Способы очистки жидкостей от примесей

Как очищают жидкости от примесей

Как очищают жидкости от примесей

Одним из важнейших способов очистки жидкостей от примесей является перегонка. Жидкость кипятят и направляют пар в холодильник. При охлаждении пар опять превращается в жидкость, но эта жидкость будет чище исходной.

При помощи перегонки легко избавиться от твердых веществ, растворенных в жидкости. Молекулы таких веществ практически отсутствуют в паре. Этим способом получают дистиллированную воду – совершенно безвкусную чистую воду, лишенную минеральных примесей.

Однако используя испарение, можно избавиться и от жидких примесей и разделить смесь, состоящую из двух или более жидкостей. При этом пользуются тем, что две жидкости, образующие смесь, кипят не одинаково «легко».

Посмотрим, как будет себя вести при кипении смесь двух жидкостей, например смесь воды и этилового спирта, взятых в равных пропорциях (50-градусная водка).

При нормальном давлении вода закипает при 100 °C, а спирт при 78 °C. Смесь, о которой идет речь, закипит при промежуточной температуре, равной 81,2 °C. Спирт кипит легче, поэтому упругость его пара больше, и при исходном пятидесятипроцентном составе смеси первая порция пара будет содержать 80 % спирта.

Полученную порцию пара можно отвести в холодильник и получить жидкость, обогащенную спиртом. Далее этот процесс можно повторять. Однако ясно, что практику такой способ не устроит – ведь с каждой последующей перегонкой будет получаться все меньше вещества. Чтобы такой потери не было, для целей очистки применяются так называемые ректификационные (т.е. очистительные) колонки.

Идея устройства этого интересного аппарата заключается в следующем. Представим себе вертикальную колонку, в нижней части которой находится жидкая смесь. К низу колонки подводится тепло, вверху производится охлаждение. Пар, образующийся при кипении, поднимется кверху и конденсируется; образовавшаяся жидкость стекает вниз. При неизменном подводе тепла к низу и отводе тепла сверху в закрытой колонке установятся встречные потоки пара, идущего кверху, и жидкости, стекающей вниз.

Остановим свое внимание на каком-либо горизонтальном сечении колонки. Через это сечение жидкость проходит вниз, а пар поднимается, при этом ни одно из веществ, входящих в состав жидкой смеси, не задерживается. Если речь идет о колонке, заполненной смесью спирта и воды, то количество спирта, проходящего вниз и вверх, так же как количество воды, проходящей вниз и вверх, будут равны. Так как вниз идет жидкость, а вверх пар, то это значит, что на любой высоте колонки состав жидкости и состав пара одинаковы. Как только что было выяснено, равновесие жидкости и пара смеси двух веществ требует, напротив, разного состава жидкой и парообразной фаз. Поэтому на любой высоте колонки происходит превращение жидкости в пар и пара в жидкость. При этом конденсируется высококипящая часть смеси, а из жидкости в пар переходит низкокипящая составляющая.

Поэтому идущий вверх поток пара будет как бы забирать со всех высот низкокипящую составляющую, а стекающий вниз поток жидкости будет непрерывно обогащаться высококипящей частью. Состав смеси на каждой высоте установится различный: чем выше, тем больше процент низкокипящей составляющей. В идеале наверху будет слой чистой низкокипящей составляющей, а внизу – слой чистой высококипящей.

Теперь надо, только по возможности медленно, чтобы не нарушить обрисованной идеальной картины, отбирать вещества, низкокипящее – сверху, а высококипящее – снизу.

Для того чтобы практически осуществить разделение, или ректификацию, надо дать возможность встречным потокам пара и жидкости как следует перемешиваться. Для этой цели потоки жидкости и пара задерживают при помощи тарелок, расположенных одна над другой и сообщающихся сливными трубками. С переполненной тарелки жидкость может стекать на нижние ступеньки. Пар, идущий вверх быстрым потоком (0,3 – 1 м/с), прорывается через тонкий слой жидкости. Схема колонки показана на рис. 107.

Не всегда удается очистить жидкость полностью. Некоторые смеси обладают «неприятным» свойством: при определенном составе смеси соотношение компонент испаряющихся молекул такое же, что и соотношение компонент в жидкой смеси. В этом случае, разумеется, дальнейшая очистка описанным способом становится невозможной. Такова смесь, содержащая 96 % спирта и 4 % воды: она дает пар такого же состава. Поэтому 96 %-ный спирт – самый лучший, который можно получить методом испарения.

Ректификация (или дистилляция) жидкостей является важнейшим процессом в химической технологии. При помощи ректификации добывают, например, бензин из нефти.

