8.2. Флотация

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нераствори­мых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для уда­ления растворенных веществ, например ПАВ. Такой процесс назы­вают пенной сепарацией или пенным концентрированием. Флотацию применяют для очистки сточных вод многих производств: неф­теперерабатывающих, искусственного волокна, целлюлозно-бумаж­ных, кожевенных, машиностроительных, пищевых, химических. Ее используют также для выделения активного ила после биохимичес­кой очистки.

Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, ши­рокий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуата­ционные затраты, простая аппаратура, селективность выделения при­месей, по сравнению с отстаиванием большая скорость процесса, а также возможность получения шлама более низкой влажности (90-95%), высокая степень очистки (95-98%), возможность рекупера­ции удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточ­ных вод, снижением концентрации ПАВ и легкоокисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Все это способствует успешному про­ведению последующих стадий очистки сточных вод.

Рис. II-18. Аппараты для коагу­ляции: а — перегородчатый сме­ситель: 1 — коридор, 2 — перего­родка, 3 — окно; б — перегородча­тая камера хлопьеобразования: 1 — коридор, 2 — перегородки, 3 — окно; в — коагулятор-осветлитель: 1 — корпус, 2 — желоб, 3 — от­верстия для удаления осветленной воды, 4 — воздухоотделитель, 5 — центральная труба, 6 — распреде­лительные трубы

Элементарный акт флотации заключается в следующем: при сближении подымающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидро­фобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и происходит слипание пузырь­ка с частицей. Затем комплекс частица — пузырек поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются, и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.

Возможность образования флотационного комплекса частица — пузырек, скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависят от природы частиц, а также от ха­рактера взаимодействия реагентов с их поверхностью и от 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 воду угол 0, назы­ваемый краевым углом смачивания (рис. II-19).

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, ко­торая характеризуется величиной краевого утла q. Чем больше крае­вой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и проч­ность удерживания пузырька на поверхности частицы. Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при образо­вании пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбци­онные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др.

Поверхностно-активные вещества — реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т. е. делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют мас­ла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитио-

карбонаты, алкилсульфаты, амины и др. Повышения гидрофобноcти частиц можно достичь и сорбцией молекул растворенных газов на их поверхности.

Энергия образования комплек­са пузырек — частица равна:

A=σ(l-cosθ), (II.54)

где σ — поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой. θ → 0. a cosθ → 1, сле­довательно, прочность прилипания минимальна, для несмачиваемых частиц — максимальна.

Рис. II-19. Элементарный акт флота­ции (1 — пузырек газа; 2 — твердая частица)

Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества пузырьков воздуха. По некоторым данным, оптимальный размер пу­зырьков равен 15-30 мкм. При этом необходимы высокая степень насыщения воды пузырьками или большое газосодержание. Удель­ный расход воздуха снижается с повышением концентрации приме­сей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в про­цессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним от­носят сосновое масло, крезол, фонолы, алкилсульфат натрия и др. Некоторые из этих веществ обладают собирательными и пенообразующими свойствами.

Вес частиц не должен превышать силы прилипания ее к пузырь­ку и подъемной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо фло­тируются, зависит от плотности материала и равен 0,2-1,5 мм.

Флотация может быть использована при сочетании с флокуляцией. Этот процесс иногда называют флотацией. При проведении фло­тации хлопьев после коагулирования необходимо учитывать, что ве­роятность прилипания пузырьков газа к свежеобразованным хлопь­ям выше, чем к хлопьям, имеющим "возраст" несколько часов. Веро­ятность образования комплекса пузырек — частица может быть оп­ределена по формуле:

ω = [n4/3π(R+r)³ - n 4/3πR³] / V = с_г[(1+ r / R)³-l], (II.55)

где n — число пузырьков радиуса R в объеме V жидкости; r — ради­ус частицы: c_r= n4/3πR³/ V — объемная концентрация газовой фазы. Флотационная среда состоит из воды, пузырьков воздуха и твер­дых частиц. Плотность среды равна:

ρ_с=ρ_ж (1-с_ч- с_г)+ρ_чс_ч+ ρ_гс_г , (II.56)

где ρ_ж , ρ_ч , ρ_т — плотность соответственно жидкости частиц и газа; объемная с_ч, с_г — объемная концентрация соответственно частиц и газа в воде.

