ROZDZIELANIE UKŁADÓW HETEROGENICZNYCH – FLOTACJA

ROZDZIELANIE UKŁADÓW HETEROGENICZNYCH – FLOTACJA
WSTĘP
Flotacja stanowi efektywną metodą separacji lekkich cząstek i olejów znajdujących się w
układzie heterogenicznym. Cząstki, które przyłączają się do pęcherzyka powietrza, albo na
drodze adsorpcji lub też absorbcji mogą zostać odseparowane z fazy ciekłej.
Proces flotacji można podzielić na cztery podstawowe etapy:
1.
2.
3.
4.
Wytworzenie pęcherzyków w układzie heterogenicznym
Kontakt pęcherzyków gazu i cząstek lub kropel oleju zawieszonych w wodzie
Przyłączanie się cząstek lub kropel oleju do pęcherzy gazu
Unoszenie pęcherzyków z przyłączonymi cząstkami do powierzchni gdzie flotowany
materiał może zostać zgarnięty
Flotacja wykorzystuje różnice w gęstości pomiędzy pęcherzykami do których przyłączone są
małe cząstki lub krople oleju i wodą, dzięki czemu może wystąpić proces separacji. Ponieważ
aglomeraty posiadaja mniejszą gęstość niż medium w którym są zawieszone, unoszą się do
powierzchni skąd są usuwane. Można wyróżnić 5 podstawowych systemów flotacji. Ich
klasyfikacja jest oparta na metodzie wytwarzania pęcherzyków:
1. Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego w wodzie powietrza. Gaz jest
wprowadzany z roztworu przesyconego w efekcie obniżenia ciśnienia
2. Wprowadzone (rozproszone) powietrze. Gaz i ciecz są mieszane mechanicznie w celu
wytworzenia pęcherzyków w cieczy
3. Spienianie. Gaz jest bezpośrednio wprowadzany do cieczy przy pomocy bełkotki
4. Elektrolityczna. Pęcherzyki są wytwarzane w procesie elektrolizy wody
5. Próżniowa. Powietrze jest uwalniane z nasyconego roztworu w wyniku zastosowania
obniżonego ciśnienia
Rozdzielanie na drodze flotacji jest powszechnie stosowane od wielu lat w procesie
wzbogacania rud (węgla kamiennego, miedzi). Jej pierwsze zastosowania w technologii
oczyszczania ścieków są związanie z usuwaniem zawiesiny, włókien i innych ciał stałych o
małej gęstości. Flotacja jest stosowana do usuwania olejów, smarów. Metodą tą charakteryzuje
praktyczność, niezawodność oraz duża efektywność. Dodatkowo flotacja może być również
wykorzystana do rozrzedzania osadu aktywnego oraz flokulowanych osadów chemicznych.
Flotacja jest powszechnie stosowana w różnych gałęziach przemysłu: przy wytwarzaniu
papieru, w rafineriach, w operacjach odbarwiania, przetwórstwie mięsnym, pralniach,
fabrykach wytwarzających żelazo i stal, wytwarzaniu mydła, w fabrykach przetwórstwa
chemicznego, w procesach czyszczenia beczek i bębnów, fabrykach szkła, przetwórstwie soji,
oczyszczaniu ścieków pochodzących z młynów, aluminium forming.
W celu zintensyfikowania procesu łączenia cząstek do pęcherzyków gazu można dodać do
roztworu różnego rodzaju związki (polimery, sole itd.). Chemiczne wspomaganie procesu
powstawania flokuł na drodze aglomeracji koloidów istotnie przyczynia się do usunięcia fazy
flotowanej. Niektóre rozpuszczalne materiały mogą zostać wytrącone z pomocą chemikaliów.
Jeśli np. ścieki są poddawane chemicznej obróbce wstępnej w celu złamania emulsji wodnej,
zastosowanie flotacji umożliwia, obok oleju odzyskanego na drodze chemicznej, odzysk
większości oleju występującej w postaci emulsji.
