Флотация

В данном материале кратко рассматриваются теоретические основы процесса флотации, которые дадут непосвящённому читателю представление о процессе и покажут преимущество флотации перед отстаиванием.

Конструкции аппаратов и теоретические закономерности процесса флотации были перенесены в область водоочистки из практики обогащения.

Флотация находит широкое применение в очистке сточных вод, образующихся от технологических процессов широкого ряда производств, например:

• нефтеперерабатывающая промышленность;
• предприятия вискозного производства;
• кожевенные заводы;
• мясокомбинаты;
• меховые фабрики, а также предприятия переработки шерсти и др.

Флотация применяется также для очистки поверхностных вод для нужд водоснабжения, сгущения осадков.

Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные (по сравнению с обогатительной отраслью) эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,003−0,1 мкм, мелкодисперсные частицы 0,1−10 мкм, а также частицы размером более 10 мкм. В процессе механической очистки сточных вод достаточно хорошо удаляются частицы размером 20 мкм и более, в то время как мелкодисперсные и коллоидные частицы возможно удалить физико-химическими методами очистки только с применением реагентов.

Оценка применимости отстаивания и флотации производится на основе оценки свободной энергии частицы загрязнения косвенным путем через ее потенциальную и/или поверхностную энергии. Первая из них пропорциональна массе (или объему) частицы, т. е. ее радиусу в кубе, а вторая – площади поверхности, то есть квадрату радиуса.

Отсюда следует, что с уменьшением крупности частицы ее потенциальная энергия убывает гораздо сильнее, чем поверхностная энергия. Очевидно, есть такие мелкие частицы, у которых поверхностная энергия превосходит потенциальную, – они называются седиментационно устойчивыми. При крупности частиц меньше 0,1 мкм даже применение реагентов, компенсирующих поверхностную энергию частицы, не способно осадить их. Указанное явление определяет нижнюю границу применимости отстаивания.

Применение отстаивания рационально для частиц гидравлической крупностью не ниже 0,2-0,3 мм/с, иначе размеры отстойников могут достигнуть колоссальных размеров из-за необходимости выдержать требуемое время отстаивания. Сооружение таких аппаратов требует высоких капитальных затрат.

Флотация позволяет извлекать частицы гидравлической крупностью от 0,1-0,15 мм/с (в некоторых случаях гидравлическая крупность извлекаемых частиц ниже 0,1 мм/с) при сравнимых размерах флотационных аппаратов и отстойников.

Из-за неравномерного распределения зарядов на поверхности частицы, обусловленного нарушениями кристаллической решетки, поверхность приобретает заряд. Так, например, частицы глины имеют отрицательный заряд на поверхности. Чтобы нейтрализовать этот отрицательный поверхностный заряд, положительные ионы (называемые противоионами), которые также присутствуют в исходной воде или специально добавляются к ней, притягиваются к отрицательно заряженным коллоидным частицам, образуя вокруг них двойной электрический слой.

В электрическом поле, создаваемом заряженной поверхностью частицы, ионы с противоположным поверхности зарядом притягиваются к ней, с одноименными – отталкиваются. В то же время хаотическое тепловое движение рассеивает ионы, распределяя их равномерно по всему объему воды. Вблизи границы раздела фаз преобладает действие электрического поля поверхности, и противоионы концентрируются возле нее.

Кроме того, ионы притягиваются к поверхности силами межмолекулярного взаимодействия. По мере удаления от границы раздела фаз эти силы притяжения ослабевают, и начинает преобладать тепловое движение, избыток противоионов уменьшается и концентрация их приближается к концентрации электролита в объеме. Под влиянием этих противодействующих факторов формируется слой противоионов, суммарный заряд которого полностью компенсирует заряд твердой поверхности.

Возникновение электрических зарядов на границе частица – вода характерно, прежде всего, для золей и суспензий, дисперсная фаза которых формируется из твердых частиц, а также возможно для эмульсий (дисперсная фаза – жидкость).

Стремление гетерогенной системы к уменьшению поверхностной энергии вызывает определенное ориентирование полярных молекул, ионов и электронов в поверхностном слое, вследствие чего соприкасающиеся фазы приобретают заряды противоположного знака, но равной величины. Сконцентрированные на поверхности частицы противоионы образуют так называемые двойные электрические слои (ДЭС). Образование ДЭС происходит самопроизвольно в результате стремления системы уменьшить энергию Гиббса поверхностного слоя.

