Файл: Учебное пособие Процессы и аппараты защиты окружающей среды.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 438
Скачиваний: 17
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
97
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ... 17
2.2.4. ФЛОТАЦИЯ
Флотация – это процесс разделения мелких твёрдых час- тиц (главным образом минералов), основанный на различии их в смачиваемости водой. Практически применяется пенно- флотационный процесс, заключающийся в том, что через жид- кость с флотируемым веществом снизу продувается воздух.
Пузырьки воздуха адсорбируют на своей поверхности частицы извлекаемого (гидрофобного) вещества и выносят их на по- верхность воды.
Прилипание частицы к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.
Смачивающаяся способность жидкости зависит от ее по- лярности, с возрастанием которой способность жидкости сма- чивать твердые тела уменьшается. Внешним проявлением спо- собности жидкости к смачиванию является величина поверх- ностного натяжения на границе с газовой фазой, а также раз- ность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном натяжении во- ды не более 60-65 мН/м.
Степень смачиваемости водой твердых или газовых час- тиц, взвешенных в воде, характеризуются величиной краевого угла смачивания θ. Чем больше угол θ, тем больше гидрофо- бия поверхности частицы, т.е. увеличивается вероятность при- липания к ней и прочность удержания на ее поверхности воз- душных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачивае- мостью и легко флотируются.
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 про- исходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс «пу- зырек-частица» поднимается на поверхность воды, где пу- зырьки собираются и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.
4
98
При закреплении пузырька образуется трехфазный пери- метр-линия, ограничивающий площадь прилипания пузырька и являющийся границей трех фаз – твердой, жидкой и газооб- разной (рис.2.19).
Касательная к поверхности пузырька в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в воду угол θ, называемый краевым углом смачивания. Веро- ятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, кото- рая характеризуется величиной краевого угла θ. Чем больше краевой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удерживания пузырька на поверхности частицы.
На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде приме- сей ПАВ, электролитов и др.
Рис.2.19. Элементарный акт флотации
:
1 – пузырек газа; 2 – твердая частица
Для усиления флотационного эффекта к воде добавляют поверхностно-активные вещества (нефть, мазут, смолы, керо- син, высокомолекулярные жирные кислоты, меркаптаны, ксантогенаты и др.), которые понижают поверхностное натя- жение жидкости, ослабляя связь воды с твердым веществом.
Вещества, повышающие поверхностное натяжение жид- кости (неорганические кислоты, основания и соли), подавляют процесс флотации.
Эффект разделения флотацией зависит от размера и коли- чества пузырьков воздуха. Оптимальный размер пузырьков равен 15-30 мкм. При этом необходима высокая степень на- сыщения воды пузырьками, или большое газосодержание. По-
1 2
θ
θ
1 2
99 вышение концентрации примесей увеличивает вероятность столкновения и прилипания частиц к пузырькам. Для стабили- зации размеров пузырьков в процессе флотации вводят раз- личные пенообразователи, которые уменьшают поверхност- ную энергию раздела фаз: сосновое масло, крезол, фенолы, алкилсульфат натрия, обладающие собирательными и пенооб- разующими свойствами.
Вес флотируемой частицы не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырьков. Раз- мер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотно- сти материала частиц и равен 0,2-1,5 мм.
Наиболее эффективное удаление загрязнений достигает- ся при соизмеримых размерах пузырьков воздуха и извлекае- мых частиц и равномерном распределении пузырьков воздуха во всем объеме жидкости, а также достаточной стабильности аэрофлокул. Расход воздуха и размер пузырьков зависит от технологической схемы флотации и способов насыщения сточной воды воздухом.
Наиболее существенные принципиальные отличия спосо- бов флотации связаны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу можно выделить следующие способы флотационной обработки про- изводственных сточных вод:
1. Флотация с выделением воздуха из раствора(вакуум- ные, напорные и флотационные установки). Этот способ при- меняется при очистке производственных сточных вод, содер- жащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку позво- ляет получать самые мелкие пузырьки воздуха. Сущность его заключается в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого раствора воздух образует микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения.
