Флотационное концентрирование

Размещено на http://www.allbest.ru

Реферат на тему:

"Флотационное концентрирование"

Содержание

1. Устройство и применение флотаторов в очистке сточных вод

2. Флотационное концентрирование тяжелых металлов из питьевых и минеральных вод

3. Флотационное обогащение

4. Флотореагенты

5. Ионная флотация

6. Флотационные установки. Флотационные установки для водоочистки

1. Устройство и применение флотаторов в очистке сточных вод

Флотация ? это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого ма-териала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Флотацию применяют для уда-ления из сточных вод диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ (поверхностно-активные вещества), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы методом флотации заключается в образовании комплексов «пузырек-частица», всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Уплотнение и разрушение пенного слоя может быть интенсифицировано нагреванием или с помощью специальных приспособле-ний брызгалок. Прилипание частицы, находящиеся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью. Образование комплекса «пузырек-частица» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п. В тех случаях, когда флотацию применяют для удаления растворенных веществ, например ПАВ, процесс называется пенной сепарацией или пенным концентрированием. Возможность образования флотационного комплекса «пузырек-частица», скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависят от природы частиц, а также от характера взаимодействия реагентов с их поверхностью и способности частиц смачиваться водой. При закреплении пузырька образуется трехфазный периметр - линия, ограничивающий площадь прилипа-ния пузырька и являющийся границей трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Касательная к поверхности пузырька в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в жидкость угол и, называемый краевым углом смачивания.

Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела слабеет. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина ее поверхностного натяжения на границе с газовой средой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более 60 - 65 мН/м. Степень смачиваемости водой твердых или газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла смачивания и. Чем больше угол и, тем более гидрофобна поверхность частицы, таким образом, увеличиваются вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются. Большое значение при флотации имеют размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков 15 -30 мкм, а максимальные 100 - 200 мкм. Таким образом, процесс флотации заключается в следующем - при сближении в воде поднимающегося пузырька воздуха с твёрдой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс «пузырек-частица» поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде. Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при образовании пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др. Поверхностно-активные вещества - реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, алкилсульфаты, амины и другие вещества. Повысить гидрофобность частиц можно сорбцией молекул растворенных газов на их поверхность. Энергия образования комплекса «пузырек-частица»

где у -- поверхностное натяжение воды на границе с воздухом. Для частиц, хорошо смачиваемых водой, и стремится к нулю, следовательно, Cosи стремится к единице, а значит, прочность прилипания минимальна. Для не смачиваемых частиц, наоборот, энергия образования комплекса «пузырек-частица» будет максимальной. Эффект разделения флотацией зависит от размера и от количества пузырьков воздуха. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками или большое содержание газа в ней. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят сосновое масло, крезол, фенолы, алкилсульфаты натрия.

Вес частицы не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотности материала и равен 0,2 ? 1,5 мм. В практике очистки производственных сточных вод выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы флотации. Флотацию применяют для отчистки сточных вод многих производств: нефтепереработка, целлюлозно-бумажная промышленность, а также кожевенная, машиностроительная, пищевая и химическая. Флотацию используют для выделения активного ила после биохимической отчистки. Достоинствами флотации являются:

1) непрерывность процесса;

2) широкий диапазон применения;

3) небольшие капитальные и эксплутационные затраты;

4) простота аппаратуры;

5) селективность выделения примесей;

6) более высокая скорость процесса по сравнению с отстаиванием;

7) возможность получения шлама более низкой влажности (90 ? 95 %);

8 ) высокая степень очистки (95 ? 98 %);

9) возможность рекуперации удаляемых веществ.

Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ и легко окисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Это способствует успешному проведению следующих стадий очистки. Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связа-ны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу, можно выделить следующие способы обработки производственных сточных вод:

- флотация с выделением воздуха из раствора;

- флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, безнапорные и пневматические флотационные установки);

- флотация с подачей воздуха через пористые материалы;

- электрофлотация;

- биологическая и химическая флотация.

Флотационные установки могут состоять из одного или двух отделений (камер). В однокамерных установках в одном и том же отделении происходят одновременно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флотирующихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемного и отстойного отделений, в первом отделении происходят образование пузырьков воздуха и агрегатов «пузырек-частица», а во втором ? всплывание шлама (пены) и осветление жидкости.

Флотация с выделением воздуха из раствора

Применяется при очистке производственных сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получать самые мелкие пузырьки воздуха. Сущность метода заключается в создании перенасыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого раствора воздух образует микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения. Количество воздуха, которое должно выделиться из перенасыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность флотации, обычно составляет 1 ? 5 % от объема обрабатываемой сточной воды. В зависимости от способа создания пузырьков различают вакуумную, напорную и эрлифтную флотацию.

Вакуумная флотация (рис. 2.2).

Преимуществом вакуумной флотации является то, что образование пузырьков газа, их слипание с частицами загрязнений и всплывание образовавшихся агрегатов «пузырек-частица» происходят в спокойной среде и вероятность их разрушения сводится к минимуму. Минимальны также энергозатраты на насыщение жидкости воздухом, образование и измельчение воздушных пузырьков.

Недостатки метода:

- необходимость сооружения герметичных резервуаров;

- сложность эксплуатации вакуумных флотационных установок;

- ограниченный диапазон применения вакуумных флотационных установок (концентрация загрязнений в сточной воде не должна превышать 250 мг/л).

