3. FLOTAŢIA

3.1. Consideraţii generale

Flotaţia este una dintre cele mai eficiente metode pentru separarea impurităţilor din apele uzate.

Flotaţia este un proces de separare din amestecuri multifazice, în urma formării unor agregate: bulă de gaz – particule solide. În procesul de flotaţie, faza devenită mai uşoară, respectiv agregatele formate, se ridică la suprafaţă, separându-se din amestec. Flotaţia este utilizată de asemenea, pentru separarea din apă a unor substanţe insolubile, ca de exemplu: grăsimile, uleiurile, etc. Prin adăugarea unor reactivi chimici sau floculanţi se poate mări eficienţa şi randamentul procesului de separare din suspensie a unor particule coloidale, greu de separat.

Separarea impurităţilor solide şi a grăsimilor, mai uşoare decât apa prin metoda flotaţiei, se poate realiza prin:

a. flotaţia naturală pentru grăsimi ne emulsionate; b. flotaţia prin aerare forţată (aeroflotaţia) – pentru grăsimi

emulsionate sau pentru particule solide foarte fine: – prin barbotare de aer; – prin depresurizarea (detenta) fluidului suprasaturat cu aer.

c. electroflotaţia.

Înlăturarea grăsimilor din apele uzate este o măsură vitală pentru tratarea biologică în tancurile de aerare. Prezenţa grăsimilor în tancurile de aerare, împiedică (frânează) transferul oxigenului din aer în apă, datorită modificărilor care au loc la interfaţa dintre cele două lichide. În plus, reciclarea grăsimilor şi uleiurilor extrase din apele uzate prin flotaţie poate

Flotaţia 69

să fie o operaţie profitabilă ţinând cont de cantităţile mari de ulei deversat în apele de canalizare.

3.2. Descrierea procesului de separare prin flotaţie

Flotaţia este un proces asigurat de introducerea aerului sub formă de bule la care aderă particulele solide sau cele aflate în emulsie. Agregatul format astfel, se ridică la suprafaţa fluidului ca urmare a diferenţei de densitate (fig. 3.1). Formarea bulelor de aer în masa lichidului asigură apariţia unei suprafeţe mari de contact între particulele de poluant şi bule. Procesul se bazează pe capacitatea particulelor dispersate (solide sau lichide) de a adera la bulele de aer, formând conglomerate care se ridică la suprafaţă datorită forţelor de ascensiune ale bulelor.

FA

Bulă de aer d FV

Impurităţi solide G

4 3 2 1

a. b.

Fig. 3.1. Reprezentarea principiului flotaţiei. a. prezentare generală; b. sistemul de flotaţie. 1 – suspensie (emulsie); 2 –agregate bulă - particule; 3 – particule solide de impurităţi; 4 – ansamblu de bule cu particule flotate

Spumarea este un proces de separare la suprafaţă a impurităţilor prezente în spuma generată prin difuzia aerului în masa de lichid. Prin acest proces se pot înlătura circa 80% din impurităţile organice (detergenţi, proteine, grăsimi, aminoacizi) şi o cantitate mai mică de materiale minerale dispersate (8%).

69

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 70

În cazul proceselor de flotaţie aplicate pentru separarea (concentrarea) minereurilor este necesară adăugarea unor agenţi de spumare în scopul reducerii tensiunii superficiale şi facilitării formării unei spume stabile. Agenţii de spumare sunt substanţe tensioactive, polare sau nepolare, care reduc tensiunea superficială datorită tendinţei de acumulare la interfaţa lichid–gaz. Substanţele adăugate sunt adsorbite la suprafaţa bulelor de aer acoperindu-le cu o peliculă foarte subţire care face bulele flexibile şi stabile.

Condiţiile de bază pentru realizarea separării impurităţilor solide prin flotaţie sunt: aderenţa particulelor de impurităţi la bula de aer şi deplasarea ansamblului: bulă – particulă la suprafaţa lichidului. Fenomenul de aderenţă a particulelor la suprafaţa bulelor se bazează pe gradul de umectare a particulelor solide. Suprafeţele solide sunt umectate doar de unele lichide. Umectarea depinde atât de natura particulei solide cât şi de natura fazei lichide. Gradul de umectare este măsurat prin unghiul de contact dintre tangenta la planul solid–lichid, lichid–gaz şi interfaţa solid–gaz, măsurat astfel încât să includă faza lichidă. Valoarea unghiului de umectare (de racord sau de margine) este hotărât de echilibrul celor trei tensiuni superficiale ale celor trei interfeţe care se întâlnesc în perimetrul de umectare: σLS (lichid–solid); σSG (solid–gaz); σLG (lichid–gaz). Prima tinde să micşoreze suprafaţa de contact dintre lichid şi solid, a doua să o mărească, pentru a micşora interfaţa solid–gaz, iar a treia tinde să micşoreze interfaţa lichidului cu gazul. Pentru stabilirea condiţiilor de realizare a procesului de flotaţie, să examinăm bulele de gaz fixate pe particulele solide din lichid. La interfaţa solid/lichid (cazul impurităţilor din apă) se manifestă interacţiunile moleculare. Forţele de atracţie dintre moleculele lichidului şi ale impurificantului solid (sau lichid – exemplu ulei) se numesc forţe de adeziune. Dacă forţele de adeziune sunt mai mari decât forţele de coeziune dintre moleculele lichidului supus limpezirii, atunci lichidul umectează (udă) suprafaţa solidă. Particulele sunt liofile (hidrofile în cazul apei). În schimb, dacă forţele de coeziune sunt mai puternice, particulele sunt liofobe (hidrofobe în cazul apei), adică nu sunt umectate de către lichid. Măsura

70

Flotaţia 71

acestor comportări este dată de unghiul de umectare (de contact sau de margine). Unghiul de umectare poate fi calculat din condiţia de echilibru la interfaţă, dată de relaţia Young–Laplace (fig. 3.2):

θ⋅σ+σ=σ cosLGSLSG (3.1)

cos θ = (σSG –σSL)/ σ LG (3.2)

σ LG Gaz

σSG θ σSL Lichid Solid

Fig. 3.2. Acţiunea tensiunilor superficiale la interfaţa: solid – lichid – gaz

Particula solidă are un grad de umectare cu atât mai mare – este liofilă (hidrofilă în cazul apei) – cu cât unghiul θ este mai mic (0<θ< 90ºC) şi devine liofobă (hidrofobă în cazul apei) dacă unghiul θ este mai mare (90<θ<180ºC) (fig. 3.3) şi este îndeplinită prima condiţie de flotaţie, deoarece particula solidă este mai puţin umectabilă şi nu aderă la apă.

