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.

Возможность растворения твердого вещества может быть оценена значением величины С (изменения энергии Гиббса), определяемой соотношением

ДС = ДЯ-Г-Д5, (4.44)

Где ДНр — изменение энтальпии; Д5 — изменение энтропии; Т — абсолютная температура.

При ДО < 0 возможно растворение, при Д(? = 0 система находится в равновесии, при Д(? > 0 вероятен процесс кристал­лизации. Растворимость твердых веществ в жидкостях обычно ограничена концентрацией насыщения С.

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 залитого 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. Этод 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 зави симость 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 (изогидрическаи 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 шфязнения 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 иремени 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 иих загрязнений. По сравнению с хлорной известью, гипохлоритом и жидким хлором озон обладает тем преимуществом, что в Оолыпинстве 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 цпнного 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 пмфотерными ионообменными смолами и сульфокатионитами. < реднещелочные аниониты практически не сорбируют ионов цинка. При совместной сорбции двух и более металлов обменная гмкость 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 окислительно­восстановительным процессом.

Сжигание является одним из наиболее распространенных и эффективных методов переработки отходов. Оно сопровож­дается образованием диоксида углЬрода, 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) и негорючие (для поддержания горения которых требуется дополнительное топливо).

Более подробно процессы термической утилизации отходов изложены в гл. 5.