1.4.5. Флотация

Флотация – процесс прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев [1].

Процесс очистки сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы, методом флотации заключается в образовании комплексов «частицы-пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.

Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность 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. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более 60-65 мН/м. Степень смачиваемости водой твердых или газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла Θ. (рис. 1.15, 1.16).

Рис. 1.15. Условия смачиваемости и несмачиваемости твердых частиц

Чем больше этот угол, тем более гидрофобна поверхность частицы, то есть увеличивается вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются. Большое значение при флотации имеет размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков – 15-30 мкм, а максимальные – 100-200 мкм.

Также используются и другие методы очистки жидкостей и газов: промывные или мокрые способы очистки газов, абсорбционные, адсорбционные, экстракционные, каталитические, электростатические и т.д.

Рис. 1.16. Схема прилипания пузырька воздуха (1) к взвешенной

в воде частице (2)

1.5. Химические и биохимические процессы, протекающие при очистке вод

1.5.1. Химические процессы

В основе ряда природоохранных технологий лежат химические превращения. Большое значение в химических процессах имеет скорость протекания реакции. Основные факторы, влияющие на нее, – это концентрация реагирующих веществ, температура, наличие катализатора.

Увеличение концентрации взаимодействующих веществ – один из самых распространенных приемов интенсификации химического процесса. Зависимость скорости химических реакций от концентрации определяется законом действия масс. Согласно этому закону скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, стоящему перед формулой вещества в уравнении реакции:

v= K C_aⁿC_b^m, (1.56)

где К – константа скорости реакции; C_a и C_b - концентрации веществ а и b, участвующих в химической реакции; n и m – стехиометрические коэффициенты.

Константа скорости реакции численно равна скорости реакции при концентрации реагирующих веществ, равной единице. Она зависит от природы реагирующих веществ, температуры, наличия катализаторов и не зависит от концентрации этих веществ. Для определения этих констант выведены соответствующие формулы, основанные на экспериментальных данных.

Влияние температуры. Известно, что с повышением температуры скорость реакции возрастает, что связано с увеличением константы скорости реакции. Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на 10^оС увеличивает скорость реакции в 2-4 раза. Это правило является приблизительным и применимо к реакциям, протекающим в интервале температур от 0 до 300^оС.

Более точно влияние температуры на скорость химических реакций выражается соотношением, полученным экспериментальным путем:

(1.57)

где b и a – постоянные для данной реакции, Т – температура, К.

Характер влияния температуры и концентрации реагирующих веществ на скорость протекания химических реакций можно объяснить теорией активных столкновений. Молекулы, обладающие определенной энергией, избыточной по сравнению со средней, способной разорвать химические связи, называются активными. Избыточная энергия при этом называется энергией активации и зависит от природы вступающих в реакцию веществ. При повышении температуры количество активных молекул увеличивается, число столкновений между ними возрастает, в результате чего растет скорость реакции. С увеличением концентрации реагирующих веществ общее число столкновений, в том числе эффективных, также возрастет, в результате увеличивается скорость реакции.

Влияние катализаторов. Катализатор – это вещество, которое, фактически не вступая в химическую реакцию, резко изменяет ее скорость. В присутствии катализатора реакции ускоряются в тысячи раз, могут протекать при более низких температурах, что экономически выгодно.

Неорганическими катализаторами преимущественно служат металлы в чистом виде (никель, кобальт, железо, платина), в виде оксидов или солей (оксиды ванадия, алюминия, соединения железа, магния, кальция, меди и т.п.). Неорганические катализаторы термостабильны, и реакции с ними протекают при сравнительно высоких температурах.

К катализаторам также относятся витамины, ускоряющие химические процессы в тысячи – десятки тысяч раз, а также ферменты, ускоряющие эти процессы в миллионы раз.