Bei der industriellen und kommunalen Wasseraufbereitung handelt es sich bei der Flotation um eine Wasserreinigungstechnologie, bei der mithilfe winziger Bläschen suspendierte Verunreinigungen an die Oberfläche gehoben werden. Obwohl es scheinbar einfach ist, verkörpert es komplexe Prinzipien der Strömungsmechanik und Grenzflächenchemie. In diesem Artikel werden klassische Formeln mit technischer Erfahrung kombiniert, um eine eingehende-Analyse der Kernmechanismen und Einflussfaktoren der Flotation als Referenz für Wasseraufbereitungsfachleute bereitzustellen.
I. Grundprinzipien der Flotation
Flotation ist das Gegenteil von Sedimentation. Während die Sedimentation die Schwerkraft nutzt, um Partikel abzusenken und Schwebstoffe zu entfernen, nutzt die Flotation den Auftrieb anhaftender Blasen, um Schwebstoffe an die Oberfläche zu befördern und so eine Fest-{1}}Flüssigkeitstrennung zu erreichen.
Der Schlüssel zur Flotationswasserreinigung ist die Erzeugung einer großen Anzahl winziger Bläschen, die sich an suspendierten Partikeln festsetzen und „Blasenflocken“ bilden. Durch den Auftrieb steigen diese Blasen auf und werden schließlich abgestreift.
Der grundlegende physikalische Prozess ist: Blasenbildung → Kontakt und Adhäsion zwischen Blasen und Partikeln → Aufsteigen der anhaftenden Partikel mit den Blasen → Bildung und Ablösung einer Schaumschicht.
II. Analyse der Geschwindigkeit des Blasenaufstiegs
Wenn eine Blase im Wasser aufsteigt, wirken drei Kräfte auf sie ein: Schwerkraft F1, Auftrieb F2 und Widerstand F3. Basierend auf dem zweiten Newtonschen Gesetz kann die folgende Formel abgeleitet werden.
Wobei: v die Aufstiegsgeschwindigkeit der Blase ist, cm/s; m ist die Masse der luft-beladenen Flocken, g; Schwerkraft F1=ρ1gV, wobei ρ1 die Dichte des Blasen-floc-Komplexes, g/cm³, und V das Volumen des Blasen-floc-Komplexes, cm³ ist; Auftrieb F2=ρ2gV, wobei ρ2 die Dichte von Wasser ist, g/cm³; Widerstand F3=CAρ2v²/2, wobei C der Widerstandskoeffizient und A die projizierte Fläche der luft-beladenen Flocken in Richtung des Wasserflusses ist, cm².
Setzt man die Schwerkraft F1, den Auftrieb F2 und den Widerstand F3 in die obige Formel ein, erhält man die folgende Formel.
Wenn sich die Anstiegsgeschwindigkeit der Blase stabilisiert, beträgt dv/dt=0, und die Anstiegsgeschwindigkeit v der Blase kann wie in der folgenden Formel dargestellt berechnet werden.
Wenn wir uns die „Bubble-floc“-Struktur als Kugel mit einem Durchmesser von d vorstellen, dann ist V/A=2d/3. Darüber hinaus sind der Luftwiderstandsbeiwert der Kugel C=4 und die Aufstiegsgeschwindigkeit der Blase wie folgt.
Die obige Formel zeigt, dass die Aufstiegsgeschwindigkeit v der Blase direkt proportional zur Quadratwurzel des Partikeldurchmessers d und umgekehrt proportional zur Wasserdichte ρ1 ist. Das heißt, je größer die Blase und je größer der Dichteunterschied, desto schneller steigt die Geschwindigkeit. Allerdings neigen zu große Blasen weniger dazu, Verunreinigungen anzuziehen, weshalb die Entstehung von Mikroblasen besonders wichtig ist. Da die Dichte der Luft außerdem nur 1/775 der Dichte von Wasser beträgt, steigen Flocken mit einer bestimmten Anzahl an Mikrobläschen schneller auf, als die ursprünglichen Flocken sinken. Daher erreicht die Flotation wesentlich kürzere Fest-{6}}Flüssigkeitstrennzeiten als die Sedimentation.
III. Oberflächenspannung und zusätzlicher Druck
Der Kern des Flotationsprozesses liegt in der Adhäsion von Blasen an Partikeln, und die Oberflächenspannung bestimmt die Stabilität der Blasen. Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit ist wie folgt definiert.