Скорость движения частиц v_ч и пузырьков v_п относительно сре­ды определяется по формулам:

где g — ускорение свободного падения (силы тяжести); μ_с — дина­мическая вязкость флотационной среды.

Скорость процесса выделения частиц флотацией описывается уравнением реакции первого порядка:

dc_ч / dτ = -Кс_ч, (II.59)

где К — коэффициент скорости флотации, зависящей от гидродина­мических и конструктивных параметров.

Наиболее благоприятные условия разделения достигаются при соотношении между твердой и газообразной фазами G_r/ G_ч= 0.01-0,1. Это соотношение определяется по формуле:

G_r/G_ч = l,3b(fP-l)Q₁/c_чQ, (II.60)

где G_r и G_ч — масса соответственно воздуха и твердых веществ, г; b — растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении и данной температуре, см³/л; f— степень насыщения (обычно f = 0,5-0,8); Р — абсолютное давление, при котором вода насыщается воздухом; Q₁ — количество воды, насыщенной воздухом, м³/ч; Q — расход сточной воды, м³/ч.

Различают следующие способы флотационной обработки сточ­ных вод: с выделением воздуха из растворов; с механическим дис­пергированием воздуха; с подачей воздуха через пористые материа­лы, электрофлотацию и химическую флотацию.

Флотация с выделением воздуха из раствора. Этот способ при­меняют для очистки сточных вод, которые содержат очень мелкие частицы загрязнений. Сущность способа заключается в создании пе­ресыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. При уменьше­нии давления из раствора выделяются пузырьки воздуха, которые флотируют загрязнение. В зависимости от способа создания пересы­щенного раствора воздуха в воде различают вакуумную, напорную и эрлифтную флотацию.

При вакуумной флотации сточную воду предварительно насы­щают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом под­держивается разрежение 29,9-39,9 кПа (225-300 мм рт. ст.). Выделя­ющиеся в камере мельчайшие пузырьки выносят часть загрязнений. Процесс флотации длится около 20 мин.

Достоинствами этого способа являются: образование пузырьков газа и их слипание с частицами происходит в спокойной среде (веро­ятность разрушения агрегатов пузырек — частица сведена к мини­муму); затрата энергии на процесс минимальна. Недостатки: незна­чительная степень насыщения стоков пузырьками газа, поэтому этот способ нельзя применять при высокой концентрации взвешенных частиц (не более 250-300 мг/л); необходимость сооружать гермети­чески закрытые флотаторы и размещать в них скребковые меха­низмы.

Напорные установки имеют большее распространение, чем ва­куумные. Они просты и надежны в эксплуатации. Напорная флота­ция позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4— 5 г/л. Для увеличения степени очистки в воду добавляют коагу­лянты.

Аппараты напорной флотации обеспечивают по сравнению с неф­теловушками в 5-10 раз меньшее остаточное содержание загрязне­ний и имеют в 5-10 раз меньшие габариты. Процесс осуществляется в две стадии: 1) насыщение воды воздухом под давлением: 2) выде­ление растворенного газа под атмосферным давлением. Схема на­порной флотации показана на рис. II-20.

Сточная вода поступает в приемный резервуар, откуда ее перека­чивают насосом, во всасывающий трубопровод которого засасыва­ется воздух. Образующуюся водно-воздушную смесь направляют в напорную емкость, где при повышенном давлении (0,15-0,4 МПа) воздух растворяется в воде. При поступлении водно-воздушной сме­си во флотатор, который работает при атмосферном давлении, воз­дух выделяется в виде пузырьков и флотирует взвешенные частицы.

