Στη βιομηχανική και δημοτική επεξεργασία νερού, η επίπλευση είναι μια τεχνολογία καθαρισμού νερού που χρησιμοποιεί μικροσκοπικές φυσαλίδες για να ανυψώσει τις αιωρούμενες ακαθαρσίες στην επιφάνεια. Αν και φαίνεται απλό, ενσωματώνει πολύπλοκες αρχές της μηχανικής των ρευστών και της χημείας των επιφανειών. Αυτό το άρθρο θα συνδυάσει κλασικούς τύπους με μηχανική εμπειρία για να παρέχει μια-εις βάθος ανάλυση των βασικών μηχανισμών και των παραγόντων που επηρεάζουν την επίπλευση για αναφορά από επαγγελματίες επεξεργασίας νερού.
I. Βασικές Αρχές Επίπλευσης
Η επίπλευση είναι το αντίθετο της καθίζησης. Ενώ η καθίζηση χρησιμοποιεί τη βαρύτητα για να βυθίσει τα σωματίδια και να αφαιρέσει την αιωρούμενη ύλη, η επίπλευση χρησιμοποιεί την άνωση των προσκολλημένων φυσαλίδων για να φέρει τα αιωρούμενα σωματίδια στην επιφάνεια, επιτυγχάνοντας έτσι διαχωρισμό στερεών-υγρών.
Το κλειδί για τον καθαρισμό του νερού επίπλευσης είναι η δημιουργία ενός μεγάλου αριθμού μικροσκοπικών φυσαλίδων, οι οποίες προσκολλώνται σε αιωρούμενα σωματίδια για να σχηματίσουν "φλοκ-φυσαλίδες". Αυτές οι φυσαλίδες ανεβαίνουν λόγω της άνωσης και τελικά αποξέονται.
Η βασική φυσική διαδικασία είναι: δημιουργία φυσαλίδων → επαφή και πρόσφυση μεταξύ φυσαλίδων και σωματιδίων → αύξηση των προσκολλημένων σωματιδίων με τις φυσαλίδες → σχηματισμός και διαχωρισμός ενός στρώματος αφρού.
II. Ανάλυση της ταχύτητας ανόδου των φυσαλίδων
Όταν μια φυσαλίδα ανεβαίνει στο νερό, ασκείται από τρεις δυνάμεις: η βαρύτητα F1, η άνωση F2 και η έλξη F3. Με βάση τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, μπορεί να προκύψει ο ακόλουθος τύπος.
Όπου: v είναι η ταχύτητα ανόδου της φυσαλίδας, cm/s; m είναι η μάζα των-φορτωμένων κροκύδων αέρα, g; βαρύτητα F1=ρ1gV, όπου ρ1 είναι η πυκνότητα του συμπλέγματος φυσαλίδας-floc, g/cm³, και V είναι ο όγκος του συμπλέγματος φυσαλίδας-floc, cm³. άνωση F2=ρ2gV, όπου ρ2 είναι η πυκνότητα του νερού, g/cm³. σύρετε F3=CAρ2v²/2, όπου C είναι ο συντελεστής οπισθέλκουσας και A είναι η προβαλλόμενη περιοχή των κροκίδων-φορτωμένου αέρα προς την κατεύθυνση της ροής του νερού, cm².
Αντικαθιστώντας τη βαρύτητα F1, την άνωση F2 και σύρετε το F3 στον παραπάνω τύπο, προκύπτει ο ακόλουθος τύπος.
Όταν η ταχύτητα ανόδου της φυσαλίδας σταθεροποιηθεί, το dv/dt=0 και η ταχύτητα αύξησης της φυσαλίδας v μπορούν να υπολογιστούν όπως φαίνεται στον παρακάτω τύπο.
Αν φανταστούμε τη δομή "φυσαλίδας-floc" ως σφαίρα με διάμετρο d, τότε V/A=2d/3. Επιπλέον, ο συντελεστής οπισθέλκουσας της σφαίρας C=4 και η ταχύτητα ανόδου της φυσαλίδας είναι ως εξής.
