Intensification of flotation cleaning of oil-contaminated water by the preliminary ultrasound activation reagent

Full Text

Год от года увеличивающиеся масштабы использования нефти делают все более актуальной проблему очистки сточных вод, загрязненных нефтепродуктами. Количество таких стоков увеличивается, а требования к степени очистки ужесточаются. Традиционно используемые методы очистки воды не в состоянии удовлетворить современным требованиям по охране окружающей среды, энерго- и ресурсосбережению [1]. Одним из наиболее эффективных способов очистки сточных вод является реагентная флотация с использованием алюмокремниевого флокулянта – коагулянта (АКФК), получаемого на основе алюмосиликатного сырья с pH дисперсионной среды 1,5 - 2 [1-3]. В этом процессе осуществляется весьма интенсивное взаимодействие скоагулированных агрегатов частиц загрязнений с пузырьками воздуха. Рассмотрим возможность образования таких флотационных комплексов с точки зрения теории ДЛФО [4, 5], применение которой в данном случае представляется вполне обоснованным [6]. Потенциальная энергия U взаимодействия двух объектов дисперсной фазы представляет собой сумму следующих составляющих: , (1) при этом: (2) (3) где: UE – электростатическая составляющая (обусловлена отталкиванием одноименно заряженных ионов), Дж; UM – молекулярная составляющая (обусловлена силами притяжения Ван-дер-Ваальса), Дж; r – радиус агрегата, м; φ1, φ2 – потенциалы поверхностей соответствующих частиц, В; h – расстояние между объектами, м; А*123 – константа Гамакера для взаимодействия двух частиц различной природы (индексы 1 и 2) через прослойку дисперсионной среды (индекс 3), Дж; κ – параметр Дебая, м-1. Потенциальная кривая парного взаимодействия агрегата с пузырьком воздуха, представленная на рисунке 1 рассчитана в соответствии с уравнениями (1-3) на основании исходных данных, приведенных в таблице 1. Рисунок 1 – Зависимость потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между агрегатами частиц и пузырьками воздуха Как видно из графика на рисунке 1, в рассмотренном диапазоне расстояний между агрегатами частиц и пузырьками воздуха h величина потенциальной энергии взаимодействия U меньше нуля. Это свидетельствует об отсутствии в данном случае потенциального барьера при взаимодействии данных объектов, и возможности их беспрепятственного сближения в области ближнего потенциального минимума с образованием флотационного комплекса. Таблица 1 Исходные данные для расчета энергии парного взаимодействия агрегата с пузырьком воздуха Данные Агрегат Пузырек воздуха Константа Гамакера, Дж ∙ 1020 5,0 1,2 Поверхностный потенциал, В 0,000 -0,091 Радиус агрегата, м 10-5 Плоскость В последнее время интенсификация процесса реагентной флотации нефтезагрязненных вод с использованием АКФК достигается за счет применения ультразвукового (УЗ) воздействия [7-9]. Несмотря на значительные затраты энергии, ультразвук, вследствие способности стимулировать разнообразные физико-химические процессы, получил широкое распространение в промышленности. Сложность использования мощного ультразвука для интенсификации процессов очистки поверхностных и производственных стоков до незначительных предельно допустимых концентраций (ПДК) нефтепродуктов заключается в том, что при этом подвергаются ультразвуковой обработке их большие объемы, а потери энергии на создание ультразвуковых колебаний среды непомерны по сравнению с достигаемым эффектом. С целью снижения энергозатрат нами выполнены исследования, направленные на модернизацию технологии флотационной очистки нефтезагрязненных сточных вод с применением АКФК, предусматривающую предварительную кратковременную ультразвуковую обработку только сравнительно малых объемов указанного реагента с последующим вводом его в загрязненный поток, поступающий во флотационную камеру. В лабораторных экспериментах осуществлялась очистка модельных эмульсий нефтепродуктов в водопроводной воде и проб реального поверхностного стока, в том числе при пониженных температурах и применением флокулянта «Праестол 853BC», а также искусственно дополнительно загрязненных нефтепродуктами. Диапазон изменения концентрации нефтепродуктов составил от 1,4 до 500 мг/л. Рисунок 2 – Зависимость степени очистки от времени выдержки АКФК, после однократной УЗ обработки (t = 1 мин., I =37 Вт/см2) Установлено существенное повышение степени очистки загрязненных вод от нефтепродуктов после предварительной кратковременной УЗ обработки АКФК с акустической мощностью 37 Вт/см2 в течение 1 мин. Как показано на рисунке 2, повышенная активность АКФК после УЗ обработки сохраняется в течение не менее 72 часов. Для выявления закономерностей флотационной очистки в данном случае целесообразно проанализировать механизмы УЗ активации АКФК и взаимодействия указанного реагента с частицами дисперсной фазы. В связи с тем что в состав АКФК входит коллоидная фракция [1, 2], на поверхности раздела фаз в кислой среде предполагается присутствие ионов Al3+ и их гидроксокомплексов. Под УЗ воздействием происходит диссоциация нерастворимых соединений алюминия и указанных гидроксокомплексов с разрывом связи Al-O на поверхности коллоидных частиц с образованием катионов: Al3+, Al(OH)2+, Al(OH)+2. При этом количество ионов Al3+ на поверхности дисперсной фазы (и, следовательно, её заряд) возрастают [8, 9]. С течением времени за счет диффузии ионов Al3+ в дисперсионную среду, активность АКФК может снижаться. Суммарный заряд АКФК (исходного и активированного) определяется исходя из экспериментально определенных значений ζ – потенциала АКФК (4 мВ и 12 мВ, соответственно), распределения по крупности частиц дисперсной фазы и концентрации ионов Al3+. Потенциал поверхности φ0 в соответствии с литературными данными рассчитывается следующим образом [10]: (4) где: (5) φ0 – потенциал поверхности, В; φ – текущее значение потенциала, В; ζ – величина электрокинетического потенциала, В; ē – заряд электрона (1,6·10-19 Кл); z – заряд иона, Кл; k – постоянная Больцмана (1,38·10-23 Дж/К); T – абсолютная температура (298 K); В – безразмерная величина; С – концентрация для данного электролита, моль/л; С0 – максимальное значение С для данного электролита, моль/л. Согласно теории плоского конденсатора [4] поверхностный заряд рассчитывается по уравнению: (6) где: qs – поверхностный заряд; ε – относительная диэлектрическая проницаемость (для воды при Т=298 К: ε =80); ε0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость (8,85·10-12 Ф/м); δ – толщина адсорбционного слоя (~1 нм [5]). Взаимодействие коллоидной фракции АКФК с частицами загрязнений, имеющих отрицательный поверхностный заряд, обеспечивает полную компенсацию заряда их поверхности. Это в свою очередь обусловливает беспрепятственную коалесценцию с образованием агрегатов. В связи с тем что суммарный заряд АКФК в данном случае меньше суммарного заряда загрязнений, некоторые частицы загрязнений не взаимодействуют с АКФК. Их заряд в данном случае не изменяется, и они остаются в агрегативно устойчивом состоянии. Установлено, что активированный АКФК обеспечивает при прочих равных условиях степень очистки воды 91,3 % по сравнению с 82,8 % без УЗ воздействия. Эксперименты с использованием предварительно активированных реагентов позволили разработать и испытать с применением АКФК автономный пилотный блок УЗ реагентной флотации. Его принципиальная аппаратурно-технологическая схема представлена на рисунке 3. Рисунок 3 – Аппаратурно-технологическая схема флотационной очистки сточных вод с применением активированного коагулянта: 1 – гидродинамический излучатель; 2 – насос; 3 – ультразвуковой реактор; 4 – емкость коагулянта; 5 – емкость флокулянта; 6 – флотационный аппарат; 7 – гидродинамический кавитатор; 8 – емкость для сбора очищенной воды Эффективность предложенной схемы наглядно иллюстрируется помещенными в таблице 2 результатами очистки модельных вод и поверхностных стоков, поступающих в р. Москву в районе Краснопресненской набережной, на оснащенном УЗ реактором промышленного типоразмера пилотном стенде, представленном на рисунке 4. Таблица 2 Качество реагентной очистки сточных вод с УЗ воздействием Нефтезагрязненные воды Концентрация нефтепродуктов, мг/л Марка реагента Степень очистки, % До очистки После очистки Модельная смесь 500 12,9 Праестол 97,4 Модельная смесь 500 11,6 АКФК 97,7 Модельная смесь 500 11,4 АКФК, Праестол 97,7 Поверхностный сток 51,4 9,4 Праестол 81,7 Поверхностный сток 51,4 9,1 АКФК 82,3 Поверхностный сток 51,4 1,9 АКФК Праестол 96,3 Выводы Экспериментально установлена возможность интенсификации флотационной очистки нефтезагрязненных стоков за счет предварительной УЗ активации реагентного комплекса АКФК. С применением АКФК при очистке нефтезагрязненных стоков формируются скоагулированные агрегаты частиц загрязнений, образующие при флотации устойчивые флотационные комплексы. В процессе лабораторных опытов зарегистрировано существенное увеличение степени очистки загрязненных вод с концентрацией нефтепродуктов 25 мг/л после предварительной кратковременной УЗ обработки АКФК (20 мг/л по Al2O3) с акустической мощностью 37 Вт/см2 в течение 1 мин. Повышенная активность АКФК после УЗ обработки сохраняется в течение не менее 72 часов. При этом достигнуто увеличение степени очистки до 10 %. Рисунок 4 – УЗ реактор в составе пилотного стенда Показано, что обработка АКФК УЗ обеспечивает повышение поверхностного заряда этого реагента примерно в 3 раза. Понижение активности обработанного УЗ АКФК с течением времени объясняется диффузией ионов Al3+ в дисперсионную среду. Разработан и испытан с применением АКФК автономный пилотный блок УЗ реагентной флотации с УЗ реактором промышленного типоразмера.

About the authors

I. Z Aitova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: aitova.inzilya@gmail.com. +

G. B Veksler

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.

G. Y Golberg

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.

M. S Mullakaev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: mullakaev@mail.ru
Dr. Eng.

References

Supplementary files