Физико-химические основы пенного фракционирования

Метод пенного фракционирования основан на изъятии ПАВ из воды. Основой пенного фракционирования является адсорбция на поверхности раздела фаз вода - воздух в газовых пузырьках, которые поднимаются. Адсорбция ПАВ на поверхности раздела фаз газ - жидкость оказывает содействие образованию избыточной поверхностной концентрации веществ и приводит к изменению поверхностного натяжения жидкости. В общем случае эту зависимость можно описать уравнением:

,

где δ- изменение поверхностного натяжения жидкости;

Г_i - избыточная концентрация на поверхности раздела фаз этого же компонента;

μ_i - потенциал компонента.

,

α_i - активность компонента в растворе.

;

В случае очень разбавленных растворов:

,

где - концентрация компоненту в растворе.

Коэффициент распределения ПАВ определяют по следующей формуле:

.

Установлено, что в разбавленных растворах соотношения мало зависит от концентрации и коэффициент распределения является практически постоянной величиной. Он может достигать значений 10^-3 - 10^-11. Исходя из зависимости поверхностного натяжения от концентрации установлено, что метод флотации лучше всего разделяет ПАВ с раствором при малых концентрациях ПАВ.

 

Для описания адсорбции на границе раздела фаз газ-жидкость ПАВ (неионогенных и ионных) при низких концентрациях ПАВ при условии низких значений ζ -потенциала на границе раздела фаз можно применять уравнение Ленгмюра:

А₀ и К' – константы уравнения Ленгмюра;

Г - избыточная концентрация ПАВ на границе раздела фаз;

С – концентрация ПАВ в растворе.

 

 

tgα = К'

 

Константы уравнения Ленгмюра можно рассчитать по значениям поверхностного натяжения:

σ₀ – поверхностное натяжение растворителя;

σ - поверхностное натяжение раствора с концентрацией С.

С₁ → σ₁

С₂ → σ₂

5. Физико - химические основы электрофлотации.

Электрофлотация характеризуется высокой скоростью и высокой эффективностью процесса при незначительных затратах реагентов. Пузырьки газов при электрофлотации выделяются на электродах при пропускании через раствор постоянного тока за счет электролиза воды.

При электрофлотации могут быть использованны как растворимые (железные, алюминиевые) так и нерастворимые электроды (графитовые, полимерные, синтетические, инертные металлические электроды, электроды покрыты инертными металлами (платина, титан)).

При использовании растворимых электродов процесс флотации сопровождается растворением анода. Т.е. кроме выделения водорода на катоде и выделения кислорода на аноде происходит окисление анода, с переходом в раствор ионов железа или алюминия. В этом случае на аноде протекают конкурирующие процессы: выделение кислорода и растворение анода.

Как правило процесс флотации ведут в нейтральной среде, поэтому ионы железа и алюминия, которые переходят в раствор при растворении анода гидролизуются с образованием коагулирующих гидроксидов.

При одновременном образовании пузырьков газа и гидроксидов металлов происходит эффективное закрепление газов на хлопьях, что является причиной эффективной флотации. Металлы при этом захватывают растворимые и нерастворимые примеси из воды, что обеспечивает ее эффективную очистку.

Кроме непосредственного электролиза воды, который происходит в процессе электрофлотации, при прохождении тока через воду в межэлектродном пространстве происходят следующие процессы:

- поляризация частиц;

- электрофорез;

- электролиз растворимых электролитов;

- окислительно-восстановительные реакции на электродах;

- взаимодействие продуктов электролиза между собой и с другими компонентами раствора.

Все это оказывает содействие интенсивной коагуляции загрязнений, энергичному протеканию процессов сорбции, адгезии и, как следствие, интенсификации процессов флотационной очистки воды.

Скорость процессов, которые проходят при электрофлотации определяется:

- общим значением потенциала на границе металл - раствор;

- составом раствора;

- условиями диффузии компонентов или продуктов реакции в растворе.

Перенесение электричества в основном осуществляется с помощью катионов и анионов дисоциированных неорганических веществ. Коллоидные и взвешенные частицы переносят незначительную часть электричества, вследствие их низкой подвижности.

При напряжении до 4В при использовании растворимых электродов основным процессом, который происходит на аноде - является растворение анода. Поэтому основным процессом при таких условиях является электрокоагуляция. Следует отметить, что при напряжении до 4 В интенсивность выделения водорода на катоде будет недостаточной для обеспечения эффективной флотации примесей.

При напряжении 4-20 В происходит пассивация анода и потому на аноде преобладает процесс газовыделения над процессом растворения анода. Кроме того, при данных условиях возрастает интенсивность выделения водорода на катоде. Поэтому при напряжении 4-20 В в основном протекает процесс электрофлотации, хотя полностью избегнуть растворения анода невозможно (при использовании стали или алюминия).

При применении нерастворимых электродов основную роль в процессе электрофлотации играют:

- электрофоретические явления;

- разряд заряженных частиц на электродах;

- образование в растворе веществ, которые разрушают сальватационные слои на поверхности частиц;

- электролиз воды.

Электрофлотационное изъятие частиц при применении нерастворимых электродов наиболее вероятно проходит по двостадийному механизму.

На первой стадии происходит адгезия частиц и пузырьков газа. При этом размеры пузырьков газа достигают 3-10 мкм.

На второй стадии проходит флотация образованных агломератов за счет адгезии более крупных пузырьков газа.

Адгезия частиц на пузырьках газов может оказывать содействие электрофлотационному перенесению частиц в приэлектродной зоне, их дегидратации близ поверхности электродов и эффективном взаимодействии с пузырьками газов, которые образуются на электродах. В момент образования пузырьки газа, как правило, не несут довольно значительный электрический заряд.

Выбор материала электрода зависит от агрегативной стойкости частиц загрязнений и экономических факторов.

При невысоком содержании коллоидной фазы и при низкой агрегативной стойкости частиц целесообразно применять нерастворимые электроды.

При высокоустойчивых загрязнениях, высоком содержании коллоидных примесей, нуждающихся в значительных дозах коагулянтов, для очистки лучше использовать растворимые электроды.

Ограничением по применению растворимых электродов может быть остаточное содержание ионов металлов или их гидроксидов в очищенной воде.