Метод флотації застосовують при заборі матеріалу. Збагачення флотацією. Метод механічної флотації

- Це процес молекулярного "прилипання" частинок до поверхні розділу фаз, найчастіше газу і води, обумовленої надлишком вільної поверхневої енергії поверхневих прикордонних шарів, а також явищами змочування. Застосовується флотація для очищення води від завислих твердих частинок, нафтопродуктів, масел, жирів, поверхнево-активних речовин.

Процес флотації

Метод флотації(очищення) полягає в насиченні води бульбашками газу (повітря) і утворенні комплексів частка - бульбашка газу, сплив цих комплексів на поверхню оброблюваної води і видаленні пінного шару, що виникає з цієї поверхні. Утворення комплексу частка-бульбашок, що є основою флотаційного процесу, обумовлено явищами змочування.

Якщо крапля води, нанесена на поверхню, розтікається цією поверхнею, то кажуть, що поверхня змочується. Якщо ця крапля не розтікається, а зберігає приблизно кулясту форму, то поверхня вважається незмочується. Прикладом поверхні, що змочується, є поверхня чистого скла, незмочується - поверхня воску або парафіну. Ступінь змочування поверхні може бути оцінена крайовим кутом змочування? (Рис.1.)

Мал. 1. Крайовий кут змочування

Якщо крайовий кут змочування дорівнює нулю, то поверхня вважається абсолютно змочується, якщо 180 ° С, то абсолютно незмочується. Абсолютно змочуваних і абсолютно незмочуваних поверхонь у природі не існує. Тому умовно приймають, що при?<90°C, поверхность смачиваема; при?>90°C – незмочується.

Причини змочуваності та незмочування поверхні криються в полярній будові молекул. Відомо, що молекули води мають полярну будову, тобто. мають певний дипольний момент. Крім того, полярними є молекули багатьох речовин: кислот, основ, солей тощо.

Якщо частинку речовини, молекули якої мають полярну будову, помістити у воду, то через взаємодію полярних молекул, ця частка буде оточена так званим гідратним шаром, що складається із строгосорієнтованих у просторі молекул води (рис.2.). Така частка називається гідрофільною.

Рис.2. Будова гідратного шару

Суворіша орієнтація молекул води спостерігається біля поверхні розділу фаз. З відстанню у зв'язку з тепловим рухом молекул ця орієнтація постійно порушується. Рухливість молекул води в гідратному шарі сильно обмежена, тому вона має низку властивостей, відмінних від властивостей води, що знаходиться в обсязі. До них можна віднести підвищену міцність, нижчу температуру замерзання, така вода погано розчиняє гази та інші речовини. Ці властивості виявляються тим більше, що більше полярність молекул частки.

Якщо частка складається з молекул з неполярною будовою, то гідратні шари не утворюються, частка називається гідрофобною.

Найбільш важливою властивістю гідратних шарів для флотації є їхня міцність. Поряд з полярністю молекул на міцність гідратних шарів впливає наявність на поверхні частинок нерівностей (виступів, западин), а також адсорбція деяких речовин (ПАР), що слабо взаємодіють з молекулами води. Через те, що нерівності є значною перешкодою для взаємодії молекул води в поверхневому шарі, на частинках речовин навіть з високою полярністю молекул, але мають розвинену поверхню можуть утворюватися досить слабкі гідратні шари.

Флотація, метод флотації, процес флотації - стаття на сайті "студент-будівельник.ру"

Флотація - це процес молекулярного прилипання частинок флотируемого матеріалу до поверхні розділу двох фаз, зазвичай газу (частіше за повітря) і рідини, обумовлений надлишком вільної енергії поверхневих прикордонних шарів, а також поверхневими явищами змочування.

Процес очищення виробничих стічних вод методом флотації полягає в утворенні комплексів "бульбашок-частиця", спливання цих комплексів і видалення пінного шару, що утворився, з поверхні оброблюваної рідини.

Прилипання частки, що знаходиться в ній, до поверхні газової бульбашки можливе лише тоді, коли спостерігається незмочування або погане змочування частки рідиною. Утворення комплексу "бульбашка-частка" залежить від інтенсивності їх зіткнення один з одним, хімічної взаємодії речовин, надлишкового тиску повітря в стічній воді тощо. У тих випадках, коли флотацію застосовують для видалення розчинених речовин, наприклад, ПАР, процес називається пінною сепарацією або пінним концентруванням.

Можливість утворення флотаційного комплексу "бульбашка-частка", швидкість процесу та міцність зв'язку, тривалість існування комплексу залежать від природи частинок, а також від характеру взаємодії реагентів з їх поверхнею та здатності частинок змочуватися водою. При закріпленні бульбашки утворюється трифазний периметр - лінія, що обмежує площу прилипання бульбашки і є межею трьох фаз: твердої, рідкої та газоподібної. Стосовна поверхні бульбашки в точці трифазного периметра і поверхня твердого тіла утворюють звернений в рідину кут, званий крайовим кутом змочування.

Ступінь змочуваності водою твердих або газових частинок, зважених у воді, характеризується величиною крайового кута змочування. Чим більший кут, тим більша гідрофобна поверхня частинки, таким чином, збільшуються ймовірність прилипання до неї і міцність утримання на її поверхні повітряних бульбашок. Такі частинки мають малу змочуваність і легко флотуються.

Енергія утворення комплексу "бульбашка-частка", де s - поверхневий натяг води на кордоні з повітрям.

Для часток, що добре змочуються водою, прагне до нуля, отже, прагне одиниці, а значить, міцність прилипання мінімальна. Для часток, що не змочуються, навпаки, енергія утворення комплексу "бульбашок-частка" буде максимальною.

Перевагамифлотації є: безперервність процесу; широкий діапазон застосування; невеликі капітальні та експлуатаційні витрати; простота апаратури; селективність виділення домішок; більш висока швидкість процесу порівняно з відстоюванням; можливість отримання шламу нижчої вологості (90 - 95%); високий ступінь очищення (95 - 98%); можливість рекуперації речовин, що видаляються.

