О выборе способа флотационной обработки растворов для интенсификации процессов очистки производственных сточных вод | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Андреев С. Ю., Камбург В. Г., Петрунин А. А., Бодажков Н. Ю. О выборе способа флотационной обработки растворов для интенсификации процессов очистки производственных сточных вод // Молодой ученый. — 2015. — №6. — С. 113-118. — URL https://moluch.ru/archive/86/16194/ (дата обращения: 23.09.2018).

Флотационные методы очистки производственных сточных вод являются одними из современных эффективных средств. Практикой очистки воды и других загрязненных жидкостей флотацией за долгие годы ее применения были выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы, отличающиеся друг от друга рядом признаков. Наиболее важной отличительной чертой процесса флотации является способ насыщения жидкости пузырьками воздуха определенной крупности.

Цель работы

В настоящей работе предложены теоретически обоснованные рекомендации по выбору способа насыщения воды пузырьками воздуха различной крупности, в зависимости от возникающих технологических ситуаций.

Основная часть работы

Практикой очистки воды и других загрязненных жидкостей флотацией за долгие годы ее применения были выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы, отличающиеся друг от друга рядом признаков. Наиболее важной отличительной чертой процесса флотации является способ насыщения жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу принято выделять следующие способы флотационной обработки воды:

1)      флотация с механическим диспергированием воздуха;

2)      пневматическая флотация;

3)      электрофлотация;

4)      флотация с выделением воздуха из пересыщенного раствора газа в жидкости.

При механической флотации пузырьки воздуха образуются за счет механического взаимодействия потоков воздуха и жидкости с рабочим органом флотационных машин.

В процессе безнапорной механической флотации, при небольших количествах потребного воздуха (менее 4 % от расхода перекачиваемой насосом воды) используется центробежный насос с подачей воздуха во всасывающий патрубок.

Импеллерная флотация предусматривает расположение у дна флотационной камеры турбины насосного типа (импеллера) со статором. В центре статора имеется воздушная трубка, соединенная с атмосферой. При быстром вращении импеллера в центральной части камеры создается зона пониженного давления и через отверстия в верхней части статора на импеллер поступает сточная жидкость, которая затем выбрасывается лопастями турбины через направляющие щели отбойника. Одновременно происходит засасывание воздуха из атмосферы через трубу. Потоки воздуха и жидкости взаимодействуют между собой и с поверхностью турбины, в результате чего образуются пузырьки воздуха диаметром 0,5–5 мм. На статоре, оборудованном отбойниками, происходит гашение вращательного движения выходящей с импеллера водовоздушного потока. Флотационные машины с диспергированием воздуха импеллером не позволяют получить мелкодисперсной водовоздушной смеси. Они нашли широкое распространение при обогащении полезных ископаемых и могут быть использованы при очистке сточных вод, содержащих ПАВ.

В процессе пневматической флотации пузырьки воздуха образуются путем впускания воздуха во флотационную камеру через специальные сопла, пористые или перфорированные элементы.

Пневматическая флотационная установка представляет собой резервуар, чаще всего выполненный в виде колонны высотой 3–5 м, в который сверху поступает очищаемая вода, а снизу — диспергированный на пузырьки размером 4–10 мм воздух, подаваемый от компрессора. Теоретические основы процесса образования пузырька воздуха из единичной поры были подробно рассмотрены в главе 2.3.

Эффективность пневматической флотации, как правило, не превышает эффективности механических флотационных машин ввиду близости дисперсного состава получаемой на них водовоздушной смеси.

Сущность процесса электрофлотации заключается в образовании пузырьков газа при пропускании через слой воды электрического тока. В процессе электролиза воды на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Основную роль в процессе флотации играют пузырьки водорода, выделяющегося на катоде. Размер пузырьков, отрывающихся от электродов зависит от величины плотности тока, конструкции электродной системы, наличия ПАВ в обрабатываемой воде.

Хотя электрофлотация является эффективным методом, позволяющим получить тонкодисперсную газожидкостную смесь, в последнее время она все реже используется в практике водоочистки ввиду высоких энергозатрат, необходимых для проведения электролиза воды.

