CC BY
236
1 SCIENCE TIME ■
тл 1(4 »Li ' tL® Jfl "тН -1 щг 1 - ■Fl ~ JP |Г1 1 r^g) ФЛОТАЦИЯ И ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Золотое Александр Владимирович, Лисовский Владимир Алексеевич, Багреева Ирина Сергеевна, Слепова Елена Викторовна, ФАУ 25 ГосНИИМО РФ, г. Москва Ефременко Роман Александрович, Военная академия материально-технического обеспечения им. генерала армии А.В. Хрулева МО РФ, г. Москва E-mail: sovrsv.12@mail.ru
Аннотация. Описание процесса флотации, целесообразность применения различных методов флотации для очистки сточных вод, характеристика типов флотаторов, описание их возможностей, недостатков.
Ключевые слова: очистка сточных вод, флотация, флотационные установки.
Применение флотации было известно еще в Х!Х веке, первой была предложена масляная флотация (В. Хайнс, Великобритания, 1860). Для её осуществления измельчённая руда перемешивается с маслом и водой; при этом сульфидные минералы избирательно смачиваются маслом, всплывают вместе с ним и снимаются с поверхности воды, а породы (кварц, полевые шпаты) тонут в воде. В России масляная флотация была использована для обогащения графитовой руды (г. Мариуполь, 1904). Позднее этот вид был усовершенствован: масло диспергировалось до эмульсионного состояния, что позволяло извлекать тонкие шламы, например марганцевых руд. Способность тонких гидрофобных частиц удерживаться на поверхности воды, в то время как гидрофильные тонут в ней, была использована для создания плёночной флотации (А. Нибелиус, США, 1892; А. Мак-Куистен, Великобритания, 1904). Плёночная флотация не имела большого практического использования, но явилась прообразом пенной флотации, как с точки зрения использования межфазной границы вода-воздух, так и с точки зрения использования флотационных реагентов, поскольку было замечено, что плёночная флотация проходит значительно эффективнее в присутствии небольших количеств масла. В процессе пенной флотации
| SCIENCE TIME |
обработанные реагентами частицы выносятся на поверхность воды пузырьками воздуха, образуя пенный слой, устойчивость которого регулируется добавлением пенообразователей. Для образования пузырьков предлагались различные методы: образование углекислого газа за счёт химической реакции (С. Поттер, США, 1902), выделение газа из раствора при понижении давления (Ф. Элмор, Великобритания, 1906) — вакуумная флотация, энергичное перемешивание пульпы (механическая флотации), пропускание воздуха сквозь мелкие отверстия (пневматическая флотация) [1].
В настоящее время для флотационной очистки промышленных сточных вод применяют флотационные установки различных типов, имеются примеры успешной очистки промышленных растворов и сточных вод с применением механических и пневмомеханических машин.
Флотация - это 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 [2].
Флотацию применяют для удаления из сточных вод диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы методом флотации заключается в образовании комплексов «пузырек-частица», всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости.
Уплотнение и разрушение пенного слоя может быть интенсифицировано нагреванием или с помощью специальных приспособлений - брызгалок. Прилипание частицы, находящиеся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью. Образование комплекса «пузырек-частица» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п.
В тех случаях, когда флотацию применяют для удаления растворенных веществ, например, ПАВ, процесс называется пенной сепарацией или пенным концентрированием. Возможность образования флотационного комплекса «пузырек-частица», скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависят от природы частиц, а также от характера взаимодействия реагентов с их поверхностью и способности частиц смачиваться водой. При закреплении пузырька образуется трехфазный периметр - линия, ограничивающий площадь прилипания пузырька и являющийся границей трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Касательная к поверхности пузырька в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют
I
SCIENCE TIME
I
обращенный в жидкость угол 0, называемый краевым углом смачивания.
Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела слабеет. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина ее поверхностного натяжения на границе с газовой средой, 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 0. Чем больше угол 0, тем более гидрофобна поверхность частицы, таким образом, увеличиваются 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.
Таким образом, процесс флотации заключается в следующем: при сближении в воде поднимающегося пузырька воздуха с твёрдой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частицей.
Затем комплекс «пузырек-частица» поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются, и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде. Прилипание происходит при столкновении
1
Рис. 1 Схема образования флотационного комплекса: 1 - газовый пузырек; 2 - загрязняющая частица нефтепродукта
I
SCIENCE TIME
I
пузырька с частицей или при образовании пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др. Поверхностно-активные вещества - реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, алкилсульфаты, амины и другие вещества.
Повысить гидрофобность частиц можно сорбцией молекул растворенных газов на их поверхность. Энергия образования комплекса «пузырек-частица»:
где а - поверхностное натяжение воды на границе с воздухом. Для частиц, хорошо смачиваемых водой, 0 стремится к нулю, следовательно, Cos0 стремится к единице, а значит, прочность прилипания минимальна. Для не смачиваемых частиц, наоборот, энергия образования комплекса «пузырек-частица» будет максимальной.
Эффект разделения флотацией зависит от размера и от количества пузырьков воздуха. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками или большое содержание газа в ней. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят сосновое масло, крезол, фенолы, алкилсульфаты натрия. Вес частицы не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотности материала и равен 0,2-1,5 мм. В практике очистки производственных сточных вод выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы флотации. Флотацию применяют для отчистки сточных вод многих производств: нефтепереработка, целлюлозно-бумажная промышленность, а также кожевенная, машиностроительная, пищевая и химическая. Флотацию используют для выделения активного ила после биохимической отчистки. Достоинствами флотации являются:
- непрерывность процесса;
- широкий диапазон применения;
- небольшие капитальные и эксплуатационные затраты;
- простота аппаратуры;
- селективность выделения примесей;
A=a(1-Cos0), (1)
| SCIENCE TIME |
- более высокая скорость процесса по сравнению с отстаиванием;
- возможность получения шлама более низкой влажности (90-95 %);
- высокая степень очистки (95-98 %);
- возможность рекуперации удаляемых веществ.
Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ и легко окисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Это способствует успешному проведению следующих стадий очистки. Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связаны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу, можно выделить следующие способы обработки производственных сточных вод:
- флотация с выделением воздуха из раствора;
- флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, напорные и пневматические флотационные установки);
- электрофлотация.
Для очистки воды разработаны различные технологические схемы и методы флотации, отличающиеся способами насыщения жидкости пузырьками воздуха определенного размера [3].
Импеллерная. Для очистки сточных вод от нефти, нефтепродуктов, а также жидкостей с высокой концентрацией (>2000-3000 мг/дм ) нерастворённых загрязнений, диспергирование воздуха в воде производится с помощью мешалки (импеллера). Обеспечение хорошей аэрации жидкости, полная имитация процесса, возможность быстрого получения предварительных данных для расчёта флотатора. Недостатком импеллерной флотации является малая эффективность; энергоёмкость; сложность конструкции; наличие вращающихся, быстроизнашивающихся частей; высокая турбулентность потоков во флотационной камере, приводящая к разрушению хлопьевидных частиц и уносом тонкодисперсных пузырьков; необходимость применения ПАВ.
Напорная. Для очистки от нефти, нефтепродуктов, жиров, масел, ПАВ и волокнистых веществ, пузырьки газа выделяются непосредственно на поверхности гидрофобных частиц за счёт пониженного давления. Достоинством напорной флотации является относительная простота конструкции; высокая эффективность; возможность подбора и регулировка в широких пределах степени перенасыщения жидкости. Недостаток метода процесс протекает в теплой воде при 15-20°C; использование напорного резервуара барботажного типа, не обеспечивающего достаточного насыщения сточных вод воздухом; распределение сточной воды во флотаторе с помощью перфорированных труб, которые быстро забиваются жиром и взвешенными веществами.
Пневматическая. Для очистки нефти, нефтепродуктов, жиров, масел, различных гидрофобных загрязнений, а также сточных вод, содержащих
| SCIENCE TIME |
растворённые примеси, которые агрессивны к механизмам (насосам, импеллерам и др.), имеющим движущиеся части. Диспергирование осуществляется путём выпуска воздуха через сопла или другие мелкопористые материалы (аэраторы). Простота конструкции; возможность подачи воздуха в любом количестве; небольшие энергозатраты и габаритные размеры. Недостаток засорение пор, разрушение пористого материала (керамики), а также трудности, связанные с подбором мелкопористых материалов, обеспечивающих постоянство во времени определенного размера пузырьков воздуха.
Электрофлотационная. Для очистки от жиров, масел и других гидрофобных загрязнений, пузырьки газа образуются при электролизе воды, где на катоде выделяется водород, а на аноде кислород. Недостатком электрофлотации является высокая энергоемкость; пассивация электродов, приводящая к снижению эффективности работы и частой замене; наибольшая эффективность очистки лишь при производительности <25 м /ч [4].
Кроме приведённых типов флотации существуют другие виды флотации: вибрационная, биологическая, химическая, однако они не нашли широкого применения в производственных процессах.
За последнее время в России и за рубежом было изготовлено множество типов конструкций флотационных установок для очистки производственных сточных вод методом флотации, некоторые из них представлены в табл. 1 [5].
Таблица 1
Типы флотационных установок очистки сточных вод
Тип установки Назначение Производительность, м3/ч Степень очистки, %
Флотатор фирмы «Экосервис» ФДП напорный двухступенчатый проточный Очистка промышленных сточных вод предприятий нефтехимии, мясомолочной промышленности, масложировых производств 1,0-30,0 96,0
СГП-Ф пенно-флотационной сепарации Удаление загрязнений (нефти, жиров) взвешенных веществ 1,0 Нет данных
Флотатор фирмы SCIENMENTGROUP SF-P напорные Выделение из загрязненной воды, предварительно очищенной от крупных загрязнений, мелкодисперсных, а так же нефтепродуктов, масел, и других несмачивае-мых загрязнений 5-300 50,0-75,0
Флотатор фирмы SCIENMENT GROUP SF-I импеллерные 3-300 50,0-75,0
| SCIENCE TIME |
продолжение таблицы 1
Тип установки Назначение Производительность, м3/ч Степень очистки, %
Флотатор фирмы SCIEN- MENTGROUP, комбинированные флотаторы Выделение из загрязненной воды, предварительно очищенной от крупных загрязнений, мелкодисперсных, а так же нефтепродуктов, масел, и других не-смачиваемых загрязнений — 50,0-75,0
Флотатор фирмы «АТИС-М»:
одноступенчатый напорный флотатор Локальная очистка сточных вод от жи- 0,75-80 —
двухступенчатый напорный флотатор ров, масел, нефтепродуктов, СПАВ, взвешенных и волокнистых веществ, органических загрязнений, а также глубокая очистка биологически очищенных сточных вод 2-40 —
Электрофлотатор компании «ЛВ-Инжиниринг» Очистка сточных вод от тяжёлых металлов, нефтепродуктов и поверхностно-активных веществ 1-50 96,0-99.5
Электрофлотатор (МУОВ)-модульные установки для очистки воды РХТУ им.Д.И. Менделеева Очистка от тяжёлых металлов, взвешенных и поверхностно-активных веществ и нефтепродуктов для очистных сооружений сточных вод промышленных предприятий 10 96,0-98,0
I SCIENCE TIME I
продолжение таблицы 1
Флотационная машина ФКМО-0,15 Очистка сточных вод от тяжёлых металлов, жиров, масел, нефтепродуктов и поверхностно-активных веществ — 95,0-98,0
Механическая флотационная машина (фирмы «Уетко», США) Очистка нефте- и жиросодержащих сточных вод, а так же для обработки загрязненных поч-вогрунтов — 90,0
Флотационная Машина Wemco-Fagergen. Для очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов от загрязнения маслами и тонкими взвешанными частицами 500 90-99
Флотационная Машина «Нагахама» Для флотации ионов Си, Zn и Cd, взвешенных ультратонких частиц из сливов сгустителей 112,5 -
В настоящее время разработано множество способов очистки производственных сточных вод, отличие между этими способами состоит в природе процессов и в технологических параметрах. Флотационные методы очистки производственных сточных вод позволяет снизить содержание взвешенных веществ в очищаемои воде до
10-20 мг/дм3 [6], что не обеспечивает соблюдение установленных норм предельно-допустимых концентрации [7]. Тем не менее, очистка сточноИ воды с помощью флотации важна, если необходимо использование оборотной воды.
Литература:
1. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.mining-enc.ru
2. Золотов А.В., Лисовский В.А., Багреева И.С., Слепова Е.В. Основные способы очистки нефтесодержащих производственных сточных вод // Science Time. 2016. № 8 (32). С. 42-54.
3. Золотов А.В., Коваленко В.П., Багреева И.С., Слепова Е.В. Обзор способов получения газовой дисперсии в объеме жидкости // Science Time. 2016. № 2 (26). С. 239-245.
I
SCIENCE TIME
I
4. Золотов А.В. Обзор методов и устройств очистки нефтесодержащих стоков // Нефтепереработка и нефтехимия. 2016. № 9. С. 42-47.
5. Золотов А.В. Развитие метода пневматической флотации для очистки воды от эмульгированного нефтепродукта // Нефтепереработка и нефтехимия. 2015. № 5.
6. Золотов А.В. Обоснование метода флотации для очистки нефтесодержащих сточных вод // Нефтепереработка и нефтехимия. 2014. № 6. С. 42-46.
7. ГН 2.1.5.1315-03. Предельно допустимые концентрации химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.
С. 42-46.
