Физико-химические основы флотационной очистки воды

Флотация является сложным физико-химическим процессом, который нашел широкое применение в очистке воды.

Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Процесс очистки производственных 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, находящейся в жидкости, 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 жидкости 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 смачивания θ (рисунок 3.4). Чем больше угол θ, тем более гидрофобна поверхность частицы, т.е. 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 имеют размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воз­душных пузырьков 15–30 мкм, а максимальные 100–200 мкм.

Рисунок 3.4 – Схема прилипания пузырька воздуха 1 к взвешенной
в воде частице 2

На степень смачивания (или иначе говоря, на силу прилипания пузырьков к частицам) оказывает влияние характер взаимодействия между частицей и водой, частицей и растворенным в воде кислородом. Взаимодействие с кислородом может привести к повышению смачиваемости за счет образования окислов, а с диполями воды приводит к образованию гидратной оболочки (толщиной до 0,1 мкм), что также повышает смачиваемость и препятствует закреплению пузырьков. Образование гидратных оболочек возможно в тех случаях, когда энергия связи между самими диполями воды меньше энергии связи между диполями воды и поверхностью твердой частицы. Очень тонкие гидратные оболочки (от 3 до 400 А) не препятствуют закреплению пузырьков.

Таким образом, смачивание определяется свойствами жидкости и зависит от свойств твердого тела. По отношению к воде твердые тела могут быть гидрофобными, гидрофильными или занимать какое-то промежуточное положение. К гидрофобным относятся вещества, имеющие аполярное строение молекул и в силу этого неспособные гидратироваться. Такие вещества обладают наименьшей смачиваемостью и поэтому легко флотируются. Чем меньше гидратирована частица, тем легче разрывается гидратная оболочка при приближении частицы к пузырьку газа (воздуха), и частица прилипает к пузырьку, поскольку такое состояние соответствует минимуму свободной энергии системы.

Гидрофильные вещества с полярным строением молекул в воде сильно гидратируются, а поэтому хорошо смачиваются водой и не могут флотироваться.

Вещества с гетерополярным строением молекул (полярно-неполярные) способны гидратироваться со стороны полярной группы. В то же время со стороны углеводородной группы они являются гидрофобными и способны слипаться с пузырьками газа. В процессах флотации эти вещества играют особо важную роль.

Для получения флотационного эффекта в воде требуется предварительная гидрофобизация гидрофильных частиц. Достигается она путем ввода в жидкость поверхностно-активных реагентов-собирателей с полярно-неполярными молекулами, которые, адсорбируясь на поверхности гидрофильных частиц, ориентируются в адсорбционном слое неполярными углеводородными группами в окружающую среду, делая частицы гидрофобными и создавая тем самым необходимые условия для их флотации.

Наиболее существенные принципиальные отличия спо­собов флотации связаны с насыщением жидкости пузырь­ками воздуха определенной крупности. По этому принци­пу можно выделить следующие способы флотационной обработки производственных сточных вод:

1) флотация с выделением воздуха из раствора;

2) флотация с механическим диспергированием воз­духа;

3) флотации с подачей воздуха через пористые мате­риалы;

4) электрофлотация.

Большое значение для флотационного процесса имеет образование пузырьков определенной крупности и их сохранение (стабилизация). Последнее достигается путем ввода в жидкость реагентов-пенообразователей, повышающих дисперсность пузырьков и способствующих их устойчивости. Пенообразователи адсорбируются на поверхности раздела жидкость–газ, понижая поверхностное натяжение жидкости на нем. Полярная часть реагента-собирателя реагирует с молекулами воды, а аполярная часть ориентируется в газовую фазу.

Концентрируясь на поверхности раздела жидкость–газ, вспениватель уменьшает поверхностную энергию раздела фаз, способствуя тем самым, с одной стороны, стабилизации пузырьков, а с другой, – улучшая процесс прилипания к пузырькам твердых частиц.

Процесс прилипания частиц загрязнения к пузырькам воздуха является основным актом флотации, а одной частицы к пузырьку – элементарным актом флотации.

