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气浮系统装置

By www.jorsun.com.cn - 12.08,2015

 一、气浮和浮选 
 
  气浮过程中,细微气泡首先与水中的悬浮粒于相粘附,形成整体密度小于伞的"气泡-颗粒"复合体,使悬浮'粒子随气泡一起浮升到水面。由此可见,实现气浮分离必须具备以下三个基本条件:一是必须在水中产生足够数量的细微气泡;二是必须使待分离的污染物形成不溶性的固态或液态悬浮体;三是必须使气泡能够与悬浮粒子相粘附。这里着重讨论细微气泡的形成以及它与悬浮粒子的粘附问题。    
    二、空气的溶解、释放及气泡性质  
 
     (一)空气的溶解   
 
    空气对水属于难溶气体,它在水中的传质速率受液膜阻力所控制,此时,空气的传质速率可表示为: 
 
                                                               (5-4)   
 
    式中   N--空气传质速率,kg/m2·h;  
 
          KL--液相总传质系数,m3/m2·h; 
 
         C*和C--分别为空气在水中的平衡浓度和实际浓度,kg/m3。  
 
   由上式可见;在一定的温度和溶气压力下(即C*为定值时),要提高溶气速率,就必须通过增大液相流速和紊动程度来减薄液膜厚度和增大液相总传质系数。增大液相总传质系数,强化溶气传质的途径是采用高效填料溶气罐,溶气用水以喷淋方式由罐顶进入,空气以小孔鼓泡方式由罐底进入,或用射流器、水泵叶轮将水中空气切割为气泡后由罐顶经溃头或孔板通入。这样,就能在有限的溶气时间内使空气在水中溶解量尽量接近饱和搜。当采用空罐时,也应采用上述的布气进水方式,而且应尽可能提高喷淋密度。
 
    在水温一定而溶气压力不很高的条件下,空气在水中的溶解平衡可用亨利定律表示为:
 
                                                                         (5-5)  
 
   式中     V--空气在水中的溶解度,L/m3;  
 
            KT--溶解度系数,L/kPa·m3,是KT值与温度的关系见表5-3;  
 
表5-3  不同温度下空气在水中的溶解度系数
 温 度(0C) 0 10 20 30 40 50 
KT值(L/kPa.m3) 0.285 0.218 0.180 0.158 0.135 0.120 
 
             p--溶液上方的空气平衡分压,kPa(绝压)。  
 
   内上式可见,空气在水中的平衡溶解量与溶气压力成正比,且与温度有关。在实际操作中,由于溶气压力受能耗的限制,而且空汽溶解量与溶气利用率相比并不十分重要,因而溶气压力通常控制在490kPa(表压)以下。 
 
    溶解于水中的空气量与通入空气量的百分比,称为溶气效率。溶气效率与温度、溶气压力及气掖两相的动态接触面积有关。为了在较低的溶气压力下获得较高的溶气效率,就必须增大气液传质面积,并在剧烈的湍动中将空气分散于水。在20℃和290~490kPa(表压)的溶气压力下,填料溶气罐的平均溶气效率为70~80%,空罐为50~60%。  
 
   在一定条件下,空气在水中的实际溶解量与平衡溶解量之比,称为空气在水中的饱和系数。饱和系数的大小与溶气时间及溶气罐结构有关。在2~4min的常用溶气时间内,填料罐的饱和系数为0.7~0.8,空罐为0.8~0.7。不同溶气压力下,空气在水中的实际溶解量与溶气时间的关系如图5-4。大气压下空气在水中的平衡溶解量如表5-4。  
 
表5-4  大气压下空气在水中的平衡溶解量
 温  度(0C) 0 5 10 15 20 25 30 
平 衡 溶
解 量 mg/L 37.55 32.48 28.37 25.09 22.40 20.16 18.14 
mL/L 29.18 25.69 22.84 20.56 18.68 17.09 15.04 
 
   (二)溶解空气的释放  
 
   溶气水的释气过程是在溶气释放器内完成的。现以图5-5所示的TS型释放器为例加以说明,当带压溶气水由接管1进入口孔①时,过流断面突然缩小,随即进入孔盒3时,断面又突然扩大。水流在孔室②内剧烈服撞,形成涡流。当它反向急速转入平行狭缝③沿径向迅速扩散时,过流断面再次收缩,流态骤变,紊动更为剧烈。在上述过程中,绝大部分空气分子从水中释放,并在分子扩散和紊流扩散中逐级并大为超微气泡。当水、气混合流通过出水孔④进入辅消能室⑤时,过流断面又突然扩大,溶气水的剩余静压能继续在此转化,过饱和空气几乎全部释出,同时超微气泡在紊流扩散作用下,同向并大为10μm级的细微气泡出流,释气过程结束。可见,释气过程是在溶气水流经过反复地收缩、扩散、撞击、反流、挤压、辐射和旋流中完成的,整个过程历时不到0.2s。  
 
