Материал: Разработка конструкции электрофлотатора

количество подаваемого воздуха, л на 1кг извлекаемых загрязняющих веществ: 40 - при исходной их концентрации Cen<200 мг/л, 28 - при Cen = 500, 20 - при Cen = 1000 мг/л, 15- при Cen = 3-4 г/л;

схему флотации - с рабочей жидкостью, если прямая флотация не обеспечивает подачу воздуха в нужном количестве;

флотокамеры с горизонтальным движением воды при производительности до 100 м3/ч, с вертикальным - до 200, с радиальным - до 1000 м3/ч;

горизонтальную скорость движения воды в прямоугольных и радиальных флотокамерах - не более 5 мм/с;

подачу воздуха через эжектор во всасывающий патрубок насоса - при небольшой высоте всасывания (до 2 м) и незначительных колебаниях уровня воды в приемном резервуаре (0,5-1,0 м), компрессором в напорный бак - в остальных случаях.

Напорные флотационные установки имеют большее распространение, чем вакуумные. Они просты и надежны в эксплуатации. Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4…5 г/л. Для увеличения степени очистки в воду добавляются 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 воды воздухом под давлением;

) выделение растворенного газа под атмосферным давлением.

Рис.1.1. Схема напорной флотации:

- емкость; 2 - насос; 3 - напорный бак; 4 - флотатор.

Напорные флотационные установки имеют производительность от 5…10 до 1000…2000 м3/ч. Они работают при давлении в напорной емкости 0,17…0,39 МПа, время пребывания в ней 14 минут, а во флотационной камере (емкости) 10…20 минут. Объем засасывания воздуха составляет 1,5…5% от объема очищаемой воды. В случае необходимости одновременного окисления загрязнений воду насыщают воздухом, обогащенным кислородом или азотом. Для устранения процесса окисления вместо воздуха на флотацию подают инертные газы.

Эрлифтные установки применяют для очистки сточных вод в химической промышленности. Они просты по устройству, затрата энергии на проведение процесса в них в 2…4 раза меньше, чем в напорных установках. Недостаток этих установок - необходимость размещения флотационных камер на большой высоте:

Рис. 1.2. Схема эрлифтной флотации:

- емкость; 2 - трубопровод; 3 - аэратор; 4 - труба эрлифта; 5 - флотатор.

Флотация с механическим диспергированием воздуха. Механическое диспергирование воздуха во флотационных машинах обеспечивается турбинками насосного типа - импеллерами, представляющими собой диск с радиальными, обращенными вверх, лопатками. Такие установки применяются для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных частиц (более 2 г/л). Степень измельчения вихревых газовых потоков на пузырьки и эффективность очистки зависят от скорости вращения импеллера: чем больше скорость, тем меньше пузырек и тем больше эффективность процесса.

Пневматические установки применяют для очистки сточных вод, содержащих растворенные примеси, агрессивные к движущимся механизмам. Измельчение пузырьков воздуха достигается при пропускании его через специальные сопла с отверстиями диаметром 1…1,2 мм, с давлением перед ними 0,3…0,5 МПа. Скорость струи воздуха на выходе из сопла 100-200 м/с. Продолжительность флотации - в пределах 15…20 мин.

Флотация при помощи пористых пластин. При пропускании воздуха через керамические пористые пластины или колпачки получаются мелкие пузырьки, размер которых равен:

п = 6(rо2.σ)1/4,

где Rп, rо - радиусы пузырьков и отверстий; σ - поверхностное натяжение воды.

Давление, необходимое для преодоления сил поверхностного натяжения, определяется по формуле Лапласа:

Δр = 4σ/rо.

Этот метод имеет следующие преимущества: простая конструкция флотационной камеры; меньшие затраты энергии из-за отсутствия насосов, импеллеров. Недостатки способа: частое засорение и зарастание отверстий пористого материала; неоднородность размеров отверстий пористого материалы.

Эффект флотации этим способом зависит от величины отверстий материала, давления воздуха, расхода воздуха, продолжительности флотации, уровня воды во флотаторе. Размер отверстий должен быть 4…20 мкм, давление воздуха 0,1…0,2 МПа, расход воздуха 40…70 м3/(м2.ч), продолжительность флотации 20…30 мин, уровень воды в камере до флотации 1,5…2м.[4]

.1 Кинетика флотации

Элементарный акт флотации заключается в следующем: при сближении поднимающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды прорывается при некоторой критической толщине 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.

При закреплении пузырька образуется трехфазный периметр-линия, ограничивающий площадь прилипания 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 воду угол θ, называемый

краевым углом смачивания.

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла θ. Чем больше краевой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удерживания пузырька на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др.

Энергия образования комплекса “пузырек-частица” равна:

А = σ (1- cos θ),

где σ - поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой, θ → 0, а cos θ → 1, следовательно, прочность прилипания минимальна, а для несмачиваемых частиц -максимальна.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества пузырьков воздуха. Оптимальный размер пузырьков равен 15…30 мкм. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками, или большое газосодержание. Повышение концентрации примесей увеличивает вероятность столкновения и прилипания частиц к пузырькам. Для стабилизации размеров пузырьков в процессе флотации вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз: сосновое масло, крезол, фенолы, алкилсульфат натрия, обладающие собирательными и пенообразующими свойствами.