Любопытно, что ректификация является наиболее дешевым способом получения кислорода. Для этого, разумеется, надо предварительно перевести воздух в жидкое состояние, после чего можно ректификацией разделить его на почти чистые азот и кислород.

Читайте также

Две электрические жидкости

Две электрические жидкости Последующие страницы содержат скучный отчет о некоторых очень простых экспериментах. Отчет будет скучным не только потому, что описание экспериментов неинтересно по сравнению с самим осуществлением их, но и потому, что самый смысл

Магнитные жидкости

Магнитные жидкости Мы будем поступать здесь так же, как и раньше: начинать с очень простых фактов, а затем отыскивать их теоретическое объяснение. Рис. 321. Пусть у нас имеются два длинных магнита; один из них уравновешен так, что он занимает горизонтальное положение, а

Жидкости в невесомой среде

Жидкости в невесомой среде Буквально на каждом шагу будет подстерегать вас неожиданное и необычайное! Вы хотите налить воды для питья: опрокидываете графин над стаканом, но — вода не льется… Нет тяжести, следовательно, нет и причины, побуждающей жидкость выливаться из

ФИГУРЫ РАВНОВЕСИЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЖИДКОСТИ

ФИГУРЫ РАВНОВЕСИЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЖИДКОСТИ Вкратце остановимся на проблеме фигур равновесия вращающейся жидкости, в разработку которой основной вклад внес А.М. Ляпунов.Ньютон показал, что под влиянием центробежных сил и взаимного притяжения своих частиц однородная

2 Жидкость жидкости рознь

2 Жидкость жидкости рознь Для опыта нам потребуются: два блюдца, подсолнечное масло, мыльный раствор, спичка или карандаш. В предыдущем опыте я сказал, что поднимаются вверх не все жидкости, а только те, что смачивают поверхности. Действительно, есть разные типы жидкости и

3 Химический анализ неизвестной жидкости с помощью газеты

3 Химический анализ неизвестной жидкости с помощью газеты Для опыта нам потребуются: блюдечко, старая газета, лосьон или одеколон, зеленка, йод, спичка. Сейчас я немного расскажу, как можно попользоваться тем, что разные жидкости по-разному смачивают одну и ту же

6 Жидкость в жидкости, или Космос в чашке

6 Жидкость в жидкости, или Космос в чашке Для опыта нам потребуются: кусочек сахара, подсолнечное масло, стеклянная банка с холодной водой. Загадочная вещь – невесомость. Кстати, действует ли сила тяжести на того, кто находится в невесомости? Помню, в старом детском стишке

Плавание в тяжелой жидкости

Плавание в тяжелой жидкости Кто знает закон плавания и помнит удельные веса разных материалов, тот может предвидеть, какие материалы будут в воде плавать и какие тонуть. Если удельный вес материала больше удельного веса воды, материал тонет; если меньше – плавает. Не

1. Почему «обидели» температуру? Ошибка Фаренгейта. Порядок и беспорядок. Когда путь вниз труднее подъема. Ледяной кипяток. Существуют ли на Земле «холодные жидкости»?

1. Почему «обидели» температуру? Ошибка Фаренгейта. Порядок и беспорядок. Когда путь вниз труднее подъема. Ледяной кипяток. Существуют ли на Земле «холодные жидкости»? Длину мы измеряем в метрах, массу — в граммах, время в секундах, а температуру в градусах.Расстояние

Источник

Современные способы и методы очистки воды

Системы водочистки являются неотъемлемой частью современной жизни и практически все потребители (от частных лиц до предприятий) нуждаются в качественной и правильно подготовленной воде.

Реализованные в них методы и технологии бывают разными, с особенностями каждого варианта стоит познакомиться заранее.

Какие существуют по принципу действия?

В зависимости от принципа действия выделяют такие способы очистки воды как:

• Физические (грубая механическая чистка).
• Химические (смешение воды с реагентами).
• Физико-химические (сложные комплексные мероприятия).
• Биологические (воздействие живых микроорганизмов).

Физические методы

Данные методы предназначены для очищения воды от твердых крупнофракционных частиц (чаще всего – нерастворимых).

Они успешно задействуются на этапах первичной и грубой очистки и в разы реже – при глубоких и тонких воздействиях.