Wobei: T die Oberflächenspannung in Dyn ist, die die Stärke der Kräfte zwischen Flüssigkeitsmolekülen widerspiegelt; ist der Oberflächenspannungskoeffizient in Dyn/cm; und l ist die Länge der Oberflächenschicht in cm.
Ungelöste Luft im Wasser wird von den Wassermolekülen angezogen und erzeugt an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen eine Oberflächenspannung. Diese dünne Schicht aus Wassermolekülen, die Oberflächenspannung erzeugt, bildet die Membran einer Blase. Die gekrümmte Oberfläche der Membran übt aufgrund der Oberflächenspannung einen zusätzlichen Druck Ps auf die Luft im Inneren der Blase aus. Um diesen zusätzlichen Druck auszugleichen, muss der Druck innerhalb der Blase, P, größer sein als der Druck außerhalb der Blase, P0, also P=P0 + Ps. Die Größe dieses zusätzlichen Drucks ist direkt proportional zum Oberflächenspannungskoeffizienten und umgekehrt proportional zum Blasenradius, wie in der folgenden Gleichung dargestellt.
Dabei ist: r der Blasenradius in cm.
Die obige Gleichung zeigt, dass je kleiner die Blase ist, desto kleiner ist der Radius r und desto größer ist der zusätzliche Druck, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass die Blase platzt. Daher muss das Flotationssystem sowohl die Größe als auch die Stabilität der Blasen berücksichtigen. Wenn die Blasen zu groß sind, schweben sie zu schnell und sind schwer zu haften; Wenn die Blasen zu klein sind, können sie leicht zerplatzen und es ist schwierig, eine wirksame Schaumschicht zu bilden.
IV. Adhäsionsmechanismus von Blasen und Flocken
Die Kombination aus Blasen und Flocken ist der Schlüssel zur Flotation. Sein Wirkungsmechanismus lässt sich in drei mechanische Effekte zusammenfassen:
(1) Effekt zur Reduzierung der Oberflächenenergie. Wenn Blasen an der Oberfläche von Flocken haften, nimmt die Gesamtoberflächenenergie des Systems ab und die Grenzfläche tendiert dazu, stabil zu sein;
(2) Kapillarbrückeneffekt. Der Flüssigkeitsfilm zwischen den Blasen und Flocken wird gedehnt und bildet eine Kapillarbrücke, wodurch die beiden fest miteinander verbunden werden.
(3) Elektrostatischer Adsorptionseffekt. Partikel im Wasser sind oft negativ geladen, und das Oberflächenpotential von Mikroblasen kann auch gesteuert werden, um einen elektrostatischen Adsorptionseffekt zu erzeugen.
Die Kombination von Blasen und Flocken erhöht nicht nur den Unterschied im spezifischen Gewicht suspendierter Partikel, sondern verbessert auch die Effizienz der Flotationstrennung.
V. Mitnahmeeffekt und Flotationseffekt
Wenn im Flotationstank Mikrobläschen Flocken nach oben tragen, ziehen sie einen Teil des Wassers mit nach oben. Dieses Phänomen wird als Entrainment-Effekt bezeichnet. Obwohl der Einschlusseffekt die Schaumkonzentration beeinflusst, trägt er zur Verbesserung der Entfernungsrate bei. Sein Mechanismus umfasst: (1) die Verbesserung des Mischkontakts, wodurch die Blasen und Flocken durch Turbulenzen besser in Kontakt kommen; (2) Förderung der Blasenadsorption und Vergrößerung der Kontaktfläche; (3) Es bildet sich eine stabile Schaumschicht, in der sich kleine Bläschen mit klebrigen Flocken zu einer dichten Schicht verbinden, die sich leicht abkratzen lässt.
Abschluss
Die Flotation erreicht die Reinigung, indem sie „das Abwasser zum Schweben bringt“. Es handelt sich um eine effiziente Trenntechnologie, die physikalische und chemische Prozesse integriert. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Erzeugung von Mikroblasen, der Bildung von Flocken und der effektiven Kombination beider. Das Verständnis der dynamischen Gesetze des Blasenschwimmens und des chemischen Verhaltens an der Grenzfläche trägt nicht nur zur Optimierung des Designs von Flotationsgeräten bei, sondern liefert auch theoretische Unterstützung für die Tiefenbehandlung von Industrieabwasser und städtischem Abwasser. Wenn Sie sehen, wie diese Schaumschicht langsam weggeschabt wird, denken Sie daran, dass es sich um ein Reinigungswunder handelt, das durch unzählige Blasen und Partikel vollbracht wird.
