Dalam rawatan perindustrian dan perbandaran, pengapungan adalah teknologi pembersihan air yang menggunakan gelembung kecil untuk mengangkat kekotoran yang digantung ke permukaan. Walaupun seolah -olah mudah, ia merangkumi prinsip -prinsip kompleks mekanik cecair dan kimia interfacial. Artikel ini akan menggabungkan formula klasik dengan pengalaman kejuruteraan untuk menyediakan analisis kedalaman - mekanisme teras dan mempengaruhi faktor pengapungan untuk rujukan oleh profesional rawatan air.
I. Prinsip asas pengapungan
Pengapungan adalah bertentangan dengan pemendapan. Walaupun sedimentasi menggunakan graviti untuk menenggelamkan zarah dan mengeluarkan bahan yang digantung, pengapungan menggunakan keapungan gelembung yang dilampirkan untuk membawa zarah yang digantung ke permukaan, dengan itu mencapai pepejal - pemisahan cecair.
Kunci penyucian air pengapungan adalah penjanaan sejumlah besar gelembung kecil, yang melekat pada zarah yang digantung untuk membentuk "gelembung - flocs." Gelembung ini meningkat akibat keapungan dan akhirnya dikikis.
Proses fizikal asas ialah: Generasi gelembung → Hubungan dan lekatan antara gelembung dan zarah → Kebangkitan zarah yang dilampirkan dengan gelembung → Pembentukan dan pemisahan lapisan buih.
Ii. Analisis halaju gelembung yang semakin meningkat
Apabila gelembung naik di dalam air, ia bertindak oleh tiga kuasa: graviti F1, keapungan F2, dan seret F3. Berdasarkan undang -undang kedua Newton, formula berikut boleh diperolehi.
Di mana: V adalah halaju gelembung yang semakin meningkat, cm/s; M ialah jisim udara - sarat flocs, g; Gravity f 1=ρ1gv, di mana ρ1 adalah ketumpatan gelembung - kompleks floc, g/cm³, dan v ialah jumlah gelembung - kompleks floc, cm³; keapungan f 2=ρ2gv, di mana ρ2 adalah ketumpatan air, g/cm³; seret f 3=caρ2v²/2, di mana c ialah pekali seret dan A adalah kawasan yang diunjurkan udara - sarat flocs ke arah aliran air, cm².
Menggantikan graviti F1, keapungan F2, dan seret F3 ke dalam formula di atas menghasilkan formula berikut.
Apabila halaju gelembung yang semakin meningkat, dv/dt=0, dan halaju yang semakin meningkat gelembung V dapat dikira seperti yang ditunjukkan dalam formula berikut.
Jika kita bayangkan struktur "gelembung - floc" sebagai sfera dengan diameter d, maka V/a=2 d/3. Tambahan pula, pekali seret sfera C=4, dan halaju yang semakin meningkat gelembung adalah seperti berikut.
Formula di atas mendedahkan bahawa halaju yang semakin meningkat gelembung V adalah berkadar terus dengan akar kuadrat diameter zarah d dan berkadar songsang dengan ketumpatan air ρ1. Iaitu, semakin besar gelembung dan semakin besar perbezaan kepadatan, semakin cepat halaju yang semakin meningkat. Walau bagaimanapun, gelembung yang terlalu besar kurang cenderung untuk menarik kekotoran, menjadikan penjanaan microbubbles sangat penting. Tambahan pula, kerana ketumpatan udara hanya 1/775 dari air, flocs dengan bilangan microbubbles tertentu yang dilampirkan lebih cepat daripada tenggelam flocs asal. Oleh itu, pengapungan mencapai pepejal yang lebih pendek - masa pemisahan cecair daripada pemendapan.
Iii. Ketegangan permukaan dan tekanan tambahan
Inti dari proses pengapungan terletak pada lekatan gelembung ke zarah, dan ketegangan permukaan menentukan kestabilan gelembung. Ketegangan permukaan cecair ditakrifkan seperti berikut.
Di mana: t adalah ketegangan permukaan, dalam dynes, mencerminkan kekuatan daya antara molekul cecair; adalah pekali ketegangan permukaan, dalam dynes/cm; dan L ialah panjang lapisan permukaan, dalam cm.
Udara yang tidak diselesaikan di dalam air tertarik dengan molekul air, menghasilkan ketegangan permukaan di antara muka antara kedua -dua fasa. Lapisan nipis molekul air yang menghasilkan ketegangan permukaan membentuk membran gelembung. Permukaan melengkung membran, disebabkan oleh ketegangan permukaan, menimbulkan tekanan tambahan PS di udara di dalam gelembung. Untuk mengimbangi tekanan tambahan ini, tekanan di dalam gelembung, p, mesti lebih besar daripada tekanan di luar gelembung, p0, iaitu, p=p 0 + ps. Besarnya tekanan tambahan ini berkadar terus dengan pekali ketegangan permukaan dan berkadar songsang dengan radius gelembung, seperti yang ditunjukkan dalam persamaan berikut.
Di mana: R adalah jejari gelembung, dalam cm.
Persamaan di atas mendedahkan bahawa gelembung yang lebih kecil, semakin kecil radius r, dan semakin besar tekanan tambahan, menjadikan gelembung lebih cenderung untuk pecah. Oleh itu, sistem pengapungan mesti mengambil kira saiz dan kestabilan gelembung. Jika gelembung terlalu besar, mereka akan terapung terlalu cepat dan sukar untuk mematuhi; Sekiranya gelembung terlalu kecil, mereka akan mudah patah dan sukar untuk membentuk lapisan sampah yang berkesan.
Iv. Mekanisme gelembung gelembung dan flocs
Gabungan gelembung dan flocs adalah kunci pengapungan. Mekanisme tindakannya dapat diringkaskan sebagai tiga kesan mekanikal:
(1) Kesan pengurangan tenaga permukaan. Apabila gelembung mematuhi permukaan flocs, jumlah tenaga permukaan sistem berkurangan dan antara muka cenderung stabil;
(2) Kesan penyambungan kapilari. Filem cecair antara gelembung dan flocs diregangkan untuk membentuk jambatan kapilari, menjadikan kedua -dua terikat dengan ketat;
(3) Kesan penjerapan elektrostatik. Zarah di dalam air sering dikenakan secara negatif, dan potensi permukaan microbubbles juga boleh dikawal untuk membentuk kesan penjerapan elektrostatik.
Gabungan gelembung dan flocs bukan sahaja meningkatkan perbezaan graviti spesifik zarah yang digantung, tetapi juga meningkatkan kecekapan pemisahan pengapungan.
V. Kesan entrainment dan kesan pengapungan
Dalam tangki pengapungan, apabila microbubbles membawa flocs, mereka akan menyeret sebahagian air dengan mereka. Fenomena ini dipanggil kesan entrainment. Walaupun kesan inklusi mempengaruhi kepekatan buih, ia membantu meningkatkan kadar penyingkiran. Mekanisme beliau termasuk: (1) meningkatkan hubungan pencampuran, menjadikan gelembung dan flocs lebih dihubungi sepenuhnya melalui pergolakan; (2) mempromosikan penjerapan gelembung dan meningkatkan kawasan hubungan; (3) Membentuk lapisan sampah yang stabil, di mana gelembung kecil bergabung dengan flocs melekit untuk membentuk lapisan padat, yang mudah dikikis.
Kesimpulan
Pengapungan mencapai pembersihan dengan "membuat terapung kumbahan". Ia adalah teknologi pemisahan yang cekap yang mengintegrasikan proses fizikal dan kimia. Kunci kejayaannya terletak pada penjanaan microbubbles, pembentukan flocs dan kombinasi yang berkesan dari kedua -duanya. Memahami undang -undang dinamik gelembung yang terapung dan tingkah laku kimia interfacial bukan sahaja membantu mengoptimumkan reka bentuk peralatan pengapungan, tetapi juga menyediakan sokongan teoritis untuk rawatan yang mendalam bagi air sisa industri dan kumbahan bandar. Apabila anda melihat lapisan sampah yang perlahan -lahan dikikis, ingatlah bahawa ia adalah keajaiban pemurnian yang dicapai oleh gelembung dan zarah yang banyak.