Преимуществом вакуумной флотации является то, что образование пузырьков газа, их слипание с частицами загряз- нений и всплывание образовавшихся агрегатов «пузырек – частица» происходит в спокойной среде и вероятность их раз-
100 рушения сводится к минимуму, минимальны также энергоза- траты на насыщение жидким воздухом, образование и измель- чение воздушных пузырьков. В то же время необходимость сооружения герметически закрытых резервуаров, сложность эксплуатации вакуумных флотационных установок, а также ограниченный диапазон их применения (концентрация загряз- нений в обрабатываемой воде не должна превышать 250 мг/л) являются недостатками метода вакуумной флотации.
Сточная жидкость, поступающая на флотацию, предвари- тельно насыщается воздухом в течение 1-2 мин в аэрационной камере, откуда она поступает в деаэратор для удаления нерас- творившегося воздуха. Далее под действием разрежения (0,02
– 0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную каме- ру, в которой растворившийся при атмосферном давлении воздух выделяется в виде микропузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжительность пребывания сточной воды во флотационной камере 20 мин, а нагрузка на
1 м
2
площади поверхности около 200 м
3
/сут. Скапливающаяся пена вращающимися скребками удаляется в пеносборник. Для отвода обработанной воды обеспечивается соответствующая разность отметок уровней во флотационной камере и прием- ном резервуаре или устанавливаются насосы.
Наиболее широкое применение в практике очистки сточ- ных вод и разделения иловых смесей получила компрессион- ная (напорная) флотация (рис.2.20). Загрязненная сточная вода по трубе 1 поступает в приемный резервуар 2, откуда по вса- сывающей трубе 3 с помощью насоса 5 подается в сатуратор 6.
Через трубу 4 в сточную воду поступает сжатый воздух с рас- ходом не менее 3% от объемного расхода сточной воды. В са- тураторе происходит перемешивание воды с воздухом. Этот процесс протекает при избыточном давлении 30-50 Па, время пребывания жидкости в сатураторе 2-3 мин. Из сатуратора смесь воды с воздухом отводится по трубе и через сопла 8 на- правляется во флотационную камеру 7, в которой происходит всплывание на поверхность камеры агрегатов. Для удаления продуктов предусмотрен пеносборник 9, а очищенная сточная
101 вода удаляется по трубе 10. Эффективность очистки сточных вод от примесей в таких установках достигает 0,85-0,95.
Рис.2.20. Аппарат напорной флотации
2. Флотация с механическим диспергированием воздуха
(импеллерные, безнапорные и пневматические флотационные установки). При перемещении струи воздуха в воде в послед- ней создается интенсивное вихревое движение, под воздейст- вием которого воздушная струя распадается на отдельные пу- зырьки. Энергичное перемешивание сточной воды во флота-
ционных импеллерных установках создает в ней большое ко- личество мелких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величины.
На рисунке 2.21 приведена схема двухкамерной прямо- точной флотационной установки. Сточная вода из приемного кармана поступает к импеллеру, в который по трубке засасы- вается воздух. Над импеллером расположен статор в виде дис- ка с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Переме- шанные в импеллере вода и воздух выбрасываются через ста- тор. Решетки, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому диспергированию воздуха в воде. Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содержа-
102 щая флотируемые частицы, удаляется лопастным пеноснима- телем. Из первой камеры вода поступает во вторую такой же конструкции, где происходит дополнительная очистка.
Рис. 2.21. Двухкамерная прямоточная флотационная установка:
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 – со- ответственно приемный и выпускной карман
Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией нерастворен- ных загрязнений (выше 2-3 г/л) и при очистке сточных вод, содержащих нефть, нефтепродукты, жиры. Недостатком им- пеллерных флотаторов является относительно высокая обвод- ненность пены.
Диспергирование воздуха в безнапорных установках про- исходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим ко- лесом центробежного насоса. Схема флотации аналогична на- порной, но в ней отсутствует сатуратор, что и является пре- имуществом безнапорной флотации. Образующиеся в камере безнапорной установки пузырьки имеют большую крупность,
103 а следовательно, эффект флотации мелких частиц снижается.
