В частности флотация используется для очистки воды, при этом в большинстве случаев в качестве газа используется атмосферный воздух. Первоочередным моментом при флотации является образование флотокомплексов «частицы загрязнений — пузырьки воздуха».
Эффективность очистки воды флотационным способом напрямую связана с вероятностью образования флотокомплексов. Учёные предлагают различные модели флотационного процесса. И хотя не все модели учитывают то, что флотокомплексам необходимо всплыть (не говоря уже о возможности их разрушения), все они показывают прямо или косвенно, что чем вероятнее образование флотокомплексов, тем эффективнее или быстрее будет идти очистка воды. Следовательно, необходимо повысить вероятность образования этих комплексов, а она зависит от большого числа факторов. Наиболее явными параметрами являются размеры пузырьков газа и их количество. Очевидно, что чем их больше, а размер меньше до определённых пределов, тем проще образоваться флотокомплексу.
Однако полностью скомпенсировать большие размеры пузырьков их большим количеством невозможно. Одна из причин — они поднимаются к поверхности воды очень быстро, что приводит к неравномерности аэрации. Практика показывает , что для большинства случаев очистки воды желательны пузырьки размером до 100–150 мкм, хотя иногда и пузырьки размером 0,5–2 мм могут достаточно эффективно извлекать некоторые вещества, например, поверхностно-активные вещества (ПАВ). Естественно, желательно получать большое количество пузырьков малого размера простым способом с минимальными энергозатратами. Флотационные установки как раз и классифицируются, как правило, по способам создания пузырьков воздуха. Наиболее эффективными и дорогими являются напорная флотация и электрофлотация, при которых образуются пузырьки размером 20–80 мкм. В первом случае в воде растворяют газ под избыточным давлением 3–5 атм, а во втором — происходит электролиз воды с выделением пузырьков водорода и кислорода. Наиболее простым и незатратным способом является пневматическая флотация, при которой воздух, подаваемый от компрессора, проходит через аэратор, однако пузырьки в этом случае образуются достаточно крупными: более 400 мкм. Промежуточное положение занимает пневмогидравлическая флотация. В этом случае вода подаётся от насоса в аэратор, где смешивается с воздухом. При выходе водовоздушной смеси из аэратора происходит диспергирование воздуха. В некоторых случаях идёт самоподсос воздуха (в этом случае можно говорить об эжекционной флотации), но обычно его подача осуществляется от компрессора. Это стандартный вариант пневмогидравлической флотации, при котором воздух подаётся в систему либо перед аэратором, либо непосредственно в него. Степень диспергирования пузырьков газа в этом случае определяется в основном конструкцией аэратора, расходом воды (Qв) и соотношением расходов газа (Qг) и воды, которое обозначим через газосодержание
φ = (Qг : Qв) · 100 %. В работе [19] получены пузырьки со средними размерами 2–3 мм. В основном развитие данного способа идёт в разработке и совершенствовании конструкций пневмогидравлических аэраторов (ПГА), например, создают вращающиеся ПГА , или изменяют параметры сопла, чему посвящена работа .
Существуют также микроустройства для генерирования микропузырьков. В рассмотрено применение Т-образных микроустройств, в которых имеются каналы размерами порядка 100–200 мкм. При этом размеры генерируемых пузырьков составляют 60–180 мкм, но производительность таких устройств недостаточна для
очистки сточной воды. В данной работе предложено два других способа повышения качества диспергирования: подача воздуха перед насосом и применение диспергирующего устройства при подаче воздуха
после насоса. Про первый способ имеются неоднозначные данные по размерам образующихся пузырьков [18]. В говорится, что в этом случае пузырьки образуются больших размеров, нежели при напорной флотации. В работе показана целесообразность подачи воздуха переднасосом, так как средний размер генерируемых
пузырьков воздуха составлял 50–70 мкм при φ до 5 %. Другим способом уменьшения размеров генерируемых пузырьков газа является применение специальных диспергаторов. Их основное преимущество — универсальность, так как такие устройства могут быть установлены в любые системы. Принцип их действия основан на различных физических явлениях: изменении направления потока движения, механическом диспергировании , комбинировании электрического и центробежного полей, обработке ультразвуком [9]. Наиболее технически простым решением, не требующим дополнительных энергозатрат, является диспергирование пузырьков при их контакте с твёрдой поверхностью . Данные устройства в ряде случаев позволяют получать пузырьки размерами менее 100 мкм. Однако следует отметить некоторые недостатки: сложность некоторых технологий, недостаточная степень диспергирования, достижение требуемых параметров только при определённых настройках системы.
Методы и материалы
Для исследования возможности повышения эффективности очистки воды в пневмогидравлических флотаторах была использована лабораторная установка, представленная на рис. 1. Особенностью выполненной работы является то, что сравнение методов можно было проводить при использовании одного и того же оборудования: аэратора и насоса. Установка состоит из камеры аэрации 1, промежуточного резервуара 2, компрессора 3, центробежного насоса 4, аэратора 6. Для фотографирования пузырьков на камере аэрации 1 закреплена прозрачная ёмкость 9, в которую набирается исследуемая рабочая жидкость. С одной
стороны ёмкости установлен USB-микроскоп 10,
соединённый с компьютером 11, с противоположной стороны напротив объектива микроскопа — источник света 8. Вода из резервуара 2 подаётся насосом 4 в камеру аэрации 1. Подача воздуха осуществляется
от компрессора 3 двумя способами: П1 — подвод воздуха после насоса в эжектор 7 (существующий); П2 — подвод воздуха перед насосом (предлагаемый). В первом случае диспергирование пузырьков происходит в аэраторе; во втором — в насосе и аэраторе. Также рассматриваемая система аэрации может быть дополнена диспергатором 5, устанавливаемым после аэратора.
