Bể tuyển nổi

Thực chất của quá trình tuyển nổi là dính kết phân tử của chất bẩn với bề mặt phân chia giữa khí và nước. Sự dính kết diễn ra được là do có năng lượng tự do trên bề mặt phân chia đó, và nhờ hiện tượng bề mặt đặt biệt gọi là hiện tượng tẩm ướt. Hiện tượng này xuất hiện ở nhữnh nơi tiếp xúc giữa ba pha( lỏng – rắn – khí), tức là xuất hiện theo chu vi tẩm ướt.
Trong nước các phần tử chất bẩn chỉ dính bám vào bề mặt bọt khí khi chúng không hoặc kém bị tẩm ướt đối với nước. Khả năng tẩm ướt một số chất lỏng nói chung tuỳ thuộc vào độ phân cực của nó. Độ phân cực của chất lỏng càng cao thì nó càng khó tẩm ướt đối với vật rắn. Nước có thể tẩm ướt tất cả các vật trừ một số mỡ hữu cơ.
Khả năng tẩm ướt của chất lỏng được đánh giá bằng giá trị của sức căng bề mặt của nó tại biên giới phân chia khí – lỏng, đồng thời bằng sự phân cực ở biên giới lỏng – rắn. Sức căng bề mặt của chất lỏng và hiệu phân cực càng nhỏ thì vật rắn càng dễ bị tẩm ướt.
Mức độ tẩm ướt chất lỏng đối với vật rắn ( khi tẩm ướt không hoàn toàn) được biểu thị bằng đại lượng gọi là góc tẩm ướt biên tính từ phía pha lỏng.
Góc này được đo bằng giọt nước rỏ trên bề mặt vật rắn khô bằng bọt không khí dính vào bề mặt vật rắn dưới giọt nước.
Khi chất bẩn dính vào bọt khí thì năng lượng bề mặt tự do sẽ thay đổi theo phương trình: W = s_1-2( 1 - cosq),
- s_1-2- năng lượng bề mặt ở biên giới phân chia nước và không khí.
- Đại lượng ( 1 - cosq) = F gọi là độ tuyển nổi. Đối với những hạt ưa nước q = 0; cosq = +1 thì F =0. Đối với những hạt kỵ nước q = 180^o , cosq = -1 thì F đạt giá trị tối đa: F = 2s_{1 –2}. Sự tương tác các hạt rắn với nước, giữa hạt với oxy hoà tan trong nước sẽ ảnh hưởng tới độ tẩm ướt (tức là tới sự dính kết của bọt khí với hạt rắn). Sự tương tác với oxy có thể làm tăng độ tẩm ướt do tạo thành lớp oxit, còn sự tương tác lưỡng cực của nước sẽ tạo ra một màng hidrat hoá ( dày tới 0,1 micromet), nên sẽ làm tăng độ tẩm ướt ngăn cản sự dính bám của bọt khí.
Có thể tạo thành các màng hidrat khi năng lượng liên kết giữa các cực của nước với nhau nhỏ hơn năng lượng liên kết giữa các cực của nước với bề mặt hạt rắn. Các màng hidrat rất mỏng (0 – 400 ) thì không cản trở sự dính kết của bọt khí.
Như vậy sự tẩm ướt là do tính chất của chất lỏng quyết định và phụ thuộc vào tính chất của chất rắn.
Đối với nước, chất rắn có thể chia thành các chất kỵ nước, ưa nước hay ở vị trí trung gian.
Những chất kỵ nước là những chất có cấu tạo phân tử theo kiểu không phân cực và do đó không có khả năng hidrát hoá. Chúng có độ tẩm ướt nhỏ nhất và do đó dễ tuyển nổi nhất. Hạt càng khó hidrat hoá thì màng hidrat càng dễ vỡ ra khi hạt đến gần bọt không khí, và do đó dễ dính vào bọt khí (vì ở trạng thái đó năng lượng tự do của hạt đạt giá trị nhỏ nhất ). Những chất ưa nước cấu tạo theo kiểu phân cực thì rất dễ hidrát hoá trong nước nên rất dễ bị tẩm ướt và không thể tuyển nổi được.