Види флотації

Найбільш істотні важливі відмінності методів флотації пов'язані з насиченням рідини бульбашками повітря певної крупності. За цим принципом можна виділити такі способи обробки виробничих стічних вод:

флотація з виділенням повітря із розчину;

флотація з механічним диспергуванням повітря (імпелерні, безнапірні та пневматичні флотаційні установки);

флотація із подачею повітря через пористі матеріали;

електрофлотація;

біологічна та хімічна флотація.

Галузь застосування

Вага частки не повинна перевищувати сили прилипання її до бульбашки та підйомної сили бульбашок. Розмір часток, які добре флотуються, залежить від густини матеріалу і дорівнює 0,2 - 1,5 мм.

У практиці очищення виробничих стічних вод вироблено різні конструктивні схеми, прийоми та методи флотації. Флотацію застосовують для очищення стічних вод багатьох виробництв: нафтопереробка, целюлозно-паперова промисловість, а також шкіряна, машинобудівна, харчова та хімічна. Флотацію використовують виділення активного мулу після біохімічної отчистки.

Наша компанія виробляє напірні та електрофлотатори з нерозчинними електродами, під торговою маркою. Флотатори виконані з хімічно стійкого поліпропілену та повністю готові до підключення та роботи. Підключення флотаційного обладнання може бути виконане персоналом нашої компанії чи силами замовника.

Ми завжди оперативно допоможемо вам з підбором флотаційного обладнання та розповімо про переваги та недоліки обраної вами моделі.

Ознайомитись з цінами на флотаційне обладнання ви можете, натиснувши на посилання

Відео флотації стічних вод на нашому обладнанні.

Флотація− це процес молекулярного прилипання частинок флотованого матеріалу до поверхні розділу двох фаз, зазвичай газу (частіше повітря) та рідини, обумовлений надлишком вільної енергії поверхневих прикордонних шарів, а також поверхневими явищами змочування. Флотацію застосовують для видалення стічних вод диспергованих домішок, які мимоволі погано відстоюються. Процес очищення виробничих стічних вод, що містять ПАР (поверхнево-активні речовини), нафта, нафтопродукти, олії, волокнисті матеріали методом флотації полягає в утворенні комплексів «бульбашок-частка», сплив цих комплексів і видалення пінного шару з поверхні оброблюваної рідини. Ущільнення та руйнування пінного шару може бути інтенсифіковано нагріванням або за допомогою спеціальних пристроїв бризкалок. Прилипання частинки, що знаходяться в ній, до поверхні газової бульбашки можливе лише тоді, коли спостерігається незмочування або погане змочування частинки рідиною. Утворення комплексу «бульбашка-частка» залежить від інтенсивності їх зіткнення один з одним, хімічної взаємодії речовин, надлишкового тиску повітря у стічній воді тощо. У тих випадках, коли флотацію застосовують для видалення розчинених речовин, наприклад, ПАР, процес називається пінною сепарацією або пінним концентруванням. Можливість утворення флотаційного комплексу «бульбашок-частка», швидкість процесу та міцність зв'язку, тривалість існування комплексу залежать від природи частинок, а також від характеру взаємодії реагентів з їх поверхнею та здатності частинок змочуватися водою. При закріпленні бульбашки утворюється трифазний периметр - лінія, що обмежує площу прилипання бульбашки і є межею трьох фаз: твердої, рідкої та газоподібної. Стосовна поверхні бульбашки в точці трифазного периметра і поверхня твердого тіла утворюють звернений в рідину кут θ, званий крайовим кутом змочування.

Змочує здатність рідини залежить від її полярності, зі зростанням якої здатність рідини змочувати тверді тіла слабшає. Зовнішнім проявом здатності рідини до змочування є величина її поверхневого натягу на кордоні з газовим середовищем, а також різниця полярностей на межі рідкої та твердої фаз. Процес флотації йде ефективно при поверхневому натягу води трохи більше 60 – 65 мН/м. Ступінь змочування водою твердих або газових частинок, зважених у воді, характеризується величиною крайового кута змочування θ. Чим більший кут θ, тим більша гідрофобна поверхня частинки, таким чином, збільшуються ймовірність прилипання до неї та міцність утримання на її поверхні повітряних бульбашок. Такі частинки мають малу змочуваність і легко флотуються. Велике значення при флотації мають розмір, кількість та рівномірність розподілу повітряних бульбашок у стічній воді. Оптимальні розміри повітряних бульбашок 15-30 мкм, а максимальні 100-200 мкм. Таким чином, процес флотації полягає в наступному - при зближенні у воді повітряного міхура, що піднімається, з твердою гідрофобною часткою розділяючий їх прошарок води при деякій критичній товщині проривається і відбувається злипання бульбашки з часткою. Потім комплекс «бульбашок-частка» піднімається на поверхню води, де бульбашки збираються і виникає пінний шар з більш високою концентрацією частинок, ніж у вихідній стічній воді. Прилипання відбувається при зіткненні бульбашки з частинкою або утворенні бульбашки з розчину на поверхні частинки. На величину змочуваності поверхні зважених частинок впливають адсорбційні явища та присутність у воді домішок ПАР, електролітів та ін. роблять їх гідрофобними. Як реагентів-збирачів використовують олії, жирні кислоти та їх солі, меркаптани, ксантогенати, дитіокарбонати, алкілсульфати, аміни та інші речовини. Підвищити гідрофобність частинок можна сорбцією молекул розчинених газів з їхньої поверхню. Енергія освіти комплексу «бульбашка-частка»