Ο παραπάνω τύπος αποκαλύπτει ότι η ταχύτητα ανόδου της φυσαλίδας v είναι ευθέως ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα της διαμέτρου του σωματιδίου d και αντιστρόφως ανάλογη με την πυκνότητα του νερού ρ1. Δηλαδή, όσο μεγαλύτερη είναι η φυσαλίδα και όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά πυκνότητας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα ανόδου. Ωστόσο, οι υπερβολικά μεγάλες φυσαλίδες είναι λιγότερο πιθανό να προσελκύσουν ακαθαρσίες, καθιστώντας τη δημιουργία μικροφυσαλίδων ιδιαίτερα σημαντική. Επιπλέον, επειδή η πυκνότητα του αέρα είναι μόνο το 1/775 της πυκνότητας του νερού, οι κροκίδες με έναν ορισμένο αριθμό μικροφυσαλίδων προσκολλημένες ανεβαίνουν γρηγορότερα από ότι οι αρχικές κροκίδες βυθίζονται. Επομένως, η επίπλευση επιτυγχάνει πολύ μικρότερους χρόνους διαχωρισμού στερεών-υγρών από την καθίζηση.
III. Επιφανειακή τάση και πρόσθετη πίεση
Ο πυρήνας της διαδικασίας επίπλευσης βρίσκεται στην προσκόλληση των φυσαλίδων στα σωματίδια και η επιφανειακή τάση καθορίζει τη σταθερότητα των φυσαλίδων. Η επιφανειακή τάση ενός υγρού ορίζεται ως εξής.
Όπου: T είναι η επιφανειακή τάση, σε dynes, που αντανακλά την ισχύ των δυνάμεων μεταξύ των υγρών μορίων. είναι ο συντελεστής επιφανειακής τάσης, σε dynes/cm. και l είναι το μήκος του επιφανειακού στρώματος, σε cm.
Ο αδιάλυτος αέρας στο νερό έλκεται από τα μόρια του νερού, δημιουργώντας επιφανειακή τάση στη διεπιφάνεια μεταξύ των δύο φάσεων. Αυτό το λεπτό στρώμα μορίων νερού που δημιουργεί επιφανειακή τάση σχηματίζει τη μεμβράνη μιας φυσαλίδας. Η καμπύλη επιφάνεια της μεμβράνης, λόγω επιφανειακής τάσης, ασκεί πρόσθετη πίεση Ps στον αέρα μέσα στη φυσαλίδα. Για να εξισορροπηθεί αυτή η πρόσθετη πίεση, η πίεση μέσα στη φυσαλίδα, P, πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την πίεση έξω από τη φυσαλίδα, P0, δηλαδή, P=P0 + Ps. Το μέγεθος αυτής της πρόσθετης πίεσης είναι ευθέως ανάλογο με τον συντελεστή επιφανειακής τάσης και αντιστρόφως ανάλογο με την ακτίνα της φυσαλίδας, όπως φαίνεται στην ακόλουθη εξίσωση.
Όπου: r είναι η ακτίνα της φυσαλίδας, σε cm.
Η παραπάνω εξίσωση αποκαλύπτει ότι όσο μικρότερη είναι η φυσαλίδα, τόσο μικρότερη είναι η ακτίνα r και τόσο μεγαλύτερη είναι η πρόσθετη πίεση, καθιστώντας τη φυσαλίδα πιο πιθανό να σκάσει. Επομένως, το σύστημα επίπλευσης πρέπει να λαμβάνει υπόψη τόσο το μέγεθος όσο και τη σταθερότητα των φυσαλίδων. Εάν οι φυσαλίδες είναι πολύ μεγάλες, θα επιπλέουν πολύ γρήγορα και θα είναι δύσκολο να προσκολληθούν. Εάν οι φυσαλίδες είναι πολύ μικρές, θα σπάσουν εύκολα και θα είναι δύσκολο να σχηματιστεί ένα αποτελεσματικό στρώμα αφρού.
