1.2. Физико-химические методы

Физико-химические методы очистки заключаются в том, что в очищаемую воду вводят какое-либо вещество — реагент (коагулянт и флокулянт). Вступая в химическую реакцию с находящимися в воде примесями, эти вещества способствуют более полному выделению нерастворенных примесей, коллоидов и части растворенных соединений и тем самым уменьшают их концентрацию в сточной воде; переводят растворимые соединения в нерастворимые или в растворимые, но безвредные; изменяют реакцию сточных вод, в частности нейтрализуют их; обесцвечивают окрашенную воду и пр.

Современные исследования свидетельствуют о возможности обеспечения глубокой очистки сточных вод физико-химическими методами. Освоение такой очистки по стадиям позволяет резко интенсифицировать механическую очистку сточных вод или заменить биологическую очистку.

Физико-химические методы чаще всего применяют при очистке производственных сточных вод. При этом в зависимости от местных условий тот или иной метод может явиться окончательной стадией (если достигаемая степень очистки достаточна для использования сточных вод повторно) либо предварительной стадией (например, при удалении ядовитых соединений или каких-либо других веществ, препятствующих нормальной работе последующих очистных сооружений) [13].

1.2.1. Флотация

Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Процесс очистки производственных сточных вод методом флотации заключается в образовании комплексов «частицы – пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости.

Метод флотации используется для очистки сточных вод, загрязненных отходами нефти, продуктами ее переработки, жирами, маслами, смолами, латексами, продуктами органического синтеза, поверхностно-активными веществами, красителями [14].

Флотационный метод очистки обеспечивает, помимо удаления механических примесей, загрязнений (растворенных и коллоидных), также снижение значений БПК и ХПК, удаление летучих компонентов растворение в воде кислорода воздуха. Эффективность процесса флотации колеблется в довольно широких пределах: от 20 до 99%. Наиболее часто флотационный метод очистки применяют в локальных сооружениях для удаления основной массы загрязнений. Флотационный процесс протекает в 4—6 раз быстрее отстаивания при одинаковом эффекте удаления загрязнении.

Извлечение диспергированных, коллоидных или растворенных примесей воды происходит в результате их прилипания (или адсорбции) к пузырькам газа, образующимся в жидкости, или введенным в нее. Агрегаты пузырьков воздуха с примесями всплывают на поверхность, образуя пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной жидкости.

При очистке сточных вод могут быть использованы методы пенного фракционирования, макро- и микрофлотации, осадительной флотации, молекулярной флотации и адсорбционной коллоидной флотации.

Физико-химические основы пенной флотации. Основную роль в процессе флотации диспергированных примесей играют поверхностные силы, ван-дер-ваальсовские силы притяжения, электрические силы, возникающие при перекрытии двойных электрических слоев, образующихся вокруг частички в водном растворе, и силы гидратации любых гидрофильных групп на поверхности частички [15].

Действия этих трех сил определяют смачиваемость или несмачиваемость частицы водой. Прилипание частицы к газовому пузырьку тем сильнее, чем хуже ее смачивание водой. Мерой смачиваемости твердого тела жидкостью является краевой угол смачивания, измеряемый обычно со стороны воды.

Смачиваемость твердой частицы водой, как известно, определяется степенью ее гидрофобности. Чем более гидрофобно вещество, тем меньше его смачиваемость и лучше флотируемость. Изменение смачиваемости флотируемых частиц достигается адсорбцией на их поверхности поверхностно-активных веществ, в результате которой полярные группы ПАВ прикрепляются к частице, а гидрофобные цепи обращаются в объем раствора. Таким образом, при введении небольших количеств поверхностно-активных веществ флотируемость увеличивается до тех пор, пока их концентрация не вызовет заметное понижение величины поверхностного натяжения водной среды, из которой происходит флотация. По воздействию на процесс флотации ПАВ обычно разделяют на две категории:

• коллекторы;

• пенообразователи.

Коллекторы, в основном, изменяют смачиваемость частиц, а пенообразователи адсорбируются, как правило, на границе водная среда — газ и стабилизируют пленку, образующуюся между приближающимися друг к другу пузырьками, препятствуя их коалесценции. Избыток пенообразователя всегда несколько понижает поверхностное натяжение и,

следовательно, вероятность акта прилипания частицы к пузырьку.

Процесс флотации можно рассматривать как трехстадийный:

1) постепенное сближение минеральной частицы с пузырьком воздуха, в то время как на частице формируется смачивающая пленка;

2) утоньшение смачивающей пленки до тех пор, пока не будет достигнуто нестабильное состояние;

3) разрушение смачивающей пленки и образование краевого угла, обеспечивающего сильную адгезию частицы на поверхности воздушного пузырька.

Эффект флотации высокодисперсных частиц, размеры которых близки коллоидным, в значительной мере зависит от электростатического взаимодействия двойных электрических слоев частиц и пузырьков. Чаще всего снижение электрокинетического потенциала частиц приводит к уменьшению энергетического барьера и улучшению их флотируемости.

Существенное влияние на эффективность флотации оказывает соотношение размеров частицы и газового пузырька, которое определяет эффективность их столкновения и последующего притяжения. Для каждого размера пузырька существует критический размер частицы. Столкновение частиц меньшего размера с пузырьком не происходит. Например, наименьший размер частиц галенита, которые могут соприкоснуться с пузырьком воздуха диаметром 1,5х10⁶ нм, составляет 30х10³ нм. Очень мелкие частицы движутся точно по линиям тока жидкости, обтекающей всплывающий пузырек. Поэтому столкновение частицы с пузырьком может произойти только тогда, когда частица проходит вблизи пузырька на расстоянии одного радиуса частицы. В общем случае извлечение очень мелких частиц флотацией можно улучшить, повышая дисперсность пузырьков – воздуха [16].

В первом приближении скорость флотации прямо пропорциональна частоте генерации пузырьков и не зависит от их диаметра в широком интервале размеров частиц. При данной скорости продувания воздуха необходимо добиваться минимального размера пузырьков, чтобы частота их генерации была максимальной [17].

В оптимальных условиях обеспечивается 98 - 100 % очистка от ионов тяжелых металлов. Простота эксплуатации, отсутствие вторичного загрязнения, незначительный расход реагентов – достоинства этого метода.