σ LG Gaz

σSG θ σSL Lichid Solid

σ LG Gaz

σSG θ σSL Lichid Solid

a. b.

Fig. 3.3. Modul de umectare la interfaţa solid – lichid: a. suprafaţă hidrofilă 0 < θ < 90º; b. suprafaţă hidrofobă θ > 90º

Se constată din relaţia Young – Laplace că unghiul de contact θ depinde numai de condiţiile la interfeţe (lichid–gaz, solid–lichid şi solid–

71

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 72

gaz), fiind independent de diametrul bulei de gaz (aer). Mărimea unghiului de contact creşte cu creşterea tensiunii superficiale la interfaţa lichid (apă) – bulă (aer), σLG şi/sau cu creşterea celei de la interfaţa solid (particulă)–gaz (aer) – care presupune o hidrofobie ridicată a suprafeţei particulei solide.

A doua condiţie de flotaţie, prin care particula solidă şi bulele de aer se ridică şi plutesc la suprafaţă este dată de relaţia dintre forţele care acţionează asupra agregatului bulă–particulă.

Asupra agregatului bulă–particulă acţionează o forţă ascendentă FA (ascensională), care determină ridicarea agregatului la suprafaţă, şi forţa gravitaţională G (fig. 3.1 b). Pentru ca flotaţia să poată avea loc, trebuie să se îndeplinească următoarea condiţie:

FA > G ( 3.3)

FA = g (ρL – ρG )·VG > g (ρS – ρL)·VS (3.4)

în care: ρL – densitatea lichidului (exemplu apa); ρS – densitatea particulei solide;

ρG – densitatea gazului din bulă (exemplu aer); VG – volumul bulei de gaz; VS – volumul particulei solide.

Dacă înlocuim în expresia 3.4, VS=mS/ρS, rezultă:

VG=GL

LS

S

Smρ−ρρ−ρ

⋅ρ

( 3.5)

VG=6d3π (3.6)

Se poate calcula astfel diametrul bulei care satisface condiţiile necesare flotaţiei:

d= 3

GL

LS

S

Sm6ρ−ρρ−ρ

⋅ρ

⋅π

( 3.7)

În sistemele trifazice, energia specifică de aderenţă a particulelor solide la bula de aer este dată de relaţia:

λ=σLG+ σSL– σSG= σLG(1–cosθ)=2 σLG sin2θ/2 (3.8)

72

Flotaţia 73

Prin urmare, capacitatea de flotaţie a unui material solid este determinată de energia de aderenţă şi creşte proporţional cu unghiul de contact şi cu gradul de hidrofobie. Un unghi de contact θ mai mare este caracteristic materialelor care nu se umectează şi poate fi obţinut doar prin contactul cu bule foarte fine, care necesită mai multă energie.

Condiţiile necesare pentru ca agregatul bulă–particulă să se ridice sau să plutească, este ca forţa ascensională a bulei să fie superioară greutăţii granulei şi forţei de rezistenţă vâscoasă.

Prin urmare, flotaţia utilizează aptitudinea particulei solide sau lichide nemiscibile de a se fixa pe bulele gazoase cu formarea de agregate cu densitate net inferioară în raport cu densitatea lichidului.

Pentru particulele cu densitate mai mare – ca de exemplu zăcămintele metalice, care se depun rapid, flotaţia se poate aplica doar în cazul particulelor cu un diametru mai mic de 0,2 mm. În acest caz se utilizează agenţi de flotaţie pentru obţinerea unor bule purtătoare mari (aproximativ 2 mm). Din cauza costurilor mari ale agenţilor spumanţi, procedeul se aplică doar pentru separarea minereurilor de metale valoroase.

În cazul particulelor cu densitate mică, care plutesc sau se depun foarte încet (particule fibroase, grase sau floculare), flotaţia are loc în condiţii mai favorabile. În acest caz, forţa gravitaţională este mai mică şi de aceea necesită bule mai mici. Dacă aceste bule au un unghi de contact mai mic, forţa lor de aderenţă este mai mare şi de aceea flotaţia poate fi realizată în condiţii de eficienţă maximă. Particulele floculate se pot separa bine prin flotaţie deoarece pot să fie uşor capturate de bulele de aer. Substanţele coloidale pot fi înlăturate prin flotaţia artificială numai după o prealabilă floculare. Prin flotaţie artificială se pot de asemenea înlătura emulsiile de grăsimi deoarece acestea aderă la interfaţa gaz–lichid.

O problemă importantă pentru flotaţie este stabilitatea stratului de spumă. Dacă are o stabilitate mică este necesară îndepărtarea imediată, în timp ce o stabilitate prea mare implică necesitatea unor tratamente suplimentare.

73

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 74

3.3. Parametrii procesului de separare prin flotaţie Particulele cu o densitate mai mică decât a fluidului sunt separate prin flotaţie în separatoare fără aerare forţata, deoarece plutesc la suprafaţă. În cazul flotaţiei naturale, parametrii cei mai importanţi sunt:

• diferenţa de densitate dintre cele două faze; • viteza de ridicare a particulelor; • temperatura medie; • vâscozitatea dinamică a amestecului multifazic; • coeficientul de aderenţă; • viteza de flotaţie.