Сточная жидкость, поступающая на флотацию предварительно насыщается воздухом в течение 1 ? 2 мин в аэрационной камере 1, откуда она поступает в деаэратор 2 для удаления нерастворившегося воздуха. Далее под действием разрежения (0,02 ? 0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру 3, в которой растворившийся воздух при атмосферном давлении выделяется в виде пузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжительность пребывания сточной воды во флотационной камере 20 мин, а нагрузка на 1 м2 площади поверхности около 200 м3/сут. Скапливающаяся пена вращающимися скребками удаляется в пеносборник. Для отвода обработанной сточной воды обеспечивается необходимая разность отметок уровней во флотационной камере и приемном резервуаре или устанавливаются насосы.

Напорная флотация (рис. 2.3).

Установки напорной флотации просты и надежны в эксплуатации. Этот метод имеет более широкий диапазон применения, поскольку позволяет регулировать степень перенасыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод при начальной концентрации загрязнений до 4 ? 5 г/л и более. Для увеличения степени очистки в сточную воду добавляют коагулянты. Аппараты напорной флотации обеспечивают по сравнению с нефтеловушками в 5 ? 10 раз меньше остаточное содержание загрязнений и имеют в 5 ? 10 раз меньшие габариты. Процесс осуществляется в две стадии: насыщение сточной воды воздухом под повышенным давлением и выделение растворенного газа под атмосферным давлением. Напорные флотационные установки имеют производительность от 5 до 2000 м3/ч. Пребывание воды в напорной емкости составляет 10 ? 15 мин, а во флотационной камере - 10 ? 20 мин. При напорной флотации (рис. 2.3) сточные воды по трубопроводу насосом 2 подаются в напорный бак 3 (сатуратор) из приемного резервуара 1. На всасывающем трубопроводе имеется патрубок для подсоса воздуха. Сатуратор или напорная емкость служит для равномерного растворения воздуха в сточной воде. Объем сатуратора рассчитывают на необходимую продолжительность насыщения воздухом (обычно 1 ? 3 мин) при избыточном давлении 0,15 ? 0,4 МПа. Количество растворяющегося в сатураторе воздуха должно составлять 3 ? 5 % объема обрабатываемой сточной воды. Насыщенная воздухом вода подается во флотационную камеру 4, где при атмосферном давлении растворенный воздух выделяется в виде пузырьков и флотирует взвешенные частицы. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборники. Отвод пены осуществляется по линии III в верхней части флотатора. Осветленная вода отводится из нижней части флотатора - линия IV. Площадь флотационной камеры следует принимать исходя из гидравлической нагрузки 6 ? 10 м3/ч на 1 м2 площади поверхности камеры. Продолжительность флотации составляет 20 мин. Объем засасываемого воздуха составляет 1,5 ? 5 % от объема очищаемой воды. Значения параметров зависят от концентрации и свойств загрязнений. При проектировании флотаторов для обработки сточных вод с расходом до 100 м3/ч принимаются прямоугольные флотаторы в плане камеры глубиной 1 ? 1,5 м, с расходом более 100 м3/ч -- радиальные флотаторы глубиной не менее 3 м. Глубина зон флотации и отстаивания назначается не менее 1,5 м, а продолжительность пребывания сточной воды в них соответственно 5 и 15 мин. По схемам (рис. 2.2 и 2.3) вся сточная вода, поступающая на флотацию, насыщается воздухом. Схемы с рециркуляцией (рис. 2.4а) и с частичной подачей воды насосом (рис. 2.4б) рекомендуется использовать, если проводится предварительная коагуляция сточной воды с целью предотвращения или уменьшения разрушения хлопьев в насосе. В этих схемах только часть сточной воды подается насосом и насыщается воздухом. Схема с рабочей жидкостью (рис. 2.4в) используется при большой концентрации загрязнений в сточной воде, когда работа флотационной установки по схеме (рис. 2.2) малоэффективна. В качестве рабочей жидкости используют уже очищенную или природную воду. При этом объем рабочей жидкости превышает объем очищаемой сточной воды. Улучшение флотации в этом случае происходит из-за сохранения хлопьев загрязнений и более быстрого их всплывания. Недостатком схемы является большой расход энергии на перекачку рабочей жидкости.

Сточные воды (рис. 2.5), насыщенные воздухом, поступают во флотационную камеру 3 снизу через вращающийся водораспределитель 2. Выделяющиеся из воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами загрязнений. Вращающимся механизмом 4 пена сгребается в лоток и удаляется - линия IV. Обработанная вода отводится с днища флотатора 1 и по вертикальным каналам переливается в отводящий кольцевой лоток 5.

Пропускная способность одного радиального флотатора не должна превышать 1000 м3/ч.

Применяют цилиндрические флотаторы, имеющие разный диаметр, следовательно, разную производительность. Флотаторы отличаются конструкцией ввода и вывода сточной воды и механизма сбора пены и ее отводом. Применяются также многокамерные флотационные установки. В многокамерной установке (рис. 2.6) загрязненная сточная вода, скапливаясь в емкости 1, насосом 2 сначала подается в гидроциклон 4, где удаляется часть взвешенных частиц. Затем ее направляют в первую камеру флотатора 3, где сточная вода смешивается с циркуляционной водой из напорного бака 6, насыщенной воздухом, поступающей через аэраторы 7. В первой камере флотатора выделяются пузырьки воздуха, которые и флотируют загрязнения. После этого сточная вода поступает во вторую камеру и в последующие, в которых также происходит процесс флотации, после смешения сточной воды с очищенной. Таким образом, происходит многоступенчатая очистка сточной воды. Пройдя последнюю камеру флотатора, очищенная вода удаляется из установки - линия II. Пена удаляется пеносъемниками 5. Часть очищенной воды подается насосом 8 в напорный бак 6, где растворяется воздух, поступающий во всасывающую магистраль насоса.

