Флотация. Физико-химическая природа флотации. Устройство и принцип действия флотаторов

Ф - процесс молекулярного прилипания флотируемого материала и поверхности раздела 2~х фаз, обычно газа (воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Процесс очистки ПСВ, содержащих ПВА, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы методом Ф. заключается в образование комп­лексов "частицы-пузырьки", 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 частиц жидкостью. Основную роль в процессе Ф. примесей играют по­верхностные силы, ван--дер-вальсовые силы притяжения, электричес­кие силы, возникающие при перекрытии двойных электрическим слоев, образующихся вокруг частички в водном растворе, и силы гидратации любых гидрофильных групп,на поверхности частиц., Действие этих 3-х сил определяют смачиваемость или несмачиваемость частицы водой. Мерой смачиваемости твердого тела жидкостью является крае­вой угол смачивания, измеряемый обычно со стороны воды.

Полное смачивание водой будет при Q = 0° и полное прилипание к воздуху т.е. несмачивание водой) при Q = 18О°. Однако вещества краевой угол смачивания водой превышал бы 150° (твердый парафин) неизвестны; количество же веществ, у которых Q ~ О°, очень вели­ко.

Смачиваемость твердой частицы водой, как вы знаете, опреде­ляется степенью ее гидрофобности. Чем более гидрофобно вещество, тем меньше его смачиваемость и лучше флотируемость. Изменение смачиваемости флотируемых частиц достигается адсорбцией на их по­верхности ПАВ, в результате которой полярной группы ПАВ прикреп­ляются к частице, а гидрофобные цепи обращаются в объем раствора. Т.о при введении небольших количеств ПАВ флотируемость увеличива­ется до тех пор, пока их концентрация не вызовет заметное пониже­ние величины поверхностного натяжения водной среды из ко­торой происходит флотация. По воздействию на процесс Флотации ПАВ обычно разделяют на 2 категории: коллекторы и пенообразователи. Коллекторы, в основном изменяют смачиваемость частиц, а пенообра­зователи адсорбируются, как правило, на границе водная среда-газ и стабилизируют пленку, образующуюся между приближающимися друг к другу пузырьками, препятствуя их коалесценции. Избыток пенообразователя всегда несколько понижается σ, и следовательно, вероятность прилипания частиц к пузырьку.

В практике очистки ПСВ выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы флотации, метод пенной флотации применяют для извлечения нерастворимый и частичного снижения концентрации некоторый растворимых веществ, метод пенной сепарации для удале­ния растворимых веществ.

Принципиальные отличия способов Ф. связаны с насыщением жид­кости пузырьками воздуха определенного размера. По этому принципу можно выделить следующие способы Ф. ПСВ.

1) Ф. с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные и установки).

2) Ф. с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, безноморные).

3) Ф. с подачей воздуха через пористые материалы.

Флотация с выделением воздуха из раствора и с подачей воздуха через, пористые материалы.

Ф. с выделением воздуха из раствора применяется при очистки ПСВ, содержащих очень мелкие частицы. Загрязнений, поскольку поз­воляет получать самые мелкие•пузырьки воздуха. Сущность его зак­лючается в создании перенасыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого раствора воздух образует пузырь­ки, которые и Флотируют содержащие в СВ загрязнения. Количество воздуха которое должно выделиться из пересыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность Флотации, обычно составляет 1-1,5 % объема обрабатываемой сточной воды.

Преимущество вакуумной Флотации является то что образование пузырьков газа, их слипание с частицами загрязнений и всплывание образовавшихся агрегатов "пузырек-частица" происходит в спокойной среде и вероятность их разрушения сводится к минимуму: мало электрозатрат.

В то же время этот метод требует сложного оборудования, ог­раничен диапазон загрязнений < 25О мл\л.

РИС.2 Вакуумная флотация.

1. Подача сточной воды; 2.аэротор: 3.деаэратор: А.Флотацион­ная камера: 5.механизм сгребания пены: 6. пеносборник: 7.8. отвод пены (7) и обработанной СВ (в).

Сточная жидкость, поступающая на Ф. предварительно насыщается воздухом 1-2 мин, в аэрационной камере, откуда она поступает вдеаэратор для удаления нерастворившегося воздуха. Далее под дейс­твием разрешения (О,О2 - 0,ОЗ мПа) СВ поступают во флотационную ка­меру, в которой растворившийся при атмосферном давлении воздух выделяется в виде микропузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный спой. СВ во Флотационной камере находится 2O мин., а наг­рузка на 1м² площади поверхности - 200 м³/сут.

Скапливающаяся пена вращающимися скребками удаляется в пе­носборник. Для отвода обработанной сточной воды обеспечивается необходимая разность отметок уровней во Ф. камере и приемном резервуаре или устанавливаются насосы.

