V priemyselnej a komunálnej úprave vody je flotácia technológiou čistenia vody, ktorá využíva drobné bublinky na zdvíhanie suspendovaných nečistôt na povrch. Aj keď je to zdanlivo jednoduché, stelesňuje zložité princípy mechaniky tekutín a chémie na rozhraní. Tento článok skombinuje klasické vzorce s inžinierskymi skúsenosťami, aby poskytol-hĺbkovú analýzu základných mechanizmov a ovplyvňujúcich faktorov flotácie ako referenciu pre odborníkov na úpravu vody.
I. Základné princípy flotácie
Flotácia je opakom sedimentácie. Zatiaľ čo sedimentácia využíva gravitáciu na potápanie častíc a odstraňovanie suspendovaných látok, flotácia využíva vztlak pripojených bublín na vynesenie suspendovaných častíc na povrch, čím sa dosiahne oddelenie pevných-kvapalín.
Kľúčom k flotačnému čisteniu vody je vytváranie veľkého množstva malých bubliniek, ktoré sa pripájajú k suspendovaným časticiam a vytvárajú „bublinkové-vločky“. Tieto bubliny stúpajú v dôsledku vztlaku a nakoniec sú zoškrabané.
Základný fyzikálny proces je: tvorba bublín → kontakt a adhézia medzi bublinami a časticami → stúpanie prichytených častíc s bublinami → tvorba a oddelenie penovej vrstvy.
II. Analýza rýchlosti stúpania bublín
Keď bublina stúpa vo vode, pôsobia na ňu tri sily: gravitácia F1, vztlak F2 a odpor F3. Na základe druhého Newtonovho zákona možno odvodiť nasledujúci vzorec.
Kde: v je rýchlosť stúpania bubliny, cm/s; m je hmotnosť vločiek-naložených vzduchom, g; gravitácia F1=ρ1gV, kde ρ1 je hustota bublinového-vločkového komplexu, g/cm³, a V je objem bublinkového-vločkového komplexu, cm³; vztlak F2=ρ2gV, kde ρ2 je hustota vody, g/cm³; aerodynamický odpor F3=CAρ2v²/2, kde C je koeficient odporu vzduchu a A je projektovaná plocha vločiek -naložených vzduchom v smere prúdu vody, cm².
Nahradením gravitácie F1, vztlaku F2 a ťahania F3 do vyššie uvedeného vzorca sa získa nasledujúci vzorec.
Keď sa rýchlosť stúpania bubliny stabilizuje, dv/dt=0 a rýchlosť stúpania bubliny v možno vypočítať podľa nasledujúceho vzorca.
Ak si štruktúru „bublina-floc“ predstavíme ako guľu s priemerom d, potom V/A=2d/3. Okrem toho koeficient odporu gule C=4 a stúpajúca rýchlosť bubliny sú nasledovné.
Vyššie uvedený vzorec ukazuje, že rýchlosť stúpania bubliny v je priamo úmerná druhej odmocnine priemeru častice d a nepriamo úmerná hustote vody ρ1. To znamená, že čím väčšia je bublina a čím väčší je rozdiel v hustote, tým rýchlejšia je rýchlosť stúpania. Príliš veľké bubliny však menej pravdepodobne priťahujú nečistoty, preto je tvorba mikrobublín obzvlášť dôležitá. Okrem toho, pretože hustota vzduchu je len 1/775 hustoty vody, vločky s určitým počtom pripojených mikrobublín stúpajú rýchlejšie ako pôvodné vločky klesajú. Flotácia preto dosahuje oveľa kratšie časy separácie pevných-kvapalín ako sedimentácia.
III. Povrchové napätie a dodatočný tlak
Jadro flotačného procesu spočíva v priľnavosti bublín k časticiam a povrchové napätie určuje stabilitu bublín. Povrchové napätie kvapaliny je definované nasledovne.
Kde: T je povrchové napätie v dynoch, ktoré odráža silu síl medzi molekulami kvapaliny; je koeficient povrchového napätia v dyn/cm; a l je dĺžka povrchovej vrstvy v cm.
Nerozpustený vzduch vo vode je priťahovaný molekulami vody a vytvára povrchové napätie na rozhraní medzi dvoma fázami. Táto tenká vrstva molekúl vody, ktorá vytvára povrchové napätie, tvorí membránu bubliny. Zakrivený povrch membrány v dôsledku povrchového napätia vyvíja dodatočný tlak Ps na vzduch vo vnútri bubliny. Aby sa tento dodatočný tlak vyrovnal, tlak vo vnútri bubliny P musí byť väčší ako tlak mimo bubliny P0, tj P=P0 + Ps. Veľkosť tohto dodatočného tlaku je priamo úmerná koeficientu povrchového napätia a nepriamo úmerná polomeru bubliny, ako ukazuje nasledujúca rovnica.
Kde: r je polomer bubliny v cm.
Vyššie uvedená rovnica ukazuje, že čím je bublina menšia, tým menší je polomer r a tým väčší je dodatočný tlak, čím je väčšia pravdepodobnosť prasknutia bubliny. Preto musí flotačný systém brať do úvahy veľkosť aj stabilitu bublín. Ak sú bubliny príliš veľké, budú plávať príliš rýchlo a bude ťažké ich prilepiť; ak sú bubliny príliš malé, ľahko sa rozbijú a bude ťažké vytvoriť účinnú vrstvu špiny.
IV. Mechanizmus adhézie bublín a vločiek
Kombinácia bublín a vločiek je kľúčom k flotácii. Jeho mechanizmus účinku možno zhrnúť do troch mechanických účinkov:
(1) Účinok zníženia povrchovej energie. Keď bubliny priľnú k povrchu vločiek, celková povrchová energia systému klesá a rozhranie má tendenciu byť stabilné;
(2) Efekt kapilárneho premostenia. Kvapalný film medzi bublinami a vločkami je natiahnutý, aby vytvoril kapilárny mostík, čím sa tieto dva pevne spoja;
(3) Elektrostatický adsorpčný efekt. Častice vo vode sú často negatívne nabité a povrchový potenciál mikrobublín možno tiež regulovať tak, aby sa vytvoril efekt elektrostatickej adsorpcie.
Kombinácia bublín a vločiek nielen zvyšuje rozdiel špecifickej hmotnosti suspendovaných častíc, ale tiež zvyšuje účinnosť flotačnej separácie.
V. Efekt strhnutia a flotačný efekt
Keď vo flotačnej nádrži mikrobubliny vynesú vločky nahor, vytiahnu so sebou časť vody. Tento jav sa nazýva strhávací efekt. Hoci účinok inklúzie ovplyvňuje koncentráciu peny, pomáha zlepšiť rýchlosť odstraňovania. Jeho mechanizmus zahŕňa: (1) zlepšenie zmiešavacieho kontaktu, čím sa bubliny a vločky viac dostanú do kontaktu prostredníctvom turbulencie; (2) podpora adsorpcie bublín a zvýšenie kontaktnej plochy; (3) vytvorenie stabilnej vrstvy nečistôt, kde sa malé bublinky spájajú s lepkavými vločkami a vytvárajú hustú vrstvu, ktorá sa dá ľahko zoškrabať.
Záver
Flotáciou sa dosiahne čistenie tým, že odpadová voda bude plávať. Ide o účinnú separačnú technológiu, ktorá integruje fyzikálne a chemické procesy. Kľúč k úspechu spočíva vo vytváraní mikrobublín, tvorbe vločiek a efektívnej kombinácii oboch. Pochopenie dynamických zákonov plávania bublín a medzifázového chemického správania pomáha nielen optimalizovať dizajn flotačného zariadenia, ale poskytuje aj teoretickú podporu pre hĺbkové čistenie priemyselných odpadových vôd a mestských odpadových vôd. Keď uvidíte, ako sa tá vrstva špiny pomaly zoškrabáva, pamätajte, že ide o očistný zázrak dosiahnutý nespočetným množstvom bublín a častíc.
