2. Флотация

   1. Физико-химические основы и способы флотации

Флотация - это процесс, основанный на молекулярном слипании коллоидных и дисперсных примесей с пузырьками воздуха, всплыва- нии комплекса пузырек-частица на поверхность воды с образованием пены. При этом происходит концентрирование частиц в образовав- шемся пенном слое, затем пена удаляется с поверхности воды.

Флотационные установки используются для удаления из сточных вод масел, нефтепродуктов, смол, гидроксидов, ПАВ, полимеров, во- локнистых материалов, разделения иловых смесей и др. Флотацию применяют для очистки сточных вод многих производств: нефтепере-

рабатывающих, искусственного во- локна, целлюлозно-бумажных, ма- шиностроительных, пищевых, коже- венных, химических.

Эффект прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая ха- рактеризуется величиной краевого угла  (рис.14.2). Чем больше крае-

Рис. 14.2. Схема прилипания пузырька воздуха к взвешенной частице

вой угол смачивания, тем более гид- рофобна поверхность частицы, тем больше вероятность прилипания и прочность удержания пузырька воз- духа на ее поверхности. Внешним

проявлением способности жидкости к смачиваемости является величи- на поверхностного натяжения ее на границе с газовой фазой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс фло- тации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более 60-65 мН/м.

Интенсификация процесса флотации достигается гидрофобизаци- ей поверхности дисперсных примесей реагентами, которые избира- тельно сорбируясь на поверхности частичек, понижают их смачивае- мость, в результате чего улучшается прилипание частичек примесей к пузырькам воздуха. В качестве таких реагентов используют коагулян- ты, флокулянты, для создания оптимальной рН среды применяют из- весть, кислоты, едкий натр.

Флотируемость частиц различной крупности зависит от размеров и количества пузырьков воздуха (лучший эффект достигается при вы- сокой степени насыщения воды пузырьками), поверхностного натяже- ния воды, присутствия в воде примесей ПАВ, электролитов и др.

Достоинствами флотации является непрерывность процесса, ши- рокий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатаци- онные затраты, высокая степень очистки (95-98 %), большая скорость процесса по сравнению с отстаиванием, возможность рекуперации удаляемых веществ.

В зависимости от метода насыщения воды пузырьками воздуха, а, следовательно, от их размеров различают следующие способы флота- ционной обработки сточных вод:

1. флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумная, на- порная, эрлифтная);

2. флотация с механическим диспергированием воздуха (импел-

лерная, безнапорная, пневматическая);

3. флотация с подачей воздуха через пористые материалы или перфорированные элементы (барботажная);

4. электрофлотация;

5. биологическая и химическая флотация.

2. Флотационные установки

Флотационные установки могут состоять из одного или двух от- делений (камер). В однокамерных установках в одном и том же отде- лении происходит одновременно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флотирующихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемного и отстойного отделения, в первом происходит образование пузырьков воздуха и агрегатов пузырек- частица, а во втором - всплывание шлама (пены) и осветление жидко- сти.

Наиболее широко в процессах очистки сточных вод используется напорная флотация. Она позволяет очищать сточные воды с концен- трацией взвесей до 4-5 г/л. Для увеличения степени очистки в воду до- бавляют коагулянты. Установки напорной флотации просты и надежны в эксплуатации. Принципиальная схема напорной флотации приведена на рис.14.3.

Установка для напорной флотации включает резервуар сточной

Рис. 14.3. Схема напорной флотации

1 - емкость; 2 - насос; 3 - сатуратор; 4 - флотатор

воды, насосы, эжекторы или компрессоры, напорный резервуар для на- сыщения воды воздухом (сатуратор), флотационную камеру и обору- дование для сбора и удаления пены с загрязнениями.

Из резервуара вода перекачивается насосом, во всасывающий трубопровод которого засасывается воздух. Образующаяся водо- воздушная смесь направляется в напорную емкость, где при повышен- ном давлении (0,15-0,4 МПа) воздух растворяется в воде. При поступ- лении водо-воздушного раствора во флотатор, который работает при атмосферном давлении, воздух выделяется в виде пузырьков и флоти- рует взвешенные частицы. Таким образом, образование пузырьков газа происходит вследствие уменьшения растворимости воздуха в воде при снижении давления. Количество растворяющегося в сатураторе возду- ха должно составлять 1,5-5 % объема обрабатываемой сточной воды. Рассмотренная схема является прямоточной.

Имеются и другие схемы напорной флотации: с рециркуляцией, когда в сатуратор подается 20-50 % очищенной воды; с частично пря- моточной схемой, когда в сатуратор направляется 30-70 % неочищен- ной воды, а остальная часть - сразу же во флотатор; с рабочей жидко- стью (рис.14.4).