Viteza de ridicare a particulelor este determinată de legea lui Stokes, care este valabilă în cazul numărului Reynolds subunitar:

)(18

dgv lsf

2

g ρ−ρη⋅

⋅= ( 3.9)

în care: d este diametrul particulei solide; ρs – densitatea materialului particulei;

ρl – densitatea lichidului; ηf – vâscozitatea fluidului.

La separatoarele prin flotaţie cu aerare, viteza de ridicare a particulelor de grăsime fixate pe bulele de aer se calculează cu relaţia.

)(18

dgv 0f

f

2b

o ρ−ρη⋅

⋅= (3.10)

unde: db este diametrul bulei de aer; ρf – densitatea particulelor de grăsime (uleiului);

ρo –densitatea bulei de aer.

Suprafaţa plană a separatorului se exprimă prin:

A=g

c

vQ respectiv

o

c

vQ

, (3.11)

unde: Qc este debitul lichidului supus tratamentului de separare.

74

Flotaţia 75

Gradul de încărcare a suprafeţei bulelor poate fi definit de coeficientul de aderenţă a particulelor solide, exprimat prin raportul dintre numărul particulelor aderente şi numărul particulelor care ar acoperi integral suprafaţa bulei de aer. Se poate calcula cu expresia:

bm d

ahV4

39c ⋅⋅Δ⋅

π= (3.12)

unde: ΔV este fracţia din volumul particulelor flotabile din suspensie; h – lungimea traiectoriei parcurse de bula încărcată cu particule (până la suprafaţa băii de flotaţie); db – diametrul bulei de aer; a – coeficientul de formă a particulelor aderate.

Valoarea coeficientului de aderenţă variază în limite largi şi creşte cu:

• concentraţia particulelor flotabile; • hidrofobia particulelor; • timpul de aşteptare (de şedere) a bulelor în baia de flotaţie –

implicit cu traiectoria particulelor (h).

Condiţiile care asigură probabilitatea maximă de flotaţie pot fi grupate astfel:

• Probabilitatea realizării impactului (contactului) între bulă şi particulă este dependentă de caracteristicile de aerare (concentraţia şi dimensiunea bulelor), de concentraţia şi dimensiunile particulelor şi de gradul de agitare a suspensiei.

• Probabilitatea realizării adeziunii particulei la bula de gaz depinde de perioada de inducţie respectiv de gradul de hidrofobie a particulei, de raportul dintre dimensiunea bulelor şi a particulelor şi de viteza relativă a acestora.

• Probabilitatea menţinerii adeziunii este dependentă de valoarea unghiului de umectare, greutatea particulei şi turbulenţa suspensiei.

75

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 76

Viteza de flotaţie se defineşte prin variaţia în timpul flotării a concentraţiei impurităţilor:

dtdmvf = (3.13)

sau: o

f cckv ⋅= (3.14)

şi m=o

o

ccc − (3.15)

unde: c este concentraţia de impurităţi la un moment dat t; co – concentraţia iniţială; k – constanta vitezei de flotaţie;

m – cantitatea de substanţă flotată în timp.

Pe măsura desfăşurării procesului de flotaţie, valoarea concentraţiei impurităţilor din suspensie scade, iar diferenţa (co–c) – reprezentând concentraţia de impurităţi deja flotate – creşte şi evident odată cu aceasta creşte valoarea părţii separate m. În situaţia în care întreaga cantitate de impurităţi a flotat (cazul teoretic), pentru c=0, m=1. La momentul t=0 c=co şi m=0. Se poate scrie astfel:

dtcdcvo

f −= (3.16)

şi kcdtdc

−= ( 3.17)

Prin integrare (la k = constant):

c=co·e–kt (3.18)

vf=k·e–kt (3.19)

m=1–e–kt (3.20) sau

)m1(kdtdm

−= (3.21)

76

Flotaţia 77

Exprimarea grafică a cantităţii de substanţă flotată în timp (m) şi a vitezei de flotaţie (vf ) este redată în figura 3.4.

Timpul [sec]

Ext

racţ

ia [%

]

Vite

za d

e flo

taţie

vf [

l/s]

Fig. 3.4. Variaţia în timp a gradului de separare (1) şi a vitezei de flotaţie (2) Mărimea unghiului format între tangenta într-un anumit punct al

curbei 1 cu orizontala, reprezintă o măsură a vitezei de flotaţie la momentul t. Viteza de flotaţie şi îndepărtarea de impurităţi realizată în timp permit alegerea unor criterii de optimizare a procesului de flotaţie, ca de exemplu productivitatea exprimată prin cantitatea de suspensie epurată în unitatea de timp sau prin cantitatea de impurităţi separată în unitatea de timp.

3.4. Factori de influenţă specifici flotaţiei

În realitate, procesul flotaţiei este mai complex decât procesul decantării, prin intervenţia unor factori specifici.

Fenomenul de adeziune a particulelor la bulele de aer în procesul de flotaţie reprezintă procesul fundamental al separării prin flotaţie. Probabilitatea realizării acestui proces este dată de produsul a trei factori: probabilitatea coliziunii sau de întâlnire (contact) bulă–particulă Pc; probabilitatea realizării adeziunii bulă–particulă Pa şi probabilitatea

77

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 78

menţinerii adeziunii în timpul deplasării agregatului bulă–particulă spre suprafaţă Pm.

P = Pc · Pa · Pm (3.22)

Probabilitatea de contact (ciocnire) Pc depinde de:

• numărul de bule existente în suspensie; • suprafaţa bulei (suprafaţa de captare); • timpul de aşteptare (de staţionare) a bulei în mediul lichid în care

se asigură contactul real: de la momentul întâlnirii până la formarea interfeţei solid–gaz;

• dimensiunile particulei impurităţii; • turbulenţa mediului.

Numărul de bule se calculează astfel:

3

bn d

1KN ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅= (3.23)

Secţiunea de captare S este:

S=Ks· (3.24) 2bd

Timpul de staţionare T (aşteptare) este proporţional cu inversul vitezei bulei, (viteza de coliziune) astfel:

T=2

bgt

gt d

1v1K

v1K ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅=⋅ (3.25)

Astfel, probabilitatea de contact P între bule şi particule se poate estima prin următorul calcul:

P=N·S·T=K 3

bd1⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅ (3.26)

unde: Ks, Ks, Kt şi K sunt coeficienţi care se determină experimental.

