WSTĘP ROZDZIELANIE UKŁADÓW HETEROGENICZNYCH FLOTACJA Flotacja stanowi efektywną metodą separacji lekkich cząstek i olejów znajdujących się w układzie heterogenicznym. Cząstki, które przyłączają się do pęcherzyka powietrza, albo na drodze adsorpcji lub też absorbcji mogą zostać odseparowane z fazy ciekłej. Proces flotacji można podzielić na cztery podstawowe etapy: 1. Wytworzenie pęcherzyków w układzie heterogenicznym 2. Kontakt pęcherzyków gazu i cząstek lub kropel oleju zawieszonych w wodzie 3. Przyłączanie się cząstek lub kropel oleju do pęcherzy gazu 4. Unoszenie pęcherzyków z przyłączonymi cząstkami do powierzchni gdzie flotowany materiał może zostać zgarnięty Flotacja wykorzystuje różnice w gęstości pomiędzy pęcherzykami do których przyłączone są małe cząstki lub krople oleju i wodą, dzięki czemu może wystąpić proces separacji. Ponieważ aglomeraty posiadaja mniejszą gęstość niż medium w którym są zawieszone, unoszą się do powierzchni skąd są usuwane. Można wyróżnić 5 podstawowych systemów flotacji. Ich klasyfikacja jest oparta na metodzie wytwarzania pęcherzyków: 1. Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego w wodzie powietrza. Gaz jest wprowadzany z roztworu przesyconego w efekcie obniżenia ciśnienia 2. Wprowadzone (rozproszone) powietrze. Gaz i ciecz są mieszane mechanicznie w celu wytworzenia pęcherzyków w cieczy 3. Spienianie. Gaz jest bezpośrednio wprowadzany do cieczy przy pomocy bełkotki 4. Elektrolityczna. Pęcherzyki są wytwarzane w procesie elektrolizy wody 5. Próżniowa. Powietrze jest uwalniane z nasyconego roztworu w wyniku zastosowania obniżonego ciśnienia Rozdzielanie na drodze flotacji jest powszechnie stosowane od wielu lat w procesie wzbogacania rud (węgla kamiennego, miedzi). Jej pierwsze zastosowania w technologii oczyszczania ścieków są związanie z usuwaniem zawiesiny, włókien i innych ciał stałych o małej gęstości. Flotacja jest stosowana do usuwania olejów, smarów. Metodą tą charakteryzuje praktyczność, niezawodność oraz duża efektywność. Dodatkowo flotacja może być również wykorzystana do rozrzedzania osadu aktywnego oraz flokulowanych osadów chemicznych. Flotacja jest powszechnie stosowana w różnych gałęziach przemysłu: przy wytwarzaniu papieru, w rafineriach, w operacjach odbarwiania, przetwórstwie mięsnym, pralniach, fabrykach wytwarzających żelazo i stal, wytwarzaniu mydła, w fabrykach przetwórstwa chemicznego, w procesach czyszczenia beczek i bębnów, fabrykach szkła, przetwórstwie soji, oczyszczaniu ścieków pochodzących z młynów, aluminium forming. W celu zintensyfikowania procesu łączenia cząstek do pęcherzyków gazu można dodać do roztworu różnego rodzaju związki (polimery, sole itd.). Chemiczne wspomaganie procesu powstawania flokuł na drodze aglomeracji koloidów istotnie przyczynia się do usunięcia fazy flotowanej. Niektóre rozpuszczalne materiały mogą zostać wytrącone z pomocą chemikaliów. Jeśli np. ścieki są poddawane chemicznej obróbce wstępnej w celu złamania emulsji wodnej, zastosowanie flotacji umożliwia, obok oleju odzyskanego na drodze chemicznej, odzysk większości oleju występującej w postaci emulsji.
