Флотация

Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Метод флотации применяется для удаления из сточных вод эмульгированных и суспендированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются (нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы), а также для удаления растворенных веществ (ПАВ) и ионов. Процесс очистки от ПАВ называют пенной сепарацией или пенным концентрированием.

Флотацию применяют для очистки сточных вод многих производств: нефтеперерабатывающих, целлюлозно-бумажных, машиностроительных, пищевых, химических. Она используется также для выделения активного ила после биохимической очистки

Флотационный метод выделения грубодисперсных частиц (от 4,5–3 мм до 10^–4 мм) из суспензий основан на способности последних при определенных условиях закрепляться на границе раздела фаз жидкость–газ.

Суть данного метода очистки сточных вод от грубо- и мелкодисперсных частиц флотацией заключается в образовании комплексов «пузырек воздуха–частица», всплывании этих комплексов на поверхность и удалении образовавшегося пенного слоя.

Прилипание частицы, находящейся в воде, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.

При использовании для очистки загрязненных вод методом флотации в очищаемую воду подается воздух. Для осуществления процесса флотации используют несколько способов диспергирования воздуха в воде:

• компрессионный – воздух в воде предварительно растворяется под давлением – напорная флотация;

• вакуумный метод – выделение мелкодисперсных пузырьков воздуха из воды в результате снижения давления – вакуумная флотация;

• механический – воздух подсасывается в воду при интенсивном ее перемешивании с последующим диспергированием лопастями мешалки – импеллерная флотация;

• подача воздуха через пористые материалы;

• электрический способ – насыщение воды пузырьками газа, достигаемое электролизом воды – электрофлотация;

• химический – химическая флотация. При введении в сточную воду некоторых веществ для ее обработки могут протекать химические процессы с выделением газов (О₂, СО₂, Cl₂ и др.). Такой процесс, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введением коагулянтов.

Механизм флотации заключается в следующем:

• частица загрязнителя сближается с поднимающимся на поверхность пузырьком воздуха;

• разделяющая частицу и пузырек прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частицей. Прочность образовавшегося комплекса пузырек–частица зависит от размеров частиц и пузырьков воздуха, физико-химических свойств частиц и жидкости (гидрофобность поверхности частиц, их плотность и т.д.), гидродинамических условий и т.д;

• комплекс пузырек–частица поднимается на поверхность воды;

• на поверхности пузырьки собираются и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.

Устойчивость пенного слоя является важным показателем:

• недостаточная устойчивость пены не дает возможности своевременно удалить загрязнения с поверхности жидкости;

• чрезмерная устойчивость пены затрудняет ее дальнейшую обработку.

Эффективность флотации увеличивается:

• при увеличении слоя жидкости;

• при увеличении числа пузырьков;

• при повышении температуры.

Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности: с возрастанием полярности способность жидкости смачивать твердые тела уменьшается. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина поверхностного натяжения ее на границе с газовой фазой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз.

Вероятность прилипания к пузырьку воздуха зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла θ.

Теоретически величина краевого угла может изменяться в широких пределах от 0, что соответствует случаю полной гидрофильности (смачиваемости) поверхности частицы, до 180º, что соответствует полной гидрофобности (несмачиваемости) поверхности частицы. Частицы, для которых величина краевого угла  меньше 90º, принято называть гидрофильными, а частицы, для которых величина краевого угла  больше 90º – гидрофобными. Таким образом, величина краевого угла  является мерой гидрофильности (гидрофобности) поверхности флотируемой частицы.

а б

Краевой угол смачивания между жидкостью и твердым телом:

а)   90º; б)   90º

Для уменьшения смачиваемости в воду вводят поверхностно-активные вещества – реагенты-собиратели. В качестве реагентов-собирателей используют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, алкилсульфаты, амины и др.

Молекулы собирателей, используемые в процессах флотации, состоят из двух частей (имеют так называемое дифильное строение):

• гидрофобной (углеводородный радикал);

• гидрофильной (полярная группа с противоионом).

При создании искусственной флотируемости с помощью этих частиц используют их свойство определенным образом ориентироваться на поверхности частиц дисперсной фазы. Если гидрофобная часть молекулы собирателя выталкивается из объема раствора в газовую фазу, то гидрофильная часть, наоборот, ориентирована на границе раздела «газ–жидкость» в фазу раствора.

Благодаря наличию гидрофобной (неполярной) группы собиратели стремятся концентрироваться на поверхности раздела фаз и при этом снижают поверхностное натяжение, проявляя поверхностную активность.

В соответствии со знаком заряда гидрофобизирующего длинноцепочного иона ионогенные собиратели делятся на катионные и анионные. Ниже приведены примеры катионоактивных и анионоактивных собирателей.

Анионоактивные собиратели
Карбоксилат	R–COO–
Сульфонат	R–SO3–
Сульфат	R–O–SO3–
Бензосульфонат	R–C6H5–SO3–
α-сульфокарбоксилат	R–CHSO3––COOH
Катионоактивные собиратели
Однозамещенный аммоний	R–NH3+
Двузамещенный аммоний	R1R2–NH2+
Трехзамещенный аммоний	R1R2R3–NH+
Четырехзамещенный аммоний	R1R2R3R4–N+
Пиридиний	R–C5H5–N+

Основными факторами, влияющими на эффективность флотационного выделения веществ, являются:

• природа загрязнителя;

• величина рН среды;

• температура;

• скорость продувания воздуха и механизм генерирования (образования) подвижной границы раздела газ-жидкость;

• концентрация и природа собирателя;

• концентрация электролитов и органических примесей.

Достоинства флотации:

• непрерывность процесса;

• широкий диапазон применения;

• небольшие капитальные и эксплуатационные затраты;

• простота аппаратурного оформления;

• селективность выделения примесей;

• возможность рекуперации удаляемых веществ;

• высокая степень очистки (95–98%).

Кроме того, флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ и легкоокисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов.