Метод и процесс флотации. Напорная флотация. Флотация - это...

Проблема очистки сточных вод остается актуальной на протяжении многих десятилетий. Сложность заключается в устаревании методик и оборудования, а также появлении новых химикатов в бытовой химии и на производстве, требующих совершенно новых подходов к их удалению из стоков. Один из универсальных методов очистки сточных вод - это флотация. В зависимости от особенностей загрязнителя, он требует лишь замены реагентов и коррекции условий осуществления процесса.

Очистка сточных вод

Этот метод успешно применяется для очистки стоков, содержащих волокна, нефтепродукты, масла и жиры, а также другие малорастворимые в воде вещества. Предварительно сточные воды переводят в суспензию и эмульсию с использованием специальных веществ.

Процесс флотации основывается на способности газовых пузырьков закрепляться на частицах, помогая им всплывать на поверхность жидкости.

Общие принципы метода

Простейшим актом флотации считается прикрепление нерастворимых частиц (например, минеральных, масляных или каких-либо других) к пузырькам воздуха. Успешность проведения очистки зависит от того, с какой скоростью образуется связь между частицей и пузырьками, от прочности этой связи и от длительности существования этого комплекса. Что в свою очередь определяется природой частиц, склонностью к смачиванию водой и особенностям взаимодействия их с реагентами. Таким образом, флотация - это процесс, который зависит от множества факторов.

Элементарный акт может осуществляться по одному из следующих механизмов:

• пузырьки образуются сразу во взвешенных частицах;
• частицы взвеси прикрепляются к газовому пузырьку при столкновении с ним;
• на поверхности частицы образуется маленький пузырек, который объединяется с другим при столкновении и увеличивается в объеме.

Комплекс, который образуется в процессе флотации, в практически неподвижной среде может всплыть только при условии, что подъемная сила газового пузырька больше веса частицы. Это приведет к образованию пенного слоя на поверхности очищаемой воды.

Кроме того, площади поверхностей пузырьков и частиц в месте соприкосновения должны находится в определенном соотношении. Силы адгезии возрастают пропорционально размеру частиц в квадрате, поскольку периметр их соединения ограничивается размером наибольшей из их граней. А сила отрыва напрямую зависит от массы загрязняющей частицы (т.е. ее линейных размеров в кубе). Таким образом, при достижении некоторого размера частиц силы отрыва превышают силы прилипания. Значит, для успешной очистки стоков методом флотации важен не только характер связи взвеси с пузырьками, но и их размеры.

Способы насыщения воды пузырьками

Существует немало приемов, которые обеспечивают появление в сточных водах газовых пузырьков. Основные способы, используемые при проведении флотации, это:

• Компрессионный (или же напорный) способ, основанный на повышении растворимости воздуха в воде при увеличении давления.
• Механический способ, основанный на интенсивном перемешивании жидкости с воздухом.
• Пропускание сточных вод через пористые материалы, что приводит к их диспергированию.
• Электрический способ, основанный на процессе электролиза воды, сопровождающимся появлением пузырьков газа.
• Химический способ, обуславливающий образование пузырьков в ходе химических реакций определенных реагентов с компонентами сточных вод.
• Вакуумный способ, характеризующийся снижением давления.

Напорная флотация

Является наиболее эффективной для извлечения мелкодисперсных и коллоидных взвесей низкой концентрации. Очищаемую воду насыщают воздухом под давлением до 7 МПа в специальном реакторе - сатураторе. После выхода воды из него давление резко снижается до нормального (атмосферного), что провоцирует интенсивный процесс выделения пузырьков воздуха.

Для того чтобы значительно повысить эффективность очистки вод, флотацию сочетают с коагуляцией и флокуляцией. Оба этих приема способствуют увеличению размера нерастворенных частиц. Коагулянтами являются как неорганические соединения, обычно соли трехвалентного железа или алюминия, так и некоторые органические вещества. Флокулянтами являются особые полимеры, молекулы которых в водной среде образуют заряженную сетку, способную притягивать загрязняющие частицы, что приводит к появлению хлопьевидных агрегатов.

Установки и технологические схемы

Установки, которые осуществляют напорную флотацию, могут размещаться не только в помещениях, но и вне их. Так, первые подходят для небольших объемов, если расход воды составляет не более 20 м³/ч, а вторые имеют гораздо большую производительность. Часто устраивается комбинированное размещение сооружений, когда крупные объекты, например, сатуратор и флотокамера, находятся под открытым небом, а насосы в помещении.

В случае размещения установок в условиях возможного понижения температуры воздуха до отрицательных значений нужно предусмотреть систему подогрева пены. Классическая установка для проведения компрессионной флотации состоит из следующего оборудования:

• Насоса для подачи жидкостей.
• Компрессора для подвода воздуха (или какого-либо газа) в систему водоочистки.
• Сатуратора (другое его название - напор­ный бак), в котором производится растворение воздуха в сточных водах.
• Флотокамеры, если процессом предусмотрена стадия укрупнения частиц взвеси.
• Реагентное устройство, включающее приспособления для дозирования и смешивания реагентов с очищаемой жидкостью.
• Систему контроля процесса очистки.

Техноло­гические схемы, предусматривающие очистку сточных вод методом флотации с повышением давления, могут быть:

1. Прямоточными, когда полный объем очищаемой жидкости проходит через сатуратор.
2. Рециркуляционными, когда через сатуратор проходит лишь 20 - 50 % осветленной жидкости.
3. Частично прямоточными, когда порядка 30 -70 % неочищенных вод поступает в сатуратор, а остальная их часть подается сразу во флотокамеру.

При выборе одной из этих схем берут во внимание физико-химические свойства очищаемых стоков, требования к степени очистки, местные условия и экономические показатели.

Электрофлотация

Этот метод стали использовать во второй половине 20-го века. Тогда обнаружилось, что электролизные газы гораздо эффективнее, чем инертные или воздух, увеличивают интенсивность флотации. Это позволяет выделять нерастворимые в водах нефтепродукты, смазочные масла, малорастворимые соединения тяжелых и цветных металлов, которые образуют в стоках устойчивые эмульсии. Но помимо электролизных газов на удаление некоторых примесей влияет искусственно созданное электрическое поле, в котором заряженные частицы движутся к противоположно заряженным электродам.

Существенным недостатком электрофлотации является малая производительность, высокая стоимость электродов, их износ и загрязнение, а также взрывоопасность.

Метод пенного фракционирования

Сводится он к адсорбции растворенных поверхностно-активных веществ (ПАВ) на газовых пузырьках, поднимающихся вверх сквозь раствор. При этом интенсивно образуется пена, обогащенная адсорбированным веществом.

Важная область применения такой разновидности флотации - это очистка вод от моющих средств, применяемых в прачечных. Также он подходит для выделения активного ила, который образуется при биохимической очистке.

Обогащение руд

Процесс флотации успешно применяется при первичной переработке всевозможных руд, позволяющий отделить ценную фракцию с повышенным содержанием металла или его соединений. Основывается он на различиях свойств поверхности разделяемых минералов.

Флотация руды представляет собой трехфазный процесс:

• твердая фаза представляет собой измельченное полезное ископаемое;
• жидкой фазой является пульпа;
• газовую фазу образуют пузырьки воздуха, пропускаемые через пульпу.

Флотация бывает пенной, пленочной или масляной - в зависимости от формы продукта, образующегося на поверхности жидкой фазы.