3.Флотація

Флотацію застосовують для видалення зі стічних вод нерозчинних дисперсних домішок, що самовільно погано відстоюються. У деяких випадках флотацію використовують й для видалення розчинених речо­вин, наприклад ПАВ. Такий процес називають пінною сепарацією або пінним концентруванням. Флотацію застосовують для очищення стіч­них вод багатьох виробництв: нафтопереробних, штучного волокна, целюлозно-паперових, шкіряних, машинобудівних, харчових, хімічних. Її використовують також для виділення активного мулу після біо­хімічної очистки.

Переваги флотації: безперервність процесу, широкий діапазон засто­сування, невеликі капітальні й експлуатаційні витрати, проста апа­ратура, селективність виділення домішок, у порівнянні з відстоюванням велика швидкість процесу, а також можливість одержання шламу більш низької вологості (90-95 %), високий ступінь очищення (95-98 %), можливість рекуперації речовин, які видаляються. Флотація супро­воджується аерацією стічних вод, зниженням концентрації ПАВ і речо­вин, які легко окислюються, бактерій і мікроорганізмів. Усе це сприяє успішному проведенню наступних стадій очищення стічних вод.

Елементарний акт флотації полягає в наступному: при зближенні пухирця повітря, який піднімається у воді, із твердою гідрофобною частинкою прошарок води, який їх розділяє, при деякій критичній товщині проривається і відбувається злипання пухирця з частинкою. Потім комплекс пухирець-частинка піднімається на поверхню води, де пухирці збираються і виникає пінний шар з більш високою концент­рацією частинок, ніж у вихідній стічній воді.

Флотацію застосовують для видалення зі стічних вод нерозчинних дисперсних домішок, що самовільно погано відстоюються. У деяких випадках флотацію використовують й для видалення розчинених речо­вин, наприклад ПАВ. Такий процес називають пінною сепарацією або пінним концентруванням. Флотацію застосовують для очищення стіч­них вод багатьох виробництв: нафтопереробних, штучного волокна, целюлозно-паперових, шкіряних, машинобудівних, харчових, хімічних. Її використовують також для виділення активного мулу після біо­хімічної очистки.

Переваги флотації: безперервність процесу, широкий діапазон засто­сування, невеликі капітальні й експлуатаційні витрати, проста апа­ратура, селективність виділення домішок, у порівнянні з відстоюванням велика швидкість процесу, а також можливість одержання шламу більш низької вологості (90-95 %), високий ступінь очищення (95-98 %), можливість рекуперації речовин, які видаляються. Флотація супро­воджується аерацією стічних вод, зниженням концентрації ПАВ і речо­вин, які легко окислюються, бактерій і мікроорганізмів. Усе це сприяє успішному проведенню наступних стадій очищення стічних вод.

Елементарний акт флотації полягає в наступному: при зближенні пухирця повітря, який піднімається у воді, із твердою гідрофобною частинкою прошарок води, який їх розділяє, при деякій критичній товщині проривається і відбувається злипання пухирця з частинкою. Потім комплекс пухирець-частинка піднімається на поверхню води, де пухирці збираються і виникає пінний шар з більш високою концент­рацією частинок, ніж у вихідній стічній воді.

Можливість утворення флотаційного комплексу частка-пухирець, швидкість процесу і міцність зв’язку, тривалість існування комплексу залежать від при­роди частинок, а також від характеру взаємодії реагентів з їх поверхнею і від здатності частинок змочуватися водою.

При закріпленні пухирця утвориться трифазна периметр-лінія, що обмежує площу прилипання пухирця і є межею трьох агрегатних станів - твердого, рід­кого і газоподібного. Дотична до по­верхні пухирця в крапці трифазного периметра і поверхня твердого тіла утворять звернений у воду кут θ, названий крайовим кутом змо­чування (рис. 8.4).

Імовірність прилипання залежить від змочування частинки, що характеризується величиною крайового кута θ. Чим більший крайо­вий кут змочування, тим більша імовірність прилипання і міцність утримання пухирця на поверхні частинки. Прилипання відбувається при зіткненні пухирця з частинкою або при утворенні пухирця з роз­чину на поверхні частинки. На величину змочування поверхні пла­ваючих частинок впливають адсорбційні явища і присутність у воді домішок ПАВ електролітів тощо.