де - поверхневий натяг води на кордоні з повітрям. Для часток, що добре змочуються водою, θ прагне до нуля, отже, Cosθ прагне одиниці, а значить, міцність прилипання мінімальна. Для часток, що не змочуються, навпаки, енергія утворення комплексу «бульбашок-частка» буде максимальною. Ефект поділу флотацією залежить від розміру та кількості бульбашок повітря. При цьому необхідний високий рівень насичення води бульбашками або великий вміст газу в ній. Питома витрата повітря знижується з підвищенням концентрації домішок, оскільки збільшується ймовірність зіткнення та прилипання. Велике значення має стабілізація розмірів бульбашок у процесі флотації. З цією метою вводять різні піноутворювачі, які зменшують поверхневу енергію поділу фаз. До них відносять соснове масло, крезол, феноли, Вага частки не повинна перевищувати сили прилипання її до бульбашки та підйомної сили бульбашок. Розмір часток, які добре флотуються, залежить від густини матеріалу і дорівнює 0,2 - 1,5 мм. У практиці очищення виробничих стічних вод вироблено різні конструктивні схеми, прийоми та методи флотації. Флотацію застосовують для очищення стічних вод багатьох виробництв: нафтопереробка, целюлозно-паперова промисловість, а також шкіряна, машинобудівна, харчова та хімічна. Флотацію використовують виділення активного мулу після біохімічної отчистки. Перевагами флотації є:

безперервність процесу;
широкий діапазон застосування;
невеликі капітальні та експлуатаційні витрати;
простота апаратури;
селективність виділення домішок;
більш висока швидкість процесу порівняно з обстоюванням;
можливість отримання шламу нижчої вологості (90 - 95%);
високий ступінь очищення (95 - 98%);
можливість рекуперації речовин, що видаляються.

Флотація супроводжується аерацією стічних вод, зниженням концентрації ПАР і речовин, що легко окислюються, бактерій і мікроорганізмів. Це сприяє успішному проведенню наступних стадій очищення. Найбільш істотні принципові відмінності способів флотації пов'язані з насиченням рідини бульбашками повітря певної крупності. За цим принципом можна виділити такі способи обробки виробничих стічних вод:

- Флотація з виділенням повітря з розчину;

- флотація з механічним диспергуванням повітря (імпелерні, безнапірні та пневматичні флотаційні установки);

- Флотація з подачею повітря через пористі матеріали;

- електрофлотація;

- біологічна та хімічна флотація.

Флотаційні установки можуть складатися із одного або двох відділень (камер). В однокамерних установках в одному і тому ж відділенні відбуваються одночасно насичення рідини бульбашками повітря і сплив флотуючих забруднень. У двокамерних установках, що складаються з приймального та відстійного відділень, у першому відділенні відбуваються утворення бульбашок повітря та агрегатів «бульбашок-частка», а в другому – спливання шламу (піни) та освітлення рідини.

Флотація з виділенням повітря із розчину

Застосовується при очищенні виробничих стічних вод, що містять дуже дрібні частинки забруднень, оскільки дозволяє отримувати найдрібніші бульбашки повітря. Сутність методу полягає у створенні перенасиченого розчину повітря у стічній рідині. Повітря, що виділяється з такого розчину, утворює мікропухирці, які і флотують містяться в стічній воді забруднення. Кількість повітря, яке має виділитися з перенасиченого розчину та забезпечити необхідну ефективність флотації, зазвичай становить 1 - 5 % від об'єму стічної води, що обробляється. Залежно від способу створення бульбашок розрізняють вакуумну, напірну та ерліфтну флотацію.

Вакуумна флотація(Рис. 2.2).

Перевагою вакуумної флотації є те, що утворення бульбашок газу, їх злипання з частинками забруднень і спливання агрегатів, що утворилися, «бульбашка-частка» відбуваються в спокійному середовищі і ймовірність їх руйнування зводиться до мінімуму. Мінімальні також енерговитрати на насичення рідини повітрям, утворення та подрібнення повітряних бульбашок.

Недоліки методу:

- Необхідність спорудження герметичних резервуарів;

- Складність експлуатації вакуумних флотаційних установок;

- обмежений діапазон застосування вакуумних флотаційних установок (концентрація забруднень у стічній воді не повинна перевищувати 250 мг/л).

Стічна рідина, що надходить на флотацію попередньо насичується повітрям протягом 1 - 2 хв в аераційній камері 1, звідки вона надходить в деаератор 2 для видалення повітря, що не розчинилося. Далі під дією розрідження (0,02 - 0,03 МПа) стічні води надходять у флотаційну камеру 3, в якій повітря, що розчинилося при атмосферному тиску виділяється у вигляді бульбашок і виносить частинки забруднень в пінний шар. Тривалість перебування стічної води у флотаційній камері 20 хв, а навантаження на 1 м2 площі поверхні близько 200 м3/добу. Піна, що накопичується, обертаються скребками видаляється в піносбірник. Для відведення обробленої стічної води забезпечується необхідна різниця відміток рівнів у флотаційній камері та приймальному резервуарі або встановлюються насоси.

Напірна флотація(Рис. 2.3).

Установки напірної флотації прості та надійні в експлуатації. Цей метод має ширший діапазон застосування, оскільки дозволяє регулювати ступінь перенасичення відповідно до необхідної ефективності очищення стічних вод при початковій концентрації забруднень до 4-5 г/л і більше. Для збільшення ступеня очищення до стічної води додають коагулянти. Апарати напірної флотації забезпечують порівняно з нефтеловушками в 5 - 10 разів менший залишковий вміст забруднень і мають у 5 - 10 разів менші габарити. Процес здійснюється у дві стадії: насичення стічної води повітрям під підвищеним тиском та виділення розчиненого газу під атмосферним тиском. Напірні флотаційні установки мають продуктивність від 5 до 2000 м3/год. Перебування води в напірній ємності становить 10-15 хв, а у флотаційній камері - 10-20 хв. При напірній флотації (рис. 2.3) стічні води трубопроводом насосом 2 подаються в напірний бак 3 (сатуратор) з приймального резервуара 1. На всмоктувальному трубопроводі є патрубок для підсмоктування повітря. Сатуратор або напірна ємність служить для рівномірного розчинення повітря у стічній воді. Об'єм сатуратора розраховують на необхідну тривалість насичення повітрям (зазвичай 1-3 хв) при надмірному тиску 0,15-0,4 МПа. Кількість повітря, що розчиняється в сатураторі, має становити 3 - 5 % обсягу оброблюваної стічної води. Насичена повітрям вода подається у флотаційну камеру 4 де при атмосферному тиску розчинене повітря виділяється у вигляді бульбашок і флотує зважені частинки. Спливаюча маса безперервно видаляється механізмами для згрібання піни в пінозбірники. Відведення піни здійснюється по лінії III у верхній частині флотатора. Освітлена вода відводиться із нижньої частини флотатора – лінія IV. Площу флотаційної камери слід приймати виходячи з гідравлічного навантаження 6 - 10 м3/год на 1 м2 площі поверхні камери. Тривалість флотації становить 20 хв. Об'єм повітря, що засмоктується, становить 1,5 - 5 % від об'єму води, що очищається. Значення параметрів залежать від концентрації та властивостей забруднень. p align="justify"> При проектуванні флотаторів для обробки стічних вод з витратою до 100 м3/год приймаються прямокутні флотатори в плані камери глибиною 1 - 1,5 м, з витратою більше 100 м3/год - радіальні флотатори глибиною не менше 3 м. Глибина зон флотації та відстоювання призначається не менше 1,5 м, а тривалість перебування стічної води в них відповідно 5 та 15 хв. За схемами (рис. 2.2 та 2.3) вся стічна вода, що надходить на флотацію, насичується повітрям. Схеми з рециркуляцією (рис. 2.4а) та з частковою подачею води насосом (рис. 2.4б) рекомендується використовувати, якщо проводиться попередня коагуляція стічної води з метою запобігання або зменшення руйнування пластівців у насосі. У цих схемах лише частина стічної води подається насосом та насичується повітрям. Схема з робочою рідиною (рис. 2.4в) використовується при великій концентрації забруднень у стічній воді, коли робота флотаційної установки за схемою (рис. 2.2) є малоефективною. Як робочу рідину використовують вже очищену або природну воду. При цьому обсяг робочої рідини перевищує обсяг стічної води, що очищається. Поліпшення флотації у разі відбувається через збереження пластівців забруднень і швидшого їх спливання. Недоліком схеми є велика витрата енергії на перекачування робочої рідини.

Стічні води (рис. 2.5), насичені повітрям, надходять у флотаційну камеру 3 знизу через обертовий водорозподільник 2. бульбашки повітря, що виділяються з води, спливають разом з частинками забруднень. Механізмом 4, що обертається, піна згрібається в лоток і видаляється - лінія IV. Оброблена вода відводиться з днища флотатора 1 і по вертикальних каналах переливається в відвідний кільцевий лоток 5.

Пропускна спроможність одного радіального флотаторамає перевищувати 1000 м3/ч.

Застосовують циліндричні флотатори, Що мають різний діаметр, отже, різну продуктивність. Флотатори відрізняються конструкцією введення та виведення стічної води та механізму збору піни та її відведенням. Використовуються також багатокамерні флотаційні установки. У багатокамерній установці (рис. 2.6) забруднена стічна вода, накопичуючись в ємності 1, насосом 2 спочатку подається в гідроциклон 4 де видаляється частина зважених частинок. Потім її направляють у першу камеру флотатора 3, де стічна вода змішується з циркуляційною водою з напірного бака 6, насиченою повітрям, що надходить через аератори 7. У першій камері флотатора виділяються бульбашки повітря, які флотують забруднення. Після цього стічна вода надходить у другу камеру і в наступні, в яких відбувається процес флотації, після змішування стічної води з очищеної. Таким чином, відбувається багатоступінчасте очищення стічної води. Пройшовши останню камеру флотатора, очищена вода видаляється з установки лінія II. Піна видаляється пеносъемниками 5. Частина очищеної води подається насосом 8 напірний бак 6, де розчиняється повітря, що надходить у всмоктувальну магістраль насоса.

У разі необхідності одночасного проведення процесів флотації та окислення забруднень стічні води насичують повітрям, збагаченим киснем або озоном. Для усунення процесу окиснення замість повітря на флотацію слід подавати інертні гази. Напірна флотація застосовується для очищення стічних вод від нафти, нафтопродуктів, жирів олій, волокнистих речовин та інших.

(Рис. 2.7).

Ерліфтні установки застосовують для очищення стічних вод у хімічній промисловості. Простота пристрою та зниження витрат енергії при ерліфтній флотації на проведення процесу в 2 - 4 рази, порівняно з напірною флотацією ляются перевагами способу. Але конструкція установки вимагає значного перепаду відміток по висоті між живильним резервуаром зі стічною водою та флотаційною камерою, що значно звужує сферу застосування цього методу. Стічна вода з ємності 1, що знаходиться на висоті 20 - 30 м, надходить в аератор 3 трубопроводом 2. Туди ж подається стиснене повітря - лінія II, який розчиняється у воді під підвищеним тиском. Піднімаючись ерліфтним трубопроводом 4, рідина збагачується бульбашками повітря, який виділяється у флотаторі 5. Піна, що утворюється з частинками забруднень видаляється самопливом або скребками - лінія III. Освітлену воду направляють на подальше очищення – лінія IV.

Флотація з механічним диспергуванням повітря

При переміщенні струменя повітря у воді створюється інтенсивний вихровий рух, під впливом якого повітряний струмінь розпадається на окремі бульбашки. Розрізняють імпелерну, безнапірну та пневматичну флотацію. Імпелерна флотація (рис. 2.8). Енергійне перемішування стічної води у флотаційних імпелерних установках створює в ній велику кількість дрібних вихрових потоків, що дозволяє отримати бульбашки певної величини. Основним елементом такої установки є імпелер – невелика турбіна насосного типу, що є диском з радіальними зверненими вгору лопатками. Стічна вода з приймальної кишені 1 надходить до імпелера 6, який по трубці 4 засмоктується повітря. Імпелер крутиться на нижньому кінці валу, укладеного в трубку, через яку всмоктується повітря по патрубку 4, так як при його обертанні утворюється зона зниженого тиску ім. Над імпелером розташований статор 3 у вигляді диска з отворами внутрішньої циркуляції води. Перемішані імпелером вода та повітря викидаються через статор. Грати 7, розташовані навколо статора, сприяють дрібнішому перемішуванні повітря у воді. Відстоювання бульбашок повітря відбувається над ґратами. Піна, що містить частинки, що флотуються, видаляється лопатевим піноснімачем. Зазвичай флотаційна установка складається з кількох послідовно з'єднаних камер. Діаметр імпеллерів 600 – 700 мм. З першої камери вода надходить у другу такої конструкції, де відбувається додаткове очищення стічної води.

