Rūpnieciskajā un pašvaldību ūdens attīrīšanā flotācija ir ūdens attīrīšanas tehnoloģija, kas izmanto sīkus burbuļus, lai paceltu suspendētos piemaisījumus uz virsmas. Lai gan šķietami vienkāršs, tas iemieso sarežģītus šķidruma mehānikas un saskarnes ķīmijas principus. Šajā rakstā klasiskās formulas tiks apvienotas ar inženierzinātņu pieredzi, lai sniegtu padziļinātu analīzi par flotācijas pamatmehānismiem un ietekmējošiem faktoriem, ko varētu izmantot ūdens apstrādes speciālisti.
I. Flotācijas pamatprincipi
Flotācija ir pretstats sedimentācijai. Lai gan sedimentācija izmanto gravitāciju, lai nogremdētu daļiņas un noņemtu suspendētās vielas, flotācija izmanto piesaistīto burbuļu peldspēju, lai suspendētās daļiņas izceltu uz virsmas, tādējādi panākot cieto{1}}šķidruma atdalīšanu.
Flotācijas ūdens attīrīšanas atslēga ir liela skaita sīku burbuļu ģenerēšana, kas pievienojas suspendētajām daļiņām, veidojot "burbuļ{0}} floku". Šie burbuļi paceļas peldspējas dēļ un galu galā tiek nokasīti.
Fizikālais pamatprocess ir: burbuļu veidošanās → saskare un adhēzija starp burbuļiem un daļiņām → pievienoto daļiņu pacelšanās ar burbuļiem → putu slāņa veidošanās un atdalīšanās.
II. Burbuļa pieauguma ātruma analīze
Kad burbulis paceļas ūdenī, uz to iedarbojas trīs spēki: gravitācija F1, peldspēja F2 un pretestība F3. Pamatojoties uz Ņūtona otro likumu, var iegūt šādu formulu.
kur: v ir burbuļa pieauguma ātrums, cm/s; m ir gaisa-piekrauto floku masa, g; gravitācija F1=ρ1gV, kur ρ1 ir burbuļa-floka kompleksa blīvums, g/cm³, un V ir burbuļa-floka kompleksa tilpums, cm³; peldspēja F2=ρ2gV, kur ρ2 ir ūdens blīvums, g/cm³; pretestība F3=CAρ2v²/2, kur C ir pretestības koeficients un A ir gaisa -piekrauto floku projicēšanas laukums ūdens plūsmas virzienā, cm².
Iepriekš minētajā formulā aizvietojot gravitāciju F1, peldspēju F2 un vilkšanu F3, tiek iegūta šāda formula.
Kad burbuļa pieauguma ātrums stabilizējas, dv/dt=0 un burbuļa pieauguma ātrumu v var aprēķināt, kā parādīts šajā formulā.
Ja mēs iedomājamies "burbuļa-floc" struktūru kā sfēru ar diametru d, tad V/A=2d/3. Turklāt sfēras pretestības koeficients C=4 un burbuļa pieauguma ātrums ir šāds.
Iepriekš minētā formula atklāj, ka burbuļa pieauguma ātrums v ir tieši proporcionāls daļiņas diametra d kvadrātsaknei un apgriezti proporcionāls ūdens blīvumam ρ1. Tas ir, jo lielāks ir burbulis un lielāka blīvuma atšķirība, jo ātrāks ir pieauguma ātrums. Tomēr pārmērīgi lieli burbuļi mazāk piesaista piemaisījumus, padarot mikroburbuļu veidošanos īpaši svarīgu. Turklāt, tā kā gaisa blīvums ir tikai 1/775 no ūdens blīvuma, floki ar noteiktu skaitu pievienotu mikroburbuļu paceļas ātrāk nekā sākotnējie floki grimst. Tāpēc flotācija nodrošina daudz īsāku cieto{6}}šķidruma atdalīšanas laiku nekā sedimentācija.
III. Virsmas spraigums un papildu spiediens
Flotācijas procesa pamatā ir burbuļu saķere ar daļiņām, un virsmas spraigums nosaka burbuļu stabilitāti. Šķidruma virsmas spraigums ir definēts šādi.
kur: T ir virsmas spraigums dīnās, kas atspoguļo spēku stiprumu starp šķidruma molekulām; ir virsmas spraiguma koeficients, izteikts dinos/cm; un l ir virsmas slāņa garums cm.
Ūdenī neizšķīdušo gaisu piesaista ūdens molekulas, radot virsmas spraigumu saskarnē starp abām fāzēm. Šis plānais ūdens molekulu slānis, kas rada virsmas spraigumu, veido burbuļa membrānu. Membrānas izliektā virsma virsmas spraiguma dēļ rada papildu spiedienu Ps uz gaisu burbuļa iekšpusē. Lai līdzsvarotu šo papildu spiedienu, spiedienam burbuļa iekšpusē P ir jābūt lielākam par spiedienu ārpus burbuļa, P0, ti, P=P0 + Ps. Šī papildu spiediena lielums ir tieši proporcionāls virsmas spraiguma koeficientam un apgriezti proporcionāls burbuļa rādiusam, kā parādīts nākamajā vienādojumā.
Kur: r ir burbuļa rādiuss cm.
Iepriekš minētais vienādojums atklāj, ka, jo mazāks ir burbulis, jo mazāks ir rādiuss r un lielāks papildu spiediens, tādējādi palielinot burbulis plīšanas iespējamību. Tāpēc flotācijas sistēmā ir jāņem vērā gan burbuļu izmērs, gan stabilitāte. Ja burbuļi ir pārāk lieli, tie peldēs pārāk ātri un būs grūti pielipt; ja burbuļi ir pārāk mazi, tie viegli saplīsīs un būs grūti izveidot efektīvu putu slāni.
IV. Burbuļu un floku saķeres mehānisms
Burbuļu un floku kombinācija ir flotācijas atslēga. Tās darbības mehānismu var apkopot kā trīs mehāniskus efektus:
(1) Virsmas enerģijas samazināšanas efekts. Kad pūslīši pielīp pie floku virsmas, sistēmas kopējā virsmas enerģija samazinās un saskarne mēdz būt stabila;
(2) Kapilāro tiltu efekts. Šķidruma plēve starp burbuļiem un flokiem tiek izstiepta, veidojot kapilāru tiltu, padarot abus cieši savienotus;
(3) Elektrostatiskās adsorbcijas efekts. Daļiņas ūdenī bieži ir negatīvi uzlādētas, un mikroburbuļu virsmas potenciālu var arī kontrolēt, veidojot elektrostatiskās adsorbcijas efektu.
Burbuļu un floku kombinācija ne tikai palielina suspendēto daļiņu īpatnējā smaguma starpību, bet arī uzlabo flotācijas atdalīšanas efektivitāti.
V. Entrainment efekts un flotācijas efekts
Flotācijas tvertnē, kad mikroburbuļi nes flokus uz augšu, tie vilks līdzi daļu ūdens. Šo parādību sauc par iekļūšanas efektu. Lai gan iekļaušanas efekts ietekmē putu koncentrāciju, tas palīdz uzlabot noņemšanas ātrumu. Tās mehānisms ietver: (1) sajaukšanas kontakta uzlabošanu, nodrošinot burbuļu un floku pilnīgāku saskari ar turbulenci; (2) burbuļu adsorbcijas veicināšana un kontakta laukuma palielināšana; (3) veidojot stabilu putu slāni, kur mazi burbuļi savienojas ar lipīgām pūkām, veidojot blīvu slāni, ko ir viegli nokasīt.
Secinājums
Flotācija panāk attīrīšanu, "padarot notekūdeņus peldošu". Tā ir efektīva atdalīšanas tehnoloģija, kas integrē fizikālos un ķīmiskos procesus. Tās panākumu atslēga slēpjas mikroburbuļu veidošanā, floku veidošanā un abu efektīvā kombinācijā. Izpratne par burbuļu peldēšanas dinamiskajiem likumiem un saskarnes ķīmisko uzvedību ne tikai palīdz optimizēt flotācijas iekārtu konstrukciju, bet arī sniedz teorētisku atbalstu rūpniecisko notekūdeņu un komunālo notekūdeņu dziļai attīrīšanai. Kad redzat, ka putu slānis tiek lēnām nokasīts, atcerieties, ka tas ir attīrīšanas brīnums, ko paveic neskaitāmi burbuļi un daļiņas.