ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Процессы флотационной очистки сточных вод

Флотация - процесс молекулярного прилипания частиц флотируемо­го материала к поверхности раздела газа и жидкости, обусловленный из­бытком свободной энергией 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). Процесс очистки сточных вод от ПАВ называют пенной сепарацией или пенным концентрированием. 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.

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 легкоокис - ляемых веществ, бактерий и микроорганизмов.

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.

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 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 водой твердых или газовых частиц, взвешанных в воде, характеризуются величиной краевого угла смачивания 0. Чем больше угол 0, тем больше гидрофобия поверхности частицы, т. е. увеличивается вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой сма­чиваемостью 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 происходит слипание пызарька 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. 6.4)

Касательная к поверхности пузырька в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в воду угол 0, назы­ваемый краевым углом смачивания.

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла 0. 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 примесей ПАВ, электролитов и др.

1

Рис. 6.4. Схема элементарного акта флотации: 1 - пузырек газа; 2 - твердая частица.

ПАВ - (реагенты-собиратели), адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т. е. 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.

Энергия образования комплекса «пузырек-частица» равна

А = о (1- Cos 0),

Где о - поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой, 0 > 0, а 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, алкилсульфат натрия, обладающие соби­рательными и пенообразующими свойствами.

Вес флотируемой частицы не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырьков. Размер частиц, которые хо­рошо флотируются, зависит от плотности материала частиц и равен 0,2.1,5 мм.

Флотация может быть использована при сочетании с флокуляцией. Вероятность образования комплекса «пузырек-частица» может быть опре­делена по формуле:

Ю = [n 4/3 n(R + г)3 - n 4/3 п R3]/V = Cr[(1 + r/R)3 - 1], (6.30)

Где n - число пузырьков радиуса R в объеме V жидкости; r - радиус час­тицы; Сг = n 4/3 п R /V - объемная концентрация газовой фазы.

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

Рс = Рж(1- Сч - Сг) + рчСч + рг Сг, (6.31)

Где рж, рч, рг - плотность жидкости, частиц и газа; Сч, Сг - объемная кон­центрация частиц и газа в воде.

Скорость движения частиц vH и пузырьков vu относительно среды определяется по формулам:

V4 = -2/9(g rV Рж)[(1- Сч)(рч/рж - 1) + Сг]; (6.32)

VII = 1/9(g RV Рж)[1+Сч(Рч/Рж -1) - Сг], (6.33)

Где g - ускорение свободного падения (силы тяжести); - динамическая вязкость флотационной среды.

Скорость процесса выделения частиц флотацией описывается урав­нением реакции первого порядка:

ЁСч/ёт = - k Сч, (6.34)

Где k - коэффициент скорости флотации, зависящий от динамических и конструктивных параметров.

Наилучшие условия разделения достигаются при соотношении меж­ду твердой и газообразной фазами Ог/Оч = 0,01.0,1. Это соотношение оп­ределяется по формуле:

Gr/G4 = 1,3 b(f *P - 1)01/(C4 Q), (6.35)

Где Gr, GH - масса воздуха и твердых частиц, г; b - растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении и данной температуре, см /л; f - степень насыщения (обычно f = 0,5.0,8); Р - абсолютное давление, при котором вода насыщается воздухом; Q1 - количество воды, насыщенной воздухом, мі/ч; Q - расход сточной воды, мі/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.

Флотация с выделением воздуха из раствора.

Этот способ применяют для очистки сточных вод, которые содержат очень мелкие частицы загрязнений. Сущность способа заключается 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...39,3кПа (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. 6.5) позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4.5 г/л. Для увеличения степени очистки, в воду добавляются коагулянты. 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 5­10 до 1000.2000 м /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.

Воздух

Сточная Вода

Рис. 6.5. Схема напорной флотации: 1 - емкость; 2 - насос; 3 - напорный бак; 4 - флотатор.

Эрлифтные установки применяют для очистки сточных вод в хими­ческой промышленности (рис. 6.6). 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:

Іочная Doc

Яища?)oqa

Mm

Рис. 6.6. Схема эрлифтной флотации: 1 - емкость; 2 - трубопровод; 3 - аэратор; 4 - труба эрлифта; 5 - флотатор.

Флотация с механическим дисперсированием воздуха.

Механическое диспергирование воздуха во флотационных машинах обеспечивается турбинками насосного типа - импеллерами, представляю­щими собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками. 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 установки применяют для очистки сточных вод, содержащих растворенные примеси, агрессивные к движущимся механиз­мам. 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 100­200 м/с. Продолжительность флотации - в пределах 15.20 мин.

Флотация при помощи пористых пластин.

При пропускании воздуха через керамические пористые пластины или колпачки получаются мелкие пузырьки, размер которых равен: R = 6(г2 о)1/4, (6.36)

Где R, r - радиусы пузырьков и отверстий; о - поверхностное натяжение воды.

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

АР = 4о/г. (6.37)

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, дав-

3 2

Ление воздуха 0,1.0,2 МПа, расход воздуха 40.70 м /(м ч), продолжи­тельность флотации 20.30 мин, уровень воды в камере до флотации 1,5.2м.