Teoria flotacji
Rozdział cząstek na drodze flotacji podlega tym samym prawom co sedymentacja z
zastrzeżeniem odwrotnego pola sił. Podstawowym równaniem stosowanym w flotacji tak jak
we wszystkich procesach kontrolowanych przez grawitację jest prawo Stokes’a (przynajmniej
w zakresie przepływu laminarnego), które jest wykorzystywane w celu określenia unoszenia
flokuł pęcherzyków, aglomeratów i agregacji pęcherzyk-olej
𝑔𝐷2 (𝜌𝑎 − 𝜌𝑜 )
𝑉𝑡 =
18𝜇
Gdzie: Vt jest terminalna prędkością unoszenia aglomeratów, cm/s; g jest stałą grawitacji, 980
cm/s2; D jest średnicą efektywną aglomeratów, cm; a jest gęstością aglomeratów, g/cm3; o
jest gęstością fazy wodnej, g/cm3;  jest lepkością fazy wodnej
Kluczem do zwiększenia stopnia unoszenia aglomeratów pecherzyk/ciał stałe lub
pęcherzyk/olej ponad to co uzyskuje się w systemie nie poddanym napowietrzaniu jest
zmniejszenie efektywnej gęstości cząstki (aglomeratu) ciała stałego (lub oleju) co można
osiągnąć na drodze przyłączania lub enkapsulacji pęcherzyka powietrza w flokule,
pęcherzykach lub cząstkach stałych. Proces przebiega w następujących etapach
1. Wprowadzenie pęcherzyka gazy do układu heterogenicznego
2. Zderzenia pomiędzy pęcherzykami gazy i zawieszoną substancją (zawiesiną, jak
również kroplami oleju)
3. Przyłączanie się małych pęcherzyków do powierzchni zawiesiny
4. Kolizje pomiędzy przyłączonymi do gazu cząstkami zawiesiny i uformowanie
aglomeratów
5. Zamknięcie kolejnych pęcherzyków gazu w strukturze aglomeratów
6. Unoszenie struktury flokuł “sweep flocculation”
Do podstawowych zmiennych systemowych wpływających na efektywność usuwania
zanieczyszczeń można zaliczyć
1. Stopień napowietrzania i objętość gazu znajdującego się w jednostce powierzchni płynu
2. Rozkład wielkości pęcherzy oraz stopień zdyspergowania
3. Właściwości powierzchni materii zawieszonej w cieczy
4. Parametry hydrauliczne komory flotacyjnej
5. Stężenie i rodzaj materiałów rozpuszczonych
6. Stężenie i rodzaj materii zawieszonej w cieczy oraz olejów
7. Dodawane chemikalia
8. Temperatura
9. Czas przebywania
10. Stopień recyklu
11. pH
W efekcie realizacji flotacji, której celem jest zatężenie wybranego składnika mieszaniny
określa się takie parametry procesu jak współczynnik wzbogacenia, procent odzysku na
podstawie wzorów
𝐸=
(𝐶𝑜 𝑉𝑜 −𝐶𝑤 𝑉𝑤 )
𝑅=
(𝐶𝑜 𝑉𝑜 −𝐶𝑤 𝑉𝑤 )
𝐶𝑜 𝑉𝑓
𝐶𝑜 𝑉𝑜
– współczynnik wzbogacenia
–procent odzysku
gdzie:
C0 i Cw odznaczają stężenie protein ścieków początkowych oraz oczyszczonych
Vo, Vf, Vw – objętość początkowego układu heterogenicznego, frakcji pianowej oraz ścieków
oczyszczonych
CEL ĆWICZENIA
Praktyczne zapoznanie się z zasadami rozdziału (separacji, wzbogacania) w procesie flotacji oraz
metodyką oceny i analizy procesu za pomocą krzywych wzbogacania w oparciu o wyniki
eksperymentu.
APARATURA BADAWCZA
Urządzenie do realizacji procesu flotacji.
- Urządzenie do mikroflotacji pianowej
- laboratoryjna kolumna flotacyjna
- Suszarka laboratoryjna
- Waga analityczna
- Filtr próżniowy
- Spektrofotometr
Przebieg doświadczenia
A) separacja węgla przy pomocy mikrofiltracji pianowej
Pojedyncze ćwiczenie należy przeprowadzić w następujący sposób:
a) wlać określoną przez prowadzącego ilość wody do zbiornika flotownika,
b) odważyć próbkę materiału ziarnistego określoną przez prowadzącego i rozprowadzić
w wodzie intensywnie (1000obr/min) mieszając przez 5min
c) przygotować spieniacz i kolektor w celu uzyskania określonego stężenia i
rozprowadzić w wodzie, mieszając przez 5min
d) po wyłączeniu mieszania wprowadzić pęcherzyki gazu do układu heterogenicznego
ustawiając zadane ciśnienie w przedziale od 1,2bar do 2bar,
e) przyjąć czas flotacji na 40 minut. Podczas procesu należy zgarniać pianę do zbiornika
odbioru piany.
f) po wyłączeniu się napowietrzania należy odczekać do czasu samoistnego zniszczenia
piany.
g) po zniszczeniu piany należy określić objętość cieczy uzyskanej po procesie flotacji
h) przefiltrować uzyskaną zawiesinę, zważyć frakcję węglową oraz przygotować uzyskaną
frakcję węglową do realizacji procesu suszenia.