В случае необходимости одновременного проведения процессов флотации и окисления загрязнений сточную воду насыщают воздухом, обогащенным кислородом или озоном. Для устранения процесса окисления вместо воздуха на флотацию следует подавать инертные газы. Напорная флотация применяется для очистки сточных вод от нефти, нефтепродуктов, жиров масел, волокнистых веществ и других.

Эрлифтная флотация (рис. 2.7).

Эрлифтные установки применяют для очистки сточных вод в химической промышленности. Простота устройства и снижение затрат энергии при эрлифтной флотации на проведение процесса в 2 ? 4 раза, по сравнению с напорной флотацией ляются достоинствами способа. Но конструкция установки требует значительного перепада отметок по высоте между питательным резервуаром со сточной водой и флотационной камерой, что значительно сужает область применения этого метода. Сточная вода из емкости 1, находящейся на высоте 20 ? 30 м, поступает в аэратор 3 по трубопроводу 2. Туда же подается сжатый воздух - линия II, который растворяется в воде под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному трубопроводу 4, жидкость обогащается пузырьками воздуха, который выделяется во флотаторе 5. Образующаяся пена с частичками загрязнений удаляется самотеком или скребками - линия III. Осветленную воду направляют на дальнейшую очистку - линия IV.

Флотация с механическим диспергированием воздуха

При перемещении струи воздуха в воде создается интенсивное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырьки. Различают импеллерную, безнапорную и пневматическую флотацию. Импеллерная флотация (рис. 2.8). Энергичное перемешивание сточной воды во флотационных импеллерных установках создает в ней большое число мелких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величины. Основным элементом такой установки является импеллер - небольшая турбина насосного типа, представляющая собой диск с радиальными обращен-ными вверх лопатками. Сточная вода из приемного кармана 1 поступает к импеллеру 6, в который по трубке 4 засасывается воздух. Импеллер крутится на нижнем конце вала, заключенного в трубку через которую всасывается воздух по патрубку 4, так как при его вращении образуется зона пониженного давления им. Над импеллером расположен статор 3 в виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Перемешанные импеллером вода и воздух выбрасываются через статор. Решетки 7, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому перемешиванию воздуха в воде. Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содержащая флотируемые частицы, удаляется лопастным пеноснимателем. Обычно флотационная установка состоит из нескольких последовательно соединенных камер. Диаметр импеллеров 600 ? 700 мм. Из первой камеры вода поступает во вторую такой же конструкции, где происходит дополнительная очистка сточной воды.

Степень диспергирования воздуха и эффективность очистки зависят от скорости вращения импеллера. Чем выше скорость импеллера, тем меньше пузырьки и тем выше эффективность процесса. Однако при высоких скоростях резко возрастает турбулентность потока и может происходить разрушение хлопьевидных частиц, что приведет, наоборот, к снижению эффективности процесса очистки. Диаметр импеллера должен быть не более 750 мм. Зона обслуживания импеллера не должна превышать размеров квадрата со стороной равной шести диаметрам импеллера. Высота флотационной камеры Hф принимается равной 1,5 ? 3 м, продолжительность флотации 15 ? 20 мин.

Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2 ? 3 г/л) и содержащих нефть, нефтепродукты и жиры. Недостатком импеллерной флотатации является относительно высокая обводненность пены. Особенно существенным этот недостаток становится существенным в тех случаях, когда основной целью флотации является извлечение растворенных ПАВ, так как большой объем воды в пене заставляет создавать дополнительные ус-тановки для ее обработки, что увеличивает стоимость очистки в целом. Импеллерные флотационные установки широко используют при обогащении полезных ископаемых, а также применяют для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных частиц (при концентрации более 2 г/л).

Безнапорная флотация.

Диспергирование воздуха в безнапорных установках происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробежного насоса. Схема флотации аналогична напорной, но в ней отсутствует сатуратор, что является преимуществом безнапорной флотации. Образующиеся в камере безнапорной установки пузырьки имеют большую крупность, а следовательно, эффект флотации мелких частиц снижается. Безнапорные флотационные установки обычно применяют для очистки сточных вод от жира и шерсти.

Пневматическая флотация.

Пневматические флотационные установки применяют при очистке сточных вод, содержащих растворенные примеси, которые агрессивны к механизмам (насосам, импеллерам и др.), имеющим движущиеся части. Измельчение пузырьков воздуха достигается путем впуска воздуха во флотационную камеру через сопла, которые расположены на воздухораспределительных трубках, укладываемых на дно флотационной камеры на расстоянии 0,25 ? 0,3 м друг от друга. Диаметр отверстий сопел составляет 1 ? 1,2 мм, рабочее давление перед ними 0,3 ? 0,5 МПа, глубина флотатора принимается 3 ? 4 м. Скорость струи на выходе из сопла 100 ? 200 м/с. Требуемый расход воздуха зависит от интенсивности аэрации, которая лежит в пределах 15 ? 20 м3/ч на м2 площади проходного сечения флотатора.