Ступінь диспергування повітря та ефективність очищення залежать від швидкості обертання імпелера. Чим вища швидкість імпелера, тим менші бульбашки і тим вища ефективність процесу. Однак при високих швидкостях різко зростає турбулентність потоку і може відбуватися руйнування пластівчастих частинок, що призведе, навпаки, до зниження ефективності процесу очищення. Діаметр імпелера повинен бути трохи більше 750 мм. Зона обслуговування імпелера не повинна перевищувати розмірів квадрата зі стороною, що дорівнює шести діаметрам імпелера. Висота флотаційної камери Hф приймається рівною 1,5 - 3 м, тривалість флотації 15 - 20 хв.

Застосування імпеллерних установок доцільно при очищенні стічних вод з високою концентрацією нерозчинених забруднень (більше 2 - 3 г/л), що містять нафту, нафтопродукти та жири. Недоліком імпелерної флотатації є відносно висока обводненість піни. Особливо істотним цей недолік стає суттєвим у тих випадках, коли основною метою флотації є вилучення розчинених ПАР, так як великий обсяг води в піні змушує створювати додаткові установки для її обробки, що збільшує вартість очищення в цілому. Імпелерні флотаційні установки широко використовують при збагаченні корисних копалин, а також застосовують для очищення стічних вод з високим вмістом завислих частинок (при концентрації понад 2 г/л).

Безнапірна флотація.

Диспергування повітря в безнапірних установках відбувається за рахунок вихрових потоків, що створюються робочим колесом відцентрового насоса. Схема флотації подібна до напірної, але в ній відсутня сатуратор, що є перевагою безнапірної флотації. бульбашки, Що Утворюються в камері безнапірної установки, мають велику крупність, а отже, ефект флотації дрібних частинок знижується. Безнапірні флотаційні установки зазвичай застосовують для очищення стічних вод від жиру та вовни.

Пневматична флотація.

Пневматичні флотаційні установки застосовують при очищенні стічних вод, що містять розчинені домішки, які агресивні до механізмів (насосів, імпелерів та ін), що мають частини, що рухаються. Подрібнення бульбашок повітря досягається шляхом впуску повітря у флотаційну камеру через сопла, які розташовані на розподільчих трубках, що укладаються на дно флотаційної камери на відстані 0,25 - 0,3 м один від одного. Діаметр отворів сопел становить 1 - 1,2 мм, робочий тиск перед ними 0,3 - 0,5 МПа, глибина флотатора приймається 3 - 4 м. Швидкість струменя на виході із сопла 100 - 200 м/с. Необхідна витрата повітря залежить від інтенсивності аерації, що лежить у межах 15 - 20 м3/год на м2 площі прохідного перерізу флотатора.

Флотація з подачею повітря через пористі матеріали

До переваг даного методу можна віднести відносно малі витрати енергії, тому що відсутні насоси та імпелери та простоту конструкції флотаційної камери. Повітря у флотаційну камеру подається через дрібнопористі пластини, труби, насадки, покладені на дні камери. Ефективність флотації залежить від величини отворів матеріалу, витрати повітря на тривалість флотації, рівня води у флотаторі. Діаметр отворів повинен бути 4-20 мкм, витрата повітря в межах 40-70 м3/год на 1 м2 прохідного перерізу флотатора, тиск повітря 0,1-0,2 МПа, тривалість флотації 20-30 хв, витрата повітря визначається експериментально. Робочий рівень оброблюваної стічної води до флотації 1,5 - 2 м. Тривалість флотації становить 20 - 30 хв. Недоліком цього методу є можливість заростання та засмічення пір, а також труднощі підбору дрібнопористих матеріалів з однаковими по діаметру отворами, що забезпечують вихід дрібних, близьких за розмірами бульбашок повітря. При пропущенні повітря через пористі керамічні пластини та ковпачки виходять бульбашки, розмір яких визначається за формулою

де R – радіус бульбашок; r - радіус отворів у пористому матеріалі; σ - поверхневий натяг води.

Тиск для подолання сил поверхневого натягу визначається за формулою Лапласа

Для очищення невеликих обсягів стічних вод застосовують флотаційні камери з пористими ковпачками (рис. 2.9а) стічної води подають у верхню частину флотаційної камери 1, а повітря надходить через пористі ковпачки 2. Піна переливається через кільцевий жолоб 3 і видаляється з нього. Освітлену воду відводять через регулятор рівня 4. Установки можуть мати один або кілька ступенів. Для великих обсягів стічної води, що обробляється, використовують фільтрувальні пластини (рис. 2.9б), схема флотації аналогічна попередньої.

Електрофлотація

Сутність електрофлотаційного методу очищення стічних вод полягає у перенесенні забруднюючих частинок з рідини на її поверхню за допомогою бульбашок газу, що утворюються при електроліз стічної води. У процесі електролізу стічної води на катоді виділяється водень, аноді – кисень. Основну роль процесі флотації грають бульбашки, що виділяються на катоді. Розмір бульбашок, що відриваються від поверхні електрода залежить від крайового кута змочування, кривизни поверхні електрода, а також його конструктивних особливостей. Заміна пластинчастого катода на дротяний призводить до зменшення крупності бульбашок, отже, підвищення ефективності роботи електрофлотатора. При застосуванні розчинних електродів (зазвичай залізних або алюмінієвих) на аноді відбувається анодне розчинення металу, в результаті чого у воду переходять катіони заліза або алюмінію, що призводять до утворення пластівців гідроксиду. Одночасне утворення пластівців коагулянту та бульбашок газу в обмежених умовах міжелектродного простору створює сприятливі умови для надійного закріплення газових бульбашок на пластівцях та інтенсивної коагуляції забруднень, що забезпечує ефективність флотаційного процесу. Такі установки називаються електрокоагуляційно-флотаційними. При пропускній здатності до 10 - 15 м3/год установки можуть бути однокамерними, а при більшій пропускній здатності - двокамерними горизонтального (рис. 2.10) або вертикального типу. Розрахунок установок для електрофлотації та електрокоагуляції зводиться до визначення загального обсягу Wу установки, обсягів Wе електродного відділення та камери флотації Wф:

Докладний розрахунок наводити будемо, т.к. Мета цього огляду - ознайомлення з технологією флотації, а не конкретний розрахунок установок.