Таким образом, получается, что находящаяся в воде частичка загрязнения окружена гидратной оболочкой, препятствующей их укрупнению, что способствует нахождению частиц во взвешенном состоянии. Для активации процесса их укрупнения необходимо сжать ДЭС до таких расстояний, при которых силы притяжения между частицами будут превосходить кулоновские силы их отталкивания. Такую функцию выполняют коагулянты.

Коагулирующим действием обладает электролит, заряд которого противоположен по знаку заряду частицы загрязнений, а коагулирующая сила возрастает с увеличением заряда коагулирующего иона. Именно поэтому в практике водоочистки широкое применение нашли коагулянты на основе алюминия и железа. При взаимодействии ионов этих металлов происходит компенсация заряда частицы в большей степени, чем это обеспечивается противоионами дисперсной среды – система переходит в более выгодное энергетическое состояние. Сжатый ДЭС способствует механизму слипания частиц, так как при их сближении силы взаимного притяжения начинают преобладать над силами отталкивания.

Таким образом, при адсорбции коагулянта на поверхности частицы происходит ее гидрофобизация.

В свою очередь поверхность пузырька воздуха также окружена гидратным слоем, однако, за счет особого расположения молекул воды (так называемое антипараллельное расположение молекул), поверхность имеет также гидрофобные свойства.

Указанное обстоятельство обеспечивает адсорбцию частиц загрязнений на поверхности воздушного пузырька, так как в таком случае происходит уменьшение суммарной энергии их поверхностей. Пузырьки воздуха с прикрепленными к ним частицами загрязнений всплывают на поверхность воды, образуя пену, которая затем отводится из рабочей зоны аппарата.

Флокуляция состоит в агломерировании частиц (предварительно лишенных заряда) с образованием микрофлокул путем их «сшивания» гидроксильными мостиками, образующимися в результате гидролиза неорганических коагулянтов, либо макромолекулами катионных полиэлектролитов. Микрофлокулы объединяются затем в более крупные флокулы, поддающиеся флотации (или отстаиванию).

Вот так кратко можно описать суть процесса флотации. Конечно, механизм флотации намного сложнее и запутаннее, и здесь не отражена и крупица того, что известно современной науке о физико-химии поверхностных эффектов.

Итак, поднимемся из глубин сточных вод на поверхность и подведем предварительный итог написанному. Отметим условия, без которых невозможен процесс флотации:

• наличие мелкодисперсных загрязнений;
• наличие реагентов, гидрофобизирующих поверхность частицы, и наличие оптимальных физико-химических условий их работы;
• наличие воздушной фазы с высокой удельной поверхностью (мелкодисперсные пузырьки воздуха).

Для отделения флокул целесообразно использовать микропузырьки, поскольку пузырек диаметром 1,2 мм заключает в себе в 8000 раз больше воздуха, чем микропузырек размером 60 мкм. Из этого следует:

• если при необходимости получения равномерного распределения пузырьков по всему сечению аппарата будут использоваться пузырьки диаметром несколько миллиметров, то это потребует гораздо большего расхода воздуха, чем в случае микропузырьков, при этом большое количество воздуха приведет к возникновению турбулентных течений, обладающих весьма значительным возмущающим действием;
• увеличение концентрации пузырьков повышает вероятность встречи частиц с пузырьками. Кроме того, невысокая восходящая скорость микропузырьков в массе жидкости обеспечивает более надежное их прилипание к столь хрупким частицам, какими являются флокулы;
• сцепление пузырьков значительно облегчается, если их диаметр заметно меньше диаметра взвешенной флокулы.

В тех случаях, когда целью обработки является увеличение скорости естественной флотации и удержание на поверхности воды образовавшейся пены, для отделения крупных, рыхлых, более легких, чем вода, частиц, обладающих гидрофобностью, можно использовать пузырьки больших размеров. Именно это имеет место при отделении, например, жиров.

Далее рассмотрим основные типы флотационных аппаратов.

