V průmyslové a komunální úpravě vody je flotace technologií čištění vody, která využívá drobné bublinky ke zvednutí suspendovaných nečistot na povrch. I když to vypadá jednoduše, ztělesňuje složité principy mechaniky tekutin a chemie rozhraní. Tento článek spojí klasické vzorce s inženýrskými zkušenostmi, aby poskytl-hloubkovou analýzu základních mechanismů a ovlivňujících faktorů flotace pro odborníky na úpravu vody.
I. Základní principy flotace
Flotace je opakem sedimentace. Zatímco sedimentace využívá gravitace k ponoření částic a odstranění suspendovaných látek, flotace využívá vztlak připojených bublin k přivedení suspendovaných částic na povrch, čímž se dosáhne separace pevných-kapalin.
Klíčem k flotačnímu čištění vody je generování velkého množství drobných bublinek, které se přichytí k suspendovaným částicím a vytvoří „bublinkové-vločky“. Tyto bubliny stoupají v důsledku vztlaku a jsou nakonec seškrábány.
Základní fyzikální proces je: tvorba bublin → kontakt a adheze mezi bublinami a částicemi → vzestup přichycených částic s bublinami → tvorba a separace pěnové vrstvy.
II. Analýza rychlosti stoupání bublin
Když bublina stoupá ve vodě, působí na ni tři síly: gravitace F1, vztlak F2 a odpor F3. Na základě druhého Newtonova zákona lze odvodit následující vzorec.
Kde: v je rychlost stoupání bubliny, cm/s; m je hmotnost vloček-naložených vzduchem, g; gravitace F1=ρ1gV, kde ρ1 je hustota komplexu bublin-vloček, g/cm³, a V je objem komplexu bublin-vloček, cm³; vztlak F2=ρ2gV, kde ρ2 je hustota vody, g/cm³; aerodynamický odpor F3=CAρ2v²/2, kde C je koeficient aerodynamického odporu a A je projektovaná plocha vloček zatížených vzduchem-ve směru proudění vody, cm².
Dosazením gravitace F1, vztlaku F2 a tažení F3 do výše uvedeného vzorce vznikne následující vzorec.
Když se rychlost vzestupu bubliny ustálí, dv/dt=0 a vzestupnou rychlost bubliny v lze vypočítat podle následujícího vzorce.
Pokud si strukturu „bublina-vloček“ představíme jako kouli o průměru d, pak V/A=2d/3. Dále koeficient odporu koule C=4 a stoupající rychlost bubliny jsou následující.
Výše uvedený vzorec ukazuje, že rychlost stoupání bubliny v je přímo úměrná druhé odmocnině průměru částice d a nepřímo úměrná hustotě vody ρ1. To znamená, že čím větší je bublina a čím větší je rozdíl v hustotě, tím rychlejší je rychlost stoupání. Příliš velké bubliny však méně pravděpodobně přitahují nečistoty, a proto je tvorba mikrobublin obzvláště důležitá. Kromě toho, protože hustota vzduchu je pouze 1/775 hustoty vody, vločky s určitým počtem připojených mikrobublin stoupají rychleji, než původní vločky klesají. Flotace proto dosahuje mnohem kratších časů oddělování pevných-kapalin než sedimentace.
III. Povrchové napětí a přídavný tlak
Jádro flotačního procesu spočívá v adhezi bublin k částicím a povrchové napětí určuje stabilitu bublin. Povrchové napětí kapaliny je definováno následovně.
Kde: T je povrchové napětí v dynech, které odráží sílu sil mezi molekulami kapaliny; je koeficient povrchového napětí v dynech/cm; a l je délka povrchové vrstvy v cm.
Nerozpuštěný vzduch ve vodě je přitahován molekulami vody, což vytváří povrchové napětí na rozhraní mezi dvěma fázemi. Tato tenká vrstva molekul vody, která vytváří povrchové napětí, tvoří membránu bubliny. Zakřivený povrch membrány v důsledku povrchového napětí vyvíjí přídavný tlak Ps na vzduch uvnitř bubliny. Aby se tento dodatečný tlak vyrovnal, tlak uvnitř bubliny P musí být větší než tlak vně bubliny P0, tj. P=P0 + Ps. Velikost tohoto přídavného tlaku je přímo úměrná koeficientu povrchového napětí a nepřímo úměrná poloměru bubliny, jak ukazuje následující rovnice.
Kde: r je poloměr bubliny v cm.
Výše uvedená rovnice odhaluje, že čím menší je bublina, tím menší je poloměr r a tím větší je dodatečný tlak, takže bublina pravděpodobněji praskne. Flotační systém proto musí brát v úvahu jak velikost, tak stabilitu bublin. Pokud jsou bubliny příliš velké, budou plavat příliš rychle a bude obtížné je přilnout; pokud jsou bubliny příliš malé, budou se snadno rozbíjet a bude obtížné vytvořit účinnou vrstvu špína.
IV. Mechanismus adheze bublin a vloček
Kombinace bublin a vloček je klíčem k flotaci. Mechanismus jeho působení lze shrnout jako tři mechanické efekty:
(1) Účinek snížení povrchové energie. Když bubliny ulpívají na povrchu vloček, celková povrchová energie systému klesá a rozhraní má tendenci být stabilní;
(2) Efekt kapilárního přemostění. Kapalný film mezi bublinami a vločkami se natáhne, aby vytvořil kapilární můstek, čímž se oba pevně spojí;
(3) Elektrostatický adsorpční efekt. Částice ve vodě jsou často záporně nabité a povrchový potenciál mikrobublin lze také řídit tak, aby se vytvořil efekt elektrostatické adsorpce.
Kombinace bublin a vloček nejen zvyšuje rozdíl měrné hmotnosti suspendovaných částic, ale také zvyšuje účinnost flotační separace.
V. Efekt strhávání a flotační efekt
Ve flotační nádrži, když mikrobubliny vynesou vločky nahoru, strhnou s sebou část vody nahoru. Tento jev se nazývá strhávací efekt. Ačkoli účinek inkluze ovlivňuje koncentraci pěny, pomáhá zlepšit rychlost odstraňování. Jeho mechanismus zahrnuje: (1) zlepšení směšovacího kontaktu, díky čemuž jsou bubliny a vločky plněji kontaktovány prostřednictvím turbulence; (2) podpora adsorpce bublin a zvětšení kontaktní plochy; (3) vytvoření stabilní vrstvy spodiny, kde se malé bublinky spojují s lepkavými vločkami a vytvářejí hustou vrstvu, kterou lze snadno seškrábnout.
Závěr
Flotace dosahuje čištění tím, že „učiní odpadní vodu plavou“. Jedná se o účinnou separační technologii, která integruje fyzikální a chemické procesy. Klíč k jeho úspěchu spočívá ve vytváření mikrobublin, tvorbě vloček a efektivní kombinaci obou. Pochopení dynamických zákonů plovoucí bubliny a chemického chování na rozhraní nejen pomáhá optimalizovat konstrukci flotačního zařízení, ale také poskytuje teoretickou podporu pro hloubkové čištění průmyslových odpadních vod a městských odpadních vod. Když uvidíte, jak se tato vrstva špína pomalu seškrabává, pamatujte, že je to očistný zázrak, kterého dosáhlo nespočet bublinek a částic.