Среди главных физических методов выделяют:

• Процеживание – очищение жидкостей от крупнофракционных посторонних включений при проходе через ячеистые прослойки (сетки, решетки, полипропиленовую мешковину). К преимуществам этого метода относят простоту и эффективное улавливание крупного мусора, к минусам – потребность в частой промывке фильтрующих элементов, пропускание патогенных микроорганизмов, солей и любых мелких нежелательных примесей.
• Отстаивание – осаждение посторонних фракций под действием собственного веса вниз с последующим отбором более чистой воды. Этот метод используются как на предварительных, так и на промежуточных этапах водоподготовки, его производительность существенно ограничена временем и объемами отстойников.
• Фильтрование – схожий с процеживанием, но более совершенный метод, позволяющий очищать воду от ненужных примесей с разным размером фракций (минимальный порог – до микронов) при прохождении через пористый фильтрующий слой. Метод активно используется в быту и на производстве, из всех физических видов он считается самым эффективным.
• УФ-дезинфекция – обработка предварительно очищенной от крупных фракций воды УФ-лучами с длиной волн в пределах 200-400 нм с целью обеззараживания. Состав и физические свойства жидкости этот метод не меняет.

Химические

Эти методы ценятся за эффективность и высокую производительность.

Исходя из вида протекающих реакций выделяют такие химические методы водоочистки как:

1. Нейтрализация – выравнивание PH-баланса воды за счет добавления особых реагентов (аммиачной воды, гидроксидов калия или натрия, кальцированной соды) или ее пропускании через кислые газы. Чаще всего к этому методу обращаются при регенерации промышленных стоков, забираемая из скважин или водоемов вода изначально имеет нейтральную среду и корректировке баланса не нуждается.
2. Окисление – обезвреживание токсичных водных растворов и хлорирование воды при добавлении активных окислителей. Несмотря на высокую эффективность (микроорганизмы убиваются быстро и надолго) метод считается опасным для здоровья человека.
3. Очистку восстановлением. Данный метод выбирается при высокой доли легко восстанавливаемых веществ в исходной воде или стоках. При его выборе из воды удаляются ряд простых и переходных металлов и минералов (хрома, ртути или мышьяка) и их соединений.

Физико-химические

Данная группа представлена комплексными методами с широким спектром применения, задействуемыми на любых этапах очистки и водоподготовки.

Очистка воды при их выборе осуществляется самыми разными способами, включая воздействие растворенных газов, тонкодисперсных сред и изменение ионного состояния молекул.

Особенности наиболее востребованных физико-химических методов изложены в таблице:

Наименование	Кратное описание метода	Оптимальное применение/ возможные ограничения
Флотация	Отделение и подъем твердых гидрофобных частиц при пропускании сквозь толщу воды пузырьков воздуха или других инертных газов. Формируемая на поверхности пена или прослойка легко удаляется механическими способами.	Очистка жидкостей от нефтепродуктов и масел, удаление твердых примесей при низкой эффективности других методов.
Сорбация	Избирательная фильтрация ненужных примесей при поверхностном или объемном прохождении воды через материалы с пористой структурой (силикагели, уголь и их аналоги). Используемые сорбенты могут быть восстанавливаемыми или утилизируемыми после потери фильтрационных свойств.	Удаление ПАВ, пестицидов, фенолов, процессы доочистки.
Экстракция	Заливка в очищаемую воду мало- или несмешиваемых веществ, растворяющих грязь, с последующим активным перемешиванием, отстаиванием и разделением разнофазных сред.	Удаление органический соединений, включая фенолы, регенерация стоков.
Ионообмен	Обмен ионами между очищаемой водой и природными (цеолиты, сульфоугли) или искусственными (синтетические смолы) ионитами.	Умягчение воды/ метод не предназначен для бытовой очистки больших объемов сильнозагрязненной воды.
Электродиализ	Очищаемая вода последовательно проходит камеры с ионоселективными мембранами и электродами постоянного тока. В первых камерах вода избирательно обессоливается, в крайних – накапливает концентрат солей с последующим разделением.	Обессоливание и удаление нежелательных ионов. Регенерация стоков на химических предприятиях.
Обратный осмос	Вода пропускается через мембраны с микроскопическими ячейками под избыточным гидростатическим давлением с последующей утилизацией выделенного загрязненного раствора.	Обессоливание, отделение нежелательных микроорганизмов, растворенных газов и коллоидных веществ.
Термические методы	Суть данных метолов состоит в получении дистиллята или максимально очищенной воды после ее выпаривания, вымораживания или термического окисления (распыление и пропускание через высокотемпературные продукты сгорания).	Нейтрализация или удаление токсичных или слабо разлагающихся примесей.

Биологические

Эти методы преимущественно задействуются при очищении стоковых вод и базируются на использовании живых организмов.

К последним относят как бактерии (окисляющие и разрушающие токсичные и азотосодержащие соединения, поглощающие фосфаты), простейшие грибы и водоросли, так и многоклеточные (черви, насекомые).

Водоочистка биологическими методами проводится в:

• Естественных или искусственных водоемах, очищающих сравнительно небольшие объемы воды со средней степенью загрязненности при минимуме усилий и трат.
• Биофильтрах – специальных сооружениях с фильтрующей прослойкой из аэробных микроорганизмов с естественным или принудительным воздухообменом.
• Аэротенках – сложных автоматизированных комплексах с принудительной аэрацией.
• Метатенках – устройствах анаэробного брожения для переработки концентрированных стоковых осадков.