В зависимости от способов получения газовой фазы различают следующие типы флотации:

• с выделением пузырьков воздуха из объема очищаемой воды – напорная, вакуумная;
• с механическим диспергированием воздуха – импеллерные (от англ. impel – вынуждать), безнапорные, пневматические;
• с подачей воздуха через пористые материалы;
• электрофлотация;
• химическая флотация;
• биологическая флотация.

Рассмотрим самые распространенные способы получения газовой фазы: напорный и импеллерный.

Флотация с выделением пузырьков воздуха из объема очищаемой воды наиболее широко распространена в практике водоочистки. Благодаря тому, что данный тип флотации позволяет получить самые мелкие пузырьки воздуха (до сотых долей миллиметров), достигается возможность извлечения мелкодисперсных загрязнений.

Напорная флотация является одним из самых распространенных методов очистки. Сущность ее заключается в насыщении воздухом объема воды при высоком давлении и последующем выделении пузырьков воздуха в объеме очищаемой воды в камере флотатора при атмосферном давлении.

Для приготовления водо-воздушной смеси в сатуратор подается либо часть уже очищенного стока, либо часть исходной воды. Количество воды, насыщаемой воздухом, может варьироваться в пределах 30-50 % от расхода очищаемой воды, а в случаях высококонцентрированных сред (до нескольких граммов в литре), как, например, во флотационных илоуплотнителях, – свыше 100 % от расхода очищаемой воды.

Преимущества метода напорной флотации заключаются в стабильном получении мелкодисперсных пузырьков воздуха (газа) практически одной крупности и, следовательно, эффективном извлечении мелкодисперсных загрязнений.

К недостаткам напорной флотации следует отнести высокие затраты электроэнергии на приготовление водо-воздушной смеси; наличие, как правило, дополнительного аппарата – сатуратора (имеются решения, когда приготовление водо-воздушной смеси производится только с помощью эжектора).

Импеллерная флотация в последнее время становится распространенным методом очистки воды. Основным элементом флотаторов данного типа является импеллерный диспергатор, включающий статор и ротор. В одной из применяемых конструкций статор выполнен из цилиндрической трубы с отверстиями в нижней части, а внутри него вращается ротор в виде мешалки с вертикальными лопастями. Вращение импеллера создает разрежение внутри статора, благодаря чему образуется вакуумная воронка, в которую производится подсос воздуха из объема над поверхностью воды во флотационной камере, куда помещен диспергатор. Вовлекаемый из атмосферы воздух разбивается на мелкие пузырьки лопатками импеллера и выносится через отверстия в объем очищаемой воды.

Преимущества данного метода заключаются в высоком насыщении очищаемой воды воздухом, простоте конструкции (особо важно при реконструкции очистных сооружений – в импеллерный флотатор легко может быть переоборудовано любое емкостное сооружение при дополнении его диспергаторами).

Недостатки заключаются в высокой зависимости дисперсности получаемой воздушной смеси от поверхностного натяжения воды, поэтому возможно получение пузырьков воздуха разной дисперсности, в т.ч. больших размеров, что отрицательно сказывается на эффекте выделения мелкодисперсных загрязнений.

Экология М предлагает два типа флотаторов для очистки сточных вод, а также водоподготовки: импеллерные и напорные.

В импеллерных флотаторах создание водо-воздушной смеси достигается за счет всасывания и дробления воздуха при вращении специального устройства, называемого диспергатором, погруженного под уровень воды.

В напорных флотаторах создание водо-воздушной смеси происходит внутри специального напорного бака, куда подаются под давлением вода и воздух.

Флотаторы Экология М рассчитаны для удаления мелкодисперсных загрязнений с крупностью от 0,15-0,2 мм/с и содержанием до 1000 мг/л. Высокие показатели эффективности очистки (до 95 % по взвешенным веществам и нефтепродуктам) и компактная конструкция корпуса достигаются за счет применения тонкослойных модулей в зоне отстаивания.

Удаление флотошлама производится самотеком за счет расположения аппарата над уровнем земли, удаление осадка производится под гидростатическим напором воды.

Процесс приготовления водо-воздушной смеси происходит в автоматическом режиме.

Начальник технологического отдела

Экология М

М.А. Королев