Рис. II-20. Схема установки напорной флотации: 1 — емкость; 2 — насос; 3 — напорный бак; 4 — флотатор

Пену с твердыми частицами удаляют с поверхности воды скребко­вым механизмом. Осветленная вода выходит из нижней части фло­татора. При использовании коагулянтов хлопьеобразование проис­ходит в напорной емкости.

В данной схеме вся сточная вода, поступающая на флотацию, насыщается воздухом. Имеются и другие схемы (рис. II-21). В схе­мах с рециркуляцией (а) и с насыщением части потока — частичной подачей воды насосом (б) — через напорную емкость подается лишь часть неочищенной сточной воды. Такие схемы рекомендуется ис­пользовать, если проводится предварительная коагуляция сточных вод с целью предотвращения или уменьшения разрушения хлопьев коагулянтов в насосе.

Схема с рабочей жидкостью (в) используется при большой кон­центрации загрязнений в сточной воде, когда работа флотационной установки по схеме, представленной на рис. II-20, малоэффективна. В качестве рабочей жидкости используют природную или очищен­ную сточную воду. При этом объем рабочей жидкости значительно превышает объем очищаемой сточной воды. Улучшение флотации в этом случае происходит из-за сохранения хлопьев загрязнений и бо­лее быстрого всплывания их. Недостаток схемы — большой расход энергии на перекачивание рабочей жидкости.

Напорные флотационные установки имеют производительность от 5-10 до 1000-2000 м³/ч. Они работают при изменении парамет­ров в следующих пределах: давление в напорной емкости 0,17-0,39 МПа: время пребывания в напорной емкости 14 мин, а во фло­тационной камере 10-20 мин. Объем засасываемого воздуха составляет 1,5-5% от объема очищаемой воды. Значения параметров зави­сят от концентрации и свойств загрязнений.

Рис. II-21. Схемы подачи воды при напорной флотации: a — с рециркуляци­ей; б — с частичной подачей воды насосом; в — с рабочей жидкостью: 1 — прием­ные отделения; 2 — флотационные отделения; 3 — линии всасывания; 4 — насо­сы; 5 — напорные баки

В случае необходимости одновременного проведения процесса флотации и окисления загрязнений необходимо насыщать воду воз­духом, обогащенным кислородом или озоном. Для устранения про­цесса окисления вместо воздуха на флотацию следует подавать инер­тные газы.

На практике используют флотационные камеры различных кон­струкций. Схема флотационной камеры ("Аэрофлотор") показана на рис. II-22.

Сточную воду подают внутрь камеры, где выделяются пузырьки газа, которые всплывают вверх, захватывая взвешенные частицы. Пенный слой с твердыми частицами поверхностным скребком уда­ляют в шламоприемник. Осветленную воду выводят из камеры. Твер­дые частицы, оседающие под действием гравитационной силы на дно камеры, донным скребком сдвигают в приемник, удаляют через трубопровод.

Применяют и другие цилиндрические флотаторы, которые име­ют разный диаметр, а следовательно, и разную производительность. Они отличаются конструкцией ввода и вывода сточной воды и пены.

Н апример, флотатор производительностью 600 м³/ч имеет диа­метр 12 м. Схема многокамерной флотационной установки с рецир­куляцией очищенной воды представлена на рис.II-23. В этой уста­новке загрязненная сточная вода сначала поступает в гидроциклон, где удаляется часть взвешенных частиц. Затем ее направляют в первую камеру, где смешивают с циркуляционной водой, насы­щенной воздухом. Воздух выде­ляется в камере и флотирует заг­рязнение. Далее сточная вода поступает во вторую, а затем в третью камеры, в которых так­же происходит процесс флота­ции. После третьей камеры очищенную воду удаляют из установки. Часть циркулирующей воды на­сосом подают в напорную емкость, где растворяется воздух. Пену удаляют пеносъемниками.