Из камеры аэрации 1 вода самотёком поступает
в резервуар 2, что способствует удалению оставшихся мелких пузырьков воздуха.
Эксперименты по определению дисперсного
состава пузырьков, генерируемых пневмогидравлической системой аэрации, проводились для
трёх способов диспергирования воздуха: 1) подвод воздуха после насоса (исходный вариант);
2) подвод воздуха перед насосом (предлагаемый); 3) подвод воздуха после насоса с установкой диспергатора (предлагаемый). В исследовании использовался ребристый вращающийся диспергатор оригинальной конструкции [8], принцип работы которого заключался в следующем. Водовоздушная смесь, выходящая из
аэратора с большой скоростью, ударяется о ребристую поверхность диспергатора, вследствие
чего пузырьки воздуха дробятся на более мелкие, а диспергатор вращается, что обеспечивает более
интенсивное перемешивание водовоздушной смеси с загрязнённой водой. Последний аспект повышает вероятность образования флотокомплексов. Эксперименты проводились при следующих
значениях газосодержания φ: 2; 5; 7,5 %. Результаты исследования и их обсуждение
Были определены размеры 200–300 пузырьков для каждого случая. В результате статистической
обработки были получены функции плотности распределения размеров пузырьков (рис. 2–4).
На основе полученных данных определена доля воздуха, приходящаяся на каждую группу пузырьков по размерам. При подаче воздуха после насоса получено неоднородное распределение пузырьков. В результате статистической обработки выделено несколько нормальных распределений (рис. 2).
Рис. 2. Функции плотности распределения размеров пузырьков при подаче воздуха после насоса: а) φ = 2 %; б) φ = 5 %; в) φ=7,5 %; 1 — первая группа пузырьков (мелкодисперсные); 2 — вторая группа пузырьков (среднедисперсные); 3 — третья группа пузырьков (крупнодисперсные)
Пузырьки крупнее 200 мкм в распределении не представлены, так как они малоэффективны во флотационном процессе очистки воды. Доля пузырьков крупнее 500 мкм при подаче воздуха после насоса возрастает с 12 до 25 % при увеличении газосодержания φ с 2 до 7,5 %, а доля воздуха, приходящаяся на эти пузырьки, составляет более 90 %. Дальнейшее увеличение расхода воздуха нецелесообразно, так как при этом возрастает средний размер пузырьков всех групп.
При подаче воздуха перед насосом получено уномодальное нормальное распределение
(рис. 3). Пузырьков более 500 мкм зафиксировано не было. При газосодержаниях 2 и 5 % вид
распределения практически не меняется, средний размер пузырька 75 мкм со среднеквадратическими отклонениями 22 и 19 мкм соответственно.
При увеличении газосодержания свыше 5–7 % отмечается нестабильность работы насоса и возможно его «завоздушивание», при котором насос перестаёт качать воду — это является технологическим ограничением данного способа. Использование диспергатора при подаче воздуха после насоса позволяет значительно сократить количество крупных пузырьков размерами более 500 мкм. Их доля составляет менее 5 %.Появление таких пузырьков носит случайный характер и не оказывает значительного влияния
на процесс. Дисперсный состав в данном случае характеризуется двумя группами пузырьков со
средними размерами 60–70 и 90–120 мкм, на которые приходится 55–65 % воздуха. При увеличении газосодержания размер диспергированных пузырьков увеличивается, так как увеличивается
их исходный размер. Проведённый эксперимент позволил выявить основные особенности работы пневмогидравлической системы аэрации.
При использовании существующего варианта с подачей воздуха после насоса образуется
большое количество пузырьков размерами более 500 мкм, на которые приходится около 95 %
воздуха. Распределение пузырьков размерами менее 500 мкм неравномерно и характеризуется
несколькими значениям. Вторая и третья группа пузырьков имеют размеры более 100 мкм. Применение диспергатора и подача воздуха перед насосом могут решить эту проблему. Применение диспегратора позволяет получить полимодальное распределение, характеризуемое двумя группами пузырьков, и при этом снизить до 35–45 % долю воздуха, приходящуюся на пузырьки размерами более 500 мкм. Данный метод
позволяет работать в широком диапазоне значений газосодержания, однако при его повышении
размер пузырьков также увеличивается и количество пузырьков с размерами более 500 мкм
возрастает. Этот способ можно применять при наличии в воде легкофлотируемых загрязнений
разного типа, для извлечения которых требуются пузырьки широкого диапазона размеров .
При подаче воздуха перед насосом получается уномодальное нормальное распределение пузырьков со средним размером 75 мкм. В отличие от существующего варианта, практически отсутствовали крупнодисперсные пузырьки размером более 500 мкм. Доля воздуха, приходящаяся на пузырьки размерами менее 100 мкм, с которыми наиболее эффективно образуются флотокомплексы, существенно возрастает. При использовании данного варианта необходимо учитывать ограничение по соотношению расходов (φ не более 5 %). Однако это не является серьёзным недостатком, так как этот способ подачи воздуха позволяет получить мелкодисперсные пузырьки с большей интенсивностью аэрации, чем при
подводе воздуха после насоса, где до 90–95 % приходится на пузырьки, с которыми флотация
не идёт эффективно. Данный метод применяется при очистке воды от труднофлотируемых, мелкодисперсных, гидрофобно-гидрофильных загрязнений, для извлечения которых требуются однородные пузырьки с размерами менее 100 мкм.