Поверхнево-активні речовини - реагенти-збирачі, адсорбуючись на частках, знижують їх змочування, тобто, роблять їх гідрофобними. Як реагенти-збирачі використовують оливи, жирні кислоти і їхні солі, меркаптани, ксантогенати, дитиокарбонати, алкилсульфати, аміни й ін. Підвищення гідрофобності частинок можна досягти і сорбцією молекул розчинених газів на їхній поверхні.

Ефект поділу флотацією залежить від розмірів і кількості пухирців повітря. За деякими даними, оптимальний розмір пухирців дорівнює 15-30 мкм. При цьому необхідний високий ступінь насичення води пухирцями, або великий газовміст. Питома витрата повітря знижується з підвищенням концентрації домішок, тому що збільшується імовір­ність зіткнення і прилипання. Велике значення має стабілізація розмірів пухирців у процесі флотації. З цією метою вводять різні піноутворю- вачі, зменшують поверхневу енергію поділу фаз. До них відносять соснову олію, крезол, феноли, алкилсульфат натрію й ін. Деякі з цих речовин мають збірні і піноутворюючі властивості.

Вага частинок не повинна перевищувати сили прилипання їх до пухирця і піднімальної сили пухирців. Розмір частинок, що добре флотуються, залежить від щільності матеріалу і дорівнює 0,2-1,5 мм.

Флотація може бути використана в поєднанні з флокуляцією. Цей процес іноді називають флотацією. При проведенні флотації пластівців після коагулювання необхідно враховувати, що імовірність прилипання пухирців газу до свіжоутворення пластівця вища, ніж до пластівців, що мають “вік” кілька годин.

Флотаційне середовище складається з води, пухирців повітря і твердих часток.

Розрізняють наступні способи флотаційної обробки стічних вод: з виділенням повітря з розчинів; з механічним дисперсіюванням повітря; з подачею повітря через пористі матеріали; електрофлотацію і хімічну флотацію.

Флотація з виділенням повітря з розчину. Цей спосіб приміняють для очищення стічних вод, що містять дуже дрібні частинки заб­руднень. Суть способу полягає в створенні перенасиченого розчину повітря в стічній рідині. При зменшенні тиску з розчину виділяються пухирці повітря, які флотують забруднення. Залежно від способу ство­рення перенасиченого розчину повітря у воді розрізняють вакуумну, напірну і ерліфтну флотацію.

При вакуумній флотації стічну воду попередньо насичують повітрям при атмосферному тиску в аераційній камері, а потім направляють у флотаційну камеру, де вакуум-насосом підтримується розрідження 29,9-39,9 кПа (225-300 мм рт.ст.). Дрібні пухирці, що виділяються в камері, виносять забруднені частинки. Процес флотації триває близько 20 хв.

Переваги нього способу:

• утворення пухирців газу і їхнє злипання з частинками відбу­ваються в спокійному середовищі (імовірність руйнування аг­регатів пухирець-частинка зведена до мінімуму);

• витрата енергії на процес мінімальна.

Недоліки:

• незначний ступінь насичення стічної води пухирцями газу, тому цей спосіб не можна застосовувати при високій концентрації плаваючих частинок (не більше 250-300 мг/л);

• необхідність виготовляти герметично закриті флотатори і роз­міщувати в них скребкові механізми.

Флотація з механічним диспергуванням повітря. Механічне диспер­гування повітря у флотаційних апаратах забезпечується турбінками помпного типу - імпеллерами, які являють собою диск із радіальними зверненими вверх лопатками. Такі установки широко використовують при збагаченні корисних копалин. Останнім часом їх почали застосо­вувати для очищення стічних вод з високим вмістом плаваючих час­тинок (більше 2 г/л). При обертанні імпеллера в рідині виникає велика кількість дрібних вихрових потоків, що розбиваються на пухирці певної величини. Ступінь здрібнювання й ефективність очищення зале­жать від швидкості обертання імпеллера. Чим більша швидкість, тим менший пухирець і тим більша ефективність процесу. Однак при висо­ких окружних швидкостях різко зростає турбулентність потоку і може відбутися руйнування пластивоводних частинок, що приведе до зни­ження ефективності процесу очищення. Схема флотаційної машини з імпеллером показана на рис. 8.5, а.