Studiile recente propun următoarea relaţie pentru exprimarea probabilităţii de realizare a contactului, în ipoteza simplificatoare, în care ciocnirea are loc între o singură bulă şi o singură particulă:

78

Flotaţia 79

Pc=A2

b

p

dd

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ (3.27)

unde: dp este diametrul particulei; db – diametrul bulei de aer; A – parametru dependent de cifra Reynolds.

Prin urmare, probabilitatea ciocnirii este maximă în condiţiile în care particulele sunt mari şi bulele sunt mici.

În realitate însă, deplasarea unei bule de aer este afectată de mişcarea altor bule din vecinătate, fiind posibile coliziuni între acestea cu schimbarea şi perturbarea direcţiilor de mişcare.

Calculul probabilităţii flotaţiei, prin luarea în considerare şi a fenomenului de adeziune este dat de relaţia:

P=t1

mcrb2b

)t(m11ln4

PPvcd

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⋅⋅⋅⋅⋅π ⋅ (3.28)

în care: Pm este probabilitatea menţinerii adeziunii; cb – concentraţia de bule pe unitatea de volum; m(t) – cantitatea de solid extrasă în timpul t; vr – viteza relativă de deplasare a agregatului bulă–particulă.

Determinarea limitei maxime a dimensiunilor particulelor ce se pot menţine aderente depinde de o serie de factori cu influenţe complexe. De aceea acestea pot fi apreciate în funcţie de condiţiile concrete ale procesului de flotaţie respectiv. Aptitudinea bulei de a fixa particulele, depinde de mărimea bulei, prin urmare de tensiunea superficială unde curbura suprafeţei bulei joacă un rol important şi de asemenea de hidrofobia suprafeţei particulei. Această caracteristică poate fi evaluată prin măsurarea unghiului de umectare θ dintre bulă şi particulă. Pentru ca flotaţia să aibă o eficienţă maximă, este necesar ca unghiul de umectare să aibă o anumită valoare optimă. În figura

79

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 80

3.5. a, b, c sunt prezentate cele 3 situaţii posibile. În cazul unei umectări prea bune (unghi de umectare foarte mic) aerul nu aderă la particulă (fig.3.5. a). La un unghi de umectare potrivit (fig. 3.5. b), bula de aer aderă la particula pe care o ridică la suprafaţă. Dacă însă unghiul de umectare este prea mare (fig. 3.5. c), bula este umplută cu particule şi nu mai are forţa ascensională suficientă pentru ridicarea la suprafaţă.

aer aer aer

θ θ

θ θ

a. b. c. [

Fig. 3.5. Antrenarea particulelor de impurităţi de către bulele de aer în procedeul flotaţiei. a. unghi de umectare prea mic; b. unghi de umectare

potrivit; c. unghi de umectare prea mare

Această caracteristică de umectare şi fixare a particulei pe suprafaţa bulei poate fi îmbunătăţită prin utilizarea agenţilor chimici specifici. Hidrofobia şi diametrul bulelor influenţează mult probabilitatea de contact şi randamentul procesului. Astfel, dimensiunea optimă a bulelor trebuie să fie cuprinsă între (50–70) μm.

Dacă se aplică formula lui Stokes introducând valoarea acestor diametre, se obţin pentru viteza limită de flotaţie în apă valori cuprinse între (5–7) m/h.

3.5. Tehnici de flotaţie la separarea impurităţilor din fluide

3.5.1. Probleme generale

Din punct de vedere tehnic la separarea impurităţilor se recurge la aerare, care constă în introducerea forţată a aerului sub formă de bule.

80

Flotaţia 81

Aerarea se poate realiza prin:

• aerarea mecanică; • aerarea prin barbotarea aerului comprimat; • aerarea prin aplicarea vidului; • aerarea prin aplicare presiunii; • aerarea electrică (electroflotaţia).

Instalaţiile de flotaţie au trei componente principale:

• tancul (camera) de flotaţie; • echipamentul de colectare şi înlăturare a spumei şi nămolului; • instalaţia pentru prepararea bulelor de aer. Pentru debite cuprinse

între (5–75) m3/oră se recomandă instalaţiile monobloc.

Flotaţia artificială este de asemenea recomandată pentru concentrarea nămolurilor, formându-se nămoluri cu (6–9) % mai groase decât cele obţinute prin procedeele gravitaţionale. Metoda permite reducerea volumului nămolului cu 80% din valoarea iniţială, reducându-se costurile şi dimensiunile instalaţiilor de prelucrare ulterioară.

Pentru a defini posibilităţile de aplicare ale flotaţiei se prezintă un exemplu.

Se consideră o particulă cu diametrul de 0,1 mm şi densitatea 1,05 g/cm3 (relativ uşoară), întâlnită adesea în efluenţii de natură organică. Decantarea unei asemenea particule s-ar realiza cu o viteză limită de 1 m/h. Aceeaşi particulă întâlnind şi fixându-se pe o bulă de gaz cu volumul egal cu al particulei, se va ridica (flota) cu o viteză de 14,5 m/h. Dacă particula ar avea o densitate de 1,5 g/cm3, aceasta s-ar decanta cu o viteză de 10 m/h, şi s-ar flota cu viteza de 7,7 m/h.

Rezultă că flotaţia şi decantarea se aplică în domenii adesea diferite. Flotaţia se aplică la separarea materialelor uşoare, iar decantarea

la separarea materialelor grele.

