U industrijskoj i komunalnoj obradi vode, flotacija je tehnologija prečišćavanja vode koja koristi sićušne mjehuriće za podizanje suspendiranih nečistoća na površinu. Iako naizgled jednostavan, utjelovljuje složene principe mehanike fluida i kemije međufaza. Ovaj članak će kombinovati klasične formule sa inženjerskim iskustvom kako bi pružio-dubinsku analizu osnovnih mehanizama i faktora koji utiču na flotaciju za referencu profesionalaca za tretman vode.
I. Osnovni principi flotacije
Flotacija je suprotna od sedimentacije. Dok sedimentacija koristi gravitaciju kako bi potopila čestice i uklonila suspendovanu materiju, flotacija koristi uzgonu pričvršćenih mjehurića da bi suspendovane čestice donijela na površinu, čime se postiglo odvajanje čvrste-tečnosti.
Ključ za prečišćavanje flotacijske vode je stvaranje velikog broja sićušnih mjehurića, koji se vezuju za suspendirane čestice i formiraju "mjehuriće-flokule". Ovi mjehurići se dižu zbog uzgona i na kraju se ostružu.
Osnovni fizički proces je: stvaranje mjehurića → kontakt i adhezija između mjehurića i čestica → podizanje pričvršćenih čestica s mjehurićima → formiranje i odvajanje sloja pjene.
II. Analiza brzine rasta mjehura
Kada se mehur diže u vodu, na njega djeluju tri sile: gravitacija F1, uzgona F2 i otpor F3. Na osnovu drugog Newtonovog zakona, može se izvesti sljedeća formula.
Gdje je: v brzina rasta mjehurića, cm/s; m je masa vazdušnih{0}}grupa, g; gravitacija F1=ρ1gV, gdje je ρ1 gustina mjehurića-kompleksa floka, g/cm³, a V je zapremina mjehurića-kompleksa floka, cm³; uzgona F2=ρ2gV, gdje je ρ2 gustina vode, g/cm³; otpor F3=CAρ2v²/2, gdje je C koeficijent otpora, a A projektovana površina vazdušnih{12}}grupa u smjeru toka vode, cm².
Zamjena gravitacije F1, uzgona F2 i povlačenja F3 u gornju formulu daje sljedeću formulu.
Kada se brzina dizanja mjehura stabilizira, dv/dt=0 i brzina dizanja mjehura v mogu se izračunati kao što je prikazano u sljedećoj formuli.
Ako zamislimo strukturu "bubble-floc" kao sferu prečnika d, onda V/A=2d/3. Nadalje, koeficijent otpora sfere C=4 i brzina rasta mjehura su sljedeći.
Gornja formula otkriva da je brzina dizanja mjehurića v direktno proporcionalna kvadratnom korijenu prečnika čestice d i obrnuto proporcionalna gustini vode ρ1. Odnosno, što je veći mehur i što je veća razlika u gustini, to je brža brzina rasta. Međutim, manje je vjerovatno da će pretjerano veliki mjehurići privući nečistoće, što čini stvaranje mikromjehurića posebno važnim. Nadalje, budući da je gustoća zraka samo 1/775 gustoće vode, kosmići s određenim brojem pričvršćenih mikromjehurića rastu brže nego što originalni komadići tonu. Stoga se flotacijom postiže mnogo kraće vrijeme odvajanja čvrstih-tečnosti nego sedimentacijom.
III. Površinski napon i dodatni pritisak
Srž procesa flotacije leži u adheziji mjehurića na čestice, a površinska napetost određuje stabilnost mjehurića. Površinski napon tečnosti je definisan na sledeći način.
Gdje je: T površinski napon, u dinama, koji odražava snagu sila između molekula tekućine; je koeficijent površinskog napona, u dinama/cm; a l je dužina površinskog sloja, u cm.
Neotopljeni zrak u vodi privlače molekule vode, stvarajući površinsku napetost na granici između dvije faze. Ovaj tanki sloj molekula vode koji stvara površinsku napetost formira membranu mjehurića. Zakrivljena površina membrane, zbog površinske napetosti, vrši dodatni pritisak Ps na zrak unutar mjehurića. Da bi se uravnotežio ovaj dodatni pritisak, pritisak unutar mjehura, P, mora biti veći od pritiska izvan mjehura, P0, tj. P=P0 + Ps. Veličina ovog dodatnog pritiska je direktno proporcionalna koeficijentu površinskog napona i obrnuto proporcionalna poluprečniku mehurića, kao što je prikazano u sledećoj jednačini.
Gdje je: r radijus mjehurića, u cm.
Gornja jednačina otkriva da što je mjehur manji, to je manji polumjer r i veći je dodatni pritisak, zbog čega je veća vjerovatnoća da će mehur puknuti. Stoga sistem flotacije mora uzeti u obzir i veličinu i stabilnost mjehurića. Ako su mjehurići preveliki, prebrzo će plutati i teško će se prianjati; ako su mjehurići premali, lako će se razbiti i teško će se formirati efikasan sloj šljama.
IV. Mehanizam prianjanja mjehurića i flokula
Kombinacija mjehurića i flokusa je ključ za flotaciju. Njegov mehanizam djelovanja može se sažeti u tri mehanička efekta:
(1) Efekat smanjenja površinske energije. Kada se mjehurići prianjaju na površinu flokula, ukupna površinska energija sistema se smanjuje i interfejs teži da bude stabilan;
(2) Efekat kapilarnog mosta. Tečni film između mjehurića i flokusa se rasteže kako bi formirao kapilarni most, čineći to dvoje čvrsto povezanim;
(3) Efekt elektrostatičke adsorpcije. Čestice u vodi su često negativno nabijene, a površinski potencijal mikromjehurića se također može kontrolisati kako bi se formirao efekat elektrostatičke adsorpcije.
Kombinacija mehurića i flokula ne samo da povećava razliku specifične težine suspendovanih čestica, već i poboljšava efikasnost odvajanja flotacijom.
V. Efekt uvlačenja i flotacije
U flotacijskom rezervoaru, kada mikromjehurići nose flokule gore, povući će dio vode sa sobom. Ova pojava se naziva efektom uvlačenja. Iako efekat uključivanja utječe na koncentraciju pjene, pomaže u poboljšanju brzine uklanjanja. Njegov mehanizam uključuje: (1) poboljšanje kontakta sa mešanjem, čineći mjehuriće i grudve potpunijim kontaktom kroz turbulenciju; (2) promoviranje adsorpcije mjehurića i povećanje kontaktne površine; (3) formiranje stabilnog sloja šljama, gdje se mali mjehurići spajaju sa ljepljivim komadićima i formiraju gust sloj koji se lako ostruže.
Zaključak
Flotacijom se postiže prečišćavanje tako što "isplivava kanalizacija". To je efikasna tehnologija odvajanja koja integriše fizičke i hemijske procese. Ključ njegovog uspjeha leži u stvaranju mikromjehurića, formiranju flokula i efikasnoj kombinaciji to dvoje. Razumijevanje dinamičkih zakona plutanja mjehurića i kemijskog ponašanja na međufaznoj površini ne samo da pomaže u optimizaciji dizajna opreme za flotaciju, već također pruža teoretsku podršku za dubinski tretman industrijskih otpadnih voda i gradske kanalizacije. Kada vidite da se taj sloj šljama polako sastruže, sjetite se da je to čudo pročišćavanja koje se postiže bezbrojnim mjehurićima i česticama.