Прилипание загрязнений к пузырькам происходит двумя путями: при столкновении частицы с пузырьком и при возникновении пузырька из раствора на поверхности частицы. На основании термодинамического и кинетического анализов процессов прилипания можно сделать выводы, что чем гидрофобнее поверхность частички, тем вероятнее ее прилипание к воздушному пузырьку при их столкновении; сила столкновения и время контакта могут быть тем меньше, чем гидрофобнее частица и чем гидрофобнее ее поверхность, тем вероятнее образование на ней пузырьков газов, выделяющихся из раствора.

Это еще раз подчеркивает необходимость тщательной подготовки (гидрофобизации) частиц загрязнений перед их флотацией.

При очистке сточных вод приходится иметь дело преимущественно с очень мелкими, шламовыми частицами. Для их флотации требуются очень мелкие воздушные пузырьки (размером в несколько микрон) и высокая степень насыщения ими сточных вод. При хорошей подготовке частиц к флотации (гидрофобизации) будет происходить флокуляция их путем сцепления аполярых групп реагентов, находящихся на поверхности частиц, флокуляция создает лучшие условия для флотации шламовых частиц. Для укрупнения частиц целесообразно применять коагуляцию, особенно в тех случаях, когда наряду с мелкими частицами надо сфлотировать и более крупные, флотация которых в присутствии шламов будет ухудшаться.

Создание во всем объеме жидкости, где взвешенные вещества находятся в мелкодисперсном состоянии, воздушной эмульсии является необходимым условием для успешного прилипания частиц к пузырькам воздуха. При этом значительный процент частичек флотируется за счет пузырьков воздуха, выделившихся непосредственно на их поверхности, остальные — посредством слипания с пузырьками воздуха, выделившимися или на поверхности других частичек, или спонтанно. В стесненном состоянии воздушно-водяной эмульсии этот процесс протекает весьма интенсивно.

Тонкие шламовые частицы, если они достаточно флотоактивны, покрывают тонким слоем поверхность воздушных пузырьков, образуя своеобразные шламовые зерна, более крупные к таким зернам прилипают плохо. Наружные обкладки пузырьков способствуют их устойчивости, прочности и продолжительности существования пенного слоя, что при очистке сточных вод имеет существенное значение, так как позволяет получать пенный продукт (шлам) с более низкой влажностью за счет накопления его в течение некоторого времени на поверхности жидкости.

При подъеме шламовых зерен в пенный слой начинаются процессы флокуляции, т. е. агрегирование отдельных минерализованных пузырьков в аэрофлокулы и их коалесценция, в результате чего образуются крупные шламовые агрегаты (диаметром 2–3 мм) из мелких пузырьков с налипшими на них частицами взвесей. Соприкасаясь вплотную своими наружными обкладками, агрегаты постепенно слипаются друг с другом, одновременно стремясь подняться вверх в силу своей плавучести. Находящаяся в просветах вода стекает вниз, уменьшая тем самым общую влажность шлама. Шлам после полного объединения зерен представляет собой одну сплошную массу с включенными в нее пузырьками воздуха или других газов.

Таким образом, кинетику флотационного процесса характеризуют следующие факторы:

– сила прилипания пузырька к частице, определяемая величиной краевого угла и размерами пузырька;

– размер частиц;

– влияние реагентов на величину краевого угла и на устойчивость пузырьков и флотационных пен;

– условия зарождения и образования пузырьков на границе раздела жидкость–твердое тело за счет выделения растворенных газов.

Из-за многообразия факторов, определяющих течение флотационного процесса, трудно руководствоваться только теоретическими предпосылками в выборе вероятного режима и эффекта флотационной очистки сточных вод. В каждом отдельном случае необходима экспериментальная проверка флотируемости загрязнений, содержащихся в сточных водах, в лабораторных условиях или на небольших полупроизводственных установках (ниже приводятся некоторые их схемы). Такие исследования позволяют выявить некоторые закономерности очистки сточных вод флотацией, учет которых необходим для создания условий, обеспечивающих полноту и высокую скорость изъятия загрязнений из сточных вод.

Метод пенной флотации применяют для извлечения нерастворенных и частичного снижения концентрации некоторых растворенных веществ, метод пенной сепарации – для удаления растворенных веществ. Флотаторы применяют также для удаления загрязняющих веществ из сточных вод перед биологической очист­кой; для разделения иловой смеси; и технологических схе­мах глубокой очистки биологически очищенных сточных вод; при повторном использовании очищенных сточных вод.