ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИТА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФЛОТАЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ. ОБЗОР РАБОТ

Еськин А.А.¹, Ткач Н.С.², Амёхина А.В.³, Слепенчук А.А.³

¹Ассистент; ²магистрант; ³студент кафедры Инженерных систем зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет.

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИТА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФЛОТАЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ. ОБЗОР РАБОТ

Аннотация Рассмотрены особенности гетерокоагуляции частицы и пузырька при флотационной очистке сточных вод. Проведен обзор работ посвященных влиянию электролита на величину ζ-потенциала частицы и пузырька. Рассмотрено влияние на ζ-потенциал акустических колебаний и микроволнового излучения. Установлено, что изменение уровня солесодержания очищаемой жидкости является перспективным способом интенсификации флотационной доочистки.

Ключевые слова: флотация, электролит, солесодержание, дзета-потенциал, пузырек.

EskinA.A.¹, Tkach N.S.², Amyokhina A.V.³, Slepenchuk A.A.³

¹assistant lecture; ²master's degree student; ³student of department Engineering systems of buildings and constructions, Far Eastern Federal University.

THE INFLUENCE OF THE ELECTROLYTE CONCENTRATION ON THE EFFICIENCY OF FLOTATION RECOVERY. AN OVERVIEW OF RECENT WORK

Abstract The features of heterocoagulation of particle and bubble in wastewater flotation treatment were described. The review of works that are devoted to the influence of the electrolyte on the value of ζ-potential of the particle and bubble was made. The influence of acoustic oscillations and microwaves on the ζ-potential was considered. There was found that the level change of salinity of treating fluid is perspective method of intensification of flotation after purification.

Keywords: flotation, electrolyte, salinity, zeta potential, bubble.

На сегодняшний день флотация является одним из наиболее эффективных способов доочистки сточных нефтесодержащих вод [5, 12, 24, 18]. В связи с этим перспективной задачей оказывается повышение степени извлечения нефтесодержащих частиц при снижении эксплуатационных затрат. Пути решения данной задачи можно получить в результате теоретического исследования особенностей закрепления частицы на поверхности пузырька.

Существуют две принципиально разные схемы закрепления частицы на поверхности пузырька. Крупные частицы, размером более 100 мкм, закрепляются на поверхности пузырька за счет формирования трехфазного периметра смачивания, который может противостоять гравитационным и гидродинамическим силам отрыва (стоит отметить, что для частицы размером 100 мкм силы отрыва в 10⁶ раз больше, чем для частицы размером 1 мкм [3, с.15]). Данный механизм флотации, получивший название контактной флотации, имеет место при обогащении минеральных руд и отдельные его вопросы, связанные с влиянием реагентов на изменение краевого угла смачивания и гидрофобизацию поверхности минеральных частиц, рассмотрены в работах [7, 11, 6, 4].

При флотации частиц размером меньше 100 мкм действует механизм бесконтактной флотации, при котором не формируется трехфазный периметр смачивания, а частица закрепляется на поверхности пузырька за счет поверхностных сил: молекулярной силы притяжения и электростатической силы взаимодействия двойных электрических слоев (ДЭС) частицы и пузырька. Вопросы строения ДЭС, мицеллы, агрегативной и кинетической устойчивости коллоидных систем рассмотрены в работах [13, 2, 1]. В работах [9, 10] рассмотрены различные модели обратных мицелл и микроэмульсий вода-масло, установлено, что механизм мицеллообразования в неполярной среде происходит за счет изменения энтальпии системы, в то время как в водной системе основную роль играет энтропийный (гидрофобный) эффект.

При доочистке нефтесодержащих вод средний диаметр частиц водонефтяной эмульсии составляет 2-8 мкм [14, с. 17], поэтому именно механизм бесконтактной флотации представляет особый интерес.

Как правило, пузырек и частица имеют одинаковый заряд, при этом флотацию можно обеспечить двумя способами – введением в систему ПАВ, либо введением индифферентных электролитов.

При введении катионоактивных ПАВ можно значительно снизить отрицательный потенциал поверхности частицы, что может привести к коагуляции. Влияние ПАВ на эффективность флотационного разделения изучено в работах [30, 27]. Добавление определенного количества ПАВ может значительно повысить степень очистки нефтесодержащих вод, одновременно с этим использование ПАВ негативно сказывается на конечном составе очищаемой жидкости и требует дополнительных эксплуатационных затрат. Более целесообразно повышать эффективность флотационного выделения введением в систему индифферентных электролитов.

Электролиты оказывают сильное влияние на кинетику процесса флотационного разделения фаз эмульсий. Экспериментальное исследование этого влияния на установке с диспергированием воздуха пористой перегородкой показало, что добавки электролитов повышают эффективность процесса, причем сила действия электролитов возрастает в ряду NaNO₃<NaCl<CaCl₂<AlCl₃ [3, стр.73]. В присутствии электролитов не только увеличивается скорость флотационного извлечения эмульгированных нефтепродуктов, но и уменьшается их конечная концентрация в воде. Влиянием электролитов объясняется так же тот факт, что флотационное выделение из морской воды протекает значительно интенсивнее, чем из пресной.

Характер влияния электролитов на процесс флотационного выделения из воды тонкодисперсных частиц определяется, в основном, характером их влияния на величину и знак заряда частицы и пузырька, а так же на толщину ДЭС, определяемую значением ζ-потенциала [23]. Толщина ДЭС при введении индифферентных электролитов (не способных достраивать кристаллическую решетку коллоидной частицы) снижается, при этом уменьшается и ζ-потенциал. Доказано, что с увеличением количества введенных электролитов коллоидная система может перейти в изоэлектрическое состояние (ζ=0). При таком условии суммарная сила притяжения между частицей и пузырьком способна принимать положительные значения, а вероятность гетрокоагуляции максимальна.

В работе [8] методом фильтрации через трековые мембраны, исследована агрегативная устойчивость водных дисперсий сульфатного лигнина в растворах NaCl и СaCl₂. Введение солей приводит к росту эффективности задержки сульфатного лигнина, которая становится значительно более высокой в случае СaCl₂. Данные результаты связаны со сжатием ДЭС и согласуются с изложенной выше теорией.

Падение ζ-потенциала капли нефти в воде при добавлении карбоната натрия исследовано в работе [17] (рис.1).

Рис. 1. Зависимость ζ-потенциала (Zeta Potential) капли нефти в воде от концентрации карбоната натрия (Na2CO3) [17].

Электролиты также могут оказывать влияние на величину пузырьков и скорость их всплытия. В работе [15] показано, что с увеличением уровня солесодержания уменьшается размер пузырьков, полученных при струйном аэрировании жидкости. Схожие данные получены в работе [21]. При экспериментальном определении площади поверхности раздела жидкой и воздушной фаз (а) было установлено, что для питьевой воды а≈10 м²/м³, для воды с массовым солесодержанием 1% а≈10² м²/м³, для воды с массовым солесодержанием 3% а≈10³ м²/м³. В работе [20] исследовано влияние концентрации электролита на средний диаметр пузырьков полученных при резком падении давления в трубке малого диаметра. При добавлении в воду 50 млн^-1 электролита средний диаметр пузырьков уменьшился с 257 мкм до 182 мкм. Кроме этого добавление электролита снижает коалесценцию пузырьков.

Практический интерес для повышения эффективности флотационного извлечения может представлять воздействие различных физических полей на величину ζ-потенциала.

Воздействие акустических колебаний на частицу в коллоидной системе приводит к двум последствиям: изменению электрического сопротивления среды и появлению разности потенциалов между точками, расположенными на различных расстояниях от источника излучения упругих волн, в результате чего наблюдается уменьшение толщины ДЭС, причем тем сильнее, чем выше частота колебаний [16].

В работе [22] к исходной водонефтяной эмульсии добавляли искусственную морскую воду, и подвергали микроволновому излучению мощностью 700 Вт в течении 40 мин. При этом остаточная концентрация нефтепродуктов в воде с ростом солесодержания очищаемой жидкости заметно снижается. Данный эффект объясняется снижением вязкости эмульсии, а также уменьшением ζ-потенциала за счет дополнительного теплового движения катионов, входящих в состав морской воды, вокруг частиц нефтепродуктов.

Вышеперечисленные работы относятся главным образом к определению ζ–потенциала частицы нефтепродуктов в воде, в то же время необходимо знать и влияние солесодержания на величину ζ–потенциала пузырька.

В работе [25] описан метод определения величины ζ–потенциала нанопузырька, выделившегося из пересыщенного раствора электролита, с помощью лазерного электрофореза. Наблюдается увеличение ζ–потенциала пузырька с увеличением солесодержания, причем сила действия электролитов возрастает в ряду NaCl<CaCl₂<Al₂(SO₄)₃ (рис.2).

Рис.2. Зависимость (штриховая линия) ζ–потенциала пузырька (Zeta Potential) от солесодержания (Salt Concentration) [25].

Результаты экспериментов по определению ζ–потенциала пузырька в присутствии ПАВ и пенообразователей представлены в работах [18, 19]. Анионные полимеры увеличивают отрицательный заряд пузырька, катионные полимеры и неионогенные ПАВ делают возможным приобретение пузырьком положительного заряда [25].

Исследование влияния хлорида кальция и различных коагулянтов на эффективность очистки нефтесодержащей жидкости представлено в работе [29]. Выявлено, что увеличение в очищаемой жидкости концентрации хлорида калия способно повысить скорость извлечения нефтепродуктов, до уровня соответствующего применению специальных флокулянтов (полиакриламида и полиэпихлогидриндиметиламин) (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость скорости извлечения (removal rates) нефтепродуктов (oil) от концентрации хлорида кальция (СaCl₂ dosage) в очищаемой жидкости [29].

В работе [10] проводилось исследование очистки от нефтепродуктов пластовых вод коагуляцией. Согласно полученным результатам величина ДЭС не зависит от концентрации в воде различных ионов, а зависит только от вида растворенных нефтепродуктов. При этом общее солесодержание воды, по заключению авторов, практически не влияет на эффективность флотационного извлечения (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость остаточной концентрации нефтепродуктов после коагуляции (C_e) от солесодержания (Salinity) очищаемой жидкости [28].

Представленный обзор работ по влиянию концентрации электролита на величину ζ–потенциала частицы и пузырька показывает, что с ростом солесодержания очищаемой жидкости уменьшается ζ–потенциал частицы и возрастает ζ–потенциал пузырька. Сочетание этих двух факторов приводит к росту эффективных актов гетерокоагуляции, следовательно, для повышения степени очистки сточных вод ТЭЦ и предприятий хранения и транспортировки нефтепродуктов целесообразно к очищаемой жидкости добавлять морскую воду или продувочную воду котлов. Перспективным оказывается дальнейшее теоретическое исследование процесса гетерокоагуляции частицы и пузырька в присутствии электролитов и ПАВ, с целью определения оптимальной концентрации вводимых в систему электролитов в зависимости от их химического состава и физико-химических особенностей очищаемой жидкости. Кроме этого перспективной оказывается дальнейшее изучение влияния ультразвукового и микроволнового излучения на эффективность флотационного разделения.

Исследование выполнено при поддержке Программы «Научный фонд» ДВФУ, грант № 12-08-13023-м-18/13.