Вес флотируемой частицы не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотности материала частиц и равен 0,2…1,5 мм.

Флотация может быть использована при сочетании с флокуляцией. Вероятность образования комплекса “пузырек-частица” может быть определена по формуле:

ω = [n 4/3 π(Rп + rч)3 - n 4/3 π Rп 3]/V = Cг[(1 + rч/Rп)3 - 1],

где n - число пузырьков радиуса Rп в объеме V жидкости; rч - радиус частицы; Сг = n 4/3 π Rп3/V - объемная концентрация газовой фазы.

Плотность флотационной среды, состоящей из воды, пузырьков воздуха и твердых частиц, равна:

ρс = ρж(1- Сч - Сг) + ρчСч + ρг Сг,

где ρж, ρч, ρг - плотность жидкости, частиц и газа; Сч, Сг - объемная концентрация частиц и газа в воде.

Скорость движения частиц wч и пузырьков vп относительно среды определяется по формулам:

ч = -2/9(g r2/μc ρж)[(1- Сч)(ρч/ρж - 1) + Сг];п = 1/9(g R2/μс ρж)[1+Сч(ρч/ρж -1) - Сг],

где g - ускорение свободного падения (силы тяжести); μс - динамическая вязкость флотационной среды.

Скорость процесса выделения частиц флотацией описывается уравнением реакции первого порядка:

ч/dτ = - kф Cч,

где kф - коэффициент скорости флотации, зависящий от динамических и конструктивных параметров.

Наилучшие условия разделения достигаются при соотношении между твердой и газообразной фазами Gг/Gч = 0,01…0,1. Это соотношение определяется по формуле:

г/Gч = 1,3 b(ƒ P - 1)Q1/(Cч.Q),

где Gг, Gч - масса воздуха и твердых частиц, г; b - растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении и данной температуре, см3/л; ƒ - степень насыщения (обычно ƒ = 0,5…0,8); Р - абсолютное давление, при котором вода насыщается воздухом; Q1 - количество воды, насыщенной воздухом, м³/ч; Q - расход сточной воды, м³/ч. [7]

3. Электрофлотационная очистка

.1 Электрофлотация

Способ электрофлотационной очистки основан на переносе загрязняющих частиц из объема жидкости на ее поверхность пузырьками газов, образующихся при электролизе сточных вод. Устройства, в которых производят этот процесс, называют электрофлотаторами. Образование газов происходит таким образом:

в кислых растворах

. Н3О+ + е - → Надс + Н2О

. Надс + Надс → Н2 ↑

На первой стадии восстановления происходит разряд катиона с потерей гидратной оболочки и адсорбция на поверхности электрода. Вторая стадия заключается в образовании молекул Н2 путем рекомбинации ионов Надс.

в щелочных растворах,

где концентрация Н3О+ ничтожно мала, разряд происходит непосредственно из молекул воды в соответствии со следующими уравнениями:

. Н2О + е -→→ Надс + ОН-

. Надс + Надс → Н2 ↑

В обоих случаях наиболее медленными являются первые стадии процесса восстановления, которые и определяют общую скорость процесса выделения водорода.

) разложение воды (электрохимическое выделение кислорода):

в щелочной среде

ОН - ↔ О2 ↑ + 2Н2О + 4е-

в кислой среде

Н2О ↔ О2 ↑ + 4Н+ + 4е-

Следует отметить, что в последнем случае, так как концентрация анионов гидроксила мала, разряду непосредственно подвергается молекула воды.

Как следует из указанных уравнений, на катоде выделяется водород, а на аноде - кислород. Основные флотационные процессы протекают с участием водорода.

Обычно в установках для электрофлотации используют растворимые электроды (железные и алюминиевые). При их растворении протекают реакции, описанные уравнениями:

- 2e → Fe2+ φo = - 0.44 B- 3e → Al3+ φ =1.66 B

Fe + 2ОН- - 2e → Fe(OH)2 φo = - 0.877 B

Al + 3 ОН- - 3e →Al(OH)3 φo = -2.31 B

Fe(OH)2 + ОН- - e → Fe(OH) 3 φo = - 056 B

В результате в воду переходят катионы железа и алюминия и образуют гидроксиды. Эти флотационные процессы очистки наиболее эффективны при очистке сточных вод, что обеспечивается одновременным воздействием на загрязнения коагулянтов (гидроксидов железа и алюминия) и пузырьков газа. Такие установки называют электрокоагуляционно-флотационными.

Существуют однокамерные и двухкамерные электрофлотационные установки, горизонтального или вертикального типа. При пропускной способности до 10-15 м3/ч используют однокамерные установки.