IV. Μηχανισμός πρόσφυσης φυσαλίδων και κροκίδων
Ο συνδυασμός φυσαλίδων και κροκίδων είναι το κλειδί για την επίπλευση. Ο μηχανισμός δράσης του μπορεί να συνοψιστεί ως τρεις μηχανικές επιδράσεις:
(1) Επίδραση μείωσης της επιφανειακής ενέργειας. Όταν οι φυσαλίδες προσκολλώνται στην επιφάνεια των κροκίδων, η συνολική επιφανειακή ενέργεια του συστήματος μειώνεται και η διεπαφή τείνει να είναι σταθερή.
(2) Εφέ τριχοειδούς γεφύρωσης. Η υγρή μεμβράνη μεταξύ των φυσαλίδων και των κροκίδων τεντώνεται για να σχηματίσει μια τριχοειδή γέφυρα, κάνοντας τα δύο να συνδέονται στενά.
(3) Ηλεκτροστατική επίδραση προσρόφησης. Τα σωματίδια στο νερό είναι συχνά αρνητικά φορτισμένα και το επιφανειακό δυναμικό των μικροφυσαλίδων μπορεί επίσης να ελεγχθεί για να σχηματίσει ένα φαινόμενο ηλεκτροστατικής προσρόφησης.
Ο συνδυασμός φυσαλίδων και κροκίδων όχι μόνο αυξάνει τη διαφορά ειδικού βάρους των αιωρούμενων σωματιδίων, αλλά επίσης ενισχύει την απόδοση διαχωρισμού επίπλευσης.
V. Φαινόμενο παρασύρσεως και εφέ επίπλευσης
Στη δεξαμενή επίπλευσης, όταν οι μικροφυσαλίδες μεταφέρουν κροκίδες επάνω, θα σύρουν μέρος του νερού μαζί τους. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο συμπαρασυρμού. Αν και το φαινόμενο εγκλεισμού επηρεάζει τη συγκέντρωση του αφρού, βοηθά στη βελτίωση του ρυθμού αφαίρεσης. Ο μηχανισμός του περιλαμβάνει: (1) ενίσχυση της επαφής ανάμειξης, καθιστώντας τις φυσαλίδες και τα κροκίδια πληρέστερα σε επαφή μέσω αναταράξεων. (2) προώθηση της προσρόφησης φυσαλίδων και αύξηση της περιοχής επαφής. (3) σχηματίζοντας ένα σταθερό στρώμα αφρού, όπου μικρές φυσαλίδες συνδυάζονται με κολλώδεις κροκίδες για να σχηματίσουν ένα πυκνό στρώμα, το οποίο είναι εύκολο να αποξεσθεί.
Σύναψη
Η επίπλευση επιτυγχάνει τον καθαρισμό «κάνοντας τα λύματα να επιπλέουν». Είναι μια αποτελεσματική τεχνολογία διαχωρισμού που ενσωματώνει φυσικές και χημικές διεργασίες. Το κλειδί της επιτυχίας του βρίσκεται στη δημιουργία μικροφυσαλίδων, στο σχηματισμό κροκίδων και στον αποτελεσματικό συνδυασμό των δύο. Η κατανόηση των δυναμικών νόμων της επίπλευσης φυσαλίδων και της διεπιφανειακής χημικής συμπεριφοράς όχι μόνο βοηθά στη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του εξοπλισμού επίπλευσης, αλλά παρέχει επίσης θεωρητική υποστήριξη για τη βαθιά επεξεργασία βιομηχανικών λυμάτων και αστικών λυμάτων. Όταν βλέπετε αυτό το στρώμα αφρού να απομακρύνεται αργά, θυμηθείτε ότι είναι ένα θαύμα εξαγνισμού που επιτυγχάνεται από αμέτρητες φυσαλίδες και σωματίδια.