Електрохімічні окислювально-відновні процеси, що протікають при електрофлотації, забезпечують додаткове знезараження стічних вод. Використання алюмінієвих та залізних електродів зумовлює перехід іонів алюмінію та заліза в розчин, що сприяє коагулювання дрібних частинок забруднень, що містяться у стічній воді.

Біологічна та хімічна флотація

Застосовується для ущільнення опадів стічних вод. У процесі флотації стічних вод утворюється піна, що має зазвичай плівково-структурну будову. Така піна містить значну кількість води, особливо в нижніх шарах, а стійкість та рухливість її змінюються залежно від характеру матеріалів, що флотуються. Процес ущільнення шламу спливаючого найбільш інтенсивно йде в перші дві години, далі він уповільнюється, а після чотирьох годин практично припиняється повністю. Було виведено загальні закономірності ущільнення пінного шламу для різних за складом стічних вод на підставі аналізу графіків ущільнення. Якщо за одиницю прийняти обсяг шламу в момент часу, коли всі бульбашки повітря піднялися в пінний шар, що у проточних установках відповідає тривалості флотації 30 хв, то відносний обсяг шламу через 1; 2; 3 та 4 год становить відповідно 0,6; 0,33; 0,24 та 0,21.

Процес ущільнення та руйнування пінного шару може бути інтенсифікований нагріванням або за допомогою спеціальних пристроїв бризкалок. Найчастіше утилізація пінного конденсату економічно недоцільна. Очищення стічних вод хімічної флотацією ґрунтується на властивостях деяких речовин при введенні їх у стічні води виділяти гази (О2, СО2, Сl2 та ін) в результаті хімічної реакції. Бульбашки цих газів можуть прилипати до нерозчинених зважених частинок і виносити їх у пінний шар. Таке явище, наприклад, спостерігається при обробці стічних вод хлорним вапном із введенням коагулянтів. Біологічна флотація застосовується для ущільнення осаду первинних відстійників при очищенні побутових стічних вод. З цією метою осад підігрівають пором у спеціальній ємності до 35 - 55 °С і за цих умов витримують кілька діб. В результаті діяльності мікроорганізмів виділяються бульбашки газів, які забирають частинки осаду в пінний шар, де вони ущільнюються та знешкоджуються. Таким шляхом за 5 - 6 діб вологість осаду можна знизити до 80% і тим самим спростити подальшу обробку. Іонна флотація - це процес, який ведеться наступним чином: в стічні води вводять повітря, розбиваючи його на бульбашки яким-небудь способом, і збирач (ПАР). Збирач утворює у воді іони, які мають заряд, протилежний за знаком заряду вилученого іона. Іони збирача та забруднень концентруються на поверхні газових бульбашок і виносяться ними в піну. Піну видаляють з флотаційної камери і руйнують, з неї вилучають сконцентровані іони речовини, що видаляється. Цей процес можна використовувати для вилучення зі стічних вод металів (молібден, вольфрам, ванадій, платина та інші).

Проблема очищення стічних вод залишається актуальною протягом багатьох десятиліть. Складність полягає у старінні методик та обладнання, а також появі нових хімікатів у побутовій хімії та на виробництві, що вимагають абсолютно нових підходів до їх видалення зі стоків. Один із універсальних методів очищення стічних вод – це флотація. Залежно від особливостей забруднювача, він вимагає лише заміни реагентів та корекції умов здійснення процесу.

Очищення стічних вод

Цей метод успішно застосовується для містять волокна, нафтопродукти, олії та жири, а також інші малорозчинні у воді речовини. Попередньо стічні води переводять у суспензію та емульсію з використанням спеціальних речовин.

Процес флотації ґрунтується на здатності газових бульбашок закріплюватись на частинках, допомагаючи їм спливати на поверхню рідини.

Загальні принципи методу

Найпростішим актом флотації вважається прикріплення нерозчинних частинок (наприклад, мінеральних, масляних чи будь-яких інших) до бульбашок повітря. Успішність проведення очищення залежить від того, з якою швидкістю утворюється зв'язок між часткою та бульбашками, від міцності цього зв'язку та від тривалості існування цього комплексу. Що у свою чергу визначається природою частинок, схильністю до змочування водою та особливостями взаємодії їх із реагентами. Таким чином, флотація - це процес, який залежить від багатьох факторів.

Елементарний акт може здійснюватися за одним із таких механізмів:

бульбашки утворюються одночасно у зважених частках;
частинки суспензії прикріплюються до газової бульбашки при зіткненні з нею;
на поверхні частинки утворюється маленька бульбашка, яка поєднується з іншим при зіткненні і збільшується в обсязі.

Комплекс, який утворюється в процесі флотації, у практично нерухомому середовищі може спливти лише за умови, що підйомна сила газової бульбашки більша за вагу частки. Це призведе до утворення пінного шару на поверхні води, що очищається.

Крім того, площі поверхонь бульбашок і частинок у місці зіткнення повинні перебувати у певному співвідношенні. Сили адгезії зростають пропорційно розміру частинок у квадраті, оскільки периметр їхнього з'єднання обмежується розміром найбільшої їх граней. А сила відриву безпосередньо залежить від маси забруднюючої частки (тобто її лінійних розмірів у кубі). Таким чином, досягши деякого розміру частинок сили відриву перевищують сили прилипання. Отже, для успішного очищення стоків методом флотації важливий як характер зв'язку суспензії з бульбашками, а й їх розміри.