Напорная; Флотация имеет более широкий диапазон.

РИС.2 Напорная Флотация.

1. подача СВ: 2.Флотационная камера: 3.механизм сгребания пены: 4. пеносборник: 5. отвод пены: 6. отвод ОСВ: 7. подача воздуха: 8. насос: 9.напорный бак (сатуратор).

При напорной Флотации СВ насосом подаются в напорный бак (сатуратор). На всасывающем трубопроводе насоса имеется патрубок для подсоса воздуха. Объем сатуратора рассчитывают на необходимую продолжительность насыщения воздухом (1—З мин.) при избыточном давлении О,3~О,5 мПа. Количество растворяющегося в сатураторе воздуха должна составлять 3-5% объема обрабатываемой сточной во­ды. Насыщаемая воздухом вода из сатуратора подается во флотацион­ную камеру, где выделившиеся из СВ пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами взвешенных веществ. Всплывающая масса непре­рывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборники. Продолжительность флотации - 10 мин. При обработке СВ с расходом, более 1ОО м³\ч используют радиальные флотаторы глубиной - 3 м. СВ —насыщенные воздухом, поступают во Флотатор снизу через вращаю­щийся водораспределитель. Выделившиеся из воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами загрязнений. Вращающимся механизмом пена сгребается в потоке и удаляется. Обработанная вода отводится с днища и по вертикальным каналам переливается в отводящий, коль­цевой паток.

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы отмечается простотой аппаратурного оформления и малыми расходами энергии. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые фильтратные пластины, трубы, посадки, уложенные на дне каперы. Величина отверстий 4-20 мкм., давление воздуха О,1—О,2 мПа, продолжительность Ф. 20 – 30 мин. Рабочий уровень обрабатываемой СВ 1,5~2 м. Недостаток - зарастания и засорения пор.

Флотация с механическим деспергированием воздуха, электрофлотация.

При перемещении струи воздуха в воде в последней создается интенсивное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя
распадается на отдельные пузырьки. Энергичное перемешивание СВ во фло­тационных импеллерных установках создает в ней большое число мелких
вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величи­ны.

РИС. 3. Двухкамерная прямоточная флотационная установка.

1) Отстойники, 2) Флотационная камера, 3) вал импеллера, 4) воздушная трубка, 5) электродвигатель, 6) пеносниматель, 7)от­верстие в статоре для внутренней циркуляции воды, 8) статор, 9) импеллер, 10) приемный карман, 11) выпускной карман.

СВ из приемного кармана поступает и импеллеру, в который по трубке засасывается воздух. Нам импеллером расположен статор ввиде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Переме­шанные в импеллере вода и возник выбрасываются через статор, решетки, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому диспергированию воздуха в воде. Пена содержащая флотируемые час­тицы удаляется лопастными пеноснимателем. Из первой камеры вода поступает во вторую такой же конструкции где происходит дополни­тельная очистка сточной воды. Диспергирование воздуха в безнапорных установках происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробежного насоса. Схема Ф. аналогична напор­ной, но в ней отсутствует сатуратор, что и является преимуществом без напорной флотации. Образующиеся в камере пузырьки имеют боль­шую крупность, и эффект флотации мелких частиц снижается. Приме­няют для очистки СВ от жира и шерсти.

При электрофлотации поступающую СВ содержащую взвешенные частицы, вводят в относительной мелкий резервуар и заполняют его на половину. На дне резервуара находится отводящий канал для во­ды, и электроды и ковшовый скребок для удаления твердых сме­сей с поверхности резервуара, рассмотрим две типичные схемы:

Электорофлотационные установки.

а) с прямым потоком

б) с противотоком
1) электроды

2) отвод очищенной воды

3) отвой осадка

По схеме а) вода поступает в нижнюю часть Флотационной каме­ры, проходит между электродами и отводится из середины камеры. В схеме б) неочищенная жидкость движется сверху вниз навстречу всплывающим пузырькам газа, которые поднимаются вверх, захватывая взвешенные частицы и образуют взвешенный слой по всей площади резервуара. Продолжительность пребывания воды в электрофлотаторе, плотность тока и количество взвешенных частиц является взаимосвязанными величинами.

Глубина резервуара для электрофлотации - 1м., поскольку при больших глубинах скорость всплывающая уменьшается, длина резерву­ара увеличивается - увеличению высоты, которую должны пройти час­тицы. При применении растворимых электродов (Fe,Аl) на аноде про­исходит анодное растворение металла, в результате в воду перехо­дят Fe+, А1+, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Од­новременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в межэлектродном пространстве создает предпосылки для надежного зак­репления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффективность флотационного процес­са. Такие установки называют злектрокоагуляционно-флотационными.