81

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 82

Instalaţiile de separare prin flotaţie trebuie să îndeplinească anumite funcţii care asigură desfăşurarea normală şi în condiţii tehnico–funcţionale impuse a procesului de flotaţie:

• asigurarea unei aeraţii corespunzătoare; • alimentarea continuă cu suspensia de separat şi evacuarea

uniformă a produselor separate (fluidul epurat şi nămolul colectat);

• asigurarea unei zone fără agitare sub stratul superior cu nămol pentru a evita pericolul desprinderii particulelor solide aderate la suprafaţa bulelor;

• realizarea unei productivităţi cât mai ridicate în condiţiile consumului cât mai redus de energie;

• exploatarea şi întreţinerea uşoară a utilajului.

Cea mai importată funcţie care asigură şi performanţele tehnologice ale flotaţiei este procesul de aerare optimă.

Principalele caracteristici ale aeraţiei optime sunt:

• posibilitatea reglării debitului de aer, parametru care influenţează umectarea interfeţei lichid–gaz şi viteza de flotaţie;

• asigurarea fracţiei dimensionale optime a bulelor, respectiv a unei game dimensionale limitate;

• asigurarea uniformităţii distribuţiei bulelor de aer în instalaţia de flotaţie;

• asigurarea condiţiilor optime pentru realizarea şi menţinerea adeziunii dintre particulele de impurităţi şi bule.

Principalele modalităţi tehnice de formare a bulelor în instalaţiile de flotaţie sunt:

• acţiunea mecanică a mediului de flotaţie (maşini de flotaţie cu rotor);

• insuflarea aerului prin suprafeţe poroase sau perforate (ceramică poroasă, straturi poroase inoxidabile, cauciuc perforat, ţesături metalice, site fine, etc.);

82

Flotaţia 83

• degajarea gazelor din soluţie; • degajarea gazelor produse prin electroliză (electroflotaţia); • destinderea lichidului suprasaturat cu gaz.

De regulă, în instalaţiile de flotaţie, formarea bulelor se poate realiza şi prin combinarea modalităţilor şi tehnicilor enumerate anterior.

Acţiunea mecanică a mediului de flotaţie constă în “atomizarea” în bule a jetului de aer introdus în tancul de flotaţie, de către curenţii de suspensie cu impurităţi care are o direcţie de curgere, de regulă, perpendiculară.

Insuflarea aerului prin straturi poroase (fig. 3.6) conduce la divizarea jetului de aer în bule ale căror dimensiuni depind de parametrii structurii poroase (porozitatea, distribuţia dimensiunii porilor), densitatea suspensiei, tensiunea superficială lichid–gaz, presiunea jetului de aer insuflat.

db db1 db2 db3 pg

Dp1 Dp2 Dp3

pg1 pg2 pg3

Dp

pg1< pg2< pg3 (presiunea jetului de gaz) Dp1 < Dp2 < Dp3 (diametrul porilor) db1< db2 < db2 (diametrul bulelor de aer)

Fig. 3.6. Influenţa presiunii aerului şi a structurii poroase, asupra formării bulelor de aer

Bula desprinsă din porul structurii poroase creşte în volum până la

egalizarea presiunii interioare cu cea exterioară (a suspensiei), fenomen care se intensifică în cazul presiunii ridicate de insuflare. De aceea este necesară o alegere atentă a presiunii de insuflare a aerului, pentru a se obţine bule cu dimensiuni scontate.

83

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 84

Formarea bulelor în urma degajării aerului se produce la scăderea presiunii sau /şi creşterea temperaturii suspensiei suprasaturate iniţial în urma dizolvării prealabile a gazului (aerului).

Distribuţia dimensiunii bulelor de aer trebuie să fie cât mai redusă pentru a evita coalescenţa lor.

3.5.2. Electroflotaţia

Electroflotaţia este un procedeu de separare prin flotaţie, care aplică efectul de degajare a oxigenului sub formă de bule în urma electrolizei apei.

Un avantaj important al electroflotaţiei constă în posibilitatea reglării concentraţiei de bule degajate, prin modificarea intensităţii şi tensiunii curentului, a pH–ului şi temperaturii mediului de flotaţie.

În principiu bulele de gaz se obţin în urma procesului de electroliză a părţii fluide din suspensia supusă purificării. Bulele sunt în general formate din hidrogenul şi oxigenul degajat la electrozi pe baza următoarelor reacţii chimice:

H2O ½ O2 + 2H+ + 2e–

2H+ + 2e– → H2

În mediu neutru sau alcalin:

2OH– → ½ O2 + H2O + 2e–

2H2O + 2e– → H2 +2OH–

Moleculele de gaz rezultate prin procesul de electroliză se acumulează pe asperităţile şi microfisurile superficiale ale electrozilor. Aceste molecule reprezintă germeni gazoşi care cresc prin acumularea altor molecule, până la formarea bulelor de dimensiuni corespunzătoare desprinderii şi degajării lor în mediul lichid al suspensiei. Bulele de oxigen şi de hidrogen prezintă o acţiune selectivă asupra impurităţilor, mecanismul de adeziune a bulelor la particulele solide din diverse minerale fiind preferenţial, aspect care constituie un avantaj remarcabil, mai ales în cazul utilizării electroflotaţiei la procesele de concentrare a minereurilor.

84

Flotaţia 85

Procesele şi mecanismele care se produc la electroliza apei, permit aplicarea electroflotaţiei ca operaţie de tratare electrochimică a apelor. Prin acest procedeu de prelucrare electrochimică, utilizând parametri tehnologici adecvaţi (intensitate, tensiune, durată de lucru) se pot modifica principalele proprietăţi ale apei: pH–ul, potenţialul redox, duritatea, cantitatea gazelor dizolvate, datorită creşterii solubilităţii şi a capacităţii de adsorbţie.

Electroliza apei produce o degajare de oxigen şi hidrogen. Prin utilizarea unor tensiuni şi intensităţi corespunzătoare şi a unor electrozi corespunzători, se pot produce bule gazoase cu valori optime ale diametrului, de (50–70) μm.

Degajarea gazelor are loc pe baza legii lui Faraday:

FntIMm

⋅⋅⋅

= , [g] (3.29)

unde: m este masa gazului format; M – masa moleculară a gazului; I – intensitatea curentului [A]; t – timpul electrolizei [s]; n – valenţa; F – constanta lui Faraday: F=96.500.