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы

К достоинствам данного метода можно отнести относительно малые расходы энергии, так как отсутствуют насосы и импеллеры и простоту конструкции флотационной камеры. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Эффективность флотации зависит от величины отверстий материала, расхода воздуха продолжительности флотации, уровня воды во флотаторе. Диаметр отверстий должен быть 4 ? 20 мкм, расход воздуха в пределах 40 ? 70 м3/ч на 1 м2 проходного сечения флотатора, давление воздуха 0,1 ? 0,2 МПа, продолжительность флотации 20 ? 30 мин, расход воздуха определяется экспериментально. Рабочий уровень обрабатываемой сточной воды до флотации 1,5 ? 2 м. Продолжительность флотации составляет 20 ? 30 мин. Недостатком этого метода является возможность зарастания и засорения пор, а также трудность подбора мелкопористых материалов с одинаковыми по диаметру отверстиями, обеспечивающих выход мелких, близких по размерам пузырьков воздуха. При пропускании воздуха через пористые керамические пластины и колпачки получаются пузырьки, размер которых определяется по формуле

где R -- радиус пузырьков; r -- радиус отверстий в пористом материале; у -- поверхностное натяжение воды.

Давление для преодоления сил поверхностного натяжения, определяется по формуле Лапласа

Для очистки небольших объемов сточных вод применяют флотационные камеры с пористыми колпачками (рис. 2.9а) сточную воду подают в верхнюю часть флотационной камеры 1, а воздух поступает через пористые колпачки 2. Пена переливается через кольцевой желоб 3 и удаляется из него. Осветленную воду отводят через регулятор уровня 4. Установки могут иметь одну или несколько ступеней. Для больших объемов обрабатываемой сточной воды используют фильтровальные пластины (рис. 2.9б), схема флотации аналогична предыдущей.

Электрофлотация

Сущность электрофлотационного метода очистки сточных вод заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электролиза сточной воды на катоде выделяется водород, на аноде - кислород. Основную роль в процессе флотации играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. Размер пузырьков, отрывающихся от поверхности электрода, зависит от краевого угла смачивания, кривизны поверхности электрода, а также его конструктивных особенностей. Замена пластинчатого катода на проволочный приводит к уменьшению крупности пузырьков, следовательно, к повышению эффективности работы электрофлотатора. При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает благоприятные условия для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффективность флотационного процесса. Такие установки называются электрокоагуляционно-флотационными. При пропускной способности до 10 ? 15 м3/ч установки могут быть однокамерными, а при большей пропускной способности ? двухкамерными горизонтального (рис. 2.10) или вертикального типа. Расчет установок для электрофлотации и электрокоагуляции сводится к определению общего объема Wу установки, объемов Wэ электродного отделения и камеры флотации Wф:

Подробный расчет приводить не будем, т.к. цель этого обзора ознакомление с технологией флотации, а не конкретный расчет установок.

Протекающие при электрофлотации электрохимические окислительно-восстановительные процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Использование алюминиевых и железных электродов обуславливает переход ионов алюминия и железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц загрязнений, содержащихся в сточной воде.

Биологическая и химическая флотация

Применяется для уплотнения осадков сточных вод. В процессе флотации сточных вод образуется пена, имеющая обычно пленочно-структурное строение. Такая пена содержит значительное количество воды, особенно в нижних слоях, а устойчивость и подвижность ее изменяются в зависимости от характера флотируемых материалов. Процесс уплотнения всплывающего шлама наиболее интенсивно идет в первые два часа, далее он замедляется, а после четырех часов практически прекращается полностью. Были выведены общие закономерности уплотнения пенного шлама для различных по составу сточных вод на основании анализа графиков уплотнения. Если за единицу принять объем шлама в момент времени, когда все пузырьки воздуха поднялись в пенный слой, что в проточных установках соответствует продолжительности флотации 30 мин, то относительный объем шлама через 1; 2; 3 и 4 ч составляет соответственно 0,6; 0,33; 0,24 и 0,21.

Процесс уплотнения и разрушения пенного слоя может быть интенсифицирован нагреванием или с помощью специальных приспособлений брызгалок. В большинстве случаев утилизация пенного конденсата экономически нецелесообразна. Очистка сточных вод химической флотацией основывается на свойствах некоторых веществ при введении их в сточную воду выделять газы (О2, СО2, Сl2 и др.) в результате химической реакции. Пузырьки этих газов могут прилипать к не растворенным взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое явление, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введением коагулянтов. Биологическая флотация применяется для уплотнения осадка из первичных отстойников при очистке бытовых сточных вод. Для этой цели осадок подогревают паром в специальной емкости до 35 ? 55 °С и при этих условиях выдерживают несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются пузырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвреживаются. Таким путем за 5 ? 6 сут влажность осадка можно понизить до 80 % и тем самым упростить его дальнейшую обработку. Ионная флотация - это процесс, который ведется следующим образом: в сточную воду вводят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо способом, и собиратель (ПАВ). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противоположный по знаку заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и загрязнений концентрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся ими в пену. Пену удаляют из флотационной камеры и разрушают, из нее извлекают сконцентрированные ионы удаляемого вещества. Этот процесс можно использовать для извлечения из сточных вод металлов (молибден, вольфрам, ванадий, платина и другие).

2. Флотационное концентрирование тяжелых металлов из питьевых и минеральных вод

Так как присутствующие в питьевый воде тяжелые металлы, такие как свинец, медь, кадмий, цинк, железо, ртуть, высокотоксичны даже в микрограммовых количествах, их содержание подлежит строгому аналитическому контролю. В связи с ужесточением требований к качеству пищевых продуктов и питьевой воде перед химиками-аналитиками стоит задача снижения предела обнаружения токсичных металлов и повышения точности методов их определения.