Рис. 8.5. Флотатори: а - з імпеллером: 1 - камера; 2 - труба; 3 - вал; 4 - імпеллер; б - з пористими ковпачками: 1 - камера; 2 - пористі ковпачки; 3 - жолоб; 4 - регулятор рівня; в - з фільтроносними пластинами: 1 - камера;

2 - фільтроносні пластини; 3 - шкребок; 4 - шламоприймач

Стічна вода надходить у прийомний збірник флотаційної машини і по трубопроводу потрапляє в імпеллер, що обертається на нижньому кінці вала. Вал укладений у трубку, через яку засмоктується повітря, тому що при обертанні імпеллера утвориться зона зниженого тиску. Для флотації потрібен високий ступінь насичення води повітрям (0,1-0,5 об’єму повітря на 1 об’єму води). Звичайно флотаційна машина складається з декількох послідовно з’єднаних камер. Діаметр імпеллера 600-700 мм [27].

Пневматичні установки застосовують для очищення стічних вод, що містять розчинені домішки, агресивні стосовно механізмів, в яких наявні рухомі частинки (насоси, імпеллери).

Здрібнювання пухирців повітря досягається при пропусканні його через спеціальні сопла на повітророзподільних трубках. Звичайно застосовують сопла з отворами діаметром 1,0-1,2 мм, робочий тиск перед ними 0,3-0,5 МПа. Швидкість струменя повітря на виході із сопла 100-200 м/с. Тривалість флотації в кожному випадку встанов­люють експериментально, звичайно в межах 15-20 хв складається з декількох послідовно з’єднаних камер. Діаметр імпеллера 600-700 мм [27].

Пневматичні установки застосовують для очищення стічних вод, що містять розчинені домішки, агресивні стосовно механізмів, в яких наявні рухомі частинки (насоси, імпеллери).

Здрібнювання пухирців повітря досягається при пропусканні його через спеціальні сопла на повітророзподільних трубках. Звичайно застосовують сопла з отворами діаметром 1,0-1,2 мм, робочий тиск перед ними 0,3-0,5 МПа. Швидкість струменя повітря на виході із сопла 100-200 м/с. Тривалість флотації в кожному випадку встанов­люють експериментально, звичайно в межах 15-20 хв.

Цей спосіб флотації в порівнянні з іншими має наступні переваги:

• простота конструкції флотаційної камери;

• менші витрати енергії (відсутні насоси, імпеллери).

Недоліки способу:

» Насте засмічення і заростання отворів пористого матеріалу;

• труднощі підбору матеріалу з однаковими отворами, що забез­печує утворення дрібних і рівних за розміром пухирців.

Для очищення невеликих кількостей стічних вод застосовують фло­таційні камери з пористими ковпачками (рис. 8.5, б). Стічну воду подають зверху, а повітря у вигляді пухирців - через пористі ковпачки. Піна переливається в кільцевий жолоб і видаляється з нього. Освітлену воду відводять через регулятор рівня. Установки можуть мати один або кілька ступенів.

Ефект флотації залежить від величини отворів матеріалу, тиску повітря, витрати повітря, тривалості флотації, рівня води у флотаторі. За дослідними даними, розмір отворів повинен бути від 4 до 20 мкм, тиск повітря 0,1—0,2 МПа, витрата повітря 40-70 м³/(м² • год), три­валість флотації 20-30 хв, рівень води в камері до флотації 1,5-2,0 м.

Інші способи флотації. До них належать хімічна, біологічна й іонна флотації.Хімічна флотація. При введенні в стічну воду деяких речовин для її обробки можуть протікати хімічні реакції з виділенням газів 0₂, С0₂, СІ₂ і інших.

Біологічна флотація. Цей метод застосовують для ущільнення осаду із первинних відстійників при очистці побутових стічних вод. З цією метою осад підігрівають парою в спеціальній ємності до 35-55 °С і в цих умовах витримують декілька діб. В результаті діяльності мікро­організмів виділяються пухирці газу, які виносять частинки осаду у пінний шар, де вони ущільнюються і зневоднюються. Таким шляхом за 5-6 діб вологість осаду можна понизити до 80 % і тим самим спростити подальшу обробку осадження.

Іонна флотація. Цей процес ведуть наступним чином: в стічну воду вводять повітря, розбиваючи його на пухирці яким-небудь способом, і збирач (поверхнево-активні речовини). Збирач утворює у воді іони, які мають заряд, протилежний заряду іона, що добувають [23].Цей процес можна використовувати для добування із стічних вод металів (Мо, IV, V, Рі, Се, Ке та інших). Процес ефективний при низьких концентраціях іонів, які добуваються 10^-3 - 10^-2 моль іон/л.