Wykład 1 FLOTACJA Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Flotacja to proces grawitacyjnego rozdzielania zawiesin i emulsji przebiegający w obecności rozdrobnionej fazy gazowej. Proces ten może być wykorzystywany jako metoda rozdziału substancji stałych wykorzystująca różnicę zwilżalności tych substancji przez ciecz. Flotacja jest stosowana m.in. do oczyszczania złóż cynku, ołowiu, miedzi i siarki. Właściwie jest to proces rozdzielania a nie proces oczyszczania cieczy… Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Podstawy fizyczne procesu: W zawiesinie lub emulsji dokonuje się dyspersji fazy gazowej w postaci pęcherzyków (barbotaż) Pęcherzyki gazu po przyłączeniu się do cząstek zawiesiny tworzą zespół o gęstości mniejszej od gęstości cieczy. Powoduje to ich ruch w kierunku powierzchni cieczy gdzie zbierają się w postaci piany (kożucha). flotacja Cząstki zawiesiny są unoszone ze znacznie większą prędkością niż wynosi ich prędkość opadania w polu grawitacyjnym. Powoduje to, że wielkość aparatu do flotacji, dla danej wydajności procesu, jest mniejsza niż aparatu do sedymentacji. sedymentacja Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Podstawy fizyczne procesu: Zasada flotacji wymaga aby zespół pęcherzyk – cząstka został uniesiony na powierzchnię cieczy a więc siła wyporu pęcherzyka gazu musi być większa od siły ciężkości cząstki: Warunkiem trwałości układu cząstka – pęcherzyk jest przewaga siły przyczepności nad siłą ciężkości cząstki: napięcie powierzchniowe cieczy kąt zwilżania ciała stałego Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Podstawy fizyczne procesu: Powodzenie procesu flotacji zależy zatem od procesów zachodzących na granicy trzech faz: gaz – ciecz – ciało stałe. Parametrem istotnym w tych zjawiskach jest zwilżalność ciała stałego mierzona katem zwilżalności dobra zwilżalność zła zwilżalność mały obwód zwilżania cząstka nie tworzy trwałego układu z pęcherzykiem duży obwód zwilżania cząstka tworzy trwały układ z pęcherzykiem Materiał hydrofilowy Materiał hydrofobowy Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Podstawy fizyczne procesu: Materiały hydrofobowe wykazują flotowalność naturalną. Materiały hydrofilowe o niewielkim kacie zwilżania można przekształcić w hydrofobowe, stosując dodatkowe substancje tzw. kolektory (środki powierzchniowo czynne) Stwierdzono, że efektywność procesu flotacji zależy od wielkości i trwałości pęcherzyków gazu. Trwałość zespołu pęcherzyk cząstka jest tym większa im więcej małych pęcherzyków przyłącza się do cząstki. Sposób wytwarzania pęcherzy gazowych Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Realizacja techniczna procesu: Jak wspomniano wcześniej aparaty do flotacji są mniejsze od aparatów do sedymentacji. Przepustowość komory flotacji wynosi ok. 4 – 8 m3/(m2*h) a osadnika do klarowania 1,5 – 4 m3/(m2*h) . Skuteczność oczyszczania cieczy na drodze flotacji zależy od: Stopnia rozdrobnienia fazy gazowej (małe pęcherzyki) Trwałości i gęstości zespołu pęcherzyk - cząstka Sposób realizacji procesu Dodatki substancji modyfikujących Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Realizacja techniczna procesu: Rozpraszanie fazy gazowej w cieczy realizuje się przez: 1. Mechaniczne rozpraszanie gazu w cieczy przy zastosowaniu: dysz, porowatych spieków metalowych i ceramicznych oraz mieszadeł mechanicznych. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Realizacja techniczna procesu: Rozpraszanie fazy gazowej w cieczy realizuje się przez: 2. Rozpuszczanie gazu w cieczy pod ciśnieniem atmosferycznym i wydzielanie go w układzie próżniowym. 3. Rozpuszczanie gazu w cieczy pod zwiększonym ciśnieniem i rozprężanie cieczy do ciśnienia atmosferycznego. 4. Wydzielanie gazu na drodze elektrochemicznej. Flotacja, w której pęcherzyki gazu tworzą się w wyniku nukleacji przy zmianie ciśnienia, nazywa się flotacją ciśnieniową. Proces przebiegający w układzie elektrolitycznym nazywa się elektroflotacją. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Realizacja techniczna procesu: Flotacja z mechanicznym rozpraszaniem gazu. Mechaniczne rozpraszanie gazu polega na przepływie strumienia gazu przez elementy rozpraszające tj.: dyfuzory, dysze, porowate spieki metalowe i ceramiczne. Przepływ gazu przez te elementy wymaga pokonania znacznych oporów przepływu. Wymagane jest źródło sprężonego gazu. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Realizacja techniczna procesu: Elementy rozpraszające gaz umieszczane są przy dnie komór flotacyjnych przez co mogą się na nich osadzać duże cząstki ciała stałego niepodlegające procesowi flotacji a to pociąga za sobą wzrost oporów przepływu gazu. Zużycie strumienia gazu w komorach flotacyjnych wynosi od 0,2 do 0,3 m3 gazu /m3 cieczy. proces wzbogacania rud Proces napowietrzania można realizować za pomocą intensywnego mieszania cieczy mieszadłami mechanicznymi. Wymagana jest duża prędkość obwodowa 12 – 15 m/s Proces ten stosuje się przy oczyszczaniu ścieków o zawartości zawiesiny od 2 do 3 g/dm3. Strumień zasysanego powietrza osiąga wartość do 0,5 m3 gazu/m3 ścieków. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Realizacja techniczna procesu: Flotację próżniową realizuje się w szczelnie zamkniętych zbiornikach. Pod znacznie obniżonym ciśnieniem, w cieczy następuje wydzielanie się pęcherzyków gazu, rozpuszczonego w niej pod ciśnieniem atmosferycznym. Napowietrzanie cieczy następuje przed komorą flotacyjna. Tego rodzaju flotacji nie stosuje się w przypadku zawiesin o stężeniu większym od 0,25 g/dm3 cieczy. Flotacja ciśnieniowa. Rozpuszczanie gazu w cieczy następuje w warunkach zwiększonego ciśnienia, natomiast rozprężanie pod ciśnieniem atmosferycznym. Ilość rozpuszczonego gazu zależy od ciśnienia i temperatury. Dla warunków panujących w procesie zależność ta może być przybliżona liniami prostymi. Stężenie rozpuszczonego gazu opisać można za pomocą prawa Henry’ego. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Rozmiar pęcherzyków powstających podczas rozprężania (nukleacja fazy gazowej) cieczy, zależy od ciśnienia stauracji pod którym gaz był rozpuszczony oraz od odczynu roztworu. prawo Henry’ego: W praktyce nie przekracza się ciśnienia 0,5 MPa Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Realizacja techniczna procesu: Przy oczyszczaniu ścieków na drodze flotacji ciśnieniowej stosowane są dwa schematy technologiczne: Strumień zawiesiny przepływa przez pompę Ciecz klarowna przepływa przez pompę Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Realizacja techniczna procesu: Pod ciśnieniem P1 stężenie rozpuszczonego w cieczy gazu wynosi: Stopień nasycenia cieczy Po rozprężeniu do ciśnienia atmosferycznego P0 ilość wydzielonego gazu na jednostkę objętości cieczy wyniesie: Ważnym technologicznie wskaźnikiem jest stosunek ilości wydzielonego ciała stałego do ilości zużytego gazu: S/MG Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Realizacja techniczna procesu: Masa wydzielonego ciała stałego (na jednostkę objętości zawiesiny) równa się: Czyli: W praktyce wskaźnik ten wynosi od 10 do 50. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Realizacja techniczna procesu: Elektroflotacja – w procesie tym pęcherzyki gazu powstają na drodze elektrochemicznej podczas przepływu prądu przez oczyszczana zawiesinę. Komora flotacyjna zwiera elektrody, między którymi przepływa prąd elektryczny o stałym napięciu rzędu 5 – 40 V i gęstości do 200 A/m2. Przewodność zawiesiny zwiększa się przez dodatek elektrolitu, np. Kwasu siarkowego lub kwasu solnego. Elektroflotacja ciągła jest realizowana jako proces przeciwprądowy. Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA PRZECIWPRĄD Roztwór oczyszczany doprowadzany jest w górnej części komory i przepływa w dół w przeciw prądzie do strumienia wznoszących się pęcherzyków gazu. WSPÓŁPRĄD Mniejsze elektrody Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Elektroflotacja Możliwe są dwa warianty prowadzenia procesu: z elektrodami rozpuszczalnymi lub z elektrodami nierozpuszczalnymi. W przypadku elektrod rozpuszczalnych materiał elektrody przechodzi do roztworu i wytwarza wodorotlenki metalu z którego wykonana jest anoda. Anody rozpuszczalne wykonywane są najczęściej z żelaza lub aluminium. Wodorotlenki tych metali mają właściwości koagulacyjne. Procesowi elektroflotacji towarzyszy proces elektrokoagulacji zwiększając sprawność oczyszczania cieczy z zanieczyszczeń. W przypadku stosowania elektrod nierozpuszczalnych materiał anody musi cechować się dużą odpornością chemiczną, dobrym przewodnictwem prądu elektrycznego, wytrzymałością mechaniczną i łatwością obróbki. Materiałem spełniającym te wymagania jest grafit. anoda grafitowa Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Katody stosowane w elektroflotacji wykonywane są najczęściej ze stali kwasoodpornej. Mają one postać perforowanych blach lub grubej siatki. Pęcherzyki gazu (wodór) powstające jako produkt redukcji jonów H+ na katodzie mają średnicę mniejszą od 100 μm najczęściej ok. 50 μm. Ogólnie średni rozmiar powstających pęcherzyków maleje z gęstością prądu elektrycznego. Ilość wydzielanego gazu obliczyć można z praw elektrolizy Faradaya i prawa gazu doskonałego. Wartościowość jonu Stała Faradaya (9,65 104 C) Masa cząsteczkowa wydzielonego gazu Ładunek elektryczny Masa wydzielonego gazu Procesy Oczyszczania Cieczy 2

Wykład 1 - FLOTACJA Liczba moli czas Natężenie prądu temperatura Objętość gazu ciśnienie Procesy Oczyszczania Cieczy 2