   释放器的性能往往因结构不同而有很大差异。高效释放器都有一个共同特点,就是使溶气水在尽可能短的时间内达到最大的压力降,并在主消能室(即孔盒内)具有尽可能高的紊流速度梯度。  
 
    (三)细微气泡的性质  
 
   气浮法的净水效果,只有在获得直径微小、密度大、均匀性好的大量细微气泡的情况下,才能得到良好的气浮效果。  
 
   (1)气泡直径气泡直径愈小,其分散度愈高,对水中悬浮粒子的粘附能力和粘附量也就愈大。 
 
  (2)气泡密度气泡密度是指单位体积释气水中所合微气泡的个数,它决定气抱与悬浮粒子碰撞的机率。由于气泡密度与气泡真径的3次方成反比,因此,在溶电压力受到限制的条件下,增大气泡密度的主要途径是缩小气泡直径。
 
  (3)气泡的均匀性气泡均匀性的含义,一是指最大气泡与最小气泡的直径差;二是指小直径气泡占气泡总量的比例。大气泡数量的增多会造成两种不利影响:一是使气泡密度和表面相大幅度减小,气泡与悬浮粒子的粘附性能和粘附量相应降低;二是大气泡上浮时会造成剧烈的水力扰动,不仅加剧了气泡之间的兼并,而且由此产生的惯性撞击力会将已粘附的气泡撞开。 
 
  (4)气泡稳定时间气泡稳定时间,是将溶气水注入1000mL量筒,从满刻度起到乳白色气抱消失为止的历时。优良的释放器释放的气抱稳定时间应在4min以上。
 
  溶气利用率,是指能同悬浮粒子发生粘附的坪抱量占溶解空气量的百分比。常规压力洛气气浮的溶气利用率通常不超过20%,其原因在于释放的空气大部分以大直译的无效气泡逸散。在这种情况下,即便将溶气压力提得很高,也不会明显提高气浮效果。相反,如能用性能优良的释放器获得性质良好的细微气泡,就完全能够在较低的溶气压力下使溶气利用率大幅度提高,从而实现气浮工艺所追求的"低压、高效、低能耗"的目标。
 
  三、悬浮粒子与气泡的粘附 
 
  在细微气泡性质已定的条件下,悬浮粒子能亩自动与气泡粘附,主要取决于粒于的表面性质。一殷的规律是,疏水,性粒子容易与气泡粘附,而亲水性粒子则不易与气泡粮附,亲水性愈强,粘附就愈困难。因此,如果水中的悬浮粒子是强亲水性物质,就必须首先投加浮选药剂,将其表面转变为疏水性的,才能用气浮法去除。这种把投加浮选药剂与气浮结合起来的水处理方法就是浮选。
 
    水中悬浮粒子粘附于气泡的机理涉及气泡、溶液和粒子三者的关系。当气抱与分散相粒于共存于水中时,就依粒子的不同润湿性构成了如图5-6所示的"气-液-粒"三相体系及不同的气泡与粒子的粘附情况。  
 
   气、液两相接触时,液体的表面张力使液体表层分子比内部分子具有更多的能量。这种能量称为表面能或气、液界面能。实际上,任何两相之间都有界面张力和界面能。界面能和表面能一样,都有降低到最小的趋势。细微气泡具有巨大的表面能,是热力学不稳定体系。当它们与悬浮粒子在水中相遇时,就彼此挤开对方的外层水膜,使气泡内膜紧靠粒子的琉水部位,并通过范德华引力发生粘附,以降低气泡与粒子间的界面能。这种粘附能否实现,则取决于该种粒子的润湿性。
 
  水对各种粒子的润湿性大小,可用的接触角θ(见图5-6)来衡量。接触角θ<900者称为亲水性物质,θ>900者称为疏水性物质;θ愈大,疏水性愈强。物质的亲、疏水性可从图5-6中粒子与水的接触面积的大小看出。 
 
  若将气泡、溶液和粒子分别用a、1和p表示,而作用于三相界面的界面张力分别表示为:液/气-σ1,a,液/粒-σ1,p,气/粒σa,p(单位均为10-5N)。那末,可以根据界面张力平衡原理,导出粒子与气泡粘附后界面能的降低值ΔW(10-7J)的表达式为:
 
                                                           (5-6) 
 