Рис. II-22. Флотатор "Аэрофлот": 1 — камера; 2 — скребок; 3 — шла­моприемник; 4 — поверхностные скребки

Рис. II-23. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляци­ей: 1 — емкость; 2 — насос; 3 — флотационная камера; 4 — гидроциклон; 5 — пеносъемник; 6 — напорный бак; 7 — аэраторы

Эрлифтные установки применяют для очистки сточных вод в химической промышленности. Они просты по устройству, затраты энергии на проведение процесса в них в 2-4 раза меньше, чем в на­порных установках. Недостаток этих установок — необходимость размещения флотационных камер на большой высоте. Схема эрлифтной установки показана на рис. II-24.

Рис. II-24. Схема эрлифтной установки: 1 — емкость; 2 — трубопровод; 3 — аэратор; 4 — труба эрлифта; 5 — флотатор

Сточная вода из емкости, находящейся на высоте 20-30 м, посту­пает в аэратор. Туда же подают сжатый воздух, который растворяет­ся под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному трубо­проводу, жидкость обогащается пузырьками воздуха, который выде­ляется во флотаторе. Образующаяся пена с частицами удаляется са­мотеком или скребком. Осветленную воду направляют на дальней­шую очистку.

Флотация с механическим диспергированием воздуха. К это­му виду флотации относятся импеллерные пневматические и безна­порные зстановки. В импеллерных флотационных машинах диспергирование воздуха обеспечивается турбинками насосного типа — им­пеллерами, которые представляют собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками. Такие установки широко используют при обогащении полезных ископаемых. В последнее время их стали при­менять и для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешен­ных частиц (более 2 г/л). При вращении импеллера в жидкости воз­никает большое число мелких вихревых потоков, которые разбива­ются на пузырьки определенной величины Степень измельчения и эффективность очистки зависят от скорости вращения импеллера. Чем больше скорость, тем меньше пузырек и тем больше эффектив­ность процесса. Однако при высоких окружных скоростях резко возрастает турбулентность потока и может произойти разрушение хлопье­видных частиц, что приведет к снижению эффективности процесса очистки. Схема флотационной машины с импеллером показана на рис. II-25,а.

Сточная вода поступает в приемный карман флотационной ма­шины и по трубопроводу попадает в импеллер, который крутится на нижнем конце вала. Вал заключен в трубку, через которую засасыва­ется воздух, так как при вращении импеллера образуется зона пони­женного давления. Для флотации требуется высокая степень насы­щения воды воздухом (0,1-0,5 объемов воздуха на 1 объем воды). Обычно флотационная машина состоит из нескольких последователь­но соединенных камер. Диаметр импеллеров 600-700 мм.

Пневматические установки применяют для очистки сточных вод, содержащих растворенные примеси, агрессивные по отношению к механизмам, имеющим движущиеся части (насосы, импеллеры).

Измельчение пузырьков воздуха достигается при пропускании его через специальные сопла на воздухораспределительных трубках. Обычно применяют сопла с отверстиями диаметром 1,0-1,2 мм, ра­бочее давление перед ними 0,3-0,5 Мпа. Скорость струи воздуха на выходе из сопел 100-200 м/с. Продолжительность флотации в каж­дом случае устанавливают экспериментально, обычно в пределах 15-20 мин.

Безнапорные установки. Схемы установок такие же, как и для напорной флотации (рис. II-20 и II-21), но без напорной емкости. Диспергирование воздуха в них происходит за счет завихрений, со­здаваемых рабочим колесом центробежного насоса. Следовательно, не требуется дополнительного давления. Однако пузырьки газа по­лучаются более крупными, чем в установках напорной флотации, поэтому' они не рекомендуются для удаления мелких частиц.

Флотация при помощи пористых пластин. При пропускании воздуха через пористые керамические пластины или колпачки полу­чаются мелкие пузырьки, размер которых равен:

где R и r — радиусы соответственно пузырьков и отверстий; σ — поверхностное натяжение воды.

Давление, необходимое для преодоления сил поверхностного на­тяжения, определяется по формуле Лапласа:

∆Р = 4σ/r. (II.62)

Этот способ флотации по сравнению с другими имеет следующие преимущества: простота конструкции флотационной камеры; мень­шие затраты энергии (отсутствуют насосы, импеллеры). Недостатки способа: частое засорение и зарастание отверстий пористого мате­риала; трудность подбора материала с одинаковыми отверстиями, обеспечивающего образование мелких и равных по размеру пузырь­ков.