При определение тяжелых металлов атомно-абсорбционным методом в питьевой воде на уровне ПДК в процессе пробоподготовки, как правило, проводится предварительное концентрирование, например выпаривание проб. Нами предложена методика определения микроколичеств ряда токсичных металлов, включающая предварительное флотационное концентрирование металлоионов в присутствии ПАВ, основанное на процессе пленочной сепарации сублатов металлоион-ПАВ.

Подобраны оптимальные характеристики флотационной колонки и режим работы. Установлено, что в условиях проведения эксперимента для количественного извлечения наиболее эффективны поверхностно-активные вещества анионного типа. Выбор ПАВ зависит не только от прочности сублатов металлоион-ПАВ, но и от времени жизни пленок, что определяется индивидуальностью ПАВ. Получены кинетические кривые флотационного концентрирования в зависимости от природы и концентрации ПАВ. Изучено влияние кислотность раствора, концентрации определяемых металлоионов на степень их извлечения. Концентрация металлоионов в концентрате контролировалась спектрофотометрическим методом в виде дитизоноатных комплексов. Степень извлечения металлоионов составляет 96,0-99,0 %, коэффициент концентрирования - 50-70, время проведения концентрирования - 20-30 мин.

Предложенный вариант пробоподготовки позволяет улучшить аналитические характеристики атомно-абсорбционного метода в пламени при определе­нии меди, кадмия, свинца и цинка в питьевой и минеральных водах по сравнению с ААС в сочетании с выпариванием или ААС без концентрирования, а именно, улучшить воспроизводимость результатов и снизить пределы обнаружения этих металлоионов в 5-20 раз.

3. Флотационное обогащение

На обогатительных фабриках этим методом концентрируют сульфидные и окисленные руды цветных металлов, руды некоторых редких металлов, апатит, самородную серу, каменный уголь и другое сырьё.

Флотация основана на различной смачиваемости минералов водой. Мерой смачиваемости материалов служит величина краевого угла смачивания, образующегося вдоль линейной границы раздела твёрдое тело - жидкость - воздух (Рис 1.1).

Вода образует с несмачиваемой (гидрофобной) частицей 1 тупой краевой угол, а со смачиваемой (гидрофильной) - острый.

Силы поверхностного натяжения стремятся выровнять уровень жидкости, в результате этого гидрофобная частица выталкивается из жидкости и всплывает, а гидрофильная погружена в жидкость.

Это явление не зависит от плотности минерала, и нередко всплывают более тяжёлые гидрофобные частиц, а более лёгкие тонут.

Известно, что несмачиваемость частиц будет тем сильнее, чем больше отношение поверхности к объёму, т.е. чем мельче размер частиц (в приделах 0,03 - 0,3 мм). Флотация ускоряется при пропускании через пульпу мелких пузырьков воздуха, которые, поднимаясь к поверхности, захватывают с собой гидрофобные частицы.

В результате над поверхностью жидкости образуется слой пены с частицами гидрофобного материала, который легко удаляется.

Хорошо смачиваемые частицы постепенно оседают на дно.

Высокой гидрофобностью отличаются графит, самородная сера некоторые виды каменного угля.

Большинство материалов мало отличаются по смачиваемости, либо обладают гидрофильностью.

В таких случаях необходимо применение флотационных реагентов - веществ, позволяющих в широких приделах изменять физико-химические свойства поверхностного слоя минеральных частиц.

Все флотационные агенты делятся на:

- пенообразователи;

- собиратели;

- регуляторы.

Пенообразователи представляют собой органически поверхностно-активные вещества (ПАВ), способствующие сохранению дисперсности воздушных пузырьков и увеличению устойчивости пены.

Собиратели или коллекторы, - это органические вещества, молекулы которых состоят из неполярной (углеводородной) части и полярной (карбоксильной, аминной, гидроксильной, сульфгидрильной) групп. Такие вещества, адсорбируясь полярной группой на поверхности твёрдых (заряженных) частичек, нейтрализуют их заряд и тем самым резко повышают их гидрофобность. В результате такие частицы концентрируются на поверхности пузырьков воздуха и всплывают.

Регуляторы служат для повышения избирательности действия пенообразователей и собирателей.Например, действия собирателей на минеральные частицы, и регулирования силы этого действия. Так, для увеличения гидрофильности минералов, входящих в состав разделяемой породы, в пульпу добавляют подавители, уменьшающие возможность всплывания. Например, жидкое стекло подавляет флотацию силикатных материалов.

К регуляторам относят и вещества, создающие благоприятную среду для флотации одних минералов и неблагоприятную для других.

Таким образом, проводя многократную селективную флотацию исходного сырья с применением флотационных реагентов можно не только отделить полезные компоненты от пустой породы, но и разделить их.

При этом расход флотационных реагентов невелик и обычно не превышает 100 г на т породы.

Флотационная машина

Для обогащения сырья применяют флотационные машины двух типов:

- камерные - с механическим перемешиванием пульпы;

- корытные - с пневматическим перемешиванием пульпы.

Механические флотационные машины состоят из последовательно расположенных камер, разрез одной из них показан на рисунке 2.

