Problem oczyszczania ścieków jest aktualny od wielu dziesięcioleci. Trudność polega na starzeniu się metod i urządzeń, a także pojawieniu się nowych chemikaliów w chemii gospodarczej i produkcji, wymagających zupełnie nowego podejścia do ich usuwania ze ścieków. Jedną z uniwersalnych metod oczyszczania ścieków jest flotacja. W zależności od właściwości zanieczyszczenia wymaga jedynie wymiany odczynników i korekty warunków procesu.
Oczyszczanie ścieków
Ta metoda jest z powodzeniem stosowana do oczyszczania ścieków zawierających włókna, produkty naftowe, oleje i tłuszcze oraz inne substancje słabo rozpuszczalne w wodzie. Ścieki są najpierw przekształcane w zawiesinę i emulsję za pomocą specjalnych substancji.
Proces flotacji opiera się na zdolności pęcherzyków gazu do przyczepiania się do cząstek, co pomaga im unosić się na powierzchni cieczy.
Ogólne zasady metody
Najprostszym aktem unoszenia się na wodzie jest przywiązanienierozpuszczalne cząstki (na przykład mineralne, olejowe lub inne) na pęcherzyki powietrza. Powodzenie oczyszczania zależy od szybkości, z jaką tworzy się wiązanie między cząstką a bąbelkami, od siły tego wiązania i od czasu istnienia tego kompleksu. To z kolei zależy od charakteru cząstek, tendencji do zwilżania wodą i cech ich interakcji z odczynnikami. Zatem flotacja jest procesem zależnym od wielu czynników.
Podstawową czynność można przeprowadzić za pomocą jednego z następujących mechanizmów:
- pęcherzyki tworzą się natychmiast w zawieszonych cząsteczkach;
- Cząsteczki zawieszenia przyczepiają się do pęcherzyka gazu, gdy się z nim zderzają;
- na powierzchni cząsteczki tworzy się mały pęcherzyk, który łączy się z innym po zderzeniu i zwiększa swoją objętość.
Kompleks, który powstaje podczas procesu flotacji, w praktycznie nieruchomym ośrodku może unosić się na wodzie tylko pod warunkiem, że siła unosząca pęcherzyka gazu jest większa niż ciężar cząstki. Doprowadzi to do powstania warstwy piany na powierzchni uzdatnionej wody.
Ponadto powierzchnia pęcherzyków i cząstek w punkcie kontaktu musi być w określonym stosunku. Siły adhezyjne wzrastają proporcjonalnie do wielkości cząstek do kwadratu, ponieważ obwód ich połączenia jest ograniczony wielkością największej z ich powierzchni. A siła separacji bezpośrednio zależy od masy cząstki zanieczyszczającej (tj. jej wymiarów liniowych w sześcianie). Tak więc, po osiągnięciu określonej wielkości cząstek, siły odrywania przekraczają siły przywierania. Więc dlaSkuteczne oczyszczanie ścieków metodą flotacji jest ważne nie tylko ze względu na charakter relacji zawiesiny z bąbelkami, ale także ich wielkość.
Sposoby nasycania wody bąbelkami
Istnieje wiele technik, które zapewniają pojawienie się pęcherzyków gazu w ściekach. Główne metody stosowane we flotacji to:
- Metoda kompresji (lub ciśnienia) oparta na zwiększeniu rozpuszczalności powietrza w wodzie wraz ze wzrostem ciśnienia.
- Metoda mechaniczna polegająca na intensywnym mieszaniu cieczy z powietrzem.
- Przepuszczanie ścieków przez porowate materiały powodując ich rozproszenie.
- Metoda elektryczna oparta na elektrolizie wody, której towarzyszy pojawienie się pęcherzyków gazu.
- Proces chemiczny, który powoduje tworzenie się pęcherzyków podczas reakcji chemicznych niektórych odczynników ze składnikami ścieków.
- Metoda próżniowa charakteryzująca się redukcją ciśnienia.
Flotacja ciśnieniowa
Najskuteczniejszy do ekstrakcji drobnych i koloidalnych zawiesin o niskim stężeniu. Oczyszczona woda nasycana jest powietrzem pod ciśnieniem do 7 MPa w specjalnym reaktorze - saturatorze. Po uwolnieniu z niego wody ciśnienie gwałtownie spada do normy (atmosferycznej), co wywołuje intensywny proces powstawania pęcherzyków powietrza.