Безнапорные флотационные установки применяют для очист- ки сточных вод от жира и шерсти.
Пневматические флотационные установки применяют при очистке сточных вод, содержащих растворенные примеси, агрессивные к механизмам (насосам, импеллерам и др.), имеющим движущиеся части. Измельчение пузырьков воздуха достигается путем впуска воздуха во флотационную камеру через сопла, которые располагаются на воздухораспредели- тельных трубках, укладываемых на дно флотационной камеры на расстоянии 0,25-0,3 м друг от друга.
При аэролифтной флотации (рис.2.22) затраты энергии в
2-4 раза меньше, чем при напорной, но конструкция установки требует значительного перепада высотных отметок между пи- тательным резервуаром со сточной водой и аэратором, а также между аэратором и флотационной камерой (разность отметок составляет 20-35 м), что значительно сужает область примене- ния этого метода.
3. Флотация с подачей воздуха через пористые материа- лы. Этот метод (рис.2.23) отличается простотой аппаратурного оформления процесса и относительно малыми расходами энергии. Воздух во флотационную камеру подается через мел- копористые фильтросные пластины, трубы, насадки, уложен- ные на дне камеры. Величина отверстий должна быть 4-20 мкм, продолжительность флотации – 20-30 мин, расход возду- ха определяется экспериментально. Рабочий уровень обраба- тываемой воды до флотации 1,5-2 м. Недостатком этого мето- да является возможность зарастания и засорения пор, а также трудность подбора мелкопористых материалов, обеспечиваю- щих выход мелких, близких по размерам пузырьков воздуха.
104
Рис.2.22. Схема аэрофлитной флотационной машины
1 – разгрузочный порог пенного продукта; 2 – регуляторы подачи воздуха, 3 – распределитель воздуха; 4 –воздухопроводы; 5 – система на- правляющих щитов; 6 – аэролифтная камера; 7 – корпус машины; 8 – рези- новые наконечники воздуховодов
Рис.2.23. Схемы флотации при помощи пористых материалов а – с пористыми колпачками; б – с пористыми пластинами; 1 – флотацион- ная камера; 2 – пористые элементы; 3 – устройство для сбора пены; 4 – регу- лятор уровня
105 4. Электрофлотация. Сущность электрофлотационного способа очистки сточных вод заключается в переносе загряз- няющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе воды.
В про- цессе электролиза воды на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород.
Основную роль в процессе флотации частиц играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. Использо- вание проволочного катода вместо пластинчатого приводит к уменьшению крупности пузырьков и, следовательно, к повы- шению эффективности работы электрофлотатора. Кислород окисляет находящиеся в растворе нефтепродукты, образуя бо- лее простые соединения. Пузырьки водорода, обладая боль- шой подъемной силой, поднимаются на поверхность, увлекая за собой мельчайшие частицы нефтепродуктов и взвешенных веществ, скоагулированных гидроокисью магния, и образуя пенообразный слой.
На скорость и эффективность электрофлотационного про- цесса значительное влияние оказывает плотность электриче- ского тока. Продолжительность электрофлотационного про- цесса сокращается с повышением плотности тока и достигает некоторой минимальной величины. Увеличение плотности тока сверх указанной оптимальной величины не ускоряет про- цесс флотации, а, наоборот, замедляет его. При малых плотно- стях тока (70-100 А/м
2
) процесс идет медленно, потому что жидкость слабо насыщается газовыми пузырьками. При плот- ностях тока, превышающих оптимальное значение, образуется слишком много газовых пузырьков и только часть из них уча- ствует в процессе флотации. Остальные пузырьки, проходя через жидкость, создают возмущающие потоки, препятствую- щие флотации частиц, образованию и уплотнению пены.
Конструктивно электрофлотаторы (рис.2.24) выполняют- ся в виде прямоугольной емкости с флотокамерой 3, в которую через карман 4 поступает осветляемая суспензия или эмуль- сия. Отфлотировавшиеся твердые или жидкие частицы соби- раются в пенном слое в верхней части камеры 3 и удаляются из нее гребковым устройством 5. Осветленная жидкость,