Những chất có cấu tạo phân tử kiểu dị cực (một đầu phân cực, một đầu không phân cực) thì phía nhóm phân cực sẽ có khả năng bị hidrat hoá, còn phía các nhóm hidrocacbon sẽ kỵ nước và có thể dính vào các bọt khí. Những chất như vậy đóng vai trò quan trọng trong việc tuyển nổi.
Đối với các hạt ưa nước, để có thể tuyển nổi được người ta tạo cho chúngtính kỵ nước. Muốn vậy người ta cho vào nước chất tập hợp tức là chất hoạt tính bề mặt với các phân tử phân cực và không phân cực. Những chất này sẽ hấp phụ lên bề mặt của hạt kỵ nước. Các nhóm hidrocacbon kỵ nước sẽ quay ra phía môi trường xung quanh tạo thành lớp hấp phụ và do đó làm hạt trở thành kỵ nước, tạo điều kiện tốt cho quá trình tuyển nổi.
Trong thực tế tuyển nổi, các chất tập hợp phổ biến nhất được phân ra theo cấu tạo của các nhóm ưa nước của chúng:
- Dầu mỡ và hỗn hợp các sản phẩm chế biến từ dầu, than đá, gỗ (dầu lửa keroxin, dầu mazut, nhựa,…);
- Axit với các gốc hidrocacbon( axit béo và muối của chúng natri oleat, axit naphtenoic, axit oleic, axit stearic, axit palminoic);
- Các hợp chất chứa lưu huỳnh hoá trị hai ở phần phân cực (mecaptan, xantozen, ditiocacbonat, tritiocacbonat, ditiophotphat,…);
- Các hợp chất chứa anion của axit sunfuaric ở phần có cực (ankylsunfat, ankylsunfonat,…);
- Các hợp chất chứa nitơ hay photpho ở nhóm phân cực(amin, muối amon, etanolamin, muối piridin,…);
Có thể tăng độ kỵ nước và độ tuyển nổi của các chất bằng nhiều cách khác nữa. Chẳng hạn, bằng cách hấp phụ phân tử khí hoà tan lên bề mặt của các hạt rắn. Việc hấp phụ như vậy ở mức độ nào đó sẽ giảm được độ hidrat hoá của các chất rắn. Song màng hidrat lại mất khả năng hoà tan và độ phân cực của nước sẽ càng tăng lên. Kết quả là phân tử khí rất khó khuyếch tán tới bề mặt các hạt đã bị hidrat hoá.
- Vấn đề tạo bọt khí và ổn định bọt khí. Việc tạo bọt khí có những kích thước nhất định và ổn định các bọt khí đó có ý nghĩa rất lớn đối với quá trình tuyển nổi.
Độ tuyển nổi phụ thuộc vào kích thước bọt khí. Tổng bề mặt của các bọt khí càng lớn nghĩa là diện tích tiếp xúc giữa chúng với các hạt chất bẩn càng lớn thì quátrình tuyển nổi diễn ra càng tốt, hiệu suất tuyển nổi càng cao.
Cùng một thể tích không khí trong một đơn vị thể tích nước nhưng nếu kích thước các bọt khí tồn tại khác nhau thì tổng bề mặt của chúng sẽ khác nhau. Nếu các bọt khí có kích thước lớn thì tổng bề mặt của chúng sẽ nhỏ hơn và hiệu suất tuyển nổi sẽ thấp hơn so với khi tạo ra các bọt khí có kích thước nhỏ hơn.
Kích thước các bọt khí tuỳ thuộc sức căng bề mặt ở biên giới phân chia nước – khí (1-2).
Như vậy khi tuyển nổi nước thải với sức căng bề mặt (ở biên giới phân chia nước – không khí ) càng thấp, chẳng hạn, nước thải chứa chất hoạt tính bề mặt – chát tạo bọt, thì tạo được các bọt khí nhỏ. Những chất tạo bọt sẽ hấp phụ trên bề mặt phân chia nước – không khí, trong đó phần phân cực của những chất này sẽ phản ứng với các phân tử nước, còn phần không phân cực sẽ hướng về pha khí, đồng thời tạo điều kiện tốt cho quá trình dính bám của các hạt chất rắn vào bọt khí.
Có nhiều chất hoạt tính bề mặt vừa có tính tập hợp vừa có tính tạo bọt. Trong nước thải có nhiều chất hoạt hoá hoặc cũng có nhiều chất khử quá trình tuyển nổi.

Các phương pháp tuyển nổi

1. Tuyển nổi phân tán không khí bằng thiết bị cơ học
Các trạm tuyển nổi vói phân tán không khí bằng thiết bị cơ học (tuabin hướng trục) được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực khai khoáng cũng như trong lĩnh vực xử lý nước thải. Các thiết bị kiểu này cho phép tạo bọt khí khá nhỏ.
2. Tuyển nổi phân tán không khí bằng máy bơm khí nén (qua các vòi phun, qua các tấm xốp).
- Tuyển nổi phân tán không khí qua các vòi phun : Thường được sử dụng để xử lý nước thải chứa các tạp chất tan dễ ăn mòn vật liệu chế tạo các thiết bị cơ giới (bơm, tuabin) với các chi tiết chuyển động.
- Tuyển nổi phân tán không khí qua tấm xốp, chụp xốp.
+ Tuyển nổi không khí qua tấm xốp, chụp hút có ưu điểm so với các biện pháp tuyển nổi khác, cấu tạo các ngăn tuyển nổi giống như cấu tạo của aeroten, ít tốn điện năng, không cần thiết bị cơ giới phức tạp, rất có lợi khi xử lý nước thải có tính xâm thực cao.
+ Khuyết điểm của biện pháp tuyển nổi này là : các lỗ của các tấm xốp, chụp xốp chống bị tắt làm tăng tổn thất áp lực, khó chọn vật liệu xốp đáp ứng yêu cầu về kích thướt các bọt khí.
3. Tuyển nổi với tách không khí từ nước (tuyển nổi chân không ; tuyển nổi không áp; tuyển nổi có áp hoặc bơm hỗn hợp khí nước).
Biện pháp này được sử dụng rộng rãi với nước thải chứa chất bẩn kích thướt nhỏ vì nó cho phép tạo bọt khí rất nhỏ. Thực chất của biện pháp này là tạo ra một dung dịch (nước thải) bão hoà không khí. Sau đó không khí tự tách ra khỏi dung dịch ở dạng các bọt khí cực nhỏ. Khí các bọt khí này nổi lên bề mặt sẽ kéo theo các chất bẩn.
Tuyển nổi với tách không khí từ nước phân biệt thành : tuyển nổi chân không, tuyển nổi không áp, tuyển nồi có áp hoặc bơm hỗn hợp khí - nước.
4. Tuyển nổi điện, tuyển nổi sinh học và hoá học.
a) Tuyển nổi điện
Khi dòng điện một chiều đi qua nước thải, ở một trong các điện cực (catot)sẽ tạo ra khí hydro. Kết quả nước thải được bão hoà bởi các bọt khí và khi nổi lên kéo theo các chất bẩn không tan tạo thành váng bọt bề mặt. Ngoài ra nếu trong nước thải chứa các chất bẩn khác là các chất điện phân thì khi dòng điện đi qua sẽ làm thay đổi thành phần hoá học và tính chất của nước, trạng thái các chất không tan do có các quá trình điện ly, phân cực, điện chuyển và oxy hoá khử xãy ra.
Cường độ của các quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố:
- Thành phần hoá học nước thải
- Vật liệu các điện cực (tan hoặc không tan)
- Các thông số của dòng điện : điện thế, cường độ, điện trở suất.
b) Tuyển nổi sinh học và hoá học
Dùng để cô đặc từ bể lắng dợt 1 . Cặn từ bể lắng đợt 1 được tập trung vào một bể đặc biệt vào được đun nóng tới nhiệt độ 35 – 55oC trong vài ngày. Do sinh vật phát triển làm lên men chất bẩn tạo bọt khí nổi lên, kéo theo cặn cùng nổi lên bề mặt, sau đó gạt vớt lớp bọt. Kết quả cặn giảm được độ ẩm tới 80 %.