W celu znacznego zwiększenia efektywności uzdatniania wody flotację łączy się z koagulacją i flokulacją. Oba te podejściaprzyczyniają się do wzrostu wielkości nierozpuszczonych cząstek. Koagulanty to zarówno związki nieorganiczne, zwykle sole żelaza żelazowego lub glinu, jak i niektóre substancje organiczne. Flokulanty to specjalne polimery, których cząsteczki w środowisku wodnym tworzą naładowaną sieć zdolną do przyciągania zanieczyszczających cząstek, co prowadzi do pojawienia się flokulujących agregatów.
Instalacje i schematy przepływu
Instalacje do flotacji ciśnieniowej można umieszczać nie tylko w pomieszczeniach, ale także na zewnątrz. Tak więc te pierwsze nadają się do małych objętości, jeśli zużycie wody nie przekracza 20 m3/h, podczas gdy te drugie mają znacznie większą wydajność. Połączone rozmieszczenie struktur jest często stosowane, gdy duże obiekty, na przykład saturator i komora flotacyjna, znajdują się na zewnątrz, a pompy są w pomieszczeniach.
W przypadku instalacji w warunkach możliwego obniżenia temperatury powietrza do wartości ujemnych, konieczne jest zapewnienie systemu ogrzewania pianą. Klasyczna flotacja ciśnieniowa składa się z następujących urządzeń:
- Pompa do zasilania cieczą.
- Sprężarka do dostarczania powietrza (lub dowolnego gazu) do systemu uzdatniania wody.
- Saturator (inna nazwa to zbiornik ciśnieniowy), w którym powietrze rozpuszcza się w ściekach.
- Komory flotacyjne, jeśli proces przewiduje etap zgrubienia zawieszonych cząstek.
- Urządzenie do odczynników, w tym urządzenia do dozowania imieszanie odczynników z oczyszczaną cieczą.
- System kontroli procesu czyszczenia.
Schematy technologiczne obejmujące oczyszczanie ścieków metodą flotacji ciśnieniowej mogą być:
- Współprądowy, gdy pełna objętość oczyszczanej cieczy przechodzi przez saturator.
- Recyrkulacja, gdy tylko 20–50% sklarowanej cieczy przechodzi przez saturator.
- Częściowo bezpośredni przepływ, kiedy około 30-70% wody surowej dostaje się do saturatora, a reszta jest podawana bezpośrednio do komory flotacyjnej.
Przy wyborze jednego z tych schematów brane są pod uwagę właściwości fizyczne i chemiczne oczyszczonych ścieków, wymagania dotyczące stopnia oczyszczenia, warunki lokalne i wskaźniki ekonomiczne.
Elektroflotacja
Ta metoda zaczęła być stosowana w drugiej połowie XX wieku. Stwierdzono wówczas, że gazy elektrolityczne znacznie skuteczniej niż gazy obojętne czy powietrze zwiększają intensywność flotacji. Pozwala to na wyodrębnienie nierozpuszczalnych w wodzie produktów naftowych, olejów smarowych, słabo rozpuszczalnych związków metali ciężkich i nieżelaznych, które w ściekach tworzą trwałe emulsje. Ale oprócz gazów elektrolizy, na usuwanie niektórych zanieczyszczeń wpływa sztucznie wytworzone pole elektryczne, w którym naładowane cząstki poruszają się w kierunku przeciwnie naładowanych elektrod.
Istotnymi wadami elektroflotacji są niska wydajność, wysoki koszt elektrod, zużycie i zanieczyszczenie oraz zagrożenie wybuchem.
Metoda frakcjonowania pianki
Sprowadza się do adsorpcji rozpuszczonych substancji powierzchniowo czynnych (surfaktantów) na pęcherzykach gazu unoszących się w roztworze. W tym przypadku intensywnie tworzy się piana wzbogacona zaadsorbowaną substancją.
Ważnym obszarem zastosowania tego typu flotacji jest oczyszczanie wody z detergentów stosowanych w pralniach. Nadaje się również do oddzielania osadu czynnego od oczyszczania biochemicznego.
Opatrunek na rudę
Proces flotacji jest z powodzeniem stosowany w pierwotnym przerobie wszelkiego rodzaju rud, co umożliwia wydzielenie cennej frakcji o wysokiej zawartości metalu lub jego związków. Opiera się na różnicach we właściwościach powierzchni rozdzielonych minerałów.
Flotacja rudy to proces trójfazowy:
- faza stała to pokruszony minerał;
- faza ciekła to miazga;
- faza gazowa jest tworzona przez pęcherzyki powietrza przechodzące przez miazgę.
Flotacja może być pienista, warstewka lub oleista, w zależności od kształtu produktu powstałego na powierzchni fazy ciekłej.