Наибольшее распространение в технологиях очистки воды, содержащей мелкие дисперсные частицы, получил метод флотации с выделением воздуха из пересыщенного раствора жидкости, поскольку он не требует значительных энергозатрат и позволяет получить самые мелкие пузырьки воздуха. Флотация с выделением воздуха из раствора технологически возможна следующими путями:

1)        При снижении давления над жидкостью насыщенной воздухом при атмосферном давлении до давления 30–40 КПа. Этот способ получил название вакуумной флотации.

2)        Предварительного насыщения воды воздухом при избыточном давлении (300–600 КПа) с последующим его снижением до атмосферного. Этот способ получил название компрессионной флотации.

Разновидностью компрессионной флотации является способ эрлифтной флотации. В процессе эрлифтной флотации в колонне высотой 20–30 м создается нисходяще-восходящий поток жидкости. В нисходящий поток жидкости, находящийся под гидростатическим давлением через диспергирующее устройство, расположенное у дна колонны подается сжатый воздух. В процессе противоточной аэрации вода насыщается воздухом. Поднимаясь вверх в результате снижения давления, поток обогащается микропузырьками воздуха, выделяющимися из раствора.

Наиболее простыми и удобными в эксплуатации являются напорные флотационные установки с дросселированием избыточного давления.

Процесс напорной флотации с дросселированием предварительно насыщенной при избыточном давлении жидкости может быть реализован по пяти технологическим схемам (рис.1).

1.         Прямоточная, с насыщением воздухом и дросселированием всего расхода очищаемой жидкости (рис.1а).

2.         Прямоточная, с насыщением воздухом и дросселированием части расхода очищаемой воды с последующим смешением с основным потоком исходной воды (рис.1б).

3.         Прямоточная, с насыщением воздухом части расхода очищаемой воды с последующим смешением с основным потоком исходной воды под давлением насыщения и дросселированием смеси (рис.1в).

4.         Циркуляционная, с насыщением воздухом и дросселированием части расхода очищенной во флотаторе воды (рециркуляционного расхода), с последующим смешением газожидкостной смеси с основным потоком исходной воды (рис.1г).

5.         Циркуляционная, с насыщением воздухом части расхода очищенной во флотаторе воды с последующим смешением с потоком исходной воды под давлением насыщения и дросселирования смеси (рис.1д).

Описание: shemi

Рис. 1. Технические схемы напорных флотационных установок с дросселированием раствора пересыщенной жидкости: 1-насос; 2-компрессор; 3-сатуратор; 4-дросселирующее устройство; 5-флотатор

 

Существующие математические модели можно условно подразделить на три группы:

1)        экспериментально-математические модели (эмпирические), в которых количественные оценки взаимосвязей между основными элементами производятся путем аппроксимирования полученных экспериментальных данных;

2)        полуэмпирические модели — предусматривают выведение критериальных комплексов с использованием методов теории подобия (Пи-теоремы) и описание с их помощью исследуемых процессов;

3)        теоретические модели, детерминированные (портретные) — базируются на фундаментальных закономерностях существенных, устойчивых и неслучайных связях между свойствами материальных объектов.

Модели первого типа дают наиболее точные результаты только в узких границах значений параметров, соответствующих условиям проведения исходных экспериментов. Модели второго типа обладают большей универсальностью. Наиболее точными прогнозирующими свойствами, позволяющими исследовать особенности изучаемой системы и широким диапазоном изменений ее параметров, обладают модели третьего типа.

Теоретические математические модели принято подразделять на следующие группы:

1)      модели, полученные с использованием термодинамического подхода;

2)      модели, полученные с использованием кинетического подхода.

Термодинамический подход позволяет оценить вероятность перехода системы из одного состояния в другое, используя понятие изменения ее внутренней энергии. Кинетический подход в отличие от термодинамического предполагает и изучение скорости процесса перехода (количественных и качественных характеристик процесса в момент перехода системы из одного состояния в другое). Рассмотрим применение различных моделей для описания процесса флотационной очистки природных и сточных вод.

Первыми теоретическими моделями, описывающими процесс флотации, являлись модели, полученные с использованием термодинамического подхода.

Были выделены два основных направления. Первое направление (контактное) исходит из термодинамического анализа прилипания частиц к пузырькам газа на основе общих положений теории смачивания и предполагает устойчивость системы частица-пузырек только при условии образования трехфазного периметра смачивания — места соприкосновения жидкости, газа и поверхности частицы.

