ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 5, с. 489-495
УДК 66.011
НЕКОТОРЫЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МИКРОФЛОТАЦИИ © 2015 г. Е. А. Дмитриев, В. А. Колесников, А. М. Трушин, В. А. Бродский, Р. Б. Комляшев
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
rareran@mail.ru Поступила в редакцию 26.01.2015 г.
Применительно к микрофлотации рассмотрены гидромеханические аспекты генерации дисперсной газовой фазы электрохимическим способом и с помощью трубчатых микрофильтрационных мембран при инерционном воздействии жидкой фазы, а также стесненное движение сферических газовых частиц в поле силы тяжести. Предложены экспериментально проверенные уравнения для расчета среднего диаметра и скорости стесненного движения сферических газовых пузырьков.
Ключевые слова: микрофлотация, электрофлотация, компрессионная микрофлотация, гидромеханические процессы, генерация микропузырьков, трубчатые микрофильтрационные мембраны, газосодержание, стесненное движение.
Б01: 10.7868/80040357115050036
ВВЕДЕНИЕ
Развитие флотации как технологического процесса было связано в первую очередь с очисткой минералов и обогащением руд. Измельченные (примерно до 0.3 мм) металлические руды и некоторые неметаллические ископаемые обрабатываются флотационными реагентами, которые сообщают поверхности частиц способность "прилипания" к газовым пузырькам. Последние, захватывая твердые частицы, поднимаются вверх в виде фло-токомплексов и удаляются в составе пены. Флотационные машины для этих целей представляют собой агрегаты, где с помощью механического и (или) воздушного перемешивания измельченная руда превращается в водную суспензию с содержанием твердой фазы от 15 до 30 мас. %. Нецелевые минералы не флотируются и оказываются в нижней части.
В связи с решением актуальных задач охраны окружающей среды, в частности, обезвреживания жидких техногенных отходов, проблемами водо-подготовки и водоочистки, флотация получила свое дальнейшее развитие как технологический процесс очистки жидких сред с небольшой концентрацией твердых или жидких частиц в дисперсии. При этом в силу малых размеров удаляемых частиц газовую дисперсную фазу при микрофлотации получают в виде ансамбля пузырьков с размерами от 10 до 140 мкм с газосодержванием до 10%.
ДИСПЕРГИРОВАНИЕ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
Генерацию микропузырьков в микрофлотации обычно осуществляют электрохимическим или компрессионным способами. В первом случае — при помощи, как правило, нерастворимых элек-
тродов (электрофлотационный процесс). Во втором — переводом газа в дисперсную фазу с помощью различных пористых материалов (компрессионная микрофлотация).
Основой электрофлотационного процесса является электролиз воды, генерирующий газовый поток водорода и кислорода, как правило, на катодах из нержавеющей стали и анодах на основе титана с электропроводным оксидным покрытием [1]. Компрессионную флотацию можно реализовать с помощью керамических, стеклянных или металлических мембран [2, 3].
Управление размерами пузырьков и газосодержанием при электрофлотации осуществляется выбором кривизны электродов и плотности электрического тока. Так, если с катода диаметром 1.5 мм выделяются пузырьки водорода с размерами 40— 120 мкм, то на катоде диаметром 0.4 мм образуются пузырьки с размерами 20—40 мкм [1]. Число пузырьков водорода N в единице объема дисперсии авторы работы [1] предлагают определять из соотношения
N = У , (1)
пй рсйф
где А, — электрохимический эквивалент водорода, кг/(А с); т — продолжительность электрофлотационного процесса, с; d — диаметр пузырька, м; р0 — плотность водорода, кг/м3; Нф — высота слоя обрабатываемой жидкости над электродным блоком, м; i = Т/Б — катодная плотность тока, А/м2; I— сила тока, А; Б — площадь поперечного сечения установки в горизонтальной плоскости, м2.
d, мкм 70 г
60 -
50 -
40 -
30 -
20 -
10 -
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
М>, м/с
Рис. 1. Зависимость диаметра образующихся микропузырьков от средней скорости жидкости (воды) в канале мембраны: 1 — керамическая мембрана с do = = 2.6 мкм и внутренним диаметром 6 мм (данные работы [5]), 2 — стеклянная мембрана с do = 2.23 мкм и внутренним диаметром 5.6 мм (данные работы [6]),
3 — керамическая мембрана с do = 0.5 мкм (данные работы [5]), 4 — стеклянная мембрана с do = 0.55 мкм (данные работы [6]), сплошные линии 1—4 построены по уравнению (2).
Кроме того, на размер газовых пузырьков оказывает влияние состав электролита, рН среды, наличие ПАВ и другие факторы.
