6.4.3. Пенная сепарация поверхностно-активных веществ

Пенное фракционирование основано на селективной адсорбции одного или нескольких растворенных веществ на поверхности газовых пузырьков, которые поднимаются вверх через раствор. Образовавшаяся пена обогащается адсорбированным веществом, что и обеспечивает парциальную сепарацию компонентов раствора. Этот процесс используется для удаления ПАВ из сточной воды; он аналогичен процессу адсорбции на твердых сорбентах. Адсорбция органических веществ на поверхности раздела фаз «газ-жидкость» связана с изменением поверхностного натяжения σ и избыточной поверхностной концентрацией:

dσ = Г_i^.dM_i, (6.38)

где dσ - изменение поверхностного натяжения ; Г_i - избыточная концентрация веществ на поверхности; M_i = R^.T^.ln a_i – химический потенциал i-ой составляющей; R - газовая постоянная; T - температура; a_i - термодинамическая активность.

При больших разбавлениях раствора a_i = C_i (где C_i - концентрация растворенного вещества). С учетом этого коэффициент распределения равен

Г_i/C_i = (-1/R^.T)( dσ/dC_i) = K_i, (6.39)

где Г_i/C_i = K_i – отношение концентраций в двух фазах, которое является коэффициентом распределения K_i.

В случае разбавленных растворов dσ/dC_i очень незначительно зависит от концентрации и K_i для данной системы растворителя и растворенного вещества является практически постоянной.

Повышение скорости воздуха при флотации приводит к увеличению частоты образования пузырьков и росту объема пены, что влечет рост поверхности раздела фаз и количества адсорбированного на ней ПАВ.

Кинетика извлечения ПАВ определяется уравнением

lg (C_к/C₀) = k^.τ - lg[(dσ/dC_к)/(dσ/dC₀], (6.40)

где C_к - остаточная концентрация растворенного ПАВ в объеме воды; C₀ - концентрация ПАВ в момент времени τ₀ (при τ₀ = 0, C_к = C₀ ); k - константа.

При линейном изменении величины сточной воды от концентрации ПАВ уравнение кинетики процесса имеет вид

lg (C_к/C₀) = - k·τ. (6.41)

При учете изменения объема системы в процессе пенного концентрирования кинетика процесса описывается уравнением

(-1/V)^.dC/dτ = k^.Cⁿ, (6.42)

где V – объем жидкости; n - (формальный) порядок реакции процесса перехода ПАВ в пену.

Степень извлечения пав пеной равна

δ_п = 100(С_н - С_к)/С_н = С_п/С_н, (6.43)

где С_н – концентрация ПАВ в воде до извлечения; С_п – концентрация ПАВ в пене.

Степень извлечения зависит от многих параметров. С увеличением исходной концентрации ПАВ в воде возрастает пенообразующая способность раствора и степень его извлечения. Небольшое количество добавок электролитов ( 5^.10^-4 моль/л) KCl, K₂SO₄, K₄P₂O₇, KNO₃, NaNO₃, NH₄NO₃ приводит к увеличению степени извлечения.

С повышением температуры устойчивость пены уменьшается, диаметр пузырьков увеличивается, измеряется растворимость ПАВ.

Коэффициент распределения ПАВ между пенным продуктом (пеноконденсатом) и сточной водой характеризует эффективность извлечения:

ε_п = C_п/C_к. (6.44)

Коэффициент ε_п всегда больше единицы. При проведении процесса стремятся, чтобы пеноконденсат имел наименьший объем с максимальной концентрацией ПАВ.

Степень изменения объема сточной воды в процессе пенной сепарации равна

R_V = V_п/V_ост, (6.45)

где V_п - объем пеноконденсата; V_ост – остаточный объем раствора.

Выделение ПАВ из сточной пены затруднительно, поэтому она является отходом.

Процесс разрушения пенного слоя протекает с небольшой скоростью F, которая выполняется по формуле

F = 245^.V_воз(lg L^.C_к)^2,33τ^3,24. (6.46)

где V_воз - расход воздуха при барботировании через раствор ПАВ, м³/ч; L - расход сточной воды, м³/ч; τ - продолжительность барботирования, ч.

Для ускорения процесса разрушения пены применяют кремнийорганические и германийорганические соединения, но при их использовании происходит дополнительное загрязнение пеноконденсата. Поэтому целесообразнее использовать термические, электрические и механические способы гашения пены.

Процесс очистки сточных вод от ПАВ методом пенного фракционирования имеет недостатки:

1) образуется обогащенный ПАВ конденсат, который медленно разрушается;

2) при увеличении концентрации ПАВ в сточной воде эффективность очистки снижается.

Предложен способ очистки сточных вод от ПАВ, сочетающий пенное фракционирование и радиационную деструкцию и исключающий отход пены. Метод позволяет очищать сточные воды с высоким содержанием ПАВ любого типа и строения. Поскольку полная деструкция ПАВ до воды и СО₂ экономически нецелесообразна, то радиационную деструкцию проводят до образования продуктов, легко окисляемых биологически.