Рис. 2. Пенная флотация:

а - флотационная машина: 1 - мешалка; 2 - труба для подачи воздуха;

3 - решётка; 4 - жёлоб для концентрата; б - флотация не смачиваемых водой гидрофобных частиц в пузырьке воздуха: 1 - пузырёк воздуха; 2 - частицы;

в - адсорбция собирателя на поверхности частицы флотируемого материала:

1 - частица; 2 - молекулы или ионы собирателя ПАВ1; 3 - воздух, 4 - ПАВ2.

В нижнюю часть камеры через трубы 3 подаётся воздух для создания пены и свежая пульпа с реагентами для флотации.

Камера разделена колосниковой горизонтальной решёткой 3 на нижнюю смесительную и верхнюю разделительную части.

Из верхней части разделительной камеры непрерывно отводится минерализованная пена, содержащая концентрат; из нижней, - через порог 6, в промежуточную камеру 7 выводятся хвосты в виде пульпы.

Если хвосты содержат ценные компоненты, то они поступают в следующую флотационную камеру для дальнейшего обогащения следующими реагентами для флотации.

Концентрат отделяется от воды в отстойниках на фильтрах и высушивается.

Если в хвостах содержится пустая порода, то она направляется в отвал.

4. Флотореагенты

Назначение и классификация флотационных реагентов

Современное флотационное обогащение основано на применении флотационных реагентов (флотореагентов).

Флотореагенты -- химические соединения, способствующие избирательному прилипанию пузырьков воздуха к минеральным частицам и осуществлению флотации определенных компонентов.

В зависимости от целевого назначения Флотореагенты делят на три класса -- собиратели, пенообразователи, регуляторы. Результаты флотационного обогащения в значительной степени определяются реагентным режимом флотации -- ассортиментом и способом применения реагентов, один и тот же результат флотации может быть получен при различных реагентных режимах. Реагентный режим флотации преимущественно определяется типом и характеристикой полезного ископаемого, степенью его измельчения и кондициями, предъявляемыми к продуктам обогащения.

Простейший реагентный режим определяется дозировкой одного пенообразователя или реагента со смешанными функциями собирателя-пенообразователя. В современной практике флотации такие режимы редки.

Обычно при флотации одновременно применяют несколько реагентов, действие которых взаимосвязано и зависит от концентрации каждого из них. Превышение сверх необходимого расхода реагента одного класса требует повышения расхода реагентов других классов и может привести к ухудшению технологических показателей. Минимально возможные расходы реагентов обеспечивают наименьшие затраты на переработку минерального сырья и лучшие результаты флотации. Необходимый расход реагентов определяют с помощью лабораторных флотационных опытов, уточняют в полупромышленных и промышленных условиях.

Флотоактивность реагентов может быть повышена с помощью физических, химических и др. методов -- эмульгирование, электрохимическое окисление, ультразвуковая, тепловая и бактериальная обработки, смешивание разных реагентов, подача реагента в парообразном состоянии или в виде аэрозоля и др. Использование физических, химических и др.методов воздействия на Флотореагенты и их водные растворы способствует повышению технико-экономических показателей флотации (снижение расхода реагентов, увеличение извлечения ценных компонентов, улучшение качества концентратов).

Наряду с применением флотореагентов трех классов (собиратели, пенообразователи, регуляторы) и различного сочетания реагентов внутри каждого класса совершенствование флотации минерального сырья во многом определяют технологические приемы, включающие применение сочетаний флотореагентов различных классов, методы обработки пульпы реагентами, методы обработки реагентов перед флотацией, комбинации флотационных методов на основе применения реагентов и нефлотационных операций. Эти технологические приемы условно отнесены к группе «Способы флотации» и дополняют каталог флотационных реагентов.

Вспениватели -- поверхностно-активные органические вещества, адсорбирующиеся преимущественно на поверхности раздела жидкость -- газ.

Назначение вспенивателей -- способствовать образованию в объеме пульпы воздушных пузырьков с определенными свойствами, а на поверхности пульпы -- достаточно устойчивого пенного слоя необходимого строения. Молекулы вспенивателя являются полярно-аполярными (дифильными). Полярная часть может быть представлена гидроксилом, карбонилом, сульфогруппой, аминогруппой и др.

Поверхностное натяжение чистых вспенивателей и их растворов значительно меньше, чем поверхностное натяжение воды. С повышением концентрации вспенивателя поверхностное натяжение раствора понижается, поверхностно-активное вещество переходит в поверхностный слой, обусловливая уменьшение свободной энергии (движущая сила адсорбции). В предельном случае при добавлении к воде поверхностно-активных веществ молекулы воды полностью удаляются с поверхности раздела газообразной и жидкой фаз и замещаются молекулами менее полярного вещества. При этом сила межмолекулярного взаимодействия поверхностного слоя жидкости и воздуха увеличивается, поверхностное натяжение уменьшается.

При флотационных концентрациях вспенивателей понижение поверхностного натяжения составляет 30--30 мкН/см и адсорбционный слой на поверхности пузырьков в объеме пульпы является ненасыщенным.

Концентрация вспенивателя в пенном слое значительно больше, чем в объеме пульпы (выше уровня пульпы пузырьки разрушаются и пена непрерывно обогащается новыми порциями реагента).

Адсорбируясь на границе раздела вода -- воздух, поверхностно-активные вещества ориентируются полярной группой в водную фазу. Взаимодействуя с полярными группами молекул пенообразователя, диполи воды гидратируют их, создавая каркас известной жесткости и способствуя упрочению поверхностного адсорбционного слоя пузырька воздуха.

