Пенная сепарация поверхностно-активных веществ

Процесс очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ (ПАВ) называют пенной сепарацией, пенным концентрированием или пенным фракционированием. Пенное фракционирование является процессом выделения из растворов растворенных в них веществ.

При пенном фракционировании (рис. 6.18) гидрофобная часть поверхностно-активных молекул вещества перемещается к поверхности раздела газа и жидкости, и молекулы принимают устойчивое положение относительно пузырька воздуха.

Механизм пенного фракционирования

Рис. 6.18. Механизм пенного фракционирования:

  • 1 - водная фаза; 2 - поверхность раздела; 3 - пузырек воздуха; 4 - гидрофильный конец молекулы;
  • 5 - гидрофобный конец молекулы

Пенное фракционирование основано на селективной адсорбции одного или нескольких растворенных веществ на поверхности газовых пузырьков, которые поднимаются вверх через раствор. Гидрофильные концы молекул остаются в водной фазе, а гидрофобные проникают в газовую фазу. При непрерывном процессе пузырьки всплывают на поверхность и образуют слой пены.

Образовавшаяся пена обогащается адсорбированным веществом, что и обеспечивает парциальную сепарацию компонентов раствора. Этот процесс используется для удаления ПАВ из сточной воды; он аналогичен процессу адсорбции на твердых сорбентах. Адсорбция органических веществ на поверхности раздела фаз «газ-жидкость» связана с изменением поверхностного натяжения о и избыточной поверхностной концентрацией:

где do - изменение поверхностного натяжения о; Г,. - избыточная концентрация веществ на поверхности; Zt=RT In а. - химический потенциал z-ой составляющей; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; at - термодинамическая активность.

При больших разбавлениях раствора at = ct (где с,- - мольная концентрация растворенного вещества). С учетом этого коэффициент распределения равен

где - отношение концентраций в двух фазах, которое является коэффициентом распределения Kt.

В случае разбавленных растворов dotdci очень незначительно зависит от концентрации и Ki для данной системы растворителя и растворенного вещества является практически постоянной.

Повышение скорости воздуха при флотации приводит к увеличению частоты образования пузырьков и росту объема пены, что влечет рост поверхности раздела фаз и количества адсорбированного на ней ПАВ.

Кинетика извлечения ПАВ определяется уравнением

где ск - остаточная концентрация растворенного ПАВ в объеме воды; с0 - концентрация ПАВ в момент времени т0 (при т0 = 0, ск = с0); К - константа.

При линейном изменении величины поверхностного натяжения сточной воды от концентрации ПАВ уравнение кинетики процесса имеет вид

При учете изменения объема системы в процессе пенного концентрирования кинетика процесса описывается уравнением

где V - объем жидкости; п - (формальный) порядок реакции процесса перехода ПАВ в пену.

Степень извлечения ПАВ пеной равна

где сн - концентрация ПАВ в воде до извлечения; сп - концентрация ПАВ в пене.

Степень извлечения зависит от многих параметров. С увеличением исходной концентрации ПАВ в воде возрастает пенообразующая способность раствора и степень его извлечения. Небольшое количество добавок электролитов (< 5 10'4 моль/л) КС1, K2SO4, К4Р2О7, KNO3, NaNC>3, NH4NO3 приводит к увеличению степени извлечения.

С повышением температуры устойчивость пены уменьшается, диаметр пузырьков увеличивается, изменяется растворимость ПАВ.

Коэффициент распределения ПАВ между пенным продуктом (пеноконденсатом) и сточной водой характеризует эффективность извлечения:

Коэффициент еп всегда больше единицы. При проведении процесса стремятся, чтобы пеноконденсат имел наименьший объем с максимальной концентрацией ПАВ.

Степень изменения объема сточной воды в процессе пенной сепарации равна:

где Vn - объем пеноконденсата; V0CT - остаточный объем раствора.

Процесс разрушения пенного слоя протекает с небольшой скоростью о, которая вычисляется по формуле

где VB03 - расход воздуха при барботировании через раствор ПАВ, м3/ч; L - расход сточной воды, м3/ч; т - продолжительность барботирования, ч.

Для ускорения процесса разрушения пены применяют кремнийорганические и герма- нийорганические соединения, но при их использовании происходит дополнительное загрязнение пеноконденсата. Поэтому целесообразнее использовать термические, электрические и механические способы гашения пены.

Процесс очистки сточных вод от ПАВ методом пенного фракционирования имеет недостатки:

  • 1) образуется обогащенный ПАВ конденсат, который медленно разрушается;
  • 2) при увеличении концентрации ПАВ в сточной воде эффективность очистки снижается.

Предложен способ очистки сточных вод от ПАВ, сочетающий пенное фракционирование и радиационную деструкцию и исключающий отход пены. Метод позволяет очищать сточные воды с высоким содержанием ПАВ любого типа и строения. Поскольку полная деструкция ПАВ до воды и СО2 экономически нецелесообразна, то радиационную деструкцию проводят до образования продуктов, легко окисляемых биологически.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >