Флотация является сложным физико-химическим процессом, который применяют для удаления из сточных вод диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются [1]. Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ (поверхностно-активные вещества), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы методом флотации заключается в образовании комплексов «пузырек-частица», который поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде. В дальнейшем происходит механическое удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы, находящиеся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью [2]. Образование комплекса «пузырек-частица» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п. Возможность образования флотационного комплекса «пузырек-частица», скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависят от природы частиц, а также от характера взаимодействия реагентов с их поверхностью и способности частиц смачиваться водой. При закреплении пузырька образуется трехфазный периметр – линия, ограничивающий площадь прилипания пузырька и являющийся границей трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Касательная к поверхности пузырька в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в жидкость угол θ, называемый краевым углом смачивания.
Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла θ. Чем больше краевой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удерживания пузырька на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др. [2].
Рис.1. Схема элементарного акта флотации θ -краевой угол смачивания,
1-газовый пузырек, 2-частица примеси.
Интенсификация процесса флотации достигается гидрофобизацией поверхности извлекаемых примесей реагентами, которые, избирательно сорбируясь на поверхности частиц, понижают их смачиваемость, что улучшает процесс слипания дисперсий и коллоидов с пузырьками газа. В водоподготовке в качестве гидрофобизирующих реагентов применяют обычные коагулянты и флокулянты.
После флотационной обработки осадок отработанных гидроксидов занимает значительно меньший объем и влажность его ниже, чем осадка, образующегося в отстойниках.
Известно много способов насыщения воды пузырьками газа (воздуха), среди которых по размерам диспергирования газа следует указать следующие: флотация с выделением воздуха из воды — напорные, эрлифтные и вакуумные установки; флотация с механическим введением воздуха — безнапорные (пенные), импеллерные и пневматические аппараты; флотация с подачей воздуха через пористые материалы; электрофлотация [3].
Электрофлотация — один из наиболее интенсивно развиваемых процессов разделения веществ в водоочистке. Перспективность электрофлотации связана с образованием при электролизе воды высокодисперсных пузырьков газа, что позволяет извлекать гидрофильные частицы без применения реагентов — собирателей.
Сущность электрофлотационного метода очистки сточных вод заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электролиза сточной воды на катоде выделяется водород, на аноде – кислород [1]. Основную роль в процессе флотации играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. Размер пузырьков, отрывающихся от поверхности электрода, зависит от краевого угла смачивания, кривизны поверхности электрода, а также его конструктивных особенностей. При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает благоприятные условия для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффективность флотационного процесса.
Крупность пузырьков, выделяющихся в результате электролиза, зависит от условий их получения и составляет 0,015—0,2 мм, т. е. размеры практически не отличаются от размеров пузырьков, выделяющихся из пересыщенной жидкости.
Существенным преимуществом электрофлотации перед другими видами флотации является возможность неограниченного насыщения очищаемой жидкости пузырьками, а также простота осуществления процесса газонасыщения, что допускает (в отличие от напорной флотации) частые перерывы в этом процессе. Более того, возможность чередования периодов газонасыщения и пауз позволяет интенсифицировать флотационное извлечение примесей в условиях усиленного насыщения воды пузырьками газа в результате их порционной, или импульсной, подачи в жидкость.
Возможность неограниченного газонасыщения воды пузырьками высокой дисперсности позволяет использовать электрофлотацию для извлечения мелких частиц, а простота процесса газонасыщения обеспечивает ей существенные преимущества перед другими видами флотации при очистке малых количеств загрязненных вод.
В то же время электрофлотационный метод, как и другие флотационные методы, имеет и недостаток, выражающийся в необходимости введения флотореагента для лучшего формирования пены в случаях, когда вода не содержит ПАВ в качестве загрязняющего компонента. Достаточно высокими являются и затраты электроэнергии, которая используется особенно неэффективно при низких исходных концентрациях загрязнений. Поэтому технологию электрофлотационной очистки целесообразно использовать в комплексе с экологически чистыми и ресурсосберегающими биологическими методами. [5]
В настоящее время интенсивно развивается направление, изучающее воздействие ультразвука на различные технологические среды и повышение эффективности технологических процессов.
Воздействие ультразвука на среду порождает большое количество специфических эффектов, среди которых необходимо выделить явление ультразвуковой (акустической) кавитации в жидкости. Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром и газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. При распространении в жидкости ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой интенсивности возникает переменное звуковое давление. Под действием этого давления жидкость попеременно испытывает сжатие и растяжение. Растягивающие усилия в области разрежения волны приводят к образованию в жидкости разрывов, т. е. мельчайших пузырьков, заполненных газом и паром. Эти пузырьки получили название кавитационных, а само явление стали называть ультразвуковой кавитацией.. [4]
Явление УЗ кавитации используется чрезвычайно разнообразно: его применяют для получения мелкодисперсных эмульсий несмешивающихся жидкостей, возбуждения и ускорения химических реакций, уничтожения вредоносных микроорганизмов, экстрагирования из животных и растительных клеток ферментов, очистки деталей машин и механизмов, диспергирования твёрдых тел и жидкостей.
Различают распыление низкочастотными (22….200 кГц) и высокочастотными (1…3 МГц) УЗ колебаниями. Первый способ наиболее приемлем для промышленного применения, т.к. он обладает большей производительностью, а размеры капель формируемого аэрозоля в большинстве случаев удовлетворяют заданным условиям. В частности, распыление жидкостей с высокой вязкостью возможно исключительно низкочастотными УЗ колебаниями из-за аномально высокого затухания высокочастотных колебаний в таких средах.
С помощью высокочастотных (1…3 МГц) УЗ колебаний осуществляют распыление «в фонтане», как правило, на частотах 1,7 МГц или 2,4 МГц. Данный способ применен в современных ингаляторах, где раствор медицинских лекарств превращается в высококачественный аэрозоль. В последние годы в России появилось большое количество бытовых (домашних) увлажнителей воздуха, а также декоративных установок типа «туман из фонтанчика» - все они работают по принципу УЗ распыления «в фонтане». Суть данного явления следующая. Если УЗ волна интенсивностью порядка 5…10 Вт/см2 направлена из толщи жидкости к поверхности, то в месте выхода волны на поверхности жидкости наблюдается характерное явление – так называемый «ультразвуковой фонтан», высотой от 1…2 см; причём, в определённых условиях, одновременно с фонтанированием жидкости происходит её распыление с образованием стойкого мелкодисперсного аэрозоля (рис. 2). Аэрозолеобразование происходит в верхней части фонтана в силу наличия в нём развитой УЗ кавитации. Под действием гидравлических ударов при захлопывании кавитационных пузырьков, на поверхности УЗ фонтана возбуждаются стоячие капиллярные волны, от которых происходит отделение капель, и формируется аэрозоль.
Рис. 2 Ультразвуковой фонтан
УЗ распыление жидкостей является одним из перспективных направлений УЗ технологий. Основным преимуществом данного способа распыления, по сравнению с традиционными, является низкая энергоемкость и высокая производительность процесса.
Исследование явление ультразвуковой (акустической) кавитации и возможность его применения в технологиях флотации для очистки вод от загрязнений – является перспективным для дальнейшего изучения.