Для очистки небольших количеств сточных вод применяют фло­тационные камеры с пористыми колпачками (рис. II-25,6). Сточную воду подают сверху, а воздух в виде пузырьков — через пористые колпачки. Пена переливается в кольцевой желоб и удаляется из него. Осветленную воду отводят через регулятор уровня. Установки могут иметь одну или несколько ступеней. В установках большой произ­водительности воздух подают через фильтросные пластины (рис. II-25,в).

Эффект флотации зависит от величины отверстий материала, дав­ления воздуха, расхода воздуха, продолжительности флотации, уровня воды во флотаторе. По опытным данным размер отверстий должен быть от 4 до 20 мкм, давление воздуха 0,1-0,2 МПа, расход воздуха 40-70 м³ /(м²*ч), продолжительность флотации 20-30 мин, уровень воды в камере до флотации 1,5-2,0 м.

Другие способы флотации. В этом разделе кратко описаны хи­мическая, биологическая и ионная флотации.

Химическая флотация. При введении в сточную воду некоторых веществ для ее обработки могут протекать химические процессы с выделением газов: О₂, СО₂, С1₂ и др. Пузырьки этих газов при неко­торых условиях могут прилипать к нерастворимым взвешенным ча­стицам и выносить их в пенный слой. Такое явление, например, на­блюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введени­ем коагулянтов. Схема флокационной камеры для химической фло­тации показана на рис. Н-26. Сточные воды поступают в реакцион­ную камеру. Туда же подают реагенты. Во избежание дегазации вре­мя пребывания сточной воды в камере должно быть минимальным. После насыщения вода поступает во флотационную камеру. Недо­статок метода — большой расход реагентов

Б иологическая флотация. Этот метод применяют для уплотнения осадка из первичных отстойников при очистке бытовых сточ­ных вод. Для этой цели осадок подогревают паром в специальной емкости до 35-55°С и при этих условиях выдерживают несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются пу­зырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвоживаются. Таким путем за 5-6 суток влаж­ность осадка можно понизить до 80% и тем самым упростить даль­нейшую обработку осадков. Разрабатываются методы флотационно­го активного ила.

Рис. II-26. Схема установки для химической флотации: 1 — мешалка; 2 — скребок; 3 — шламоприемник; 4 — флотационная камера; 5 — реакционная камера

Насыщение осадков, имеющих большую влажность, пузырька­ми газа для проведения флотационного уплотнения возможно не толь­ко биологическим путем, но и другими рассмотренными выше более эффективными методами.

Ионная флотация. Этот процесс ведут следующим образом: в сточную воду вводят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо способом, и собиратель (поверхностно-активные вещества). Соби­ратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противополож­ный заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и загрязнений кон­центрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся им в пену. Пену удаляют из флотационной камеры и разрушают, из нее извлекают сконцентрированные ионы удаляемого вещества.

Этот процесс можно использовать для извлечения из сточных вод металлов (Mo, W, V, Pt, Се и др.) Процесс эффективен при низких концентрациях извлекаемых ионов — 10 ^-3 - 10^-2 моль ион/л.

Очистка методом пенного фракционирования (пенной сепа­рацией). Пенное фракционирование основано на селективной ад­сорбции одного или нескольких растворенных веществ на поверхно­сти газовых пузырьков, которые поднимаются вверх через раствор. Образовавшаяся пена обогащается адсорбированным веществом, что и обеспечивает парциальную сепарацию компонентов раствора.

Этот процесс используют для удаления ПАВ из сточной воды: он аналогичен процессу адсорбции на твердых сорбентах.

Адсорбция органических веществ на поверхности раздела фаз газ — жидкость связана с изменением поверхностного натяжения о и с избыточной поверхностной концентрацией следующим соотно­шением:

dσ =Г_idμ_i, (II.63)

где dσ — изменение поверхностного натяжения; Г_i — избыточная концентрация вещества на поверхности; μ_i — химический потенци­ал i-й составляющей, равный R_gT_alna_i; R_g — газовая постоянная; Т_а — температура; а_i — термодинамическая активность.

