Флотационное осветление сточных вод

Флотация – процесс, основанный на прилипании отдельных частиц примесей под действием молекулярных сил к пузырькам диспергированного воздуха, всплывании образующихся при этом агрегатов и образовании на поверхности флотатора пены. При флотации в жидкости протекает ряд стадий: растворение и выделение компонентов воздуха, прикрепление воздушных пузырьков к эмульгированным каплям примесей, нерастворимым частицам, всплывание их на поверхность, образование пены.

Эффективность процесса флотации определяется в основном адгезией между частицей и пузырьком воздуха, а так же скоростью установления контакта между ними, т.е. скоростью истечения (разрыва) водной разделяющей пленки, отнесенной к единице поверхности. Энергия Гиббса до контакта частицы с газовым пузырьком складывается из межфазного натяжения на границе частица-жидкость s_т-ж и межфазного натяжения на границе жидкость – газ (пузырек) s_ж-г. В условиях контакта частицы с пузырьком энергия Гиббса равна межфазному натяжению на границе частица-газ (в пузырьке) s_т-г.

Работа адгезии, характеризующая прочность адгезионной связи между частицей и пузырьком, определяется работой обратимого разрыва адгезионной связи, отнесенной к единице площади. Полная работа адгезии, приходящаяся на всю площадь контакта тел S, равна W_s=W_a×S. Изменение энергии Гиббса в процессе адгезии с учетом –DG=-W_a можно представить в виде уравнения (4.1)

W_a= s_т-ж + s_ж-г + s_т-г. (4.1)

Используя закон Юнга, заменим поверхностные натяжения на границе с твердой частицей и получим соотношение

W_a= s_ж-г.(1-соs q). (4.2)

где q – краевой угол или угол смачивания.

Отсюда следует, что работа адгезии между частицей и газовым пузырьком определяется в конечном итоге поверхностным натяжением на границе жидкость-газ и углом смачивания частицы: чем больше гидрофобность частицы, тем больше работа адгезии.

Контактирование пузырьков воздуха и частиц примесей возможно двумя путями: при столкновении частиц с поверхностью пузырьков или при образовании пузырьков на поверхности частиц при выделении из жидкости растворенных в ней газов. Прикрепление пузырьков к частице характеризуется краевым углом смачивания, образуемым поверхностью частицы и касательной к поверхности пузырька. Величина краевого угла смачивания определяется размерами частицы и пузырька, а также поверхностным натяжением на границе раздела трех фаз: твердого тела, жидкости и газа. При равновесии выполняется условие

, (4.3)

, (4.4)

где – поверхностное натяжение на границе раздела фаз, соответственно газ - жидкость, твердое тело - жидкость, твердое тело - газ; - угол смачивания; - сила, удерживающая пузырек на поверхности твердого тела.

Прилипание твердой частицы к пузырьку возможно при условии уменьшения в системе величины свободной энергии, т.е. >0,

где – величина свободной энергии флотационной системы до прилипания, а – после прилипания. Величину можно определить по уравнению

,

где , – площадь поверхности раздела газа и жидкости, твердого и жидкости, соответственно.

Величина определяется по уравнению

. (4.6)

Исходя из приведенных уравнений

DЕ = Е₁-Е₂ = s_г-ж + s_ж-m - s_m-г > 0

т.е.

. (4.7)

При прилипании с учетом деформации пузырька

, (4.8)

где – площадь поверхности границы раздела фаз, образующаяся после прилипания пузырька.

Согласно приведенным уравнениям убыль свободной энергии флотационной системы тем выше, чем больше краевой угол (чем более гидрофобна поверхность), тем больше вероятность прилипания частицы к пузырьку газа. Слияние частиц и пузырьков при их столкновении определяется наличием условий, необходимых для нарушения барьерного действия гидратных слоев, находящихся между пузырьком и частицей, что требует затрат энергии. При контакте гидратных оболочек частиц и пузырьков сопротивление удалению воды возрастает, а свободная энергия прослойки увеличивается. При достижении определенной толщины прослойка становится термодинамически неустойчивой и ее свободная энергия понижается. Дальнейшее слипание происходит самопроизвольно с большой скоростью, пузырек прилипает к поверхности частицы скачком, образуя с ней определенную площадь контакта. Под пузырьком сохраняется тонкий молекулярный слой воды, устойчиво связанный с твердой поверхностью. Удаление воды с поверхности частицы приводит к значительному возрастанию свободной энергии, что связано с затратами большого количества внешней энергии.

При движении жидкости возникают силы, стремящиеся оторвать твердые частицы от пузырьков воздуха: силы трения, тяжести, инерции. Для процесса флотации необходимо, чтобы твердые частицы прочно прикреплялись к пузырькам. Сила прилипания ( ) действует по периметру площади контакта фаз и равна

, (4.9)

где – диаметр площади контакта.