Рис. 14.4. Схемы подачи воды при напорной флотации:

а - с рециркуляцией; б - с частично прямоточной схемой; в - с рабочей жидкостью

1 - приемное отделение; 2 - флотатор; 3 - линия всасывания; 4 - насос; 5 - напор- ный бак

Флотаторы представляют собой отстойники радиального типа с встроенной флотационной камерой глубиной не менее 3 м, имеющей механизм для сгребания пены. Могут быть прямоугольные многока- мерные флотаторы, их глубина 1-1,5 м. Первые применяются при рас- ходе воды более 100 м³/ч, вторые - до 100 м³/ч.

Продолжительность пребывания воды во флотационной камере при напорной флотации составляет от 5-7 до 20 мин.

Напорная флотация применяется для очистки сточных вод от нефти, нефтепродуктов, жиров, масел, ПАВ и волокнистых веществ.

При вакуумной флотации сточную воду предварительно насы- щают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом под- держивается разряжение.

При эрлифтной флотации затраты энергии в 2-4 раза меньше, чем при напорной, но конструкция установки требует значительного пере- пада отметок по высоте между питательным резервуаром со сточной водой, аэратором и флотационной камерой (до 20-30 м), что значи- тельно сужает область применения этого метода (рис.14.5).

Флотация с механическим диспергированием воздуха осуществ- ляется импеллерами - турбинками насосного типа. При вращении им- пеллера в жидкости возникает большое число мелких вихревых пото-

ков, которые разбиваются на пузырьки определенной ве- личины. Такие установки применяют для очистки сточных вод, с высоким со- держанием взвешенных час- тиц (более 2 г/л). Эффектив- ность очистки импеллерной флотацией зависит от скоро- сти враще-ния импеллера. Схема флотационной маши-

Рис. 14.5. Схема эрлифтной

флотационной установки

1- емкость; 2 - трубопровод; 3 - аэратор; 4 - труба эрлифта; 5 - флотатор

ны с импеллером показана на рис.14.6.

Сточная вода поступает в приемный карман флотаци-

онной машины и по трубопроводу попадает в импеллер, который вра- щается на нижнем конце вала. Вал заключен в трубку, через которую засасывается воздух, так как при вращении импеллера образуется зона пониженного давления. Обычно флотационная машина состоит из не- скольких последовательно соединенных камер. Скорость вращения импеллера 12-15 м/с, диаметр импеллера 600-700 мм.

269

При пневматической флотации измельчение пу- зырьков воздуха достигается путем впуска воздуха во фло- тационную камеру через спе- циальные сопла на возду-

Рис.14.6. Импеллерный флотатор

1 - камера; 2 - труба; 3 - вал; 4 - импеллер

хораспределительных труб-ках, укладываемых на дно флотационной камеры. Такие установки применяются при очистке сточных вод, со- дер-жащих растворенные при-меси, агрессивные по отношению к ме- ханизмам, имеющим движущиеся части (насосы, импеллеры).

Диспергирование воздуха в безнапорных установках происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробеж- ного насоса. Схема флотации аналогична напорной, но в ней отсутст- вует сатуратор, что и является преимуществом безнапорной флотации.

Флотация воздуха через пористые материалы (барботажная) от- личается простотой аппаратурного оформления процесса и относи- тельно малыми расходами энергии. Однако происходит частое зарас- тание и засорение отверстий пористого материала, а также имеются трудности в подборе материала с одинаковыми отверстиями пор, обес- печивающими образование мелких и равных по размерам пузырьков.

Химическая флотация заключается во введении в сточную воду химических реагентов, которые выделяют пузырьки газа: О₂, СО₂, Cl₂ и др. Пузырьки этих газов при некоторых условиях могут прилипать к нерастворимым взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое явление, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введением коагулянтов.

Биологическая флотация применяется для уплотнения осадка из первичных отстойников. При этом осадок подогревается паром в спе- циальной емкости до 35-55 ^оС и при этих условиях выдерживается не- сколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяют- ся пузырьки газа, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвоживаются. Таким путем за 5-6 суток влаж- ность осадка можно понизить до 80 % и тем самым упростить его дальнейшую обработку.

Ионной флотацией извлекают из воды ионы. В сточную воду вво- дят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо из вышеописанных способов, и собиратель (поверхностно-активное вещество, которое сорбируясь на частицах, понижает их смачиваемость, т.е. делает гид- рофобными). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противоположный заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и за- грязнений концентрируются на поверхности газовых пузырьков и вы- носятся ими в пену. Этот процесс можно использовать для удаления из сточных вод таких металлов, как Mo, W, V, Pt, Re и др.

Для удаления из воды ПАВ используют пенную сепарацию или пенное фракционирование, основанные на селективной адсорбции од- ного или нескольких растворенных веществ на поверхности газовых пузырьков, которые поднимаются наверх. Образовавшаяся пена обо-

гащается адсорбированным веществом, что и обеспечивает фракцио- нирование компонентов раствора. Процесс аналогичен адсорбции на твердых сорбентах. При пенной сепарации одновременно с ПАВ про- исходит удаление из воды суспендированных или эмульгированных частиц, а также частично растворенных веществ. Для барботажа чаще применяют мелкопористые аэраторы.