В элементарном акте флотации по механизму столкновения, под которым понимается взаимодействие единичной частицы с единичным пузырьком, были выделены две основные стадии процесса: сближения поверхности частицы с пузырьком и закрепления частицы на пузырьке [2, 3].

Вероятность закрепления частицы определяется вероятностями прилипания и сохранения частицы на пузырьке.

В результате действия силы тяжести либо инерционных сил может произойти отрыв частицы от поверхности пузырька. Эти силы пропорциональны кубу линейных размеров частицы (объему), т. е. достаточно велики для крупных частиц и малы для мелких.

Для сравнения можно указать, что силы отрыва при размере частиц 100 мкм в миллион раз больше, чем для частиц размером 1 мкм. По этой причине закрепление крупных частиц на пузырьке возможно лишь с помощью формирующегося в месте контакта трехфазного периметра смачивания, который может сопротивляться большим отрывным силам.

Закономерности такой контактной флотации описаны в литературе по флотационному обогащению полезных ископаемых [4].

Второе направление (бесконтактное) рассматривает процессы флотации мелких частиц, при которых силы отрыва уравновешены поверхностными силами. В этом случае не формируется трехфазный периметр, так как краевой угол смачивания может оказаться второстепенным фактором, а главное значение приобретают поверхностные силы: молекулярные силы притяжения и электростатические силы взаимодействия двойных слоев частицы и пузырька, которые чаще всего имеют один и тот же отрицательный заряд.

В связи с этим особенности и теоретические положения процесса флотации мелких частиц представляют практический интерес.

Теоретические основы флотации мелких частиц активно разрабатывались Дерягиным Б. В. и представителями его научной школы [2,3].

В основе всех термодинамических моделей лежит предположение, в соответствии с которым при прилипании частицы к пузырьку газа образуется флотоагрегат, свободная энергия которого меньше, чем у исходной системы [5, 6].

Суммарная энергия исходной системы, Дж:

, (1)

где Sж-г и Sж-ч – площадь поверхности раздела соответственно: газ-жидкость и жидкость — флотируемая частица, м2;

σ ж-г σж-ч– коэффициенты поверхностного натяжения на границе раздела фаз соответственно: газ-жидкость; жидкость-частица, .

При образовании единичной площади контакта частицы с пузырьком свободная энергия системы

,         (2)

где σч-г – коэффициент поверхностного натяжения на границе частица-газ, .

Уменьшение свободной энергии системы составляет

.          (3)

В соответствии со вторым законом Лапласа

.

Тогда для единичной площади контакта пузырька и частицы уменьшение свободной энергии системы составит

,          (4)

где  — краевой угол смачивания.

Таким образом, в результате образования агрегата «пузырек-частица» происходит уменьшение свободной энергии системы, значение которой пропорционально поверхности контакта частиц и пузырьков, поверхностному натяжению на границе газ-жидкость и краевому углу смачивания. Величину (1-cosθ) принято называть мерой флотируемости частиц.

Флотируемость зависит также и от характера частиц. Например, гидрофильные гидроокиси металлов имеют очень малый краевой угол смачивания, однако они образуют хлопья, в которые проникают пузырьки газа, в результате чего оказывается возможной их флотация с высокой эффективностью без применения специальных реагентов. В работах [7–9] приведены практические примеры реализации такого подхода.

Из формулы (4) следует, что при постоянном σж-г с повышением θ будет увеличиваться ΔW, а, следовательно, и устойчивость флотокомплекса «частица-пузырек».

В исследованиях Н. Н. Рулева [3] рассматривается капиллярная теория флотации. Приводятся исследования условия формирования трехфазного периметра смачивания с учетом его линейного натяжения. Анализ полученных данных привел Н. Н. Рулева к выводу о том, что на сферической частице трехфазный периметр может сформироваться только в том случае, если его радиус r превосходит некоторое критическое значение rс, определяемое по формуле:

,          (5)

где rч – радиус частицы, м;

σ – коэффициент поверхностного натяжения границы раздела фаз жидкость-газ, ;

К – коэффициент линейного натяжения трехфазного периметра, ;

θ2 и θ – соответственно углы смачивания искривленной и плоской поверхности частицы.