Гидростатическая сила подъема пузырька воздуха в жидкости, сила отрыва

, (4.10)

где – объем пузырька воздуха, – плотность жидкости.

Давление внутри пузырька воздуха больше гидростатического давления в жидкости, окружающей пузырек, вследствие капиллярного давления. Разница давлений в жидкости и газе у основания пузырька равна

, (4.11)

где – высота пузырька, – радиус пузырька.

Пузырек воздуха имеет округлую форму, так как давление у основания пузырька возрастает на величину гидростатического давления .

Перепад давлений внутри пузырька и вне его приводит к появлению дополнительной силы отрыва

. (4.12)

При равновесии или

или

). (4.13)

Из последнего уравнения следует, что прочность прилипания частиц к пузырькам тем больше, чем более гидрофобна поверхность твердой фазы или чем больше краевой угол. Отсюда для достижения высокого эффекта обработки сточных вод необходимо проводить предварительную гидрофобизацию твердых примесей. Необходимое снижение поверхностного натяжения до требуемых величин достигается введением поверхностно-активных веществ. Создание условий для эффективной флотации примесей проводят также путем коагуляции примесей с образованием хлопьев различной крупности. Оптимальный режим флотации обеспечивается в случае, когда размеры хлопьев соизмеримы с размерами пузырьков воздуха.

Для достижения высокой эффективности флотации используют флотационные реагенты, которые по характеру действия подразделяют на три класса: собиратели, пенообразователи и регуляторы. Большинство из них являются поверхностно-активными веществами /ПАВ/. Собиратели или коллекторы обеспечивают гидрофобизацию поверхности частиц и, соответственно, увеличение межфазного натяжения s_т-ж и уменьшение поверхностного натяжения s_т-г, т.е. в конечном итоге - увеличение угла смачивания. Собиратели закрепляются на поверхности частиц благодаря специфическим химическим силам. Их молекулы имеют полярную часть, обладающую специфическим ²сродством² к частицам, и неполярную - углеводородный радикал, который гидрофобизует поверхность частицы и обеспечивает ее «сродство» к пузырьку газа.

Образование устойчивой /но не слишком/ пены с высокой дисперсностью пузырьков способствует стабильности процессов флотации. С этой целью при необходимости в систему добавляют пенообразователи, например, длиноцепочечные спирты, кетоны, масла. Пенообразователи способны сильно уменьшать поверхностное натяжение s_ж-г, что снижает работу адгезии между частицами и пузырьками. Регуляторы применяют для увеличения избирательности флотационного процесса; они изменяют рН среды, снижают смачиваемость частиц, уменьшают вредное действие ионов раствора, но при этом повышается расход реагентов.

Флотационные системы различаются по способам диспергирования воздуха. При напорной флотации воздух предварительно растворяют в части воды под давлением, а затем при резком сбросе давления воздух выделяется в виде мелких пузырьков. В безнапорных установках воздух диспергируется при подаче его в слой жидкости с помощью пористых или перфорированных пластин или труб. В импеллерных флотаторах воздух диспергируется турбиной насосного типа.

Возможно применение вакуумной флотации, когда на поверхности частицы (в полостях и углублениях) образуются сначала зародыши пузырьков, которые затем увеличиваются вследствие пересыщения среды воздухом. Все большее применение находят ионная и молекулярная флотации, основанные на естественной и искусственно создаваемой способности частиц веществ – ионно-молекулярной или коллоидной степени дисперсности переходить на поверхность пузырьков пены. В данном случае используют собиратели, которые могут образовывать с ионом или молекулой нерастворимые гидрофобные соединения.

Процесс напорной флотации следует рассматривать с момента начала движения пузырьков воздуха после их выделения из водовоздушного раствора. Первый этап - приближение и прикрепление пузырьков к твердым частицам. Для предотвращения разрушения агрегатов, хлопьев скорость подхода пузырьков воздуха к твердым частицам не должна быть больше скорости движения обрабатываемой воды. Скорость подхода (U_n)можно считать скоростью подъема пузырьков воздуха после их образования:

(4.12)

где – радиус пузырька;

и – плотность жидкости и воздуха;

– динамическая вязкость жидкости.

При растворении воздуха в воде необходимо учитывать, что воздух - смесь газов, а растворимость газов подчиняется закону Генри, т.е. растворимость каждого компонента пропорциональна его парциальному давлению и не зависит от содержания других компонентов. Количество воздуха, которое может быть растворено в воде, определяется давлением, температурой, продолжительностью насыщения и способом взаимодействия фаз:

(4.13)

где – количество растворенного воздуха, мг/л;

р – давление насыщения, па;

В – растворимость воздуха в воде, мг/л;

– продолжительность насыщения, мин;

– константа скорости растворения, 1/мин.

Давление оказывает также влияние и на размер выделяющихся пузырьков. Минимальный размер пузырьков определяют по формуле

. (4.14)

Чем больше перепад давлений, тем меньше размеры пузырьков.