В случае диспергирования газовой фазы с помощью мембран размер газовых пузырьков зависит не только от размеров пор мембраны, но и от характера барботажа: в неподвижную или движущуюся жидкую фазу. При микробарботаже в неподвижную жидкость размер микропузырьков оказывается в несколько раз больше, чем при диспергировании в движущуюся жидкую фазу [4]. В случае течения над мембраной жидкой фазы основное влияние на механизм отрыва микропузырьков оказывает сила инерционного воздействия жидкости. Нами была предложена математическая модель образования микропузырьков при диспергировании газа через поры микрофильтрационных мембран [5]. Модель базируется на составлении баланса сил трения, возникающих в результате инерционного воздействия движущейся жидкой фазы, сил поверхностного натяжения и нормальных сил взаимного давления образующихся микропузырьков. В силу малых размеров и наличия в жидкости ПАВ пузырьки имеют заторможенную поверхность. Поэтому для определения коэффициента гидравлического трения ансамбль пузырьков на поверхности рассматривается как
зернистая шероховатость. Подъемная сила не принималась во внимание вследствие малости по сравнению с вышеуказанными силами. В результате для среднего диаметра микропузырьков d было получено соотношение
1
2
, (2)
где а — поверхностное натяжение, Н/м; d0 — средний диаметр пор мембраны, м; X — коэффициент гидравлического трения; pL — плотность жидкой фазы, кг/м3; м — средняя скорость жидкости в канале, м/с; К, п — эмпирические константы.
Таким образом, диаметр образующихся микропузырьков зависит от поверхностного натяжения жидкости, размеров пор мембраны, плотности жидкой фазы, и находится в сложной зависимости от средней скорости потока в канале трубчатой мембраны. Кроме того, значения эмпирических коэффициентов К и п зависят от пористости мембраны, распределения пор мембраны по размерам и шероховатости мембранной поверхности.
Полученное соотношение было проверено собственными экспериментами [5] и данными других авторов [6] для керамических и стеклянных трубчатых мембран в диапазоне средних скоростей жидкой фазы (воды и водных растворов) от 0.5 до 3.5 м/с. При этом найдено, что отклонение теоретических кривых от экспериментальных результатов не превышает 8.6%. Типичные кривые приведены на рис. 1. Общей закономерностью для керамических и стеклянных мембран является сильная зависимость размера образующихся микропузырьков от скорости жидкости в канале при низких скоростях (0.5—1 м/с) и весьма слабая при сравнительно высоких. При скоростях выше 2 м/с, что соответствует числу Яе > 12000, диаметр пузырьков практически перестает зависеть от скорости жидкой фазы.
Анализ полученных данных показал, что значения коэффициентов К для керамических мембран с различным диаметром пор достаточно близкие, в то время как показатель степени п для мембраны со средним диаметром пор d0 = 0.5 мкм в несколько раз ниже, чем для мембраны с d0 = 2.6 мкм. Это можно объяснить тем, что выступы шероховатости керамических мембран экранируют пузырьки малого диаметра, в результате чего снижается силовое воздействие мелких пузырьков на крупные, интенсифицированное силой трения. Аналогичный эффект снижения инерционного воздействия на микрокапли в результате влияния шероховатости отмечен в работе [7], посвященной получению эмульсий с помощью керамических мембран. Снижение воздействия силы трения с уменьшением размеров микропузырьков под-
—___□___□
J_I_I_I_I.
й =
<зй 0 2 + 64лК^п)
(р^2) + 64 (Къп)2
d, мкм
Рис. 2. Дифференциальная функция распределения по размерам пузырьков водорода, полученных на никелевом катоде при плотности тока: 1 - 50 А/м2, 2 - 200 А/м2.
0, %
0.035
0.030 - ГУ
0.025 - 1
0.020 - 1 2\\
0.015 - |
0.010 - /
0.005 1 1 1 —о1 " 1
0 20 40 60 80 100 120
d, мкм
Рис. 3. Дифференциальная функция распределения по размерам пузырьков водорода, полученных на цинковом катоде при плотности тока: 1 - 50150 А/м2, 2 - 250 А/м2.
тверждает и тот факт, что рост пузырьков малого размера (<20 мкм) происходит внутри ламинарного подслоя, где скорость жидкости невелика и мало изменяется при возрастании скорости в ядре потока. Влияние шероховатости на средний диаметр пузырьков особенно заметно при сравнении экспериментальных данных, полученных на керамических и стеклянных мембранах (рис. 1). Для мембран с крупными порами (кривые 1, 2) диаметры микропузырьков, полученных на сравнительно шероховатых керамических и гладких стеклянных мембранах, отличаются значительно меньше, чем для мембран с мелкими порами (кривые 3, 4).
Следует отметить, что информации о среднем диаметре микропузырьков недостаточно для детального описания гидродинамических процессов при флотации и электрофлотации, а данных по распределению микропузырьков по размерам в литературе мало. В [1] представлены интегральные функции распределения пузырьков водорода по размерам, полученные при различных плотностях тока на никелевых и цинковых катодах. Дифференциальные кривые на рис. 2 и 3 получены из интегральных распределений [1]. Как показали проведенные исследования, для катода на основе никеля характерно наличие более однородных пузырьков с диаметром 35-50 мкм, в то время как для цинкового катода наблюдается большая их полидисперсность с интервалом изменения от 15 до 70 мкм. Наличие в воде растворимых и нерастворимых примесей может влиять на дисперсный состав газовой фазы. Как правило, примеси сни-
жают размер пузырьков и стабилизируют газожидкостную дисперсию. Обнаружено, что гидрок-сиды металлов ^е3+, Сг3+, Си2+, №2+, /п2+) обладают достаточно высоки
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.