Процессы флотационной очистки сточных вод

Флотация - процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела газа и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых дисперсионных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются, а также для удаления растворенных веществ, например, поверхностно-активных веществ (ПАВ). Флотацию применяют для очистки сточных вод нефтеперерабатывающих производств, искусственного волокна, целлюлозно-бумажного, кожевенного, пищевых, химических производств. Ее используют также для выделения активного ила после биохимической очистки.

Пенная сепарация подразделяется на пенную флотацию и пенное фракционирование.

Пенной флотацией называется выделение нерастворимых веществ из дисперсных систем (сточных вод). Процесс пенной флотации протекает по следующей схеме. Тонкодисперсные твердые частицы в виде суспензии с небольшим количеством специальных реагентов насыщают воздухом. При этом поверхность смачиваемых частиц покрывается водой, а на поверхности несмачиваемых частиц закрепляется пузырек воздуха, вытесняющий с нее воду (рис. 6.10).

Механизм ленной флотации

Рис. 6.10. Механизм ленной флотации:

  • 1 - смесь жидкости и твердых частиц; 2 - воздушный пузырек; 3 - гидрофобные частицы;
  • 4 - гидрофильные частицы

Прилипшие к пузырькам воздуха частицы поднимаются (флотируются) на поверхность и образуют пенный продукт, смачиваемые частицы остаются в пульпе и поступают на дальнейшую переработку или в отвал, а очищенная вода отводится на дальнейшую обработку.

Флотация основана на различиях в поверхностной активности тех или иных веществ или на смачиваемости частиц материалов. Прилипание частицы к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.

Смачивающаяся способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости, смачивать твердые тела уменьшается. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина поверхностного натяжения а на границе с газовой фазой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более 60...65 мН/м. Степень смачиваемости взвешенных в воде твердых или газовых частиц характеризуются величиной краевого угла смачивания 0 (рис. 6.11).

Влияние смачивания частицы при ее соприкосновении с пленкой жидкости

Рис. 6.11. Влияние смачивания частицы при ее соприкосновении с пленкой жидкости:

1 - несмачиваемая частица; 2 - смачиваемая частица

Смачивающиеся частицы втягиваются в жидкость силой поверхностного натяжения а, а несмачивающиеся - выталкиваются из жидкости. Этот эффект зависит от крупности и массы частиц, а также от наличия на твердой поверхности несмачивающего слоя углеводородов или электрического заряда.

Процесс флотации можно регулировать, воздействуя на поверхность частиц различными веществами, делающими ее более гидрофильной или гидрофобной, усиливающими устойчивость пены, меняющими другие свойства системы. В зависимости от выполняемых функций эти вещества (<флотационные реагенты) делят на собиратели, пенообразователи, депрессоры, активаторы и регуляторы.

На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др. ПАВ - (реагенты- собиратели), адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т. е. делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют масла, жирные кислоты и их соли, меркантаны, ксантогенаты, алкилсульфаты, амины. Повышения гидрофобности частиц можно достичь также адсорбцией молекул растворенных газов на их поверхности.

Процесс очистки сточных вод, содержащих ПАВ, нефтепродуктов, масла, волокнистые материалы, методом флотации, заключается в образовании комплексов ’’частицы - пузырьки", всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости.

Элементарный акт флотации заключается в следующем: при сближении поднимающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды прорывается при некоторой критической толщине и происходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс «пузырек-частица» поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.

При закреплении пузырька образуется трехфазный периметр-линия, ограничивающий площадь прилипания пузырька и являющийся границей трех фаз - твердой, жидкой и газообразной (рис. 6.12)

Схема элементарного акта флотации

Рис. 6.12. Схема элементарного акта флотации:

1 - пузырек газа; 2 - твердая частица

Касательная к поверхности пузырька в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в воду краевой угол смачивания 0. Чем больше краевой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удерживания пузырька на поверхности частицы. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются.

Энергия образования флотационного комплекса «пузырек-частица» равна

где а - поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой, 0 —> 0, a cos 0 —> 1, следовательно, прочность прилипания минимальна, а для несмачиваемых частиц - максимальна.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества пузырьков воздуха. Оптимальный размер пузырьков равен 15...30 мкм. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками, или большое газосодержание. Повышение концентрации примесей увеличивает вероятность столкновения и прилипания частиц к пузырькам. Для стабилизации размеров пузырьков в процессе флотации вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз: сосновое масло, крезол, фенолы, ал- килсульфат натрия, обладающие собирательными и пенообразующими свойствами. Флотация может быть использована при сочетании с флокуляцией.

