Очистка сточных вод флотацией

Метод флотации основан на плохой смачиваемости поверхности твердой частицы жидкостью. При этом через слой загрязненной твердыми частицами жидкости пропускают пузырьки воздуха. Поднимаясь вверх, пузырьки сталкиваются с гидрофобными твердыми частицами. Разделяющая их тонкая пленка жидкости прорывается, и происходит слипание твердой частицы с пузырьком воздуха (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Элементарный акт флотации:

1 — пузырек газа; 2 — твердая частица Пузырьки с твердыми частицами поднимаются вверх, образуя слой пены на поверхности воды. Пена с поверхности воды удаляется, пузырьки лопаются, и твердые частицы оседают. Энергия образования комплекса пузырька с твердой частицей (Л) определяется зависимостью.

А = а (1 -cosO), (12.8).

где, а — поверхностное натяжение на границе с воздухом; 0 — угол смачивания.

При хорошей смачиваемости 0 —? О, cos0 —? 1, и энергия образования комплекса минимальная. Для гидрофобных (несмачивающих) жидкостей 0 —* 1, cos0 —? 0, и энергия связи с пузырьком максимальная. Пользуясь различием в смачиваемости материалов, флотацией можно селективно выделять нужный продукт. В металлургии этот процесс находит широкое применение для разделения горной породы и минералов, содержащих ценные металлы. Таким образом, значительно сокращается объем рудного сырья, идущего на дальнейшею переработку.

Для управления флотационным процессом применяются флотационные реагенты, обеспечивающие избирательную флотацию различных материалов, т. е. отделение материалов, а также способствующие образованию прочных пузырьков воздуха и всплыванию флотируемых материалов.

Применяемые в настоящее время флотационные реагенты отличаются большим разнообразием. Они представлены неорганическими и органическими соединениями различного состава — щелочами, кислотами, солями, продуктами нефтехимии, продуктами переработки древесины, угля, кокса и т. п.

В зависимости от назначения флотационные реагенты делятся на три большие группы: собиратели, регуляторы (модификаторы), пенообразователи.

Реагенты-собиратели (коллекторы), как правило, органические соединения, имеющие гетерополярную структуру, которые, закрепляясь на поверхности материалов, уменьшают смачиваемость их водой, т. е. гидрофобизируют и тем самым обеспечивают прилипание частиц материалов к пузырькам воздуха. Реагенты-собиратели должны быть селективными, т. е. избирательно закрепляться на тех материалах, которые необходимо в данном процессе извлечь в пенный продукт.

Реагенты — регуляторы среды, или модификаторы, — неорганические и органические соединения, способные изменять флотируемость материалов, регулировать действие собирателей на частицы материалов, т. е. улучшать флотируемость одних материалов и ухудшать флотируемость других.

Действие реагентов-регуляторов при флотации весьма сложно и разнообразно. Одни регуляторы могут воздействовать на поверхность материалов, изменяя ее химический состав, ослабляя или усиливая взаимодействие собирателя с поверхностью материалов; другие могут вытеснять собиратель с поверхности материалов и закрепляться на ней, предотвращая их флотацию; третьи могут взаимодействовать с собирателем, переводя его в осадок, в результате чего действие собирателя ослабляется или прекращается. Регуляторы могут изменять свойства среды, в которой происходит взаимодействие реагентов с материалами, и, таким образом, влиять на флотацию.

В зависимости от роли, которую выполняют регуляторы при флотации, их принято подразделять на активаторы, подавители (депрессоры) и регуляторы среды.

Активаторы способствуют адсорбции собирателя и гидрофобизации, улучшая флотируемость материалов.

Подавители (депрессоры), наоборот, предотвращают адсорбцию собирателей, гидрофилизируют поверхность, ухудшая флотируемость материалов.

Регуляторы среды создают условия в флотационной суспензии, благоприятные для одних и неблагоприятные для флотации других материалов. Они изменяют pH суспензии, химический состав применяемых реагентов-собирателей, растворимых солей в жидкой фазе пульпы, изменяют физические и химические свойства поверхности материалов.

Подобная классификация флотационных реагентов является условной, так как один и тот же реагент может выполпять одновременно несколько функций или в конкретных случаях играть различную роль. Так, некоторые собиратели обладают пенообразующими свойствами (аэрофлот и олеиновая кислота). Сернистый натрий является активатором окисленных цветных металлов и подавителем сульфидных материалов и т. д.

Пенообразователи (вспениватели) — поверхностно-активные вещества, добавляемые во флотационную пульпу для образования устойчивой пены.

Эффективность флотации зависит от размера и количества образующихся пузырьков. Оптимальный размер их 15—30 мкм.

Очевидно, что плотность флотационной среды равна:

где р_ж, р_ч, р_г — плотность соответственно жидкости, частиц и газа; с_ч, с_г — объемная концентрация соответственно частиц и газа в воде.

Скорость движения частиц v₄ и v_u пузырьков относительно среды определяется по формулам.

где g — ускорение свободного падения (силы тяжести); р_с — динамическая вязкость флотационной среды.

Скорость процесса выделения частиц флотацией описывается уравнением реакции первого порядка:

где К — коэффициент скорости флотации, зависящий от гидродинамических и конструктивных параметров.

Наиболее благоприятные условия разделения достигаются при соотношении между твердой и газообразной фазами G_r/G₄ = 0,01—0,1. Это соотношение определяется по формуле.

где G_v и G₄ — масса соответственно воздуха и твердых веществ, г; Ъ — растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении и данной температуре, см³/л; / — степень насыщения (обычно /= 0,5—0,8); Р — абсолютное давление, при котором вода насыщается воздухом, Па; Q — количество воды, насыщенной воздухом, м³/ч; Q — расход сточной воды, м³/ч.

Флотация может быть использована при сочетании с флокуляцией. Этот процесс также иногда называют флотацией. При проведении флотации хлопьев после коагулирования необходимо учитывать, что вероятность прилипания пузырьков газа к свежеобразованным хлопьям выше, чем к хлопьям, имеющим «возраст» несколько часов. Вероятность образования комплекса пузырек — частица может быть определена по формуле.

где п — число пузырьков радиуса R в объеме V жидкости; г — n-nR³

радиус частицы; с_г = —~—; V — объемная концентрация газовой фазы.

Для проведения процесса используются флотационные машины разного типа. На рис. 12.4 представлена схема одной из них. Сточная вода через патрубок поступает в устройство для перемешивания воздуха с водой с помощью импеллера. Образующиеся воздушные пузырьки встречаются с твердыми частицами и образуют комплекс, поднимающийся вверх. На поверхности воды образуется слой пены. Очищенная вода сливается через патрубок. Отдельные ячейки объединяются.

Рис. 12.4. Схема ячейки флотомашины импеллерного типа в линию. Число ячеек и линий зависит от требуемой производительности участка (цеха). Оптимальный диаметр пузырьков 15—30 мкм. Они удерживают твердые частицы диаметром 0,2—1,5 мм. Извлечение при этом достигает 95—98%.

Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод: с выделением воздуха из растворов; с механическим диспергированием воздуха; с подачей воздуха через пористые материалы, электрофлотацию и химическую флотацию.