Флотатор и процесс флотации

В химической, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности процесс флотации применяется для очистки сточных вод и других жидкостей от нерастворимых твердых и/или жидких загрязняющих веществ. Основная область применения флотаторов - очистка воды от взвешенных и эмульгированных веществ.

Процесс флотации заключается в формировании во флотаторе флотокомплексов частица–пузырек газа, последующим всплывании данных комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя осадка с поверхности сточной воды. В зависимости от способа получения пузырьков газа в жидкости различают следующие методы флотации:

Механическая флотация пузырьками, образующимися при диспергировании воздуха механическими перемешивающими устройствами;
Напорная флотация (вакуумная флотация) пузырьками, выделяющимися из пересыщенных растворов газов в воде соответственно при атмосферном давлении либо разрежении;
Пневматическая флотация пузырьками, образующимися при пропускании сжатого воздуха через пористые материалы (пластины фильтры, керамические мембраны и пр.);
Электрофлотация – флотация пузырьками электролитических газов, образующимися при электролизе воды.

Извлекаемые во флотаторе частицы могут быть твердыми веществами либо каплями жидкости. Для концентрирования растворенных поверхностно-активных веществ (ПАВ) в пенном слое используется пенное фракционирование, при котором на поверхности пузырьков газа (воздуха) сорбируются молекулы ПАВ.

В процессе очистки сточных вод требуется максимально извлечь загрязняющие вещества в пенный продукт. Для интенсификации флотационного процесса часто используются коагулянты и флокулянты, способствующие укрупнению извлекаемых частиц, их слипанию с образованными хлопьев гидроксидов металлов и повышающие таким образом эффективность очистки. При извлечении ионов тяжелых металлов их предварительно переводят в фазу гидроксидов корректировкой pH сточных вод, а образовавшийся осадок флотируют.

Извлечение в пенный продукт основной массы флотируемых частиц достигается в результате столкновения и закрепления частиц на пузырьках, удержания на пузырьках при их подъеме в пену и удержания в пене до ее удаления в пеносборник.

В напорных флотаторах газы могут выделяться из жидкости на поверхности гидрофобных частиц в виде очень тонких пузырьков. Такие пузырьки способствуют прилипанию частиц к более крупным пузырькам, которые выносят частицу в пену.

При выделении газов на очень тонких частицах образуется комплекс пузырек–частица, имеющий положительную плавучесть, что способствует самостоятельному выносу частицы в пенный слой. При этом исключаются стадии столкновения и закрепления частиц на пузырьках, вследствие чего существенно возрастает вероятность флотации частиц в единицу времени.

Вероятность флотации частицы зависит от физических и химических свойств частицы – размера, массы, формы, химического состава, состояния поверхности. Группу частиц, обладающих одинаковой вероятностью флотации, относят к одному классу флотируемости. Вероятность флотации частиц данного класса флотируемости в единицу времени K отражает все основные этапы флотационного процесса.

Столкновение и закрепление частиц на пузырьке происходят под действием гидродинамических и поверхностных сил. На расстояниях от пузырька, больших по сравнению с размером частиц, на частицу действуют гидродинамические силы. На расстояниях, малых по сравнению с размером частицы, превалируют поверхностные силы. Различие в масштабах действия различных сил позволяет отделить этап столкновения от этапа закрепления и условно отнести к этапу столкновения сближение частицы и пузырька до расстояний, на которых действие поверхностных сил становится определяющим.

Этап закрепления заканчивается фиксацией частицы на пузырьке, этап удержания частицы на пузырьке – сохранением комплекса пузырек–частица до выхода в пенный слой. При ударе минерализованных пузырьков о пенный слой, их коалесценции в пене, съеме пены часть частиц выпадает из пены и возвращается в пульпу. Этап удержания частиц в пене заканчивается попаданием частицы в пенный продукт.

Пневматические флотаторы с подачей газа через пористые материалы, по сравнению с другими флотаторами, имеют преимущества: простота конструкции флотационной камеры, малые затраты энергии (не требуются импеллеры, насосы).

Напорная флотация позволяет проводить очистку сточных вод с концентрацией взвешенных веществ до 4–5 кг/м³. Для повышения эффективности очистки в сточную воду вводят коагулянты. Насыщение суспензии или эмульсии газом (воздухом) осуществляется при повышенных давлениях, создаваемых насосом в напорных баках и нагнетальных трубопроводах, ведущих к флотатору. Во флотаторе, работающем при атмосферном давлении, растворимость газа уменьшается, и по всему объему равномерно начинают выделяться мелкодисперсные пузырьки, которые закрепляются на частицах и флотируют их.