6.5. Электрофлотация
При электрофлотации электролитически полученные газовые пузырьки всплывают в объеме жидкости, взаимодействуют с частицами загрязнений, в результате чего происходит их взаимное слипание. Это обусловлено уменьшением поверхностной энергии флотируемых частиц и пузырьков газа на границе раздела фаз «жидкость-газ». Плотность образующихся агрегатов меньше плотности воды и они транспортируются на поверхность жидкости, где накапливается флотошлам. Физико-химические процессы, имеющие место в электрофлотационной очистке сточных вод, включают в себя электролитическую генерацию пузырьков, слипание газовых пузырьков и частиц загрязнений, транспортирование агрегатов «пузырек-частица» на поверхность жидкости.
Чаще всего определяющей стадией электрофлотационного процесса является адгезия газовых пузырьков и частиц загрязнений, которая происходит на молекулярном уровне. Сближение частицы и пузырьков происходит за счет внешних сил, например гидродинамических, а когда расстояние между ними уменьшается до 10-6 мм, начинают действовать молекулярные силы. Прилипание частицы к пузырьку сопровождается резким уменьшением поверхностной энергии пограничных слоев и возникновением сил, стремящихся уменьшить поверхность смачивания. Процесс флотации протекает тем интенсивнее, чем больше поверхность газовых пузырьков и площадь их контакта с выделяемыми частицами. При одинаковой газонаполненности жидкости суммарная поверхность более мелких пузырьков больше, а расстояние между контактирующими составляющими системы меньше, что приводит к росту вероятности их столкновения.
Основную роль в процессе флотации играют пузырьки водорода, выделяющиеся на катоде. Размер и интенсивность выделения пузырьков водорода зависят от состава и температуры электролита, поверхностного натяжения на границе раздела фаз «электрод-раствор», материала электродов, их формы и шероховатости поверхности, плотности тока. Размер пузырьков в момент их отрыва от электрода зависит от величины смачивания (рис. 6.4). Кроме того, на величину пузырьков, на кинетику роста и отрыва пузырьков влияет электрическое поле. За счет избытка ионов OH– в прикатодном слое пузырьки водорода приобретают отрицательный заряд, что обусловливает их отталкивание от поверхности электрода. Более быстрый рост и отрыв пузырьков происходит на неровностях, выступах электродов, где наблюдается большая напряженность электрического поля.
Для повышения эффективности флотации применяют проволочные электроды. Известно, что на эффективность флотации влияет газонаполненность обрабатываемой жидкости. Чем меньше диаметр проволочного катода, тем ниже перенапряжение выделения водорода, мельче образующиеся пузырьки и выше газонаполнение системы. Поэтому при электрофлотации целесообразно применять электроды с развитой поверхностью в виде металлических сеток, пористых металлокерамических материалов, насадок и т.д.
Число образующихся пузырьков nn в электрофлотационной установке можно определить по формуле
(6.15)
где
– постоянная, значение которой включает
в себя все неизменяющиеся параметры
процесса, т.е.
,
(6.16)
где
– электрохимический эквивалент вещества;
– продолжительность электролиза;
– радиус пузырька;
– плотность газа;
– высота слоя обрабатываемой жидкости
над электродным блоком;
– катодная плотность тока.
Рис. 6.4. Зависимость величины пузырьков газа от величины краевого угла смачивания в момент отрыва на электродах.
Из приведенных формул следует, что концентрация пузырьков водорода зависит только от катодной плотности тока.
Изменение концентрации взвешенных частиц по высоте рабочей камеры электрофлотатора в зависимости от продоолжительности процесса при некоторых допущениях может быть описано следующей формулой:
(6.17)
где
– концентрация свободных взвешенных
частиц, к которым еще не прилипли пузырьки
воздуха;
– высота слоя жидкости; h
– высота
слоя пены;
– продолжительность электролиза;
– исходная концентрация частиц;
– коэффициент пропорциональности.
Скорость электрофлотации в значительной степени зависит от температуры жидкости. Повышение температуры приводит к снижению перенапряжения водорода примерно на 2 - 3 мВ на каждый градус, соответственно повышение температуры от 20 до 70 - 80 С снижает для большинства металлов на 30 - 40 %. При таких условиях уменьшаются вязкость жидкости и поверхностное натяжение на границе раздела фаз, что ускоряет процесс флотации.
Электрофлотация находит применение при очистке сточных вод кожевенных и меховых производств, текстильных и пищевых предприятий, целлюлозно-бумажных и нефтеперерабатывающих заводов и др. Она также используется при уплотнении избыточного активного ила биологических очистных сооружений. Эффективность очистки по различным примесям колеблется от 60 до 90 %.
Продолжительность электрофлотационной обработки сточных вод может изменяться в широких пределах в зависимости от вида загрязнений – от нескольких минут до часа при расходе энергии до 1 кВт.ч/м3. В качестве анодов применяется ОРТА, катодов – нержавеющая сталь.
Метод электрофлотации имеет ряд преимуществ: простоту изготовления аппаратов и их обслуживания, возможность регулировать степень очистки в зависимости от фазово-дисперсного состава загрязнений путем изменения плотности катодного тока, высокую степень дисперсности пузырьков газа и высокую эффективность прилипания к ним частиц, отсутствие вращающихся частей оборудования в рабочей зоне, дополнительную минерализацию органических загрязнений с одновременным обеззараживанием сточных вод за счет атомарного кислорода и активного хлора - продуктов электролиза. Вместе с тем необходима предварительная очистка стоков от грубодисперсных загрязнений, очистка поверхностей электродов, не всегда обеспечивается требуемая степень очистки сточных вод.