U industrijskoj i komunalnoj obradi vode, flotacija je tehnologija pročišćavanja vode koja koristi malene mjehuriće za podizanje suspendiranih nečistoća na površinu. Iako naizgled jednostavan, utjelovljuje složena načela mehanike fluida i kemije međupovršina. Ovaj će članak kombinirati klasične formule s inženjerskim iskustvom kako bi pružio-dubinsku analizu temeljnih mehanizama i čimbenika utjecaja na flotaciju za referencu stručnjaka za obradu vode.
I. Osnovni principi flotacije
Flotacija je suprotna sedimentaciji. Dok sedimentacija koristi gravitaciju za potapanje čestica i uklanjanje suspendirane tvari, flotacija koristi uzgon pričvršćenih mjehurića za dovođenje suspendiranih čestica na površinu, čime se postiže odvajanje čvrste-tekućine.
Ključ pročišćavanja flotacijske vode je stvaranje velikog broja sićušnih mjehurića, koji se vežu za suspendirane čestice i tvore "mjehur-flokule". Ovi mjehurići se dižu zbog uzgona i na kraju se sastružu.
Osnovni fizikalni proces je: stvaranje mjehurića → kontakt i adhezija između mjehurića i čestica → dizanje zalijepljenih čestica s mjehurićima → stvaranje i odvajanje sloja pjene.
II. Analiza brzine dizanja mjehurića
Kada se mjehurić diže u vodi, na njega djeluju tri sile: gravitacija F1, uzgon F2 i otpor F3. Na temelju drugog Newtonovog zakona može se izvesti sljedeća formula.
Gdje je: v brzina dizanja mjehurića, cm/s; m je masa flokula -napunjenih zrakom, g; gravitacija F1=ρ1gV, gdje je ρ1 gustoća mjehurić-floc kompleksa, g/cm³, a V je volumen mjehurića-floc kompleksa, cm³; uzgon F2=ρ2gV, gdje je ρ2 gustoća vode, g/cm³; otpor F3=CAρ2v²/2, gdje je C koeficijent otpora, a A projektirana površina flokula napunjenih zrakom-u smjeru strujanja vode, cm².
Zamjenom gravitacije F1, uzgona F2 i otpora F3 u gornju formulu dobiva se sljedeća formula.
Kada se brzina dizanja mjehurića stabilizira, dv/dt=0 i brzina dizanja mjehurića v mogu se izračunati kao što je prikazano u sljedećoj formuli.
Ako strukturu "bubble-floc" zamislimo kao sferu promjera d, tada je V/A=2d/3. Nadalje, koeficijent otpora sfere C=4 i brzina dizanja mjehurića su kako slijedi.
Gornja formula otkriva da je brzina dizanja mjehurića v izravno proporcionalna kvadratnom korijenu promjera čestice d i obrnuto proporcionalna gustoći vode ρ1. Odnosno, što je mjehurić veći i što je veća razlika u gustoći, to je veća brzina dizanja. Međutim, manje je vjerojatno da će pretjerano veliki mjehurići privući nečistoće, zbog čega je stvaranje mikromjehurića posebno važno. Nadalje, budući da je gustoća zraka samo 1/775 od gustoće vode, flokule s određenim brojem mikromjehurića dižu se brže nego izvorne flokule tonu. Stoga se flotacijom postižu mnogo kraća vremena odvajanja čvrste-tekućine od taloženja.
III. Površinska napetost i dodatni tlak
Srž procesa flotacije leži u prianjanju mjehurića na čestice, a površinska napetost određuje stabilnost mjehurića. Površinska napetost tekućine definirana je na sljedeći način.
Gdje je: T površinska napetost, u dinima, koja odražava snagu sila između molekula tekućine; je koeficijent površinske napetosti, u dynima/cm; a l je duljina površinskog sloja, u cm.
Neotopljeni zrak u vodi privlače molekule vode, stvarajući površinsku napetost na granici između dviju faza. Ovaj tanki sloj molekula vode koji stvara površinsku napetost tvori membranu mjehurića. Zakrivljena površina membrane, zbog površinske napetosti, vrši dodatni pritisak Ps na zrak unutar mjehurića. Da bi se uravnotežio ovaj dodatni tlak, tlak unutar mjehurića, P, mora biti veći od tlaka izvan mjehurića, P0, tj. P=P0 + Ps. Veličina ovog dodatnog tlaka izravno je proporcionalna koeficijentu površinske napetosti i obrnuto proporcionalna polumjeru mjehurića, kao što je prikazano u sljedećoj jednadžbi.
Gdje je: r polumjer mjehurića, u cm.
Gornja jednadžba otkriva da što je mjehurić manji, to je manji radijus r i veći je dodatni tlak, zbog čega je veća vjerojatnost da će mjehurić prsnuti. Stoga sustav flotacije mora uzeti u obzir i veličinu i stabilnost mjehurića. Ako su mjehurići preveliki, isplivat će prebrzo i teško će se prilijepiti; ako su mjehurići premali, lako će se slomiti i teško će se stvoriti učinkovit sloj taluma.
IV. Mehanizam prianjanja mjehurića i flokula
Kombinacija mjehurića i pahuljica ključ je plutanja. Njegov mehanizam djelovanja može se sažeti u tri mehanička učinka:
(1) Učinak smanjenja površinske energije. Kada se mjehurići zalijepe za površinu flokula, ukupna površinska energija sustava se smanjuje i sučelje nastoji biti stabilno;
(2) Učinak kapilarnog premošćivanja. Tekući film između mjehurića i pahuljica rastegnut je kako bi formirao kapilarni most, čineći njih dvoje čvrsto povezanim;
(3) Efekt elektrostatske adsorpcije. Čestice u vodi često su negativno nabijene, a površinski potencijal mikromjehurića također se može kontrolirati kako bi se stvorio elektrostatički adsorpcijski učinak.
Kombinacija mjehurića i flokula ne samo da povećava razliku specifične težine suspendiranih čestica, već također povećava učinkovitost flotacijske separacije.
V. Učinak uvlačenja i učinak flotacije
U flotacijskom spremniku, kada mikromjehurići nose pahuljice prema gore, povući će dio vode sa sobom. Ova pojava se naziva efekt uvlačenja. Iako učinak uključivanja utječe na koncentraciju pjene, on pomaže poboljšati brzinu uklanjanja. Njegov mehanizam uključuje: (1) poboljšanje kontakta miješanja, čineći mjehuriće i flokule potpunijim kontaktom kroz turbulenciju; (2) promicanje adsorpcije mjehurića i povećanje kontaktnog područja; (3) formiranje stabilnog sloja taloga, gdje se mali mjehurići spajaju s ljepljivim pahuljicama i formiraju gusti sloj koji je lako ostrugati.
Zaključak
Flotacijom se postiže pročišćavanje tako što se "otpadne vode tjeraju da plutaju". To je učinkovita tehnologija odvajanja koja integrira fizičke i kemijske procese. Ključ njegovog uspjeha leži u stvaranju mikromjehurića, formiranju flokula i učinkovitoj kombinaciji to dvoje. Razumijevanje dinamičkih zakona plutanja mjehurića i kemijskog ponašanja na površini ne samo da pomaže u optimiziranju dizajna opreme za flotaciju, već također pruža teoretsku podršku za dubinsko pročišćavanje industrijske otpadne vode i gradske kanalizacije. Kad vidite da se taj sloj šljama polako struže, sjetite se da je to čudo pročišćavanja koje postižu bezbrojni mjehurići i čestice.