Principiul constructiv al unei instalaţii de electroflotaţie este prezentat în figura 3.7.

În cuva 1 se află camera de flotaţie 2 şi electrolizorul 3 cu electrozii 4. Bulele de oxigen produse prin procesul de electroliză întâlnesc particulele de impurităţi din apa brută 5 introdusă în cuvă. Se formează agregatele: bulă–particulă care se ridică la suprafaţă formând nămolul sau spuma. Aceste produse ale flotării sunt colectate de instalaţia de transport 6 (bandă cu racleţi) şi transportate în canalul de evacuare 7. Lichidul limpezit 8 este preluat din partea inferioară a cuvei prin conducte spre rezervorul 9. Electrolizorul este alimentat de la apa deja tratată în urma procesului de flotaţie.

85

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 86

9

Fig. 3.7. Schema unei celule de electroflotaţie. 1 – cuvă; 2 – camera de flotaţie; 3 – electrolizor; 4 – electrozi; 5 – apă brută; 6 – transportor cu racleţi; 7 – evacuare nămol; 8 – lichid limpezit; 9 – rezervor pentru apă

tratată 3.5.3. Aeroflotaţia Aeroflotaţia utilizează destinderea apei presurizate saturate cu gaz.

Solubilitatea gazelor în apă la temperatură constantă este dată de legea lui Henry:

C = K·p (3.30)

unde: C este concentraţia gazului dizolvat; p – presiunea de presurizare; K – constantă.

Se presupune că o cantitate de apă este saturată cu gaz la presiunea p. Depresurizarea, respectiv destinderea prin diminuarea presiunii cu Δp, va produce o degajare gazoasă sub formă de bule de aer, proporţională cu valoarea acestei căderi de presiune.

86

Flotaţia 87

Fenomenul destinderii este similar cu acela întâlnit la desfacerea dopului unei butelii de apă minerală, când se produce o degajare de gaze sub formă de bule. Procesul de degajare a bulelor este cu atât mai intens cu cât depresurizarea este mai mare, respectiv cu cât dopul se desface mai mult.

Dacă destinderea este rapidă (diuză, diafragmă, strat poros, etc.) se obţine o degajare fină de bule de gaz, cu dimensiuni apropiate celor obţinute prin electroflotaţie.

La temperatura de 200˚C se poate dizolva în apă aproximativ 18 l/m3 de aer. Solubilitatea aerului în apă variază în funcţie de temperatura şi descreşte cu creşterea acesteia (fig. 3.8).

0

5

10

15

20

25

30

0 20 30 40 50 60

Temperatura [oC]

Solu

bilit

atea

[cm3 /l]

Fig. 3.8. Variaţia solubilităţii aerului în apă cu temperatura

Solubilitatea scade cu salinitatea apei. Pe de altă parte, viteza de dizolvare creşte cu temperatura. Dizolvarea rapidă a aerului în apă, necesită o agitare puternică care poate fi creată fie mecanic, fie prin mişcarea bulelor.

Dimensiunea bulelor variază cu presiunea de presurizare. Diametrul mediu al populaţiei de bule emise (degajate) descreşte liniar la creşterea presiunii de presurizare (fig. 3.9).

Dimensiunea bulelor scade uşor cu limita de saturaţie a aerului (fig. 3.10).

87

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 88

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6

Presiunea p [bari]

Dia

met

rul m

ediu

al b

ulei

d [

m]

Fig. 3.9. Variaţia diametrului mediu al bulelor cu presiunea efectivă de destindere

50

55

60

65

70

50 70 80 90 100

Procentul de saturatie [% ]

Dia

met

rul m

ediu

al b

ulei

d [

m]

Fig. 3.10. Variaţia diametrului mediu al bulelor de aer în funcţie de procentul (gradul) de saturaţie

Principiul constructiv şi funcţional al unei instalaţii de flotaţie cu aer

este redat în schema din fig 3.11. Pompa de apă alimentează grupul hidro–compresor cu apă la presiunea de 8 bari. În interiorul hidrocompresorului se

88

Flotaţia 89 prepară amestecul de apă cu aer, respectiv are loc presurizarea cu aer atmosferic până la o saturaţie corespunzătoare.

Procesul de destindere din generatorul de bule se produce fie într-o vană, fie printr-un orificiu calibrat (diuză, ajutaj) reglabil, care permite obţinerea bulelor fine şi cu dimensiuni controlabile. Bulele de aer astfel obţinute ajung în camera de flotaţie la care aderă particulele de impurităţi.

Una dintre problemele care apar la sistemele de flotaţie cu aer dizolvat este riscul coalescenţei bulelor, din care o parte pot deveni inutilizabile pentru procesul de flotaţie.

În cazul flotaţiei trebuie precizat că bulele se fixează mai uşor pe particulele mari decât pe particulele mici. Este imposibil de fixat bulele pe particulele foarte mici. De aceea sunt situaţii în care este necesară o floculare prealabilă. Flotaţia nu necesită în general doze mari de floculanţi ca şi la decantare.

aer

Fig. 3.11. Schema unei instalaţii de aeroflotaţie. 1 – cuvă; 2 – cameră de flotaţie; 3 – intrare apă brută; 4 – transportor cu racleţi; 5 – nămol; 6 – generator de bule; 7 – pompă de apă; 8 – grup hidrocompresor;

9 – apă epurată

Flocularea cu polielectroliţi se adaptează bine la procesul de flotaţie.

89

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 90

La electroflotaţie, se poate asigura flocularea prin dizolvarea anodică a unuia dintre electrozi (din aluminiu sau fier):

Al Al⎯⎯ →⎯−− e3 3+

Fe Fe⎯⎯ →⎯−− e2 2+

Existenţa cationilor (Al3+, Fe2+) are acelaşi efect cu cel obţinut prin utilizarea floculanţilor minerali.