Чем больше гидратированы молекулы вспенивателя, тем медленнее стекает вода с поверхности пузырька в пенном слое, тем устойчивее пена. Слишком хрупкие и устойчивые пены не являются оптимальными для флотации. В отсутствие пенообразователя пузырьки воздуха разрушаются практически сразу после достижения ими поверхности. Пена должна обладать свойствами, обеспечивающими вторичную концентрацию флотируемого минерала.

Структура флотационной пены зависит, при прочих равных условиях, от характера флотореагентов и крупности минеральных зерен.

Различают три типа пен: пленочно-структурные, агрегатные и пленочные. Тип пены можно определить по виду ее распада и содержанию воды в продуктах распада

Пленочно - структурная пена при флотации частиц обычной крупности встречается наиболее часто. Она характеризуется значительной обводненностью, имеет относительно большую высоту и повышенное содержание увлеченных потоком частиц пустой породы.

Агрегатными называют плотные минерализованные пены, содержащие относительно небольшую долю воды. Образованию агрегатных пен способствуют относительно крупные флотирующиеся частицы, а также добавки аполярных масел. Они могут получаться также при распаде обычных пленочно-структурных пен. Агрегатным пенам часто соответствует максимальная скорость флотации.

Пленочные пены аналогичны агрегатным, но имеют небольшую толщину; получаются при флотации крупных гидрофобных частиц небольшой плотности, например угля.

Аполярная группа вспенивателя, замещающая молекулы воды -на поверхности раздела фаз и обусловливающая уменьшение поверхностного натяжения, должна быть достаточной длины, чтобы выталкиваться из воды. У вспенивателей полярная группа находится в определенной связи с длиной углеводородного радикала. Например, спирты с числом атомов углерода в молекуле до 4 не являются вспенивателями, как и спирты, содержащие более 8 атомов углерода (в первом случае превалирует взаимодействие группы ОН с водой над взаимодействием аполярного радикала с воздухом, во втором -- наоборот).

Вспениватели оказывают следующее действие: способствуют диспергированию воздуха во флотационной машине; препятствуют коалесценции воздушных пузырьков; снижают скорость подъема пузырьков воздуха в пульпе (приблизительно в 2 раза), способствуя их лучшей минерализации; увеличивают силу прилипания пузырьков к флотирующимся минеральным частицам; способствуют образованию трехфазной флотационной пены определенных свойств и характера.

Пенообразующая способность реагентов зависит от их природы и концентрации. В ряду нормальных спиртов наибольшим пенообразующим действием обладает октиловый спирт, затем гептиловый и гексиловый; в ряду низших фенолов -- крезол, затем ксиленол и фенол.

Каждый вспениватель индивидуально влияет на характер распределения воздушных пузырьков в пульпе по крупности. Наиболее флотационно активны пузырьки диаметром 0,6-- 1,2 мм. Крупные пузырьки обладают достаточной подъемной силой для извлечения крупных минеральных частиц и сростков, но вследствие больших скоростей подъема их время контакта с частицами невелико и они малоэффективны. Тонкие и сверхтонкие пузырьки находятся в пульпе значительное время, способствуют прикреплению к частицам пузырьков более крупных размеров, но сами по себе плохо флотируют минеральные частицы даже средней крупности.

С уменьшением размера воздушных пузырьков возрастает стабильность пены. Флотирующиеся минеральные частицы также стабилизируют пену. Наоборот, тонкие гидрофобные осадки, образующиеся в пульпе при взаимодействии собирателя с ионами тяжелых металлов, оказывают пеногасящее действие.

Для флотации минерального сырья предложено более двухсот пенообразователей.

Для флотации минерального сырья предложено более двухсот пенообразователей. По классам химических соединений реагенты-вспениватели делят на спирты, фенолы, кислоты, эфиры, гетероциклические, кремнийорганические и серосодержащие соединения; в группу «Разные» включены используемые в качестве вспенивателей единичные представители других классов органических соединений и реагенты сложного и неустановленного состава (побочные продукты и отходы химических производств, продукты взаимодействия различных органических соединений и т. п.).

Эффективность флотационного применения вспенивателей зависит от рН пульпы. Условно вспениватели можно разделить на три группы: кислые, обладающие максимальным пенообразующим действием в кислой среде (фенолы); основные, обладающие максимальным пенообразующим действием в щелочной среде (некоторые гетероциклы); нейтральные, пенообразующее действие которых практически не зависит от рН (спирты, эфиры). Практически по масштабам потребления наиболее важны нейтральные пенообразователи.

Выбор вспенивателя зависит от многих факторов, в первую очередь определяется характером минерального сырья и степенью его измельчения.

Собиратели -- органические вещества, закрепляющиеся преимущественно на поверхности раздела твердое -- жидкость.

Назначение собирателей -- гидрофобизация минеральной поверхности (понижение ее смачиваемости водой), увеличение скорости и прочности прилипания частиц к пузырькам воздуха.

Гидрофобизация минералов основана на физико-химических процессах образования поверхностных гидрофобных соединений. При подборе селективных реагентов-собирателей исходят из представлений о химическом взаимодействии собирателя с ионами кристаллической решетки минерала (окислительно-восстановительные и обменные химические реакции, реакции комплексообразования).

Молекулы или ионы собирателей (за исключением чистых углеводородов и некоторых др.) являются полярно-аполярными (дифильными). Полярная часть собирателя, обладая сродством к минералу, определяет прочность закрепления реагента на минеральной поверхности и селективность его действия на различные минералы.