При больших разбавлениях раствора a_i = с_i , (где с_i — концентра­ция растворенного вещества). С учетом этого коэффициент распре­деления равен:

Г_i/с_i = (-1/ R_gT_a)(dσ/dc_i) = К_i, (II.64)

где Г_i /с_i =К_i — отношение концентраций в двух исследуемых фазах, которое является коэффициентом распределения К_i.

В случае разбавленных растворов ds/dc_i , очень незначительно зависит от концентрации, и К_i для данной системы растворителя и растворенного вещества является практически постоянным.

При барботировании воздуха через воду, содержащую ПАВ, на ее поверхности образуется пенный слой, состоящий из пузырьков газа различного диаметра. Распределение пузырьков газа по разме­рам в пенном слое соответствует нормально-логарифмическому за­кону.

Повышение скорости воздуха приводит к увеличению частоты образования пузырьков и росту объема пены. Соответственно растет поверхность раздела фаз и количество ПАВ, адсорбирующихся на этой поверхности. Кинетика извлечения ПАВ определяется уравне­нием:

При линейном изменении величины поверхностного натяжения сточной воды от концентрации ПАВ уравнение кинетики процесса имеет вид:

1nс_к /с_о = -Кτ. (II.66)

При учете изменения объема системы в процессе пенного кон­центрирования кинетика процесса описывается уравнением:

(-1/ V) dc/dτ = Кc^л . (II.67)

Здесь σ — поверхностное натяжение сточной воды; с_к — остаточная концентрация растворенного ПАВ в объеме воды; с_о — концентра­ция ПАВ в момент времени т (при τ_о = 0 с_к= с_о ); τ — время; К — константа; V — объем жидкости; n — формальный порядок реак­ции процесса перехода ПАВ в пену.

Степень извлечения ПАВ пеной равна:

δ_п = 100(с_н - с_к)/с_н = с_п/с_н , (II.68)

где с_н — концентрация ПАВ в воде до извлечения, с_п — концентра­ция ПАВ в пене.

Степень извлечения зависит от многих параметров. С увели­чением исходной концентрации ПАВ в воде возрастает пенообразующая способность раствора и степень его извлечения, а время, необ­ходимое для максимально возможного извлечения ПАВ, уменьшает­ся. Это происходит вследствие того, что с увеличением концентра­ции ПАВ возрастает дисперсность образующихся пузырьков. С уве­личением щелочности раствора, начиная с рН ≈ 9,5, степень извлече­ния ПАВ сначала растет, а затем при рН ≈ 12,3 несколько снижается. Небольшое количество добавок электролитов ( 0,0005 моль/л) КС1, K₂SO₄ , К₄Р₂О₇ , KNO₃ , NaNO₃ , NH₄NO₃ приводит к увеличению сте­пени извлечения. Это объясняется тем, что ионы электролитов за счет гидратации поглощают часть воды, в результате чего возрастает эффективная концентрация ПАВ.

Изменение температуры сказывается на стабильности пены ПАВ. С повышением температуры устойчивость пены уменьшается, что объясняется десорбцией пенообразователя с межфазной поверхнос­ти и понижением вязкости дисперсной среды. Понижение вязкости способствует более быстрому' отеканию жидкости в пленке. Кроме того, рост температуры вызывает увеличение диаметра пузырьков и изменяет растворимость ПАВ.

Коэффициент распределения ПАВ между пенным продуктом (пеноконденсатом) и сточной водой, характеризующей эффективность извлечения, равен:

ε_п = c_п/c_к . (II.685)

Коэффициент распределения зависит от объема пенного продукта и степени извлечения ПАВ из сточной воды. При проведении про­цесса стремятся, чтобы пеноконденсат имел наименьший объем с мак­симальной концентрацией ПАВ. Коэффициент ε_п всегда больше еди­ницы.