Flotaţia în vid constă în saturarea apei uzate cu aer şi introducerea acesteia într-un spaţiu închis cu presiune redusă. La scăderea presiunii, o parte importantă a aerului dizolvat se degajă în apă sub forma unor bule fine. Metoda se aplică la tratarea apelor menajere, a apelor provenite de la abatoare sau de la fabricile de conserve. Metoda descrisă anterior se poate aplica doar în cazul unor ape cu un conţinut relativ scăzut de impurităţi, deoarece prin scăderea presiunii se degajă o cantitate limitată de aer.

3.6. Elemente de calcul al instalaţiei de flotaţie Pentru dimensionarea unei celule de flotaţie trebuie determinaţi doi

parametri:

• debitul specific sau viteza limită v [m/h]; • raportul dintre volumul de aer şi masa solidelor care trebuie

eliminate prin flotaţie:

as= flotatdesolidelorMasaaerdeVolumul [cm3/g] (3.31)

Debitul specific sau viteza limită v, este viteza maximă de trecere prin celulă la care particulele de flotat cele mai fine sunt antrenate împreună cu apa epurată. Viteza limită depinde de coeficientul as care creşte cu cantitatea de aer introdusă în masa suspensiei de flotat (separat). Dacă se opreşte introducerea aerului, separarea ar continua prin procesul de decantare şi viteza de flotaţie vf ar fi egală în valoare absolută cu viteza de decantare vd.

90

Flotaţia 91

Se poate scrie:

vf = K· (3.32) dfs va −

Valorile lui K şi f se determină experimental.

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8 10 12

Coeficientul as

Vite

za d

e flo

tare

[m/s

]

Fig. 3.12. Viteza limită de flotaţie în funcţie de coeficientul as [24]

3.7. Avantajele şi performanţele separării prin flotaţie

Separarea prin flotaţie prezintă următoarele avantaje:

• nu este sensibilă la agenţi toxici; • este eficientă pentru separarea unor poluaţi specifici: grăsimi,

hidrocarburi, detergenţi; • asigură dezodorizarea apelor tratate; • permite concentrarea excelentă a nămolului separat; • se aplică în condiţii de exploatare uşoară; • oferă posibilitatea aplicării în diverse domenii: tratarea

efluenţilor industriali, a apelor urbane, tratarea apei potabile; • nămolul obţinut este mult mai uscat şi mai concentrat în materii

solide decât în cazul decantării statice.

91

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 92

• consumul de energie electrică este relativ scăzut, dar ceva mai mare decât în cazul separării prin decantare. Dacă concentraţia de materie solidă flotată este mai mică decât 2 g/l, consumul de energie electrică se situează între (100–200) Wh/m3. Pentru concentraţii superioare, consumul se ridică la (50–100) Wh/kg de materie solidă extrasă. La electroflotaţie, consumul depinde de rezistivitatea lichidului, deci de salinitate, care pentru aceeaşi intensitate, necesită o tensiune cu atât mai mare cu cât rezistivitatea este mai mare.

În aeroflotaţie, temperatura influenţează solubilitatea maximă a aerului, dar în acelaşi timp, cinetica de dizolvare creşte cu temperatura.

Flotaţia permite alături de eliminarea compuşilor insolubili, inclusiv a particulelor coloidale floculate în prealabil şi eliminarea parţială a poluanţilor dizolvaţi. Se cunoaşte faptul că anumiţi compuşi dizolvaţi se concentrează la interfaţa gaz–lichid şi că acest fenomen este legat de tensiunea superficială. Acest fenomen utilizat la concentrarea prin spumare permite tratamentul fizico–chimic prin flotaţie cu randamente de eliminare remarcabile.

Pentru creşterea eficienţei flotaţiei sau pentru separarea unor impurităţi care în mod normal nu s–ar putea elimina prin flotaţie în mediul lichid se adaugă reactivi de flotaţie: spumanţi; colectori sau depresanţi.

Spumanţii au rolul de formare şi stabilizare a spumei prin generarea unei pelicule protectoare la suprafaţa bulei de aer, care împiedică spargerea bulelor ajunse la suprafaţa apei. Efectul de stabilizare nu trebuie însă să fie prea puternic deoarece ar face dificilă tratarea ulterioară a spumei în vederea eliminării impurităţilor. Ca reactivi de spumare se folosesc agenţi tensioactivi care micşorează tensiunea superficială a apei datorită tendinţei lor de a se acumula la interfaţa lichid – gaz, de exemplu: acizii naftenici, uleiul de pin, uleiul de eucalipt, ulei de terebentină, xilidina, terpineolul, terpina, alcoolul butilic, alcoolul amilic, fenoli sau crezoli. Utilizarea acestor agenţi de spumare este limitată din motive de ordin economic, având preţ ridicat.

92

Flotaţia 93

Colectorii sunt substanţe organice polare–nepolare care acţionează la suprafaţa mineralelor prin reacţii chimice, de chemosorbţie sau adsorbţie pentru a mări gradul de hidrofobie a impurităţilor, fiind folosite pentru corectarea unghiului de umectare. Porţiunea moleculară polară se orientează către particula de impuritate, în timp ce porţiunea nepolară se orientează înspre exterior, determinând hidrofobizarea particulelor. În acest scop se folosesc o serie de clase de colectori:

• uleiuri colectoare minerale, vegetale sau animale: gudronul de cărbune, uleiul de parafină, uleiul de pin, uleiul de soia etc;

• colectori cu sulf: etilxantaţii alcalini C2H5OCSSM, unde M=Na, K;

• colectori cu azot: toluidina, CH3C6H4NH2; xilidina (CH3)2C6H3NH2;

• colectori cu sulf şi azot: tiocarbanilida, (C6H5NH)2CS; • acizi alifatici superiori şi sărurile lor: acid palmitic,

C15H31COOH, acid stearic, C17H35COOH; acid oleic CH3– (CH2)7–CH=CH–(CH2)7–COOH Depresanţii sunt utilizaţi pentru micşorarea unghiului de umectare,

mărind capacitatea de umectare. Ca depresanţi se folosesc: silicatul de sodiu, sulfitul de sodiu, cianura de sodiu etc.

