Обработка воды флотацией (стр. 2 из 4)
где Rmin— минимальный радиус пузырьков воздуха, см; аГж.— поверхностное натяжение на границе раздела газ — жидкость, Н-м; р\—р2 — перепад давления, Па.
Из формулы (2) следует, что размер образующихся пузырьков тем меньше, чем меньше поверхностное натяжение на границе воздух — вода и чем больше пересыщение воды воздухом или больше перепад давления при выпуске водовоздушного раствора в обрабатываемую воду. Поверхностное натяжение зависит от свойств очищаемой воды и наличия в ней поверхностно-активных веществ. Учитывая это, можно было бы предусмотреть введение дополнительных реагентов, уменьшающих поверхностное натяжение, однако это крайне нежелательно. Более приемлемым является получение мелких пузырьков воздуха путем увеличения перепада давления, т. е. путем насыщения воды воздухом под повышенным давлением и последующим его резким понижением до атмосферного.
Исследования В.И. Классена, И.И. Демина показали, что возникновение пузырьков воздуха из перенасыщенного раствора происходит практически мгновенно. Для определения образующихся пузырьков можно воспользоваться формулой
(3)
где К — константа Генри. Па; С—Сi— величина пересыщения водовоздушного раствора; Н/м2; р —плотность газа в. пузырьках, Н/м3; Я —линейная скорость роста пузырьков, см/с.
Формула (3) показывает, что увеличение степени пересыщения воды воздухом способствует не только уменьшению размеров пузырьков воздуха, но также и выделению большего их количества. Изучение кинетики выделения воздуха из водовоздушного раствора показало, что при увеличении давления насыщения с 1,5-105 до 5,0-105 Па количество выделяющегося воздуха увеличивается с 21 до 100%.
По Л.И. Шмидту, количество пузырьков и их размеры зависят от скорости выхода водовоздушного раствора из отверстий распределительного устройства. Им рекомендуется определять количество выделяемых пузырьков воздуха в зависимости от скорости истечения по формуле
(4)где икр — критическое значение скорости, м/с; и' — среднеквадратичная величина компоненты турбулентной скорости пульсации, ы'= (0,15...0,20) и; v— кинематическая вязкость жидкости, м2/с;d-Q— размер отверстия, м; и — скорость истечения жидкости, м/с. Существует критическое значение скорости ыкр=7,0 м/с. При икр<7,0 м/с пузырьки не образуются, а наибольшее количество пузырьков и их наименьшие размеры соответствуют скорости истечения 15...20 м/с и более. Эти значения скорости и принимают при конструировании установок.
Простейшим устройством для выделения пузырьков воздуха из водовоздушного раствора является перфорированный трубопровод, который позволяет вводить водовоздушный раствор вобрабатываемую воду достаточно равномерно при большой ширине флотационной камеры.
Теоретические закономерности флотационного процесса и эффективность извлечения примесей из жидкости. Контактирование пузырьков воздуха и частиц примесей возможно двумя путями: при столкновении частиц с поверхностью пузырьков и при их образовании на частицах при выделении растворенных газов. Для напорной флотации при очистке природных вод процесс взаимодействия пузырьков при их столкновении с частицами примесей является основным и поэтому представляет практический и теоретический интерес. Прикрепление пузырьков к частице характеризуется краевым углом смачивания г, образуемым поверхностью частицы и касательной к поверхности пузырька, величина которого определяется размерами частицы и пузырька, а также поверхностным натяжением на границе раздела трех фаз: твердого тела (частицы), жидкости и воздуха. Для системы, находящейся в равновесии, должны выполняться условия:
где 0г.ш. — поверхностное натяжение на границе газа и жидкости, МН/м; От.ж. — поверхностное натяжение на границе твердого тела и жидкости, МН/м; ат.г. — поверхностное натяжение на границе твердого тела и газа, МН/м; е —краевой угол смачивания, град; F— сила, удерживающая пузырек на поверхности твердого тела, Н.
Величина свободной энергии флотационной системы до прилипания
(7)
где Лгж, Атт — площадь поверхности раздела газа и жидкости, твердого тела и жидкости, м2;
Величина свободной энергии системы после прилипания
(8)Прилипание твердой частицы к пузырьку возможно, если
(9)
Или
флотация воздух вода
.Учитывая формулу (5)
(10)При прилипании с учетом деформации пузырька
где Агт' — поверхность границы раздела фаз, которая образуется после прилипания пузырька, м2.
Приведенные уравнения показывают, что убыль свободной энергии флотационной системы тем выше, чем больше краевой угол смачивания (чем более гидрофобна поверхность), т. е. вероятность прилипания частицы к пузырьку увеличивается.
Слияние частиц и пузырьков газа при их столкновении определяется наличием условий, необходимых для нарушения барьерного действия гидратных слоев, находящихся между пузырьком и частицей, что требует затрат энергии. До соприкосновения гидратных оболочек, расположенных на поверхности частицы и пузырька, при приближении пузырька к твердой поверхности вода прослойки удаляется относительно легко. При контакте гидратных оболочек сопротивление воды при их удалении резко возрастает, а свободная энергия прослойки увеличивается. При достижении определенной толщины прослойка становится термодинамически неустойчивой и ее свободная энергия по мере утончения понижается. Дальнейшее слипание происходит самопроизвольно с большой скоростью. Пузырек скачком прилипает к поверхности частицы, образуя с ней определенную площадь контакта. Под пузырьком сохраняется тонкий молекулярный слой воды, который устойчиво связан с твердой поверхностью. Удаление воды с поверхности частицы приводит к значительному возрастанию свободной энергии, что связан с затратой большого количества внешней энергии.
При движении жидкости через флотационную камеру возникают силы, стремящиеся оторвать твердые частицы от пузырьков воздуха: силы трения, силы тяжести, силы инерции. Для успешного протекания процесса флотации необходимо, чтобы твердые частицы и пузырьки воздуха прочно прикреплялись друг к другу. Сила прилипания действует по периметру площади контакта и равна
(13)гдеd —диаметр площади контакта, м;
Гидростатическая сила подъема пузырька в жидкости
(14)где V —объем пузырька газа; м3;g— ускорение свободного падения, м/с2; р — плотность жидкости, кг/м3.
Давление внутри пузырька воздуха больше гидростатического давления в жидкости, окружающей пузырек, вследствие капиллярного давления. Разница давлений в жидкости и газе у основания пузырька равна (2-атж/^)—pgh, где h— высота пузырька, м. При этом пузырек воздуха имеет круглую форму, так как у основания пузырька давление возрастает на величину гидростатического давленияp-g-h.Перепад давлений внутри пузырька и вне его приводит к появлению добавочной силы отрыва:
(15) 
(16) 
(17)Из уравнения (17) видно, что прочность прилипания частицы к пузырьку тем больше, чем более гидрофобна поверхность (или чем больше краевой угол смачивания е). Следовательно, для достижения высокого эффекта обработки воды перед флотацией необходимо проводить тщательную подготовку примесей (гидрофобизацию).
Для создания условий успешного проведения флотационной обработки воды проводят коагулирование ее примесей, что приводит к образованию хлопьев, которые в зависимости от исходного состава природной воды могут иметь различную крупность. Оптимальный вариант, когда размеры хлопьев соизмеримы с размерами пузырьков воздуха, вводимых в- обрабатываемую воду и устойчиво в ней существующих.
Процесс напорной флотации природных вод следует рассматривать с момента начала движения пузырьков воздуха после их выделения из водовоздушного раствора. Его первым этапом является приближение и прикрепление пузырьков воздуха к хлопьям скоагулированных примесей. Для предотвращения разрушения хлопьев скорость подхода vnпузырьков воздуха к ним должна быть не более скорости движения обрабатываемой воды. Скоростью подхода можно считать скорость подъема пузырьков после их образования. Для нахождения этой скорости можно воспользоваться выражением
(18)гдеg— ускорение свободного падения, м/с2; г — радиус пузырька, м; рг, рж — плотность газа и воды, Н/м3; т] — вязкость воды, Па-с.
Практика показывает, что исходя из условий сохранения хлопьев скоагулированных примесей размер пузырьков воздуха должен быть в пределах 20 ... 80 мкм.
Л.И. Шмидтом предложено уравнение для определения эффекта осветления воды флотацией. При выводе уравнения им были сделаны допущения: закрепление пузырьков воздуха происходит только в результате столкновения с частицами примесей, пузырьки образуются в объеме жидкости за очень короткий промежуток времени с постоянной по всему объему плотностью, во время подъема пузырьков частицы не перемешиваются. Число частиц в элементарном слое жидкости толщиной dh,находящихся на расстоянииh0от дна камеры, в момент времени Т, равноA-k\(T\ h0)dh,где А — площадь камеры; (Т; h0) — количество незакрепившихся на пузырьке частиц в 1 см3. Уменьшение частиц за время Т