i) zważyć wysuszoną frakcję węglową
B) separacja protein z wykorzystaniem flotacji pianowej
Pojedyncze ćwiczenie należy przeprowadzić w następujący sposób:
a) przygotować 1 l zawiesiny (prowadzący podaje masę protein oraz stężenie
spieniacza), pobrać 1ml próbki zerowej oraz określić jej absorbancję przy długości fali
280nm (kuweta kwarcowa)
b) wlać przygotowaną zawiesinę do zbiornika flotownika
c) wprowadzić pęcherzyki gazu do układu heterogenicznego ustawiając zadane natężenie
przepływu w przedziale od 5 do 15 l/min
d) przyjąć czas flotacji na 30 minut
e) po procesie flotacji zebraną pianę należy odstawić na czas potrzebny do jej samoistnego
zniszczenia – następnie należy określić objętość cieczy oraz pobrać 2 próbki zawiesiny
(1ml) w celu określenia jej absorbancji przy długości fali 280nm
OPRACOWANIE WYNIKÓW
A) separacja węgla przy pomocy mikrofiltracji pianowej
Ciśnienie Vo
gazu
[ml]
[bar]
Vw
[ml]
Vf
[ml]
mwo
[g]
mwf mww Co
[g] [g] [g/d
m3]
Cf
[g/d
m3]
Cw
[g/dm
3]
E [-]
R [%]
Podczas badań należy określić takie parametry jak współczynnik wzbogacenia, procent
odzysku węgla.
Dodatkowo określić przybliżoną wielkość pęcherzyków gazu opuszczających membranę 𝑟𝑃 ze
wzoru Laplace’a
𝑟𝑃 =
2𝛾𝑐𝑜𝑠𝜃
∆𝑝
gdzie: 𝑟𝑃 – promień porów membrany, ∆𝑝 = 𝑃1 − 𝑃2 – ciśnienie transmembranowe po obu
stronach membrany, 𝛾- napięcie powierzchniowe na granicy faz ciecz/powietrze, 𝜃- kąt
zwilżania.
Zakładamy, że pory będą zwilżane natychmiastowo i kąt zwilżania przyjmuje wartość 0o oraz
że napięcie powierzchniowe cieczy wynosi 15,9x10-3 N/m.
Należy przedstawić wyniki badań współczynnika wzbogacenia i procentu odzysku w funkcji
przyłożonego ciśnienia powietrza (względnie obliczonej średnicy pęcherzy gazu)
Określić warunki realizacji procesu dla których uzyskuje się największy współczynnik
wzbogacenia oraz procent odzysku.
B) separacja protein z wykorzystaniem flotacji pianowej
Natężenie Vo
przepływu [ml]
gazu
[l/min]
Vw
[ml]
Vf
[ml]
Co
Cf
Cw
E [-]
[g/dm3] [g/dm3] [g/dm3]
R [%]
Należy przedstawić wyniki badań współczynnika wzbogacenia i procentu odzysku w funkcji
natężenia przepływu gazu
Określić warunki realizacji procesu dla których uzyskuje się największy współczynnik
wzbogacenia oraz procent odzysku.
ZAGADNIENIA DO KARTKÓWKI
1.
2.
3.
4.
Etapy procesu flotacji
Maszyny flotacyjne. Podstawowe rodzaje, budowa i zasady działania.
Klasyfikacja flotacji ze względu na sposób dostarczania gazu.
Podstawowe zmienne systemowe wpływających na efektywność usuwania
zanieczyszczeń na drodze flotacji
5. Właściwości fizykochemiczne powierzchni materiałów w aspekcie przebiegu procesu
flotacji
6. Przykłady zastosowania procesu flotacji
7. Odczynniki flotacyjne, podział i cel zastosowania (trzy grupy: jakie, podać przykłady
konkretnych substancji w poszczególnych grupach).
Zagadnienia uzupełniające
8. Metody zmieniania właściwości powierzchniowych materiałów – celowość
9. Podział (z przykładami) i zasady działania zbieraczy (rodzaje adsorpcji)
10. Najważniejsze rodzaje i działanie odczynników modyfikujących
LITERATURA
1 Koch R., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, Skrypty Politechniki
Wrocławskiej, Wrocław, 1984.
2. Konopacka Ż, Flotacja mechaniczna, Wrocław 2005
3. Instrukcja laboratoryjna pt. Wzbogacanie węgla metodą flotacji
Literatura uzupełniająca
4. Wang L., Shammas N., Selke W., Aulenbach D., Flotation Technology, Handbook of
Environmental Engineering, Volume 12, Springer New York, 2010,
5. Edzwald J, Haarhoff J., Dissolved Air Flotation For Water Clarification, Mac Graw Hill,
2012
6. Wang L., Ivanov V., Tay J-H, Hung Y-T, Environmental Biotechnology; Flotation
Biological Systems, Volume 10, Springer New York, 2010