Teoria flotacji Rozdział cząstek na drodze flotacji podlega tym samym prawom co sedymentacja z zastrzeżeniem odwrotnego pola sił. Podstawowym równaniem stosowanym w flotacji tak jak we wszystkich procesach kontrolowanych przez grawitację jest prawo Stokes a (przynajmniej w zakresie przepływu laminarnego), które jest wykorzystywane w celu określenia unoszenia flokuł pęcherzyków, aglomeratów i agregacji pęcherzyk-olej V t = gd2 (ρ a ρ o ) 18μ Gdzie: Vt jest terminalna prędkością unoszenia aglomeratów, cm/s; g jest stałą grawitacji, 980 cm/s 2 ; D jest średnicą efektywną aglomeratów, cm; a jest gęstością aglomeratów, g/cm 3 ; o jest gęstością fazy wodnej, g/cm 3 ; jest lepkością fazy wodnej Kluczem do zwiększenia stopnia unoszenia aglomeratów pecherzyk/ciał stałe lub pęcherzyk/olej ponad to co uzyskuje się w systemie nie poddanym napowietrzaniu jest zmniejszenie efektywnej gęstości cząstki (aglomeratu) ciała stałego (lub oleju) co można osiągnąć na drodze przyłączania lub enkapsulacji pęcherzyka powietrza w flokule, pęcherzykach lub cząstkach stałych. Proces przebiega w następujących etapach 1. Wprowadzenie pęcherzyka gazy do układu heterogenicznego 2. Zderzenia pomiędzy pęcherzykami gazy i zawieszoną substancją (zawiesiną, jak również kroplami oleju) 3. Przyłączanie się małych pęcherzyków do powierzchni zawiesiny 4. Kolizje pomiędzy przyłączonymi do gazu cząstkami zawiesiny i uformowanie aglomeratów 5. Zamknięcie kolejnych pęcherzyków gazu w strukturze aglomeratów 6. Unoszenie struktury flokuł sweep flocculation Do podstawowych zmiennych systemowych wpływających na efektywność usuwania zanieczyszczeń można zaliczyć 1. Stopień napowietrzania i objętość gazu znajdującego się w jednostce powierzchni płynu 2. Rozkład wielkości pęcherzy oraz stopień zdyspergowania 3. Właściwości powierzchni materii zawieszonej w cieczy 4. Parametry hydrauliczne komory flotacyjnej 5. Stężenie i rodzaj materiałów rozpuszczonych 6. Stężenie i rodzaj materii zawieszonej w cieczy oraz olejów 7. Dodawane chemikalia 8. Temperatura 9. Czas przebywania 10. Stopień recyklu 11. ph W efekcie realizacji flotacji, której celem jest zatężenie wybranego składnika mieszaniny określa się takie parametry procesu jak współczynnik wzbogacenia, procent odzysku na podstawie wzorów
E = (C ov o C w V w ) współczynnik wzbogacenia C o V f R = (C ov o C w V w ) C o V o gdzie: procent odzysku C0 i Cw odznaczają stężenie protein ścieków początkowych oraz oczyszczonych Vo, Vf, Vw objętość początkowego układu heterogenicznego, frakcji pianowej oraz ścieków oczyszczonych CEL ĆWICZENIA Praktyczne zapoznanie się z zasadami rozdziału (separacji, wzbogacania) w procesie flotacji oraz metodyką oceny i analizy procesu za pomocą krzywych wzbogacania w oparciu o wyniki eksperymentu. APARATURA BADAWCZA Urządzenie do realizacji procesu flotacji. - Urządzenie do mikroflotacji pianowej - laboratoryjna kolumna flotacyjna
- Suszarka laboratoryjna - Waga analityczna - Filtr próżniowy - Spektrofotometr Przebieg doświadczenia A) separacja węgla przy pomocy mikrofiltracji pianowej Pojedyncze ćwiczenie należy przeprowadzić w następujący sposób: a) wlać określoną przez prowadzącego ilość wody do zbiornika flotownika, b) odważyć próbkę materiału ziarnistego określoną przez prowadzącego i rozprowadzić w wodzie intensywnie (1000obr/min) mieszając przez 5min c) przygotować spieniacz i kolektor w celu uzyskania określonego stężenia i rozprowadzić w wodzie, mieszając przez 5min d) po wyłączeniu mieszania wprowadzić pęcherzyki gazu do układu heterogenicznego ustawiając zadane ciśnienie w przedziale od 1,2bar do 2bar, e) przyjąć czas flotacji na 40 minut. Podczas procesu należy zgarniać pianę do zbiornika odbioru piany. f) po wyłączeniu się napowietrzania należy odczekać do czasu samoistnego zniszczenia piany. g) po zniszczeniu piany należy określić objętość cieczy uzyskanej po procesie flotacji h) przefiltrować uzyskaną zawiesinę, zważyć frakcję węglową oraz przygotować uzyskaną frakcję węglową do realizacji procesu suszenia. i) zważyć wysuszoną frakcję węglową B) separacja protein z wykorzystaniem flotacji pianowej Pojedyncze ćwiczenie należy przeprowadzić w następujący sposób: a) przygotować 1 l zawiesiny (prowadzący podaje masę protein oraz stężenie spieniacza), pobrać 1ml próbki zerowej oraz określić jej absorbancję przy długości fali 280nm (kuweta kwarcowa) b) wlać przygotowaną zawiesinę do zbiornika flotownika c) wprowadzić pęcherzyki gazu do układu heterogenicznego ustawiając zadane natężenie przepływu w przedziale od 5 do 15 l/min d) przyjąć czas flotacji na 30 minut e) po procesie flotacji zebraną pianę należy odstawić na czas potrzebny do jej samoistnego zniszczenia następnie należy określić objętość cieczy oraz pobrać 2 próbki zawiesiny (1ml) w celu określenia jej absorbancji przy długości fali 280nm
OPRACOWANIE WYNIKÓW A) separacja węgla przy pomocy mikrofiltracji pianowej Ciśnienie gazu [bar] Vo Vw Vf mwo [g] mwf [g] mww [g] Co [g/d m3] Cf [g/d m3] Cw [g/dm 3] E [-] R [%] Podczas badań należy określić takie parametry jak współczynnik wzbogacenia, procent odzysku węgla. Należy przedstawić wyniki badań współczynnika wzbogacenia i procentu odzysku w funkcji przyłożonego ciśnienia powietrza Określić warunki realizacji procesu dla których uzyskuje się największy współczynnik wzbogacenia oraz procent odzysku. B) separacja protein z wykorzystaniem flotacji pianowej Natężenie przepływu gazu [l/min] Vo Vw Vf Co [g/dm3] Cf [g/dm3] Cw [g/dm3] E [-] R [%] Należy przedstawić wyniki badań współczynnika wzbogacenia i procentu odzysku w funkcji natężenia przepływu gazu Określić warunki realizacji procesu dla których uzyskuje się największy współczynnik wzbogacenia oraz procent odzysku. ZAGADNIENIA DO KARTKÓWKI 1. Etapy procesu flotacji 2. Maszyny flotacyjne. Podstawowe rodzaje, budowa i zasady działania. 3. Klasyfikacja flotacji ze względu na sposób dostarczania gazu. 4. Podstawowe zmienne systemowe wpływających na efektywność usuwania zanieczyszczeń na drodze flotacji 5. Właściwości fizykochemiczne powierzchni materiałów w aspekcie przebiegu procesu flotacji 6. Przykłady zastosowania procesu flotacji 7. Odczynniki flotacyjne, podział i cel zastosowania (trzy grupy: jakie, podać przykłady konkretnych substancji w poszczególnych grupach).
Zagadnienia uzupełniające 8. Metody zmieniania właściwości powierzchniowych materiałów celowość 9. Podział (z przykładami) i zasady działania zbieraczy (rodzaje adsorpcji) 10. Najważniejsze rodzaje i działanie odczynników modyfikujących LITERATURA 1 Koch R., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, Skrypty Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1984. 2. Konopacka Ż, Flotacja mechaniczna, Wrocław 2005 3. Instrukcja laboratoryjna pt. Wzbogacanie węgla metodą flotacji Literatura uzupełniająca 4. Wang L., Shammas N., Selke W., Aulenbach D., Flotation Technology, Handbook of Environmental Engineering, Volume 12, Springer New York, 2010, 5. Edzwald J, Haarhoff J., Dissolved Air Flotation For Water Clarification, Mac Graw Hill, 2012 6. Wang L., Ivanov V., Tay J-H, Hung Y-T, Environmental Biotechnology; Flotation Biological Systems, Volume 10, Springer New York, 2010