Рис. 2.3. Горизонтальный флотатор:

- выпускная камера; 2 - решетка-успокоитель; 3 - электродная система; 4 - механизм для сгребания пены; 5 - пеносборник; 6, 7 - отвод соответственно обработанной сточной воды и пенного шлама; 8 - опорожнение электрофлотатора и выпуск осадка.

Расчета установок для электрофлотации или электрофлотокоагуляции производится согласно методике С.В. Яковлева.

Вначале определяют общий объем установки Wy , объемы электродного отделения Wэ и камеры флотации Wф . все объемы указаны в кубических метрах. Следовательно,

= Wэ + Wф

Объем электродного отделения зависит от размеров электродной системы. Если рассчитывается горизонтальная установка, то ширина секции принимается в зависимости от производительности Q :

если Q < 90 м3/ч, то В = 2м.

если Q = 90 - 180 м3/ч, то В = 2,5 - 3м.

Число электродов, размещаемое в установке, составляет:

э = (B - 2a1 + a2)/(δ + a2),

где a1 - величина зазора между крайними пластинами и стенками камеры, равная 100мм, a2 - величина зазора между пластинками, равная 15-12мм, δ - толщина пластин, равная 6-10 мм.

Тогда необходимая площадь пластин электродов ƒэ, м2 , определяется по следующей формуле:

ƒ3 = ƒа.э./(nэ - 1),

где ƒа.э. - активная поверхность электрода, м2 , определяемая из следующего выражения:

ƒа.э. = EQ/i,

где E - удельное количество электричества, Ач/м3; Q - расчетный расход сточных вод, м3/ч; i - плотность тока на электродах, А/м2.

Параметры E и i определяют экспериментальным путем. Обычно их значения лежат в следующих пределах: = 100 ÷ 600 Ач/м3, i = 50 ÷ 200 А/м2, напряжение постоянного тока 5÷30 В. Обычно высота пластин h, составляет 1÷15м. длину пластин находят из следующего выражения:

lэ = ƒэ / hэ,

а длину электродной камеры Lэ (м) по формуле:

э = lэ + 2а1.

Объем электродной камеры Wэ (м3) находят из выражения:

э = BHэLэ.

В этом выражении Hэ - это рабочая высота электродной камеры (м), равная:

э = h1 + h2 + h3 ,

Где h1 - высота осветленного слоя, равная 1 - 1,5м , h2 - высота защитного слоя, равная 0,3 - 0,5м, h3 - высота слоя шлама, равная 0,4 - 0,5м.

Объем флотационной камеры составляет:

ф = Qtф ,

где tф - продолжительность флотации, определяемая экспериментально (лежит в пределах 0,3-0,75ч).

Длину Lф и высоту Hф флотационной камеры рассчитывают исходя из ее объема Wф и ширины B.

Количество металла электродов, переходящее в раствор, рассчитывают по формуле:

э = kтЭE,

где mэ - количество металла, переходящего в 1 м3 раствора, г; kт - коэффициент выхода по току, равный 0,5 ÷ 0,95 (определяется экспериментально), Э - электрохимический эквивалент, г/Ач, равный для Fe2+, Fe3+, Al3+ соответственно 1,042, 0,695 и 0,336.

Срок службы электродной системы Т, сут,

Т = М * 1000/ mэQсут,

где М - количество металла электродов, которое растворяется при электролизе, кг;

М = γkэƒэδnэ ,

где γ - плотность металла электродов, кг/ м3; kэ -коэффициент использования материала электродов, равный 0,8 ÷ 0,9, Qсут - суточный расход сточных вод, м3/сут.

При эксплуатации электрофлотационных установок следует учитывать существенное количество водорода и кислорода, выделяющихся при протекании процесса, и принимать соответствующие меры безопасноти.

Электрофлотационная (и электрофлотокоагуляционная) технология применима для очистки медьсодержащих сточных вод промышленных предприятий и объектов бытового обслуживания.

Технология хорошо сочетается с методами предварительной очистки (реагентный, коагулянтный) как метод глубокой очистки до ПДК, а так же с методами мембранного обессоливания (фильтрование, ионообмен) как метод предварительного удаления нефтепродуктов, взвешенных веществ, катионов кальция, магния, железа, ионов тяжелых металлов (ИТМ), что позволяет использовать его в общей схеме водоочистки медьсодержащих стоков. [6]

3.2 Электроды

Электроды являются важнейшими элементами любой конструкции электролизера, определяющими эффективность процесса окислении или востановления.

Электроды подразделяют по следующим признакам:

по конструкции - плоские, сплошные, сетчатые, перфорированные, объемно-насыпные, неподвижные, вращающиеся, пссадоожижеииые;

по материалу - растворимые, нерастворимые, малоизнашиваемые;

по пространственной ориентации относительно друг друга - вертикальные, горизонтальные, наклонные;

по соединению - монополярные, биполярные и комбинированные;

по конфигурации - плоские, цилиндрические, сферические, игольчатые,

Катоды изготовляют из графита, стали, никеля, платины и других материалов;

аноды - из платины, никеля, нержавеющей стали, а также из титана, покрытого оксидами металлов.

К конструкции электродов предъявляются следующие требования: