Quá trình tuyển nổi

Q TRÌNH TUYỂN NỔI MỤC ĐÍCH, NGUN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP TUYỂN NỔI 1.1 Mục đích - Tuyển q trình tách chọn lọc khống sản từ hỗn hợp bùn quặng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt chất thấm ướt Quá trình sử dụng chủ yếu để tách loại quặng sunfua, cacbonat ôxit Quặng photphat, apatit, than tách công nghệ tuyển Quá trình tuyển sử dụng rộng rãi việc xử lý chất thải công nghiệp, nhà máy xử lý nước để loại chất béo, dầu mỡ chất rắn phân tán nước thải Các trình gọi trình tuyển khí hịa tan (Dissolved Air Flotation, DAF) Thực chất, trình DAF sử dụng để loại bỏ dầu mỡ nước thải nhà máy lọc dầu, hóa dầu, nhà máy hóa chất, nhà máy xử lý khí thiên nhiên sở cơng nghiệp khác - Phương pháp tuyển thường sử dụng để tách tạp chất (ở dạng hạt rắn lỏng) phân tán không tan, khả tự lắng khỏi pha lỏng Trong số trường hợp q trình dùng tách chất hịa tan chất hoạt động bề mặt Quá trình gọi trình tách hay làm đặc bọt Trong xử lý nước thải nguyên tắc dùng để loại bỏ chất rắn lơ lửng dầu mỡ khỏi hỗn hợp nước thải cô đặc bùn sinh học 1.2 Nguyên tắc tuyển Tuyển q trình tách tạp chất rắn khơng tan tan có tỉ trọng nhỏ tỉ trọng chất lỏng làm cách sử dụng chất hoạt động bề mặt chất thấm ướt Nếu khác tỉ trọng đủ để tách gọi tuyển tự nhiên 1.3 Cơ sở khoa học Những sở lý thuyết tuyển dựa thành tựu nghiên cứu hóa lý đại Ngày nay, người ta dựa sở lý thuyết để điều khiển q trình cơng nghệ tuyển điều chỉnh tỷ lệ thành phần cấu tử tạo chất tuyển phù hợp với tính chất hỗn hợp cần tuyển Ðể giải thích bám dính thành phần cần tuyển lên bề mặt bọt khí tạo chất tuyển lên bề mặt hỗn hợp, người ta đưa nhiều giả thuyết giải thích hố học lượng tử mức lượng orbital đầy điện tử tác nhân tuyển với orbital trống thành phần cần tuyển nổi, giải thích mơ hình orbital phân tử Tóm lại, ngày người ta phân biệt ba loại chế bám dính tác nhân tuyển lên bề mặt thành phần tuyển nổi: • • • Sự hấp phụ lực tĩnh điện Sự hấp phụ hoá học Sự hấp phụ vật lý Trong hấp phụ hố học quan trọng định tính chọn riêng tính tập hợp chất tuyển với thành phần cần tuyển định mà tính chất định độ dài, cấu trúc hidrocabon, cấu tạo nhóm chức thành phần tỉ lệ cấu tử có mặt hệ thống chất tuyển Sự hấp phụ hố học xảy hình thành có liên kết phối trí chất tuyển thành phần cần tuyển Mối liên kết phối trí tạo nên phần lớn trường hợp có tác dụng tác nhân chất tuyển (trong thành phần có chứa nguyên tử có đôi điện tử tự N, S, O, P liên kết đôi) với thành phần cần tuyển nổi, mà chứa cation có số lượng tử n ≥2 Sự bám dính phân tử tác nhân chất tuyển có chứa nguyên tử cho điện tử xảy vị trí bề mặt thành phần tuyển mà có chứa orbital trống hình thành trình đập vỡ nghiền quặng Ðiều kiện cần thiết để có tác dụng thành phần tuyển tác nhân chất tuyển dạng ion (Y-) (ngoại trừ trường hợp xảy phản ứng dị thể) thủy phân oxi hoá thành phần tuyểntạo nên liên kết phân cực lớp bề mặt Kết tách