Activatorii (acid sulfuric, sulfat de cupru) anulează efectul depresanţilor, redând proprietăţile iniţiale ale suprafeţei.

Alegerea modului în care se realizează flotaţia se face în funcţie de tipul impurităţilor care trebuie eliminate. În cazul unor impurităţi cu densitate mare, eliminarea acestora prin flotaţie este posibilă doar dacă acestea au un diametru mediu mic (maxim 0,4 μm). În cazul acestor particule este necesară utilizarea unor bule cu diametru mare. Pentru a se asigura condiţiile necesare aderării la bulele de aer, în apă se adaugă substanţe care se fixează pe suprafaţa particulelor hidrofobizându-le, facilitând în acest mod fixarea lor la interfaţa de separare apă–aer.

Pentru particulele cu densitate mică: produse fibroase, floconoase, sau grase, de cele mai multe ori nu este necesară adăugarea reactivilor de

93

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 94

flotaţie, acestea putând fi separate prin flotaţie cu ajutorul bulelor fine de aer.

3.8. Aplicaţii ale flotaţiei 3.8.1. Tratarea şi epurarea apelor urbane – Tratamentul fizico–chimic al efluenţilor urbani din staţiunile cu

populaţie variabilă. Se cunoaşte că utilizarea tratamentelor biologice obişnuite asupra unor efluenţi nu permite epurarea satisfăcătoare în cazul unor creşteri rapide a populaţiei. Tratamentul apelor prin flotaţie are avantajul gabaritului redus al instalaţiilor care necesită o suprafaţă de teren substanţial mai redusă. Acest aspect este cu atât mai important cu cât costul terenului în zonele urbane şi cele turistice este mai ridicat.

– Tratamentul fizico–chimic aplicat prin flotaţia efluenţilor casnici reduce cu 95% materiile aflate în suspensie, elimină în proporţie de 95% fosfaţii, 80% detergenţii şi au efect de dezodorizare.

– Flotaţia asigură şi posibilitatea tratării apei potabile în tandem cu utilizarea filtrelor de nisip de fineţe ridicată. Se poate reduce astfel sensibil cantitatea de materiale, în general uşoare, aflate în suspensie în apele de suprafaţă, permiţând de asemenea eliminarea micropoluanţilor de tipul detergenţilor.

3.8.2. Aplicaţii ale flotaţiei în industrie Flotaţia este metoda principală aplicată pentru separarea uleiurilor

şi grăsimilor. În general îndepărtarea uleiurilor din apele uzate industriale se face în două etape:

• îndepărtarea preliminară datorită diferenţei de densitate dintre grăsimile care se ridică la suprafaţă în bazinele de colectare, când se reduce cantitatea de ulei la (15–100) mg/l;

• îndepărtarea finală prin flotaţie cu aer.

Separarea prin flotaţie a grăsimilor şi a uleiurilor se aplică:

94

Flotaţia 95

• în siderurgie pentru separarea din apa de răcire a laminoarelor; • la prelucrări mecanice pentru separarea din lichidele de

aşchiere; • la forjă, pentru separarea grăsimilor din apa de răcire; • în industria petrolului; • în atelierele de reparaţii, pentru epurarea apelor de spălare; • în industria alimentară, de prelucrare a cărnii (abatoare) şi a

peştelui, în industria producătoare de ulei, margarină, fabrici de conserve, pentru epurarea apelor uzate;

• în industria cosmetică şi a săpunului.

Flotaţia se aplică de asemenea pentru separarea fibrelor (dificil de filtrat şi decantat) din diferiţi efluenţi:

• în industria celulozei şi hârtiei; • în industria fibrelor de sticlă; • în industria textilă pentru epurarea apelor care conţin deşeuri de

fibre naturale sau sintetice (bumbac, lână, mătase, împâslitură); • în industria cauciucului.

Grăsimile separate sunt introduse în tancurile de tratare biologică sau pot fi arse.

Metoda flotaţiei este utilizată în industria minieră pentru concentrarea minereurilor, respectiv pentru separarea utilului de steril.

În industria alimentară flotaţia se aplică la rafinarea zahărului şi a mustului de struguri de suspensiile solide pe care le conţin.

O altă aplicaţie a flotaţiei o reprezintă îngroşarea nămolurilor active. Prin flotaţie se separă de asemenea etichetele şi foliile din

materialele plastice mărunţite în scopul reciclării mecanice a materialelor plastice. De asemenea permite separarea amestecurilor de polimeri mărunţiţi, pe baza diferenţei de densitate, în aceleaşi procese de reciclare mecanică a materialelor plastice.

95

Procedee fizico-mecanice de separare a poluanţilor 96

3.9. Aspecte comparative între sedimentare şi flotaţie

Alegerea sedimentării sau flotării ca metodă de separare a impurităţilor din apele uzate se face pe baza criteriilor tehnice şi economice.

În cazul flotării costurile de operare sunt mai ridicate decât în cazul sedimentării, datorită energiei necesare pentru producerea bulelor de aer. Pe de altă parte, cheltuielile legate de investiţii sunt mai mici, productivitatea separării este mai ridicată, iar gabaritul utilajelor este mai redus. Volumul de nămol produs prin flotaţie este de asemenea de (3–4) ori mai mic decât în cazul sedimentării, deoarece umiditatea nămolurilor rezultate se poate reduce mai repede şi mai uşor.

Separarea prin flotaţie este eficientă pentru apele uzate provenite din industria alimentară, industria celulozei şi hârtiei, etc., dar nu s-a dovedit suficient de eficientă în cazul tratării apelor de canalizare. De aceea cheltuielile sunt crescute şi din cauza necesităţii unor tratamente de coagulare - floculare înainte de flotaţie.

Separarea prin decantare are ca dezavantaje importante: umiditatea crescută a nămolului obţinut (98–99) % şi apariţia mirosului neplăcut din cauza unor fenomene de putrefacţie care au loc în apele uzate.

96