  由上式可见,当粒子润湿性很好时,  ,  ,  ,即界面能并未减小,说明粒子不能与气泡粘附;反之,当粒子润湿性很差时,  ,  ,  ,说明粒子与气泡能紧密粘附,易于用气浮法除去。 
 
  浮选剂是浮选中所用药剂的总称,按功能的不同可分为捕收剂、调整剂和起泡剂三类。它们大多是链状有机表面活性剂。其主要特征是分子结构的不对称性,属于极性一非极性分子。分子的一端含有极性基(如-OH、-COOH、-SO3H、-NH3、≡N等),显示出亲水性,称为亲水基;另一端为非极性基(如-R、等),显示出疏水性,称为疏水基。当在分散相为亲水性粒子的水中投加浮选剂时,在有大量细微气泡造成的大面积气水界面上,亲水粒子就强烈吸附浮选剂的亲水基,而迫使疏水基伸向水。结果在粒子周围形成亲水基向粒子而疏水基向水的定向排列,从而使亲水性粒子的表面性质由亲水性转变为疏水性(图5-7)。此外,这类表面活性剂还能显著降低水的表面张力,提高气泡膜的弹性和强度,使细微气泡不易破裂和并大。这种功能特别显著的浮选剂常称为起抱剂。  
 
   浮选剂的种类很多,属于捕收剂的有松香油、煤油、黄药、黑药、氧化石螃、十八胺等;属于稳泡剂的有十二烷基磺酸钠、十二统基苯磁醋钠、月桂醋二乙醇酰胺、月桂醇硫酸酯钠等。浮选剂的性能与其分子结构密切相关,疏水基的分子量愈大,它与气泡的粘附性就愈强。因此,应选择那些疏水基碳链较长的品种,其加量以控制在稍高于临界胶束浓度(c.m.c)为度。
 
  细微气泡与悬浮粒子的粘附形式有多种。按二者碰撞动能的大小和粒子疏水性部位的不同,气抱可以粘附于粒子的外围,形成外围粘附;也可以挤开孔隙内的自由水而粘附于絮体内部,形成粒间裹夹。如果溶气水是加在投加了混凝剂并处于胶体脱稳凝聚阶段的初级反应水中,那末超微气泡就先与微絮粒粘附,然后在上浮过程中再共同长大,相互聚集为带气絮凝体,形成粒间裹夹和中间气抱架桥粘附兼而有之的"共聚粘附"。共聚粘附具有药剂省、设备少、处理时间短和浮渣稳定性好等优点,但必须有相当密集的超微气泡与之配合。   
 
    四、乳化和破乳
 
  含油废水中存在起乳化作用的表面活性剂时,乳化剂的疏水基便伸入油粒,亲水基伸向水,从而在油粒表面形成定向排列并具有双电层结构的亲水性保护膜。保护膜所带的同号电荷互相排斥,使油粒不能接触碰撞和并大,形成稳定的水包油型浑浊乳状液。
 
  废水中的乳化油,有的是为了满足某种工艺需要而配制的乳化液,有的则是水中的油粒在水流搅动下吸附了表面活性剂或细微团体颗粒而自然形成的乳化油。前者由于乳化充分,具有强烈的亲水性,必须在破乳后才能上浮分离;后者由于乳化不充分,具有弱疏水性或弱亲水性,大多可用气浮法除去,少量的则需经破乳后才能分离。  
 
   破乳就是破坏油粒周围的保护膜,使油、水发生分离。破乳机理主要有两种:一种是使乳液微粒的双电层受到压缩或表面电荷得到中和,从而使微粒由排斥状态转变为能接触碰撞的并聚状态;另一种是使乳化剂界面膜破裂或被另一种不会形成牢固界面膜的表面活性物质顶替,使油粒得以释放和并聚。
 
  破乳方法可分为物理法和化学法两类。物理法有高压静电法破乳,剧烈搅拌和震荡法破乳、高速离心法破乳以及加热或冷冻法破乳等。化学法破乳,就是在乳液中投加酸类、盐类、换型乳化剂、混凝剂以及各种专用有机高分子破乳剂。破乳方法的选择需依具体情况(如乳液的浓度、乳化程度、废水流量及回收利用价值等)而定。对含乳化油废水而言,目前较为有效而简便的方法是投加铁、铝盐混凝剂或有机高分子破乳剂。有机高分子破乳剂也是表面活性剂,但它们的疏水基的疏水性比乳化剂强,而亲水基的亲水性比乳化剂弱,因而能将乳化剂从油/水界面上顶替出来,而自身又不会形成牢固的界面保护膜,有的还具有电性中和及吸附桥联凝聚作用。