Основной результат, полученный Н. Н. Рулевым, состоит в том, что отличное от нуля значение угла смачивания θ еще не гарантирует возможность прилипания, как это можно было бы заключить на основе формулы (4), т. е. учет кривизны частицы и линейного натяжения трехфазного периметра приводит к качественно иным выводам.

Более глубокий анализ результатов, полученных с использованием термодинамического подхода, показывает серьезные их расхождения с экспериментальными данными. Хотя устойчивость флотационного процесса и свидетельствует о конечном понижении свободной энергии системы «частица-пузырек» при переходе в связанное состояние, что в общем оправдывает использование термодинамического анализа путем сопоставления величин конечной и начальной свободных энергий, тем не менее с точки зрения кинетики процесса можно прийти к выводу, что в большинстве случаев самопроизвольному акту слипания должно предшествовать преодоление энергетического барьера под действием внешних сил. Изучая только направление и результат процесса, термодинамика не рассматривает такие важные вопросы, как механизм и скорость протекания процесса. Таким образом, только сочетание термодинамического и кинетических методов может дать достаточно полную информацию о флотационном процессе.

Тот факт, что термодинамический метод первоначально доминировал в теории флотации, объясняется, прежде всего, разрывом, который существовал между теорией и практикой. Простота и универсальность этого метода, позволяющие легко решать такой важный вопрос, как возможность существования устойчивой системы «частица-пузырек», сделали его незаменимым в описании флотационных процессов, используемых в обогатительной промышленности, которые требуют избирательного извлечения сравнительно крупных частиц (более 10 мкм).

Для крупных частиц стадия сближения с пузырьком воздуха облегчена их инерционностью, и кинетика этого процесса может остаться не рассмотренной.

Выводы

Проведенный теоретический анализ термодинамических моделей флотационных процессов извлечения примесей показал следующее:

-          термодинамические модели могут эффективно описывать флотационные процессы извлечения инерционных дисперсных частиц, d>10 мкн и успешно используются при описании и изучении процессов обогащения в горнорудной промышленности;

-          для описания процессов флотационного извлечения при очистки безынерционных, дисперсных частиц, необходимо использовать кинетические модели.

 

Литература:

 

1.         Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры // — М.: ФИЗМАТЛИТ.- 2002. –С. 320.

2.         Дерягин Б. В. Теоретические основы и контроль процессов флотации [Текст] / Б. В. Дерягин, С. С. Духин, Н. Н. Рулев. — М.:Недра. -1980.

3.         Рулев Н. Н. Кинетика флотации мелких частиц коллективом пузырьков [Текст] / Н. Н. Рулев, Б. В. Дерягин, С. С. Духин // Коллоидный журнал. — 1977. –т.39. — № 1.

4.         Чантурия В. А. Химия поверхностных явлений при флотации [Текст] / В. А. Чантурия, Р. Ш. Шафеев. — М.:Недра. -1977.

5.         Дерягин Б. В. Микрофлотация [Текст]/ С. С. Духин, Н. Н. Рулев.– М.:Химия. -1986.

6.         Рулев Н. Н. Теория флотации мелких частиц и флотационной водоочистки [Текст] / Н. Н. Рулев //Дис. канд. хим. наук. — Киев. — 1977.

7.         Андреев С. Ю., Гришин Б. М. Новая технология безреагентной флотационной очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты // Региональная архитектура и строительство -Пенза: — 2011. -№ 1, -С. 36–42.

8.         Гришин Б. М., Андреев С. Ю., Камбург В. Г. Теоретические и экспериментальные исследования флотационной очистки нефтесодержащих производственных сточных вод с применением вихревых смесительных устройств // Региональная архитектура и строительство -Пенза: -2012.- № 1.-С. 11–16.

9.         Андреев С. Ю., Камбург В. Г., Петрунин А. А., Князев В. В., Давыдов Г. П. Математическое моделирование кинетики процессов массопередачи из всплывающих газовых пузырьков в технологиях очистки сточных вод // Региональная архитектура и строительство -Пенза: -2013.- № 3.-С. 134–139.

Основные термины (генерируются автоматически): пузырек воздуха, модель, насыщение воздухом, свободная энергия системы, трехфазный периметр, термодинамический подход, исходная вода, последующее смешение, частица, линейное натяжение.


Похожие статьи

Математическое описание движения частиц твёрдого тела и газа...