Современные технологии очищения

В современных системах водоподготовки приведенные методы используются в комплексе.

Ярким примером служат многоступенчатые бытовые фильтры с механическими предфильтрами, ионообменными или сорбционными картриджами и обратноосмотическими мембранами. Такие установки обеспечивают полноценную подготовку питьевой воды вне зависимости от ее исходных параметров.

К инновационным тенденциям в сфере водоподготовки относят:

• Отказ от метода хлорирования в пользу озонирования (окисление жидким кислородом) и/или УФ-обработки.
• Использование ультрафильтров и нанофильтрационных мембран с пониженной селективностью.
• Вывод взвесей и растворенных органических примесей с помощью электроприборов фотокатализации.

При всех своих преимуществах такие технологии нельзя назвать бюджетными, соответствующие фильтры, мембраны и другие расходные материалы обходятся дорого и в быту не окупаются.

Проверенные новые методы (ионообмен, обратный осмос, многоступенчатое исполнение фильтра), наоборот, становятся более доступными для частных лиц.

Фильтрация на предприятиях

Взаимосвязь между областью использования и требуемым типом системы водоподготовки отражена в таблице:

Отрасль производства	Требуемые функции основной линии подготовки
Металлургия	Обессоливание
Пищевая промышленность	Обеспечение ионного обмена, обеззараживание, умягчение
Добыча и переработка нефти и газа	Исключение посторонних примесей, обезжелезивание, обратный осмос
Энерго- и тепло- и водоснабжение	Обессоливание, УФ-фильтрация, хлорирование или озонирование
Фармацевтика	Обратный осмос, дистилляция

В целях экономии средств приведенные методы реализуются в комплексе с механическим фильтрованием.

Отдельные требования выдвигаются к системам переработки стоков предприятий химической или металлургической отрасли, отбираемый концентрат может быть ценным или нуждаться в обязательной утилизации.

Переработка стоков

Полный цикл переработки стоков на производстве и в общественных линиях включает:

1. Подачу стоков на усреднитель при необходимости разбавления.
2. Отстаивание механическим способом.
3. Основную чистку (активное использование живых организмов).
4. Глубокую чистку (удаление всех посторонних примесей с помощью обратноосмотических мембран или тонких фильтров).
5. Обеззараживание (УФ-обработка, хлорирование, озонирование).

Выделяемый на 2, 3 и 4 стадиях осадок в обязательном порядке регенерируется или утилизируется. Эти процессы происходят в метатенках, отжимных или сушильных аппаратах.

К дорогостоящим физико-химическим методам прибегают лишь при повышенных требованиях к чистоте состава или при низкой результативности других способов.

Бытовое очищение стоков требует меньше усилий. Владельцы индивидуальных домов, но подключенных к канализационным сетям используют септики (как с днищем, так и без), сорбенты или коагулянты.

Более подробно об очистке сточных вод читайте здесь.

Удаление тяжелых металлов

Потребность в принятии дополнительных мер возникает при отклонении ПДК тяжелых металлов в воде от санитарно-гигиенически норм. Чаще всего такая ситуация наблюдается при близости скважины к септику или попадании этих веществ извне (осадки, протекание зараженных грунтовых вод, контакт с металлически фитингами).

Для удаления этих веществ в быту и промышленности используются следующие химические и физико-химические методы:

Тип металла	Допустимая концентрация в воде, не более мг/л	Рекомендуемый метод очистки воды
Марганец и железо	0,1	Ионообмен, аэрация с последующей подачей в засыпной фильтр с каталитическим зарядом, окисление гипохлоритом натрия, дозированная подача сильнодействующих окислителей
Сероводород	0,01, вещество очень токсично	Окисление, выветривание, насыщение кислородом
Свинец	0,03	Обратный осмос, окисление и восстановление
Ртуть	0,001	Обратный осмос, а также окисление и восстановление
Хром	0,05	Окисление, обратный осмос и восстановление
Никель	0,1	Окисление и восстановление

Системы обратного осмоса при несомненной эффективности редко используются из-за дороговизны и ускоренного использования ресурсов мембран.

Заключение

Приведенные методы непрерывно совершенствуются и дополняют друг друга, при выборе конкретного варианта стоит ознакомиться с их особенностями и возможными ограничениями заранее.

Ни один из методов, который существует, нельзя назвать универсальным, при правильной организации водоподготовки они задействуются в комплексе.

Вне зависимости от выбранного метода к потребителю или на промышленные объекты подается вода с контролируемыми параметрами.

Источник