При подборе селективных собирателей для флотации металлических полезных ископаемых руководствуются сродством некоторых органических соединений к металлам и проводят допускаемую аналогию между избирательностью взаимодействия органических реагентов с катионами металлов в растворе и кристаллической решетке минерала (предполагается, что на поверхности минерала имеются ненасыщенные связи).

Поиск новых селективных собирателей рекомендуется проводить среди хелатообразующих органических соединений, содержащих электронодонорные атомы азота, кислорода, серы, фосфора и галоидов. Целенаправленный выбор лигандов (хелатообразующая группа атомов) позволяет разрабатывать реагенты заданной структуры с определенной вероятностью их флотационной активности.

Рекомендуемые направления изысканий в области реагентов-собирателей:

первичные собиратели для прямой или обратной флотации основного компонента (нескольких компонентов, в том числе сопутствующих);

дополнительные собиратели (способствуют снижению расхода основного собирателя и повышению извлечения флотируемого компонента, особенно частиц крайних размеров -- крупных и шламистых);

дешевые заменители стандартных реагентов на базе отходов различных производств;

повышение эффективности действия собирателей различными методами (подача в виде раствора в водонесмешиваю-щемся органическом растворителе, добавки поверхностно-активных веществ, электрохимическая, ультразвуковая, тепловая, бактериальная обработка и пр.). Среди ионогенных различают анионные собиратели (гидрофобизирующий ион -- анион) и катионные (гидрофобизирующий ион -- катион).

В зависимости от состава и структуры полярной части наиболее распространенные анионные собиратели условно делят на два типа -- сульфгидрильные (в состав полярной части входит двухвалентная сера, связывающая анион собирателя и ; поверхность минерала) и оксигидрильные (анион собирателя и минеральная поверхность связываются через атом кислорода). Аполярная часть сульфгидрильных собирателей содержит 2--6 атомов углерода, оксигидрильных--12--18.

В зависимости от состава и структуры полярной части катионные собиратели делят на два типа -- первичные алифатические амины и их соли (с полярной группой на основе аммиака) и соли четырехзамещенного аммония (с полярной группой на основе аммония). Аполярная часть катионных собирателей содержит 12--18 атомов углерода.

Из неионогенных собирателей в практике флотации применяют аполярные масла и нерастворимые в воде серосодержащие маслообразные реагенты.

При флотации всех полезных ископаемых перспективны собиратели со смешанными функциональными группами (особенно амиды и тиоамиды, аминокислоты, аминоэфиры).

Оксигидрильные и катионные собиратели можно применять при флотации сульфидных руд тяжелых цветных металлов; однако по селективности действия они значительно уступают в этом случае сульфгидрильным собирателям и производным тиокарбаминовых кислот и не могут конкурировать с ними.

Неионогенные собиратели -- основные реагенты при флотации природно гидрофобных минералов (графит, сера, молибденит и др.); в качестве дополнительных собирателей их применяют при флотации самых разнообразных минералов (вводят в дополнение к ионогенным собирателям).

При грубом измельчении минерального сырья необходимы более сильные собиратели (с большей длиной аполярной части), чем при тонком. Флотацию частиц крайних размеров (крупных и тонких) интенсифицируют добавки аполярных масел. Эффективны реагентные режимы флотации на основе применения относительно слабых реагентов-собирателей. Для обеспечения более высокого извлечения металлов их рекомендуется использовать в сочетании с более сильными собирателями при очень малых расходах. Поддержание расхода собирателя на минимально необходимом уровне способствует селективному разделению руды на компоненты с высокими показателями.

Собирательная способность реагентов зависит от их природы, удельного расхода и условий применения. Выбор собирателя преимущественно определяется характером минерального сырья и степенью его измельчения.

5. Ионная флотация

флотатор очистка флотационное концентрирование

Процесс извлечения находящихся в растворе ионов методом флотации, при котором в качестве реагентов-собирателей используют ПАВ. Извлекаемый ион (коллигенд) образует с ПАВ соединение (сублат), которое концентрируется на поверхности всплывающих пузырьков и выносится в пену. Для ионной флотации характерен небольшой слой неустойчивой пены, в верхних слоях которой образуется так называемая пенка (твёрдый гидрофобный продукт, состоящий в основном из сублата).

Возможны два механизма ионной флотации: адсорбционный (концентрирование сублата на поверхности пузырьков происходит в результате адсорбции) и адгезионный (сублат образует осадок -- новую фазу, частицы которой прилипают к всплывающим пузырькам).

В случае адсорбционного механизма раствор после введения собирателя остаётся гомогенным, а при адгезионном -- становится гетерогенной двухфазной системой. По кинетическим возможностям для промышленного использования предпочтительнее адгезионный механизм ионной флотации, при котором извлечение на уровне 90-99% может быть достигнуто за время от долей минуты до несколько минут. Поэтому в качестве реагентов-собирателей при ионной флотации целесообразно использовать ПАВ, образующие труднорастворимые соединения с коллигендом. Для ионной флотации характерно извлечение крупных (сотни -- тысячи мкм) агрегатов, содержащих 97-99,9% воды и состоящих из отдельных частиц размером от долей мкм до несколько мкм. При ионной флотации необходима переработка пенного продукта с целью получения товарной продукции и регенерации реагента. При правильно выбранном ПАВ его остаточная концентрация в обработанном растворе ионной флотации несколько мг/л. Поэтому очистка этих растворов обычно необходима, т.к. предельно допустимые концентрации ионогенных ПАВ десятые-сотые доли мг/л. Исключение -- оборотные воды и растворы, например растворы подземного и кучного выщелачивания.

...