбора рационального способа проведения этого процесса ис­пользуют диаграммы состояния растворов, выражающие зависимость растворимости соответствующих солей от температуры, Скорость процесса кристаллизации зависит от многих фактором (степени пересыщения раствора, температуры, интенсивности перемешивания, содержания примесей и др.) и изменяется во времени, проходя через максимум. Соотношение скоростей основных параллельных процессов возникновения зародышей кристаллов и их роста определяет величину суммарной по­верхности зерен образующейся твердой фазы.

Создание необходимого для кристаллизации пересыщения раствора обеспечивают двумя основными приемами — ох­лаждением горячих насыщенных растворов (изогидрическая кристаллизация) и удалением части растворителя путем вы­паривания (изотермическая кристаллизация) или их комбинацией (вакуумкристаллизация, фракционированная кристаллизация, кристаллизация с испарением растворителя в токе воздуха или другого газа-носителя). Наряду с ними иногда используют крис­таллизацию высаливанием (введение в раствор веществ, понижающих растворимость соли), вымораживанием (охлаждением растворов до отрицательных температур с выделением кристаллом соли или их концентрированием с удалением части растворителя в виде льда) или за счет химической реакции, обеспечивающей пересыщение раствора, а также высокотемпературную (авто­клавную) кристаллизацию, обеспечивающую возможность по­лучения кристаллогидратов с минимальным содержанием крис­таллизационной влаги.

Химические процессы широко используются при очистке сточных вод

Метод химического осветления сточных вод основан на том, что при добавлении к ним неорганических и (или) органических коагулянтов (флокулянтов) при соответствующем pH среды происходит интенсивное хлопьеобразование, сопровождаемое удалением из сточных вод фосфора в виде нерастворимых солей — фосфатов и тяжелых металлов (нерастворимые гидроокиси).

Присутствующие во взвешенном и коллоидном состояниях загрязнения адсорбируются на образующихся хлопьях и также удаляются. Эффективность химической очистки воды зависит от многих факторов, в частности от соотношения концентраций коагулянта, флокулянта и загрязнений, от интенсивности и времени перемешивания обрабатываемых сточных вод при контакте их с химикалиями, от pH среды и температуры, от содержания солей, величины и знака заряда частиц и др. Обычно химическую обработку сточных вод проводят в реакторах-сме­сителях. В условиях интенсивного перемешивания химикалии контактируют со сточными водами при оптимальной величине pH, которую устанавливают в ходе предварительных лабораторных или пилотных испытаний.

Обычный и наиболее распространенный во всех странах метод дезинфекции сточных вод — хлорирование, главными недостатками которого являются токсичность сбрасываемых сточных вод из-за повышенного в ряде случаев остаточного содержания в них хлора, и также высокие энергетические затраты на производство хлора.

Более перспективный метод обеззараживания сточных вод — озонирование. Этот метод используется не только для дез­инфекции сточных вод, но также для окисления содержащихся в них загрязнений. По сравнению с хлорной известью, гипохлоритом и жидким хлором озон обладает тем преимуществом, что в большинстве случаев не ухудшает ионного состава сточных вод, которые могут быть использованы при оборотном водоснабжении. Озонирование еще более дорогой метод обработки, чем хло­рирование, однако более высокие гигиенические свойства воды, обеспечиваемые озонированием и требуемые современными стандартами, способствуют дальнейшему расширению применения данного метода.

Для извлечения меди из сложных по составу сточных вод, в которых отсутствуют комплексообразователи, можно использовать следующие ионообменные смолы (по убыванию обменной емкости): амфолиты, среднещелочные аниониты и карбоксильные катиониты. Цинк сорбируется лучше всего аминокарбоксильными амфотерными ионообменными смолами и сульфокатионитами. Среднещелочные аниониты практически не сорбируют ионов цинка.

При совместной сорбции двух и более металлов обменная емкость ионообменных смол по каждому иону соответственно снижается, однако суммарная обменная емкость остается прак­тически неизменной для каждого заданного значения pH среды. При оптимальных условиях степень извлечения меди и цинка из сточных вод достигает 95 % при остаточном содержании их в сточных водах 5 мг/л. Ионообменные смолы регенерируют от меди и цинка растворами минеральных кислот, их солями либо сильными хелатообразующими веществами, которые дают с ионами прочные несорбируемые комплексы.

Использование рециркуляции для повышения эффективности химических процессов. Интенсификации химического процесса способствует использование рециркуляции, т.е. возврата части потока обратно в процесс, так как при этом более полно ис­пользуются исходные продукты и энергия, улучшаются условия его проведения.

С введением рециклов в технологическую схему решается ряд важных технологических задач:

• наиболее полно используются исходные компоненты (для реакторов с неполным превращением);
• исключаются вредные выбросы в окружающую среду;
• рекуперируется энергия системы (например, используется тепло реакции для подогрева исходных реагентов);
• создаются оптимальные технологические режимы (ин­тенсифицируются начальные стадии автокаталитических реакций, создается избыток одного из реагентов для сдвига равновесия химической реакции в направлении образования целевого продукта; подавляются побочные и интенсифицируются основные химические реакции; создается оптимальный температурный режим);
• наиболее полно используются катализаторы и инертные растворители, в присутствии которых протекает химическое пре­вращение.

Следует отметить, что с помощью рециклов можно повысить абсолютный выход любого продукта сложной химической реакции. Особенно важно то, что этого не может дать ни один из таких традиционных способов управления химической реакцией, как изменение давления, температуры и других параметров, так как они в той или иной степени действуют на все реакции, а рециклы, свободно оперируя со скоростью и составом потока, направляют реакцию в желаемую сторону в максимально возможной степени.

Таким образом, введение рецикла может быть использовано как для целей интенсификации технологического режима внутри реактора, так и для создания схем с наиболее полным исполь­зованием сырья и энергии.

Сжигание отходов — это разновидность химических методов переработки отходов, поскольку оно является окислительно-­восстановительным процессом.

Сжигание является одним из наиболее распространенных и эффективных методов переработки отходов. Оно сопровож­дается образованием диоксида углерода, воды и золы, а также токсичных веществ — диоксинов, оксидов серы, азота, тяже­лых металлов и др. Если газообразные продукты процесса сжигания отходов содержат повышенные концентрации вред­ных примесей, то для снижения их выбросов в атмосферу до требуемых стандартами норм необходима вторичная обработ­ка, включающая дожигание, промывку или фильтрацию про­дуктов сгорания.

Степень полноты окисления отходов зависит в основном от воспламеняемости отходов, времени нахождения их в печи, температуры пламени и турбулентности в реакционной зоне. Процесс сжигания применим в основном к органическим отходам, но его можно использовать и для разложения некоторых неор­ганических отходов. Воспламеняемость отходов характеризуется пределами воспламеняемости, температурой вспышки и температурами воспламенения и самовоспламенения. Чем ниже эти величины, тем меньше требуемые температура процесса сжигания и избыток кислорода.

Преимуществом любого вида сжигания является воз­можность удаления всех органических соединений и во многих случаях извлечения из токсичных химических веществ отдельных компонентов с целью их вторичного использования или окончательного сброса в отвал. Основной недостаток этого метода заключается в дополнительном расходе топлива, стоимость которого составляет значительную часть расходов на утилизацию. Поэтому органические отходы делят на две основные группы:

• горючие (поддерживающие устойчивое горение без добавок топлива)
• негорючие (для поддержания горения которых требуется дополнительное топливо).

Источник