Степень изменения объема сточной воды в процессе пенного фракционирования равна:

R_v =V_п / V_ост , (II.686)

где V_п — объем пеноконденсата; V_ост — остаточный объем раствора.

Схема процесса очистки сточной воды от ПАВ методом пенной сепарации показана на рис. II-27.

Сепаратор имеет несколько камер, в каждую из которых вводят воздух. Высота слоя воды в камерах составляет 0,5-0,8 м. Очищен­ная вода поступает в сборник, а пену вентилятором подают в циклон (в вентиляторе происходит частичное разрушение пены), где газовая фаза отделяется от жидкости. Из циклона смесь воды с пеной посту­пает в отстойник, где происходит разделение. Вода поступает в I ка­меру сепаратора, а пена — в камеру концентрирования.

В процессе пенной сепарации происходит не только извлечение ПАВ, но и одновременное удаление из воды суспендированных или эмульгированных частиц, а также частичное удаление растворенных веществ.

Рис. II-27. Схема установки очистки сточных вод методом пенной сепара­ции: 1 — емкость; 2 — насос; 3 — промежуточный сборник; 4 — расходомер; 5 — сепаратор; 6 воздуходувка; 7 — сборник; 8 — вентилятор; 9 — циклон; 10 — от­стойник; 11 - камера концентрирования пены

Воздух в сточную воду можно подавать через перфорированные трубы, мелкопористые материалы, при помощи импеллера, а также из пересыщенных растворов при снижении давления над жидкостью (при напорной флотации) и при электрофлотации. Наибольшая сте­пень удаления ПАВ из сточной воды достигается при диспергирова­нии воздуха через пористые пластины.

В процессе разделения образуется пена с повышенной концент­рацией ПАВ, количество которой пропорционально концентрации ПАВ и расходу сточной воды. Выделение ПАВ из стойкой пены свя­зано со значительными трудностями, поэтому она в большинстве слу­чаев является отходом.

Процесс разрушения пенного слоя протекает с небольшой скоро­стью F, которая может быть вычислена по формуле:

F=245V_воз(lgLc_H)^2,33τ^3,24 , (II.69)

где V_воз — расход воздуха при барботированни через раствор ПАВ, м³/ч; L —расход сточной воды, м³/ч; τ — продолжительность барботирования, ч.

Для ускорения процесса разрушения пены могут быть исполь­зованы пеногасители, в качестве которых применяют кремний, орга­нические и германийорганические соединения. Однако при исполь­зовании пеногасителей происходит дополнительное загрязнение пеноконденсата. Исходя из этого, целесообразнее использовать терми­ческие, электрические и механические способности гашения пены.

Таким образом, процесс очистки сточных вод от ПАВ методом пенного фракционирования имеет следующие недостатки: 1) обра­зуется обогащенный ПАВ конденсат, который медленно разрушает­ся; 2) при увеличении концентрации ПАВ в сточной воде эффектив­ность очистки снижается.

Предложен способ очистки от ПАВ, сочетающий пенное фрак­ционирование и радиационную деструкцию и исключающий отход пены. Процесс можно проводить в одном или двух аппаратах. Прин­ципиальные его схемы показаны на рис. II-28.

По схеме а в колонну непрерывно подают сточную воду, содер­жащую ПАВ, и через барботер воздух. Образующуюся пену из ко­лонны направляют в радиационный аппарат, где облучают γ-лучами. В результате часть ПАВ разрушается, а пена конденсируется. Кон­денсат возвращают в нижнюю часть колонны.

Рис. II-28. Схемы установок пенно-радиационной очистки сточных вод: a — раздельная; б — совместная: 1 — колонна; 2 — аппарат для облучения; 3 — излу­чатель

По схеме б пену из колонны не отводят, а разрушают γ-облучением в верхней части колонны.

Метод позволяет очищать сточные воды с высоким содержанием ПАВ любого типа и строения. Следует отметить, что полная дест­рукция ПАВ до воды и СО₂ экономически нецелесообразна. Радиа­ционную деструкцию проводят до образования продуктов, легко окис­ляемых биологически.