Очистка методом пенного фракционирования (пенной сепарацией)

Пенное фракционирование основано на селективной адсорбции одного или нескольких растворенных веществ на поверхности газовых пузырьков, которые поднимаются вверх через раствор. Образовавшаяся пена обогащается адсорбированным веществом, что и обеспечивает парциальную сепарацию компонентов раствора.

Этот процесс используют 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 с избыточной поверхностной концентрацией следующим соотношением:

где do — изменение поверхностного натяжения; Г — избыточная концентрация вещества на поверхности; |з —- химический потенциал i-й составляющей, равный R^TJna; R_g— газовая постоянная; T_t — температура; а. — термодинамическая активность.

При больших разбавлениях раствора а = а, (где е — концентрация растворенного вещества). С учетом этого коэффициент распределения равен:

где Г /с =К. — отношение концентраций в двух исследуемых фазах, которое является коэффициентом распределения К.

В случае разбавленных растворов ds / dc, очень незначительно зависит от концентрации, и К. для данной системы растворителя и растворенного вещества является практически постоянным.

При барботировании воздуха через воду, содержащую ПАВ, на ее поверхности образуется пенный слой, состоящий из пузырьков газа различного диаметра. Распределение пузырьков газа по размерам в пенном слое соответствует нормально-логарифмическому закону.

Повышение скорости воздуха приводит к увеличению частоты образования пузырьков и росту объема пены. Соответственно растет поверхность раздела фаз и количество ПАВ, адсорбирующихся на этой поверхности. Кинетика извлечения ПАВ определяется уравнением:

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:

Здесь ст — поверхностное натяжение сточной воды; с_к — остаточная концентрация растворенного ПАВ в объеме воды; с_о — концентрация ПАВ в момент времени т_о (при т_о= 0 с_к= с₀); т — время; К — константа; V — объем жидкости; п — формальный порядок реакции процесса перехода ПАВ в пену.

Степень извлечения ПАВ пеной равна:

где с_н— концентрация ПАВ в воде до извлечения, с_п — 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, а время, необходимое для максимально возможного извлечения ПАВ, уменьшается. Это происходит вследствие того, что с увеличением концентрации ПАВ возрастает дисперсность образующихся пузырьков. С увеличением щелочности раствора, начиная с pH ~ 9,5, степень извлечения ПАВ сначала растет, а затем при pH ~ 12,3 несколько снижается. Небольшое количество добавок электролитов (0,0005 моль/л) КС1, K₂S0₄, К₄Р₂0₇, KN0₃, NaN0₃, NH₄N0₃ приводит к увеличению степени извлечения. Это объясняется тем, что ионы электролитов за счет гидратации поглощают часть воды, в результате чего возрастает эффективная концентрация ПАВ.

Изменение температуры сказывается на стабильности пены ПАВ. С повышением температуры устойчивость пены уменьшается, что объясняется десорбцией пенообразователя с межфазной поверхности и понижением вязкости дисперсной среды. Понижение вязкости способствует более быстрому стеканию жидкости в пленке. Кроме того, рост температуры вызывает увеличение диаметра пузырьков и изменяет растворимость ПАВ.

Коэффициент распределения ПАВ между пенным продуктом (пеноконденсатом) и сточной водой, характеризующей эффективность извлечения, равен:

Коэффициент распределения зависит от объема пенного продукта и степени извлечения ПАВ из сточной воды. При проведении процесса стремятся, чтобы пеноконденсат имел наименьший объем с максимальной концентрацией ПАВ. Коэффициент г_п всегда больше единицы.

Степень изменения объема сточной воды в процессе пенного фракционирования равна:

где V_n— объем пеноконденсата; V_oct — остаточный объем раствора.

Схема процесса очистки сточной воды от ПАВ методом пенной сепарации показана на рис. 11−27.

Сепаратор имеет несколько камер, в каждую из которых вводят воздух. Высота слоя воды в камерах составляет 0,5−0,8 м. Очищенная вода поступает в сборник, а пену вентилятором подают в циклон (в вентиляторе происходит частичное разрушение пены), где газовая фаза отделяется от жидкости. Из циклона смесь воды с пеной поступает в отстойник, где происходит разделение. Вода поступает в I камеру сепаратора, а пена — в камеру концентрирования.

В процессе пенной сепарации происходит не только извлечение ПАВ, но и одновременное удаление из воды суспендированных или.

Воздух в сточную воду можно подавать через перфорированные трубы, мелкопористые материалы, при помощи импеллера, а также из пересыщенных растворов при снижении давления над жидкостью (при напорной флотации) и при электрофлотации. Наибольшая степень удаления ПАВ из сточной воды достигается при диспергировании воздуха через пористые пластины.

В процессе разделения образуется пена с повышенной концентрацией ПАВ, количество которой пропорционально концентрации ПАВ и расходу сточной воды. Выделение ПАВ из стойкой пены связано со значительными трудностями, поэтому она в большинстве случаев является отходом.

Процесс разрушения пенного слоя протекает с небольшой скоростью F, которая может быть вычислена по формуле:

где У_воз— расход воздуха при барботированни через раствор ПАВ, м³/ч; L —расход сточной воды, м³/ч; т — продолжительность барботирования, ч.

Для ускорения процесса разрушения пены могут быть использованы пеногасители, в качестве которых применяют кремний, органические и германийорганические соединения. Однако при использовании пеногасителей происходит дополнительное загрязнение пеноконденсата. Исходя из этого, целесообразнее использовать термические, электрические и механические способности гашения пены.

Таким образом, процесс очистки сточных вод от ПАВ методом пенного фракционирования имеет следующие недостатки: 1) образуется обогащенный ПАВ конденсат, который медленно разрушается; 2) при увеличении концентрации ПАВ в сточной воде эффективность очистки снижается.

Предложен способ очистки от ПАВ, сочетающий пенное фракционирование и радиационную деструкцию и исключающий отход пены. Процесс можно проводить в одном или двух аппаратах. Принципиальные его схемы показаны на рис. 11−28.

По схеме а в колонну непрерывно подают сточную воду, содержащую ПАВ, и через барботер воздух. Образующуюся пену из колонны направляют в радиационный аппарат, где облучают у-лучами. В результате часть ПАВ разрушается, а пена конденсируется. Конденсат возвращают в нижнюю часть колонны.

По схеме б пену из колонны не отводят, а разрушают у-облучением в верхней части колонны.

Метод позволяет очищать сточные воды с высоким содержанием ПАВ любого типа и строения. Следует отмстить, что полная деструкция ПАВ до воды и С0₂ экономически нецелесообразна. Радиационную деструкцию проводят до образования продуктов, легко окисляемых биологически.