Способи насичення води пухирцями

Існує чимало прийомів, які забезпечують появу у стічних водах газових бульбашок. Основні способи, що використовуються під час проведення флотації, це:

Компресійний (або напірний) спосіб, заснований на підвищенні розчинності повітря у воді при збільшенні тиску.
Механічний спосіб заснований на інтенсивному перемішуванні рідини з повітрям.
Пропускання стічних вод через пористі матеріали, що призводить до їх диспергування.
Електричний спосіб, заснований на процесі електролізу води, що супроводжується появою бульбашок газу.
Хімічний спосіб, що зумовлює утворення бульбашок у ході хімічних реакцій певних реагентів із компонентами стічних вод.
Вакуумний спосіб, що характеризується зниженням тиску.

Напірна флотація

Є найбільш ефективною для вилучення дрібнодисперсних та колоїдних суспензій низької концентрації. Воду, що очищається, насичують повітрям під тиском до 7 МПа в спеціальному реакторі - сатураторі. Після виходу води з нього тиск різко знижується до нормального (атмосферного), що провокує інтенсивний процес виділення бульбашок повітря.

Для того, щоб значно підвищити ефективність очищення вод, флотацію поєднують з коагуляцією та флокуляцією. Обидва ці прийоми сприяють збільшенню розміру нерозчинених частинок. Коагулянтами є неорганічні сполуки, зазвичай солі тривалентного заліза або алюмінію, так і деякі органічні речовини. Флокулянтами є спеціальні полімери, молекули яких у водному середовищі утворюють заряджену сітку, здатну притягувати забруднюючі частинки, що призводить до появи пластівцевих агрегатів.

Установки та технологічні схеми

Установки, які здійснюють напірну флотацію, можуть розміщуватися у приміщеннях, а й поза ними. Так, перші підходять для невеликих обсягів, якщо витрата води не перевищує 20 м 3 /год, а другі мають набагато більшу продуктивність. Часто влаштовується комбіноване розміщення споруд, коли великі об'єкти, наприклад, сатуратор і флотокамера, знаходяться просто неба, а насоси в приміщенні.

У разі розміщення установок за умов можливого зниження температури повітря до негативних значень необхідно передбачити систему підігріву піни. Класична установка для проведення компресійної флотації складається з наступного обладнання:

Насоси для подачі рідин.
Компресора для підведення повітря (або будь-якого газу) у систему водоочищення.
Сатуратора (інша його назва - напірний бак), в якому проводиться розчинення повітря в стічних водах.
Флотокамери, якщо процесом передбачена стадія укрупнення частинок суспензії.
Реагентний пристрій, що включає пристосування для дозування та змішування реагентів з рідиною, що очищається.
Систему контролю процесу очищення.

Технологічні схеми, що передбачають очищення стічних вод методом флотації з підвищенням тиску, можуть бути:

Прямоточними, коли повний об'єм рідини, що очищається, проходить через сатуратор.
Рециркуляційними, коли через сатуратор проходить лише 20 – 50 % освітленої рідини.
Частково прямоточними, коли близько 30 -70 % неочищених вод надходить у сатуратор, а решта їх подається одночасно у флотокамеру.

При виборі однієї з цих схем беруть до уваги фізико-хімічні властивості стоків, що очищаються, вимоги до ступеня очищення, місцеві умови та економічні показники.

Електрофлотація

Почали використовувати у другій половині 20-го століття. Тоді виявилося, що електролізні гази набагато ефективніші, ніж інертні або повітря, збільшують інтенсивність флотації. Це дозволяє виділяти нерозчинні у водах нафтопродукти, мастила, малорозчинні сполуки важких та кольорових металів, які утворюють у стоках стійкі емульсії. Але крім електролізних газів видалення деяких домішок впливає штучно створене електричне полі, у якому заряджені частинки рухаються до протилежно зарядженим електродам.

Істотним недоліком електрофлотації є мала продуктивність, висока вартість електродів, їх зношування та забруднення, а також вибухонебезпечність.

Метод пінного фракціонування

Зводиться він до адсорбції розчинених поверхнево-активних речовин (ПАР) на газових бульбашках, що піднімаються вгору крізь розчин. При цьому інтенсивно утворюється піна, збагачена адсорбованою речовиною.

Важлива сфера застосування такого різновиду флотації - це очищення вод від миючих засобів, що застосовуються в пральних. Також він підходить для виділення активного мулу, що утворюється при біохімічному очищенні.

Збагачення руд

p align="justify"> Процес флотації успішно застосовується при первинній переробці всіляких руд, що дозволяє відокремити цінну фракцію з підвищеним вмістом металу або його сполук. Основується він на відмінностях властивостей поверхні мінералів, що розділяються.

Флотація руди є трифазним процесом:

тверда фаза являє собою подрібнену корисну копалину;
рідкою фазою є пульпа;
газову фазу утворюють бульбашки повітря, що пропускаються через пульпу.

Флотація буває пінною, плівковою чи олійною - залежно від форми продукту, що утворюється на поверхні рідкої фази.

Очищення стічних вод, в першу чергу, включає в себе етап проходження відстійника як у локальних очисних спорудах, так і в загальноміських. Відставання води очищає воду тільки від великих суспензій, які осідають на дно, будучи важчими за воду. Але як бути з тими частинками, які легші за воду і не схильні до осадження? Існує метод виділення і таких складних забруднювачів, який називають флотацією.

Флотаційне очищення застосовується як один із ступенів очищення стічних вод від таких домішок.

Детальніше про флотацію

Флотація - це один із способів, що застосовуються для очищення стічних вод. Буквально слово "флотація" (англ. flotation) перекладається як "Плавання на поверхні води"тому й нагадує слово флот. Але якщо говорити про очищення флотацією, її метою є вивести на поверхню різні суспензії та інші речовини, які мають щільність близьку воді і не здатні осідати.

