3.Флотация. Общая характеристика метода. Виды флотации. Область применения.

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.

Процесс очистки производственных сточных вод методом флотации заключается в образовании комплексов "пузырек- частица", всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости.

Прилипание частицы, находящейся 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 концентрированием.

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 в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в жидкость угол , называемый краевым углом смачивания.

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.

Энергия образования комплекса "пузырек-частица" , где  - поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

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

Достоинствами флотации являются: непрерывность процесса; широкий диапазон применения; небольшие капитальные и эксплутационные затраты; простота аппаратуры;селективность выделения примесей; более высокая скорость процесса по сравнению с отстаиванием;возможность получения шлама более низкой влажности (90  95 %); высокая степень отчистки (95  98 %); 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.

Виды флотации

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.

Область применения

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.

При перемещении струи воздуха в воде создается интенсивное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырьки.

Различают импеллерную, безнапорную и пневматическую флотацию.

Импеллерная флотация:

Энергичное перемешивание сточной воды во флотационных импеллерных установках создает в ней большое число мелких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величины. Основным элементом такой установки является импеллер – небольшая турбина насосного типа, представляющая собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками.

Безнапорная флотация: Диспергирование воздуха в безнапорных установках происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробежного насоса.

Схема флотации аналогична напорной, но в ней отсутствуетсатуратор, что является преимуществом безнапорной флотации. Образующиеся в камере безнапорной установки пузырьки имеют большую крупность, а следовательно, эффект флотации мелких частиц снижается. Безнапорные флотационные установки обычно применяют для очистки сточных вод от жира и шерсти.

Пневматическая флотация: Пневматические флотационные установки применяют при очистке сточных вод, содержащих растворенные примеси, которые агрессивны к механизмам (насосам, импеллерам и др.), имеющим движущиеся части. Измельчение пузырьков воздуха достигается путем впуска воздуха во флотационную камеру через сопла.

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы: К достоинствам данного метода можно отнести относительно малые расходы энергии, так как отсутствуют насосы и импеллеры и простоту конструкции флотационной камеры Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористыепластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Эффективность флотации зависит от величины отверстий материала, расхода воздуха продолжительности флотации, уровня воды во флотаторе.

Электрофлотация Сущность электрофлотационного метода очистки сточных вод заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электролиза сточной воды на катоде выделяется водород, на аноде – кислород. Основную роль в процессе флотации играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает благоприятные условия для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффективность флотационного процесса. Такие установки называются электрокоагуляционно-флотационными.

Биологическая и химическая флотация Очистка сточных вод химической флотацией основывается на свойствах некоторых веществ при введении их в сточную воду выделять газы (О2, СО2, Сl2 и др.) в результате химической реакции. Пузырьки этих газов могут прилипать к нерастворенным взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое явление, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введением коагулянтов. Биологическая флотация применяется для уплотнения осадка из первичных отстойников при очистке бытовых сточных вод. Для этой цели осадок подогревают паром в специальной емкости до 35 − 55 °С и при этих условиях выдерживают несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются пузырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвреживаются. Таким путем за 5 − 6 сут влажность осадка можно понизить до 80 % и тем самым упростить его дальнейшую обработку.

4, 5. Сорбция. Общая характеристика метода. Виды сорбентов. Область применения. Схема сорбции с последовательным и противоточным введением сорбента.

Сорбция – это процесс поглощения одного вещества из

окружающей среды другим веществом, твердым телом

или жидкостью. Поглощающее тело называется

сорбентом, а поглощаемое – сорбатом.

В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию,

абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.

Поглощение вещества всей массой жидкого сорбента

называется абсорбция, а поверхностным слоем твердого

или жидкого сорбента − адсорбция.

Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием

сорбента с поглощаемым веществом, называется

хемосорбцией.

Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных

методов глубокой очистки от растворенных органических

веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной,

химической, нефтехимической, текстильной и других

отраслей промышленности.

Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и

совместно с биологической, как метод предварительной и

глубокой очистки.

Преимуществами этого метода являются возможность

поглощения веществ из многокомпонентных смесей и

высокая степень очистки, особенно слабо

концентрированных сточных вод.

Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из

сточных вод ценных растворенных веществ с их

последующей утилизацией и использования очищенных

сточных вод в системе оборотного водоснабжения

промышленных предприятий.

Адсорбция растворенных веществ – результат перехода

молекулы растворенного вещества из раствора на

поверхность твердого сорбента под действием силового

поля поверхности.

При этом наблюдаются два вида сил межмолекулярного

взаимодействия:

• молекул растворенного вещества с молекулами (или

атомами) поверхности сорбента;

• молекул растворенного вещества с молекулами воды в

растворе (гидратация).

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и

пористые природные материалы: золу, коксовую мелочь,

торф, силикагели, алюмогели, активные гели и др.

Эффективными и наиболее универсальными сорбентами

являются активированные угли различных марок.

Процесс сорбции может осуществляться в статических

условиях, при которых частица жидкости не перемещается

относительно частицы сорбента, т. е. движется вместе с

ней, а также в динамических условиях, когда частица

жидкости перемещается относительно сорбента.

Таким образом, сорбцию называют статической, когда

поглощаемое вещество, находится в газообразной или

жидкой фазе, приведено в контакт с неподвижным

сорбентом или перемешиваются с ним.

Динамической сорбцию называют в тех случаях, когда

поглощаемое вещество находится в подвижной жидкой или

газообразной фазе, которая фильтруется через слой сорбента.