Форму частицы считаем шарообразной, плотность частицы -больше плотности воздуха и с числом Рейнольдса

где: -скорость набегающего потока. –радиус частиц. Тогда динамику движения частиц можно описать уравнениями системы (1–3).

Определение коэффициента поверхностного натяжения...

Свойство границы раздела между жидкостью и воздухом, находящимся в контакте с ее свободной

Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это

3. Метод максимального давления пузырька. 4. Метод осциллирующей струи.

Математическое моделирование процессов формирования...

Рис. 3. Начальное положение частиц: слева – вид в пространстве, справа – вид в проекции на плоскость ZOX.

Рис. 6. Изменение потенциальной энергии системы частиц. Заключение.

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй...

Численный метод. Системы уравнений (1¸11) с краевыми условиями (12) обезразмеривались введением безразмерных переменных по формулам

Исходные значения k и e покоящегося воздуха не превышали 1 % от начальных значений кинетической энергии турбулентности и...

Использование термодинамических моделей для...

1. термодинамические модели, позволяющие оценить вероятность образования флотокомплекса «дисперсные частицыпузырек воздуха исходя из анализа изменения энергии дисперсной системы.

Влияние недостаточной производительности конденсатора на...

Уменьшение расхода воздуха через конденсатор приводит к снижению скорости молекул

Рассчитаны основные термодинамические параметры кондиционера легкового автомобиля.

Ананьев В. А., Балуева Л. Н., Гальперин А. Д. Системы вентиляции и кондиционирования.

Колебания упругого полупространства с цилиндрическими...

В статье рассмотрены линейные колебания упругого полупространства при воздействии поверхностной волны Рэлея.

До начала момента вращения точки рассматриваемой механической системы (рис. 1.) находятся в покое: ; ; где — u1 и u2 перемещения частицы...

Математическое моделирование процессов сепарации газов от...

Для описания таких систем применяются модели гомогенного течения, раздельного течения фаз, потока дрейфа и др.

Таким образом, на основе применения уравнения конвективного массопереноса частиц получены выражения для определения профиля изменения...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Математическое описание движения частиц твёрдого тела и газа...

Форму частицы считаем шарообразной, плотность частицы -больше плотности воздуха и с числом Рейнольдса

где: -скорость набегающего потока. –радиус частиц. Тогда динамику движения частиц можно описать уравнениями системы (1–3).

Определение коэффициента поверхностного натяжения...

Свойство границы раздела между жидкостью и воздухом, находящимся в контакте с ее свободной

Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это

3. Метод максимального давления пузырька. 4. Метод осциллирующей струи.

Математическое моделирование процессов формирования...

Рис. 3. Начальное положение частиц: слева – вид в пространстве, справа – вид в проекции на плоскость ZOX.

Рис. 6. Изменение потенциальной энергии системы частиц. Заключение.

Численное моделирование трехмерных турбулентных струй...

Численный метод. Системы уравнений (1¸11) с краевыми условиями (12) обезразмеривались введением безразмерных переменных по формулам

Исходные значения k и e покоящегося воздуха не превышали 1 % от начальных значений кинетической энергии турбулентности и...

Использование термодинамических моделей для...

1. термодинамические модели, позволяющие оценить вероятность образования флотокомплекса «дисперсные частицыпузырек воздуха исходя из анализа изменения энергии дисперсной системы.

Влияние недостаточной производительности конденсатора на...

Уменьшение расхода воздуха через конденсатор приводит к снижению скорости молекул

Рассчитаны основные термодинамические параметры кондиционера легкового автомобиля.

Ананьев В. А., Балуева Л. Н., Гальперин А. Д. Системы вентиляции и кондиционирования.

Колебания упругого полупространства с цилиндрическими...

В статье рассмотрены линейные колебания упругого полупространства при воздействии поверхностной волны Рэлея.

До начала момента вращения точки рассматриваемой механической системы (рис. 1.) находятся в покое: ; ; где — u1 и u2 перемещения частицы...

Математическое моделирование процессов сепарации газов от...

Для описания таких систем применяются модели гомогенного течения, раздельного течения фаз, потока дрейфа и др.

Таким образом, на основе применения уравнения конвективного массопереноса частиц получены выражения для определения профиля изменения...

Задать вопрос