Скорость подъема комплекса «пузырек-частица» может быть определена из соотношения подъемной силы Архимеда образовавшегося комплекса GA, силы тяжести частицы G4 и силы сопротивления жидкой среды R при подъеме комплекса к поверхности жидкости:

где

Здесь р0ч - соответственно плотности жидкости и частицы; Vn,V4 - соответственно объем пузырька и частицы; g - ускорение силы тяжести; ? - суммарный коэффициент сопротивления при обтекании комплекса; SM=nd* / 4 - площадь поперечного («миделева») сечения комплекса в направлении движения; с1э - эквивалентный диаметр комплекса «пузырек-частица»; wK - скорость подъема (всплывания) комплекса.

Из балансового соотношения (6.8) можно получить выражение для скорости подъема комплекса в жидкой среде

При ламинарном режиме движения комплекса, т. е. при действии закона Стокса, когда R = 3 п [i0d3wK, получим

Эффект разделения флотацией зависит от размера, количества и равномерности распределения пузырьков воздуха в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков

15...30 мкм, а максимальные 100...200 мкм.

Соотношение объемов пузырька и частицы в момент образования комплекса можно определить из уравнения (6.8) при условии R = 0 :

Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотности материала частиц и равен 0,2... 1,5 мм. Учитывая соотношение размеров пузырьков и флотируемых частиц из формулы (6.9) следует, что на одной частице может быть прикреплено несколько пузырьков малых размеров.

Сила веса флотируемой частицы не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырьков. В статических условиях образования комплекса «пузырек- частица» сила когезии (прилипания) пузырька к частице Fa должна превышать силу веса

флотируемой частицы G4 и противодействующее капиллярное давление газа внутри пузырька ра:

В динамических условиях всплытия комплекса наряду с весом частицы и капиллярным давлением в пузырьке силе когезии дополнительно противодействует сила сопротивления жидкой среды R:

Вероятность образования комплекса «пузырек-частица» может быть определена по формуле:

где п - число пузырьков радиуса в объеме Уж жидкости; гч - радиус частицы; - объемная концентрация газовой фазы.

Плотность флотационной среды, состоящей из воды, пузырьков воздуха и твердых частиц, равна

где р0чг - плотность соответственно жидкости, частиц и газа; СЧГ - объемная концентрация соответственно частиц и газа в воде.

Скорость движения частиц w4 и пузырьков wn относительно среды определяется по формулам:

где g - ускорение силы тяжести; рс - динамическая вязкость флотационной среды.

Скорость процесса выделения частиц флотацией описывается уравнением реакции первого порядка:

где Кф - коэффициент скорости флотации, зависящий от динамических и конструктивных параметров процесса.

Наилучшие условия разделения достигаются при соотношении между газообразной и твердой фазами тг/ тн= 0,01...0,1. Это соотношение определяется по формуле:

где тг, тч - масса воздуха и твердых частиц, т; b — растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении и данной температуре, см3/л; / - степень насыщения (обычно / = 0,5...0,8); р - абсолютное давление, при котором вода насыщается воздухом; Qx - количество воды, насыщенной воздухом, м3/ч; Q - расход сточной воды, м3/ч.

Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод:

  • - с выделением воздуха из растворов;
  • - с механическим диспергированием воздуха;
  • - с подачей воздуха через пористые материалы;
  • - электрофлотацию;
  • - химическую флотацию.

Пенную флотацию осуществляют в аппаратах, называемых флотационными машинами. В зависимости от способа образования пузырьков и перемешивания пульпы флотационные машины можно разделить на механические (наиболее распространенные), пневматические и комбинированные (пневмомеханические).

Флотация с выделением воздуха из раствора. Этот способ применяют для очистки сточных вод, которые содержат очень мелкие частицы загрязнений. Сущность способа за-

ключается в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. При уменьшении давления из раствора выделяются пузырьки воздуха, которые флотируют загрязнения. В зависимости от способа создания перенасыщенного раствора воздуха в воде различают вакуумную, напорную и эрлифтную флотацию.

При вакуумной флотации - сточную воду предварительно насыщают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом поддерживается разрежение 29,9...39,3 кПа (225...300 мм рт. ст). Выделяющиеся в камере мельчайшие пузырьки выносят часть загрязнений. Процесс флотации длится около 20 минут. Достоинствами этого способа являются: образование пузырьков газа и их слипание с частицами происходит в спокойной среде, что сводит к минимуму, вероятность разрушения агрегатов "пузырек-частица"; затрата энергии на процесс минимальна. Недостатки :незначительная степень насыщения стоков пузырьками газа, поэтому этот способ нельзя применять при высокой концентрации взвешенных частиц (не более 250...300 мг/л) ; необходимость создавать герметически закрытые флотаторы и размещать в них скребковые механизмы.

Напорные флотационные установки имеют большее распространение, чем вакуумные. Они просты и надежны в эксплуатации. Напорная флотация (рис. 6.13) позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4...5 г/л. Для увеличения степени очистки, в воду добавляются коагулянты.

Схема напорной флотации

Рис. 6.13. Схема напорной флотации:

1 - емкость; 2 - насос; 3 - напорный бак; 4 - флотатор.

