Флотация. Технологии и процесс

Уважаемые коллеги! В очередном выпуске рассылки от НПЦ «ПромВодОчистка» мы решили подробнее остановиться на флотации – процессе обогащения воды воздухом. Как это делается и для чего нужно, читайте подробнее в нашей статье.

ФАКТ 1. ОТДЕЛЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ СОБИРАЮТСЯ В ВИДЕ ПЕНЫ (ФЛОТОПРОДУКТ) НА ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТИ

В противоположность отстаиванию флотация представляет собой процесс раз­деления фаз жидкость - твердое вещество или жидкость-жидкость, применяемый в отношении частиц, плотность которых меньше плотности содержащей их жидкос­ти.

Флотацию называют естественной, если разность между природной плотнос­тью агрегатов частиц и плотностью воды достаточна для их разделения.

Принудительной флотацией называют процесс, в котором для улучшения отде­ления частиц, обладающих природной флотируемостью (но имеющих недостаточ­ную скорость разделения), используются различные внешние средства (воздух или воздух и различные реагенты).

Флотацию называют спровоцированной, если плотность частицы, превышаю­щая плотность жидкости, искусственно снижается для обеспечения ее флотации. При этом используется способность некоторых твердых частиц (или жидкостей) прилипать к пузырькам газа (как правило, воздуха) с образованием пар твердая частица - газ, имеющих меньшую плотность, чем жидкость, в которой они диспер­гированы. Таким образом, действующий процесс имеет трехфазную природу (газ - жидкость - твердая фаза) и зависит от физико-химических характеристик всех трех фаз, и в первую очередь от характера их межфазных поверхностей (большая или меньшая гидрофобность).

Пузырьки газа обычно классифицируют по их размеру: средние (2-4 мм), мелкие (от сотен микрометров до 1 мм)-и микропузырьки (40-70 мкм).

В области обработки воды термином «флотация» (в буквальном смысле этого сло­ва) принято называть флотацию, спровоцированную действием микропузырьков, подобных тем, которые можно видеть в струе «белой» воды, вытекающей из крана сети распределения воды, т. е. струи, обогащенной газом, растворенным в ней под большим давлением. Последний процесс называют напорной флотацией или флотацией растворенным воздухом (FAD — от фр. flottationaairdissout или DAF — от англ. dissolvedairflotation).

В горно-обогатительной и нефтяной промышленности для обозначения флота­ции с использованием воздуха или иного газа, диспергированного до состояния мелких пузырьков диаметром 0,2-2 мм, используется термин механическая фло­тация (в англоязычных странах применяются термины IAF — Induced Air Flotation или IGF — Induced Gas Flotation (принудительная флотация воздухом или газом)).

ФАКТ 2. ВОСХОДЯЩАЯ СКОРОСТЬ МИКРОПУЗЫРЬКА ГАЗА В ВОДЕ В ЛАМИНАРНОМ РЕЖИМЕ ОПИСЫ­ВАЕТСЯ УРАВНЕНИЕМ СТОКСА

При увеличении диаметра пузырька его восходящая скорость возрастает и уве­личивается турбулентность течения вокруг него, вследствие чего его движение пе­рестает подчиняться закону Стокса. Поэтому для расчета восходящей скорости пу­зырьков размерами 20-20 ООО мкм (рис. 1) последовательно применяются законы Стокса, Аллена и Ньютона.

Результаты расчета показывают (см. рис. 1 и 2), что:

• пузырьки размером 50 мкм имеют скорость порядка 6 м/ч при 30 ‘С и 4 м/ч при 10 оС;
• пузырьки диаметром порядка 1 мм имеют примерно в 100 раз большую ско­рость подъема.

Рисунок 1. Восходящая скорость пузырьков воздуха в воде

Рисунок 2. Восходящая скорость микропузырьков воздуха в воде

О размере пузырьков

Для отделения флокул целесообразно использовать микропузырьки, посколь­ку пузырек диаметром 1,2 мм заключает в себе в 8000 раз больше воздуха, чем мик­ропузырек размером 60 мкм. Из этого следует:

• если при необходимости получения равномерного распределения пузырь­ков по всему сечению аппарата будут использоваться пузырьки диаметром не­сколько миллиметров, то это потребует гораздо большего расхода воздуха, чем в случае микропузырьков, при этом большое количество воздуха приведет к воз­никновению турбулентных течений, обладающих весьма значительным возмуща­ющим действием;
• увеличение концентрации пузырьков повышает вероятность встречи частиц с пузырьками. Кроме того, невысокая восходящая скорость микропузырьков в массе жидкости обеспечивает более надежное их прилипание к столь хрупким частицам, какими являются флокулы;
• сцепление пузырьков значительно облегчается, если их диаметр заметно меньше диаметра взвешенной флокулы.

В тех случаях, когда целью обработки является увеличение скорости естествен­ной флотации и удержание на поверхности воды образовавшейся пены, для отде­ления крупных, рыхлых, более легких, чем вода, частиц, обладающих гидрофобностью, можно использовать пузырьки больших размеров. Именно это имеет место при отделении жиров.

ФАКТ 3. ВЫДЕЛЯЮТ ДВА ОСНОВНЫХ ТИПА ФЛОТАЦИИ – ЕСТЕСТВЕННУЮ И ПРИНУДИТЕЛЬНУЮ

Естественная флотация

Процесс флотации широко используется для предварительного извлечения жиров, хотя, как правило, соответствующие аппараты не называют флотаторами. Перед такой двухфазной флотацией может производиться коалесценция (позволя­ющая микрокапелькам сливаться друг с другом) в целях получения размеров ка­пель, благоприятствующих отделению жиров от воды.

Принудительная флотация воздухом без использования реагентов

В данном случае мы имеем дело с естественной флотацией, для проведения ко­торой сквозь массу жидкости продувают пузырьки воздуха. Ее преимущественно применяют для отделения диспергированных жиров (частицы гидрофобны, вслед­ствие чего воздух с легкостью прилипает к их поверхности).

При обычном извлечении жиров воздух подается через диффузоры пузырьками средних размеров (2-4 мм), создающими турбулентность, что позволяет также от­делять тяжелые частицы (как минеральные, так и органические), прилипшие к жи­рам.

Рисунок 3. Растворимость воздуха в воде при 20 оС

 

Для более глубокого извлечения жиров на стадии предварительной обработки ГСВ воздух подается мелкими пузырьками (от сотен микрометров до 1 мм) с по­мощью погружного механического аэратора. Таким образом реализуется процесс квазифлотации, состоящий в аккумулировании плавающих веществ и удержании их на поверхности жидкости.

Принудительная флотация с использованием реагентов (механическая флотация, или вспенивание)

Принудительная флотация этого типа протекает в условиях, весьма отличающих­ся от характерных для напорной флотации: другие плотность и размеры твердых частиц, размеры пузырьков воздуха, условия смешивания. Для изменения поверх­ностного натяжения используются специальные реагенты.

ФАКТ 4. НАПОРНАЯ ФЛОТАЦИЯ НАИ­ЛУЧШИМ ОБРАЗОМ ОТВЕЧАЕТ УСЛОВИЯМ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ДОСТАТОЧНО ХРУПКИХ ФЛОКУЛ, ОБЛА­ДАЮЩИХ ОТНОСИТЕЛЬНО НЕВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ, ОБУСЛОВЛЕННОЙ ИХ СОСТАВОМ (ГИДРОК­СИДЫ И/ИЛИ ОВ)

Формирование микропузырьков предварительным насыщением

Рисунок 4. Различные типы напорной флотации

 

Предварительное насыщение под давлением является наиболее распростра­ненным способом формирования микропузырьков.

Контакт воды с воздухом происходит в закрытом сосуде под давлением в не­сколько бар; воздух растворяется в воде в соответствии с законом Генри (на рис. 3 показана зависимость концентрации воздуха, растворенного в насыщенной воде при 20 "С, от давления).

В качестве жидкости, подвергаемой предварительному насыщению воздухом, используют либо исходную воду (частично или полностью) — прямое насыщение, либо часть рециркулируемой обработанной воды — косвенное насыщение (рис. 4).

При осветлении поверхностных вод или ПСВ, как правило, применяют косвенное насыщение; расход насыщенной воздухом воды составляет от 5 до 50 % расхода обрабатываемой воды; давление 4-6 бар. На практике используют воду, содержа­щую растворенный воздух в количествах, отвечающих 70-95%-му насыщению воды при данном давлении. Расход сжатого воздуха существенно изменяется в зависи­мости от области применения напорной флотации.

Рисунок 5. Микропузырьковое молоко (напорная флотация)

При сгущении осадка (гидроксидные осадки или избыточный активный ил) насы­щение осуществляется прямым способом, поскольку с учетом концентрации фло­тируемых ВВ (2-6 г/л) требуется гораздо большее количество воздуха.

Пузырьки воздуха образуются при уменьшении давления в специальном устрой­стве; на рис. 36 показана зависимость от температуры объема воздуха, высвобож­дающегося в форме микропузырьков для случая 100%-го насыщения воды воздухом и 100%-го снятия давления. Конструкция устройства, в котором происходит процесс снятия давления, определяет качество (размеры и однородность) образу­ющихся пузырьков.

Отметим, что один пузырек диаметром 2 мм заключает в себе столько же воздуха, сколько его содержится в 106 микропузырьков размером по 20 мкм. Кроме того, крупные пузырьки создают турбулентные потоки, опасные для нормального пере­мешивания, т. е. формирования смеси так называемой белой воды (микропузырьковое молоко) со сфлокулированной водой (рисунок 5 — вид струи молочно-белой воды, в которой практически отсутствуют пузырьки крупных размеров).

Все установки напорной флотации содержат:

• зону флокуляции — на начальной стадии обработки воды;
• зону смешивания флокул с водой после снятия давления — непосредственно после появления микропузырьков;
• флотационную камеру, с поверхности которой образовавшаяся пена удаляет­ся гребками-пеногонами или отводится гидравлически (переливом);
• зону отвода обработанной воды из нижней части флотационной камеры через перегородку.

При обработке сточных вод не всегда удается сфлотировать все ВВ. Неизбежно, что в конце концов часть наиболее тяжелых частиц оседает на дно уста­новки. Вследствие этого флотомашины, используемые для обработки ПСВ или ГСВ, обычно оснащаются системой удаления осадка со дна (днище, имеющее значи­тельный наклон, или скребки-осадкоудалители).

Напорная флотация при обработке вод применяется для различных целей:

• отделение сфлокулированных веществ при осветлении (для воды, содержа­щей небольшое количество ВВ, но обогащенной ОВ, водорослями и/или сильно окрашенной, например воды многих озер и водохранилищ);
• отделение и извлечение волокон из сточных вод предприятий целлюлозно-бу­мажной промышленности;
• отделение и извлечение жиров и белковых веществ из сточных вод предприя­тий аграрно-пищевой промышленности;
• отделение нефтепродуктов из сточных вод нефтеперерабатывающих и метал­лургических заводов, аэропортов и т. п.;
• отделение гидроксидов металлов или пигментов;
• осветление растворов активных илов вместо отстойников (довольно редкий случай);
• третичная физико-химическая обработка воды;
• сгущение избытка осадка, образующегося при биологической обработке сточ­ных вод или при осветлении питьевой воды, включая осадки от промывки фильтров и биофильтров.