У товщі води плавають різні дрібні тверді частинки, колоїдні суспензії та інші домішки, які не осідають. Флотацію застосовують для очищення стічних вод від ПАР, нафтопродуктів, жирів, волокнистих речовин та суспензій активного мулу. Також флотаційний процес на кшталт пінної сепарації здатний видалити деякі розчинені у питній воді речовини.

Фізико-хімічні закони флотації

В основу флотаційного очищення закладено складні фізико-хімічні процеси. Головним чином розглядається поняття змочуваності, тобто індивідуальної здатності тих чи інших речовин до змочування. Ця здатність безпосередньо визначає поведінку цих сполук на межі розділу фаз рідини та газу. Існує два типи речовин:

Гідрофільні - характеризуються гарною здатністю до змочування;
Гідрофобні - незмочуються.

Залежно від того, до якого типу відноситься та чи інша речовина, вона добре забирається за допомогою флотаційного очищення або ж, навпаки, не піддається виділенню таким способом.

Процес флотації нескладний розуміння, його можна описати так:

У результаті поверхні води утворюється пінна субстанція. Отриману піну видаляють спеціальним пристосуванням – це кінцевий продукт флотації чи шлам.

Ефективність процесу флотації

Ті чи інші фактори можуть знижувати або підвищувати ефективність флотації як способу очищення стічних вод. Найбільш значний вплив надають наведені нижче фактори:

На ці фактори можна вплинути за допомогою спеціальних реагентів, які будуть описані далі.

Реагенти для покращення флотації

Як описано вище, флотація залежить від якості піноутворення та гідрофобності частинок. Існують спеціальні добавки, які спрямовані на підвищення якості піни та збільшення гідрофобності домішок. Реагенти можна розділити на дві основні групи:

Збирачі;
Піноутворювачі.

Реагенти збирачі

Найбільш часто зустрічається вид забруднювачів має у своєму складі частинки з подвійними якостями, що мають частину гідрофобних та частина гідрофільних груп. Їхня здатність змочування недостатня для зв'язування з бульбашками повітря, тому флотація малоефективна. Щоб вирішити цю проблему, до стоків додають так звані добавки-збирачі, які також мають двояку структуру, що складається з гідрофільних (полярних) і гідрофобних (неполярних) груп. Полярні гідрофільні кінці забруднювача та збирача сліплюються між собою, а гідрофобні кінці залишаються вільними.

Збирачами для посилення флотації виступають поверхнево активні речовини:

Амонійні солі;
Нафтопродукти;
олії;
Меркаптан

Реагенти піноутворювачі

Якість пені грає одну з ключових ролей у ефективності флотації. Існує група добавок, спрямованих на покращення піноутворення. Вони оберігають бульбашки повітря від руйнування, роблячи їх пружними та значно стабілізуючи пінну масу. Це дає можливість видалити якнайбільше забруднювачів зі стічних вод. Такими стабілізаторами для піни є:

Олія сосни;
Крезол;
Феноли та багато інших речовин

Процес флотації коротко описаний як насичення стічних вод повітрям з диспергуванням. Тобто головне завдання флотації полягає у отриманні бульбашок потрібного діаметра в товщах стічних вод. Як саме це здійснюється описано нижче.

Виділення бульбашок повітря з розчину

Щоб виділити повітряні бульбашки з розчину, використовують напірну та вакуумну флотацію. Напірна флотація є нагнітання повітря, а потім різке зниження тиску в системі, що провокує виділення пухирцевої маси в товщі води.

Вакуумна флотація дещо схожа на напірну, але її реалізують інакше. Першим етапом є проходження води через камеру аерації, де вона насичується повітрям. Після цього вона надходить у дизаератор, де видаляється нерозчинене повітря. Останнім етапом є проходження камери флотації, в якій тиск знижується, що викликає бурхливе утворення бульбашок.

Такими способами дуже успішно видаляються дрібнодисперсні домішки.

Пропускання повітря через пористі матеріали

Це один із найпростіших способів з погляду фізики для отримання диспергованого повітряного потоку. Перед потраплянням повітря в стічні води його пропускають через матеріали з порами, такі як пластини з наскрізними щілинами. Діаметр бульбашок регулюється розміром даних пір.

Електролізна флотація

Цей спосіб втілюють приміщенням у воду двох електродів, якими пускають струм. Під час електролізу вода навколо електродів розщеплюється на бульбашки водню та кисню. Найчастіше використовуваний матеріал для електродів: алюміній та залізо. Ці метали виділяють у воду коагулянти, які зв'язують суспензії і перетворюють їх на кшталт пластівців. Ці пластівці з'єднуються з повітряними бульбашками і виходять на поверхню стічних вод у вигляді піни.

Механічне диспергування

Крім утворення бульбашок повітря у воді за допомогою зміни тиску також застосовують механічні способи. Для цього також є кілька шляхів:

Пухирці в цих трьох способах утворюються в результаті вихрового процесу, який стимулюється перемішуванням.

Флотація – переваги та недоліки способу

На сьогодні флотація є одним із найчастіше використовуваних прийомів очищення стоків. Його застосовують і промислові очисні споруди та міські. Причиною цього є ціла низка факторів, які говорять на користь флотації.

Переваги флотаційного очищення:

Безумовно, як і будь-який метод, флотація пов'язана з деякими негативними моментами.

Недоліки флотаційного очищення:

Вона видаляє далеко не всі забруднювачі, оскільки її ефективність залежить від гідрофобності речовини;
Часто доводиться нести додаткові витрати на внесення реагентів, які покращують якість піни та посилюють гідрофобність забруднювачів;
До кожного виду забруднювача потрібен свій підход, а отже немає універсального методу для видалення всіх суспензій.

Висновки про флотацію

Скільки б переваг не мала флотація, вона не є самостійним та остаточним очищенням стічних вод. Це лише один із етапів найскладнішого процесу, який дозволяє видалити з води більшу частину небажаних речовин. Флотаційне очищення дозволяє позбавити воду від нафтопродуктів та олій, які неможливо видалити іншими способами, а також волокнисті складові стоків. Зазвичай флотаційне очищення використовують після етапу відстійників, щоб видалити ті речовини, які не схильні до осадження.