Аппараты напорной флотации обеспечивают по сравнению с нефтеловушками в 5... 10 раз меньше остаточное содержание загрязнений и имеют в 5... 10 раз меньшие габариты. Процесс осуществляется в две стадии:

  • 1) насыщение воды воздухом под давлением;
  • 2) выделение растворенного газа под атмосферным давлением.

Напорные флотационные установки имеют производительность от 5... 10 до

1000...2000 м3/ч. Они работают при давлении в напорной емкости 0,17...0,39 МПа, время пребывания в ней 14 минут, а во флотационной (емкости) камере 10...20 минут. Объем засасывания воздуха составляет 1,5...5 % от объема очищаемой воды. В случае необходимости одновременного окисления загрязнений, воду насыщают воздухом, обогащенным кислородом или азотом. Для устранения процесса окисления вместо воздуха на флотацию подают инертные газы.

Эрлифтные установки применяют для очистки сточных вод в химической промышленности (рис. 6.14). Они просты по устройству, затрата энергии на проведение процесса в них в 2...4 раза меньше, чем в напорных установках. Недостаток этих установок - необходимость размещения флотационных камер на большой высоте:

Схема эрлифтной флотации

Рис. 6.14. Схема эрлифтной флотации:

1 - емкость; 2 - трубопровод; 3 - аэратор; 4 - труба эрлифта; 5 - флотатор.

Флотация с механическим диспергированием воздуха. Механическое диспергирование воздуха во флотационных машинах обеспечивается турбинками насосного типа - импеллерами, представляющими собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками (рис. 6.15).

Флотационная установка с механическим диспергированием воздуха

Рис. 6.15. Флотационная установка с механическим диспергированием воздуха:

а — поперечный разрез; б — продольный разрез; 1— отбойники; 2 — флотационная камера;

  • 3 — вал импеллера; 4 — воздушная трубка; 5 — электродвигатель; 6 — пеносниматель;
  • 7 — отверстия в статоре для внутренней циркуляции воды; 8 — статор; 9 — импеллер;
  • 10, 11 — соответственно приемный и выпускной карман

Такие установки применяются для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных частиц (более 2 г/л). Степень измельчения вихревых газовых потоков на пузырьки и эффективность очистки зависят от скорости вращения импеллера: чем больше скорость, тем меньше пузырек и тем больше эффективность процесса.

Пневматические флотационные установки (рис. 6.16) применяют для очистки сточных вод, содержащих растворенные примеси, агрессивные к движущимся механизмам.

Установка пневматической флотации

Рис. 6.16. Установка пневматической флотации:

1 - трубопровод подачи воздуха; 2 - фильтросные пластины; 3 - флотационная камера; 4 - скребок; 5 - шламоприемник; 6 - регулятор уровня воды на выпуске

Измельчение пузырьков воздуха достигается при пропускании его через специальные сопла с отверстиями диаметром 1... 1,2 мм, с давлением перед ними 0,3...0,5 МПа. Скорость струи воздуха на выходе из сопла 100...200 м/с. Продолжительность флотации - в пределах

15...20 мин.

Барботажная флотация проводится путем диспергирования воздуха при помощи фильтросных пористых пластин (рис. 6.17).

Установка для барбогажной флотации

Рис. 6.17. Установка для барбогажной флотации:

  • 1 - трубопровод подачи воздуха; 2 - фильтросные пластины;
  • 3 - подача воды во флотационную камеру; 4 - пеносъемное устройство; 5 -отведение флотошлама;
  • 6 - регулятор выпуска воды

При пропускании воздуха через керамические пористые пластины или колпачки получаются мелкие пузырьки, размер которых равен:

где Rn, г0 - радиусы пузырьков и отверстий; а - поверхностное натяжение воды.

Давление, необходимое для преодоления сил поверхностного натяжения, определяется по формуле Лапласа:

Этот метод имеет следующие преимущества: простая конструкция флотационной камеры; меньшие затраты энергии из-за отсутствия насосов, импеллеров. Недостатки способа: частое засорение и зарастание отверстий пористого материала; неоднородность размеров отверстий пористого материалы.

Эффект флотации этим способом зависит от величины отверстий материала, давления воздуха, расхода воздуха, продолжительности флотации, уровня воды во флотаторе. Размер отверстий должен быть 4...20 мкм, давление воздуха 0,1...0,2 МПа, расход воздуха 40...70 м3/(м2 ч), продолжительность флотации 20...30 мин, уровень воды в камере до флотации

1,5...2м.

Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, невысокие капитальные и эксплуатационные затраты, простая аппаратура, селективность выделения примесей, большая скорость процесса по сравнению с отстаиванием, возможность получения шлама более низкой влажности, высокая степень очистки (95...98 %), возможность рекуперации удаляемых веществ. Флотация сопровождается также аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ и легкоокисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >