1. Mục đích, nguyên tắc của phương pháp tuyển nổi

1.1. Mục đích

Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng hạt rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, khả năng tự lắng kém ra khỏi pha lỏng. Trong một số trường hợp quá trình này cũng dùng tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt. Quá trình như vậy được gọi là quá trình tách hay làm đặc bọt. Trong xử lý nước thải về nguyên tắc dùng để loại bỏ chất rắn lơ lửng hoặc dầu mỡ ra khỏi hỗn hợp nước thải và cô đặc bùn sinh học.

1.2. Nguyên tắc tuyển nổi

Tuyển nổi là quá trình tách các tạp chất rắn không tan hoặc tan có tỉ trọng nhỏ hơn tỉ trọng của chất lỏng làm nền bằng cách sử dụng các chất hoạt động bề mặt hoặc các chất thấm ướt. Nếu sự khác nhau về tỉ trọng đủ để tách gọi là tuyển nổi tự nhiên.

1.3. Cơ sở khoa học

Những cơ sở lý thuyết cơ bản về tuyển nổi dựa trên thành tựu nghiên cứu hóa lý hiện đại. Ngày nay, người ta dựa trên cơ sở lý thuyết để điều khiển quá trình công nghệ tuyển nổi cũng như có thể điều chỉnh tỷ lệ thành phần các cấu tử tạo ra chất tuyển nổi phù hợp với tính chất của từng hỗn hợp cần tuyển.

Ðể giải thích sự bám dính của thành phần cần tuyển nổi lên bề mặt bọt khí tạo ra bởi chất tuyển nổi và nổi lên bề mặt hỗn hợp, người ta đưa ra nhiều giả thuyết giải thích bằng hoá học lượng tử giữa mức năng lượng của các orbital đầy điện tử của tác nhân tuyển nổi với orbital trống của thành phần cần tuyển nổi, hoặc là giải thích bằng mô hình orbital phân tử.

Tóm lại, ngày nay người ta phân biệt ba loại cơ chế cơ bản về sự bám dính của các tác nhân tuyển nổi lên bề mặt thành phần tuyển nổi: Sự hấp phụ do lực tĩnh điện, sự hấp phụ hoá học, sự hấp phụ vật lý.

Trong đó sự hấp phụ hoá học là quan trọng hơn cả vì nó quyết định tính chọn riêng và tính tập hợp của chất tuyển nổi với một thành phần cần tuyển nổi nhất định mà những tính chất này được quyết định bởi độ dài, cấu trúc của hidrocabon, cấu tạo của nhóm chức và thành phần tỉ lệ của các cấu tử có mặt trong hệ thống chất tuyển nổi.

Sự hấp phụ hoá học được xảy ra do sự hình thành có liên kết phối trí giữa chất tuyển nổi và thành phần cần tuyển nổi. Mối liên kết phối trí này được tạo nên trong phần lớn các trường hợp có sự tác dụng của tác nhân chất tuyển nổi (trong thành phần có chứa những nguyên tử có đôi điện tử tự do như N, S, O, P hoặc là các liên kết đôi) với thành phần cần tuyển nổi, mà nó chứa các cation có số lượng tử chính n ≥2.

Sự bám dính của các phân tử tác nhân chất tuyển nổi có chứa các nguyên tử cho điện tử có thể xảy ra trên bất kỳ vị trí nào của bề mặt thành phần tuyển mà ở đó có chứa các orbital trống được hình thành trong quá trình đập vỡ hoặc nghiền quặng. Ðiều kiện cần thiết để có sự tác dụng giữa thành phần tuyển và tác nhân chất tuyển nổi dạng ion (Y-) (ngoại trừ trường hợp xảy ra phản ứng dị thể) là sự thủy phân hoặc oxi hoá thành phần tuyểntạo nên liên kết phân cực trên lớp bề mặt. Kết quả sự tách và đẩy hạt tích điện âm xảy ra dễ dàng.

Dạng liên kết phối trí này có tính đối xứng δ và π. Như vậy, sự bám dính giữa các tác nhân chất tuyển nổi và bề mặt thành phần tuyển nổi xảy ra chặt chẽ hơn và chọn lọc hơn khi mối liên kết của chúng có những tính chất cơ bản (như: độ dài, năng lượng, số phối trí) gần với liên kết trong mạng tinh thể của thành phần tuyển nổi. Hạn chế của quan điểm này là không xem xét về bản chất liên kết tác nhân - thành phần tuyển nổi. Không có sự nhìn nhận nhất quán về sự tác dụng của tác nhân ion và non - ion.

Trong quá trình hấp phụ phần lớn các chất tuyển nổi trong phân tử của nó có chứa O, N, P biểu hiện các tính chất theo những quy luật sau: tính axit của các chất tuyển nổi càng yếu thì nó càng bám chặt lên bề mặt hạt khoáng, phù hợp với quy luật của sự hình thành phức chất trong dung dịch.

Khi có sự hình thành liên kết π hoặc có sự tác dụng tĩnh điện thì xảy ra quy luật ngược lại. Giá trị hằng số phức của chất tuyển nổi với các cation kim loại có trong mạng tinh thể của các thành phần tuyển nổi cần tách càng lớn thì chất tuyển nổi càng có tính chọn lọc cao. Giá trị hằng số tạo phức K và tính hoạt hoá Khh đặc trưng cho sự bám dính của chất tuyển nổi ion liên hệ với nhau theo phương trình sau:

Khh = S/K
Trong đó:
- Khh: hằng số hoạt hóa
- S: nồng độ phân tử của các hợp chất ít tan.
- K: hằng số tạo phức.

Dựa vào đây người ta có thể đánh giá được ảnh hưởng về tính chất axit bazơ của chất tuyển nổi, kim loại và pH của dung dịch lên sự hấp phụ tối đa của chất tuyển nổi. Sự hấp phụ tối đa của chất tuyển nổi bị dịch chuyển vào vùng pH thấp hơn khi ta tăng tính axit của chất tuyển nổi và các cation trong mạng tinh thể.

Bể tuyển nổi siêu nông

2. Các phương pháp tuyển nổi

2.1. Tuyển nổi với sự tách không khí từ dung dịch

Phương pháp này sử dụng rộng rãi với chất bẩn chứa chất thải có kích thước nhỏ vì nó cho phép tạo bọt khí rất nhỏ. Thực chất của phương pháp này là tạo ra dung dịch quá bão hòa không khí, khi giảm áp suất các bọt không khí sẽ tách ra khỏi dung dịch ở dạng các bọt khí cực nhỏ. Khi các bọt khí này nổi lên bề mặt sẽ kéo theo các chất bẩn.

Tùy thuộc vào biện pháp tạo ra dung dịch quá bão hòa người ta chia ra các loại tuyển nổi sau:

- Tuyển nổi chân không: Trong tuyển nổi chân không, nước thải được bão hòa không khí ở áp suất khí quyển trong buồng thông khí, sau đó cho vào buồng tuyển nổi trong đó áp suất giữ ở khoảng 225-300 mmHg bằng bơm chân không. Trong buồng tuyển nổi, các bong bóng khí rất nhỏ thoát ra làm nổi một phần chất bẩn. Quá trình tuyển nổi kéo dài khoảng 20phút.

Ưu điểm: sự tạo bọt khí và sự dính kết với các hạt bẩn diễn ra trong môi trường yên tĩnh, ít tiêu hao năng lượng.

Nhược điểm: độ bão hòa của nước không lớn, vì vậy không áp dụng được khi hàm lượng chất lơ lửng cao hơn 300mg/l, cần phải chế tạo thiết bị tuyển nổi kín và bố trí cào cơ khí trong đó, không áp dụng cho nhiệt độ nước thải cao, vì độ hòa tan của không khí sẽ giảm khi nhiệt độ cao.

- Tuyển nổi bơm dâng: Thiết bị bơm dâng được sử dụng để xử lý nước thải trong công nghiệp hóa học. Phương pháp này có kết cấu đơn giản, năng lượng sử dụng ít hơn 2- 4 lần tuyển nổi áp lực nhưng buồng tuyển nổi phải được bố trí cao.

Sơ đồ hệ thống tuyển nổi bơm dâng

- Tuyển nổi áp lực (tuyển nổi khí hòa tan): Phổ biến nhất, làm sạch nước với nồng độ chất lơ lửng cao (4-5 g/l), có thể tạo ra bọt khí mịn và đều, hiệu quả khử cặn lơ lửng cao (80- 85%). Tuy nhiên, phương pháp này bị giới hạn bởi nhiệt độ (< 40oC), nước, áp suất làm thoáng và trình độ công nhân vận hành.

Sơ đồ tuyển nổi áp lực dạng bể hình chữ nhật

Ưu điểm:

- Hiệu quả loại bỏ TSS và dầu mỡ cao 85-95%.

- Giảm thời gian xử lý nước và diện tích so với các công trình khác.

- Các hạt cặn hữu cơ khó lắng khi kết hợp với hóa chất đem lại hiệu suất tuyển nổi cao.

- Bùn cặn thu được có độ ẩm thấp, có thể tái sử dụng.

Nhược điểm:

- Chi phí đầu tư, bảo dưỡng thiết bị cao.

- Đòi hỏi nhân viên vận hành phải có kỹ thuật cao do quá trình khiểm soát áp suất khó khăn.

2.2. Tuyển nổi với sự phân tán không khí bằng cơ khí

Sự phân tán khí trong máy tuyển nổi kiểu này được thực hiện nhờ bơm tuabin cánh quạt, khi cánh quạt quay trong chất lỏng xuất hiện các dòng xoáy nhỏ và tạo ra các bọt khí. Bọt khí càng nhỏ thì quá trình càng hiệu quả. Được sử dụng để xử lí nước có nồng độ các hạt keo tụ cao (lớn hơn 2 g/l).

Ở thiết bị này thì mức độ phân tán khí quyết định hiệu suất tuyển nổi: khi mức độ phân tán khí cao thì bọt khí càng nhỏ. Tuy nhiên, nếu vận tốc quay cao sẽ làm tăng đột ngột dòng chảy rối và làm phá vỡ tổ hợp hạt- khí dẫn đến giảm hiệu quả. Để đạt hiệu quả thì độ bão hòa không khí của nước phải cao (10-50% thể tích).

Thông thường máy tuyển nổi gồm một số buồng mắc nối tiếp. Đường kính cánh quạt 600-700mm.Thiết bị khí động được sử dụng khi xử lý nước thải chứa tạp chất hòa tan, có tính ăn mòn. Sự phân tán bọt khí đạt được nhờ vòi phun gắn trên ống phân phối khí. Vòi này thường có đường kính lỗ 1-1.2mm, áp suất làm việc 0.3- 0.5MPa. Vận tốc tia khí ở đầu ra của vòi phun là 100-200 m/s. Thời gian tuyển nổi khoảng 15-20 phút.

Hiện nay người ta dùng các máy tuyển nổi cơ khí được sản xuất đại trà trong tuyển nổi quặng để xử lý nước thải. Như vậy thiết kế của các cánh khuấy và thông số hoạt động không tối ưu khi xử lý nước thải. Để tuyển nổi nước thải cần đề xuất một thiết kế tuyển nổi mới có xét đến những tính đặc hiệu của quá trình: chất ô nhiễm bị phân tán, năng suất tạo bọt thấp (1-5%)và cần loại bỏ hoàn toàn các thành phần nhiễm bẩn.

Do khó tạo được bọt khí phân tán tốt trong lòng chất lỏng nên không xử lý triệt để các loại chất thải

Tuyển nổi với sự phân tán không khí bằng cơ khí

Với:

- Froth (containing hydrophobic material): bọt (chứa vật liệu kỵ nước).

- Hydrophilic particles: các hạt háo nước, các phân tử có tính hút nước mạnh.

- Tails (containing hydrophilic material):dòng ra (có chứa vật liệu thấm nước).

- Agitator: máy trộn.

- Hydrophobic particles adhering to bubbles: các phân tử kỵ nước bám vào các bọt bong bóng.

Các bọt khí được tạo ra bằng cách kết hợp khuấy cơ học tốc độ cao với hệ phun khí. Công nghệ này sử dụng lực ly tâm. Khí được đưa vào từ đỉnh và trộn đều với khí sau khi đi qua một cơ cấu phân tán ngoài bánh khuấy tạo thành các bóng khí kích cỡ 700-1500µm. Phương pháp này được sử dụng để tách nước/dầu.

2.3. Tuyển nổi nhờ các tấm xốp

Khi cho khí qua các tấm sứ xốp sẽ thu được bọt khí có kích thước bằng:

Với:

- R, r:bán kính bong bóng khí và lỗ

- :sức căng bề mặt của nước

Hiệu suất tuyển nổi phụ thuộc vào lỗ, áp suất không khí, lưu lượng không khí, thời gian tuyển nổi, mực nước trong các thiết bị tuyển nổi.

Ưu điểm: kết cấu buồn tuyển nổi đơn giản, chi phí năng lượng thấp.

Nhược điểm: các lỗ xốp dễ bị bịt kín, khó chọn vật liệu có lỗ giống nhau để tạo bọt khí nhuyễn và kích thước bằng nhau.

Sơ đồ tuyển nổi nhờ các tấm xốp

2.4. Tuyển nổi hóa học

Trong quá trình xử lý nước có thể diễn ra các quá trình hoá học với sự phát sinh các khí khác như: O2, CO2,Cl2…bọt của các khí này có thể kết dính với các chất lơ lửng không tan và đưa chúng lên lớp bọt.

Để tăng độ kết dính giữa các hạt lơ lửng, người ta cho thêm phèn nhôm, silicat…

Hiệu quả tuyển nổi phụ thuộc vào kích thước, số lượng bong bóng khí. Ít được sử dụng nhiều trong công nghiệp do tiêu hao nhiều hóa chất.

Ưu điểm: có thể thu hồi được các kim loại quý, khử hoàn toàn các hạt nhẹ- lắng chậm, cấu tạo đơn giản, dễ thi công.

Nhược điểm: tiêu hao hóa chất, không thân thiện với môi trường.

Sơ đồ tuyển nổi hóa học

Với:

- Froth bubbles carrying sulphide ore particles: bọt bong bóng mang theo các hạt quặng sulfua.

- Compressed air: khí nén.

- Sulphide ore particles: hạt quặng sulfua.

- Water containing pine oil: nước có chứa dầu thông.

Đây là sơ đồ tách các hạt quặng sulfua. Đất quặng sulfua được cho vào dung dịch có chứa dầu thông. Lúc này bên trong bồn tuyển nổi, các hạt quặng sulfua sẽ kết dính với các tinh thể dầu thông và lơ lửng trong nước. Lúc này, khí nén được thiết bị cung cấp khí thổi vào bể tuyển nổi, vàbong bóng khí mang theo các hạt quặng sulfua được đẩy lên mặt dung dịch. Váng bọt này được thu gom để sản xuất các sản phẩm chứa sulfua.

2.5. Tuyển nổi sinh học

Phương pháp này dùng để nén cặn từ bể lắng một khi xử lý nước thải sinh hoạt. Trong phương pháp này cặn được đun nóng bằng hơi nước đến 35- 550C và nhiệt độ này được giữ vào ngày đêm. Do hoạt động của các vi sinh vật các bọt khí sinh ra và mang các hạt cặn lên lớp bọt, ở đó chúng được nén và khử nước. Bằng cách này, trong 5- 6 ngày độ ẩm của cặn có thể giảm đến 80%.

2.6. Tuyển nổi điện hóa

Khi có dòng điện đi qua chất lỏng, hydro được giải phóng ở catot và oxy ở anot. Khác với những phương pháp làm thoáng dùng không khí để tuyển nổi, trong phương pháp điện hoá khí là hydro là chất tuyển nổi tích cực. Trong tuyển nổi điện hoá, khí được tạo ra dưới dạng những bong bóng cực kỳ nhỏ (20µ), ở anot oxy được giải phóng góp phần oxy hóa các chất hữu cơ.

Trong nước trung tính, kiềm yếu sẽ ăn mòn mạnh mẽ các kim loại ở anot xảy cùng với sự tạo thành của hidroxide, hấp thụ một phần chất hữu cơ sau đó được tuyển nổi nhờ hidrogen và được loại khỏi nước dưới dạng bọt. Do dó người ta còn gọi quá trình xử lý điện hóa với anot là loại tuyển nổi – keo tụ điện hay tuyển nổi bông điện. Những yếu tố này cho phép xử lý ở tốc độ rất cao. Nồng độ tồn dư của các hạt keo tụ trong nước thải từ nhà máy có thể giảm còn 2-3 mg/l sau khi tuyển nổi điện hóa.

2.7. Tuyển nổi tự nhiên

Tuyển nổi tự nhiên thường dùng trong tất cả các quá trình loại bỏ sơ bộ dầu mỡ. Phương pháp này (hai pha) có thể tiến hành trước sự hợp tính (cho phép liên kết các hạt nhỏ)để đạt được một kích thước nhỏ nhất. Tuyển nổi tự nhiên có thể sinh ra khí do quá trình lên men.