5.2. Флотация

Флотация – это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются.

Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ (поверхностно-активные вещества), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы методом флотации заключается в образовании комплексов "пузырек-частица", всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Уплотнение и разрушение пенного слоя может быть интенсифицировано нагреванием или с помощью специальных приспособлений брызгалок. Прилипание частицы, находящиеся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью. Образование комплекса "пузырек-частица" зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п. В тех случаях, когда флотацию применяют для удаления растворенных веществ, например ПАВ, процесс называется пенной сепарацией или пенным концентрированнием.

Возможность образования флотационного комплекса "пузырек-частица", скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависят от природы частиц, а также от характера взаимодействия реагентов с их поверхностью и способности частиц смачиваться водой. При закреплении пузырька образуется трехфазный периметр – линия, ограничивающий площадь прилипания пузырька и являющийся границей трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Касательная к поверхности пузырька (рис. 1.22) в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в жидкость угол , называемый краевым углом смачивания.

Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела слабеет. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина ее поверхностного натяжения на границе с газовой средой, 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, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла смачивания . Чем больше угол , тем более гидрофобна поверхность частицы, таким образом, увеличиваются вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются. Большое значение при флотации имеют размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков 15-30 мкм, а максимальные 100-200 мкм.

Таким образом, процесс флотации заключается в следующем – при сближении в воде поднимающегося пузырька воздуха с твёрдой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается 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.

Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при образовании пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др. Поверхностно-активные вещества – реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, алкил-сульфаты, амины и другие вещества. Повысить гидрофобность частиц можно сорбцией молекул растворенных газов на их поверхность.

Энергия образования комплекса "пузырек-частица":

A=σ∙(l – Cos θ),             (1.1)

где σ – поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой, стремится к нулю, следовательно, Cos θ стремится к единице, а значит, прочность прилипания минимальна. Для несмачиваемых частиц, наоборот, энергия образования комплекса "пузырек-частица" будет максимальной.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и от количества пузырьков воздуха. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками или большое содержание газа в ней. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, т.к. увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят сосновое масло, крезол, фенолы, алкил-сульфаты натрия.

Вес частицы не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотности материала и равен 0,2-1,5 мм.

В практике очистки производственных сточных вод выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы флотации. Флотацию применяют для отчистки сточных вод многих производств: нефтепереработка, целлюлозно-бумажная промышленность, а также кожевенная, машиностроительная, пищевая и химическая. Флотацию используют для выделения активного ила после биохимической отчистки.

Достоинствами флотации являются:

1. непрерывность процесса;
2. широкий диапазон применения;
3. небольшие капитальные и эксплутационные затраты;
4. простота аппаратуры;
5. селективность выделения примесей;
6. более высокая скорость процесса по сравнению с отстаиванием;
7. возможность получения шлама более низкой влажности (90-95 %);
8. высокая степень отчистки (95-98 %);
9. возможность рекуперации удаляемых веществ.

Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ и легко окисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Это способствует успешному проведению следующих стадий очистки.

Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связаны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу, можно выделить следующие способы обработки производственных сточных вод:

• флотация с выделением воздуха из раствора;
• флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, безнапорные и пневматические флотационные установки);
• флотация с подачей воздуха через пористые материалы;
• электрофлотация;
• биологическая и химическая флотация.

Флотационные установки могут состоять из одного или двух отделений (камер). В однокамерных установках в одном и том же отделении происходят одновременно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флотирующихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемного и отстойного отделений, в первом отделении происходят образование пузырьков воздуха и агрегатов "пузырек-частица", а во втором – всплывание шлама (пены) и осветление жидкости.