đẩy hạt tích điện âm xảy dễ dàng Dạng liên kết phối trí có tính đối xứng δ π Như vậy, bám dính tác nhân chất tuyển bề mặt thành phần tuyển xảy chặt chẽ chọn lọc mối liên kết chúng có tính chất (như: độ dài, lượng, số phối trí) gần với liên kết mạng tinh thể thành phần tuyển Hạn chế quan điểm không xem xét chất liên kết tác nhân thành phần tuyển Không có nhìn nhận qn tác dụng tác nhân ion non - ion Trong trình hấp phụ phần lớn chất tuyển phân tử có chứa O, N, P biểu tính chất theo quy luật sau: tính axit chất tuyển yếu bám chặt lên bề mặt hạt khoáng, phù hợp với quy luật hình thành phức chất dung dịch Khi có hình thành liên kết π có tác dụng tĩnh điện xảy quy luật ngược lại Giá trị số phức chất tuyển với cation kim loại có mạng tinh thể thành phần tuyển cần tách lớn chất tuyển có tính chọn lọc cao Giá trị số tạo phức K tính hoạt hố Khh đặc trưng cho bám dính chất tuyển ion liên hệ với theo phương trình sau: Khh = S/K Trong đó: Khh sơ hoạt hóa S nồng độ phân tử hợp chất tan K số tạo phức Dựa vào người ta đánh giá ảnh hưởng tính chất axit bazơ thuốc tập hợp, kim loại pH dung dịch lên hấp phụ tối đa thuốc tập hợp Sự hấp phụ tối đa thuốc tập hợp bị dịch chuyển vào vùng pH thấp ta tăng tính axit thuốc tập hợp cation mạng tinh thể Ðể tính tốn giá trị pH tối đa (pHopt) sử dụng mối tương quan sau: (H+)opt = KHRKW/KMeOH)1/2 Trong đó: • KHR số ion hố thuốc tập hợp • KW tích số ion nước • KMeOH số không bền phức hidroxo kim loại CÁC PHƯƠNG PHÁP TUYỂN NỔI 2.1 Tuyển với tách khơng khí từ dung dịch Phương pháp sử dụng rộng rãi với chất bẩn chứa chất thải có kích thước nhỏ cho phép tạo bọt khí nhỏ Thực chất phương pháp tạo dung dịch q bão hịa khơng khí, giảm áp suất bọt khơng khí tách khỏi dung dịch dạng bọt khí cực nhỏ Khi bọt khí lên bề mặt kéo theo chất bẩn Tùy thuộc vào biện pháp tạo dung dịch bão hòa người ta chia loại tuyển sau: - Tuyển chân không: Trong tuyển chân không, nước thải bão hịa khơng khí áp suất khí buồng thơng khí, sau cho vào buồng tuyển áp suất giữ khoảng 225-300 mmHg bơm chân khơng Trong buồng tuyển nổi, bong bóng khí nhỏ làm phần chất bẩn Quá trình tuyển kéo dài khoảng 20phút Ưu điểm: tạo bọt khí dính kết với hạt bẩn diễn môi trường yên tĩnh, tiêu hao lượng Nhược điểm: độ bão hòa nước khơng lớn, khơng áp dụng hàm lượng chất lơ lửng cao 300mg/l, cần phải chế tạo thiết bị tuyển kín bố trí cào khí đó, khơng áp dụng cho nhiệt độ nước thải cao, độ hịa tan khơng khí giảm nhiệt độ cao - Tuyển bơm dâng: Thiết bị bơm dâng sử dụng để xử lý nước thải cơng nghiệp hóa học Phương pháp có kết cấu đơn giản, lượng sử dụng 2- lần tuyển áp lực buồng tuyển phải bố trí cao - Tuyển áp lực (tuyển khí hịa tan): Phổ biến nhất, làm nước với nồng độ chất lơ lửng cao (4-5 g/l), tạo bọt khí mịn đều, hiệu khử cặn lơ lửng cao (80- 85%) Tuy nhiên, phương pháp bị giới hạn nhiệt độ (< 40oC), nước, áp suất làm thống trình độ cơng nhân vận hành Ưu điểm: - Hiệu loại bỏ TSS dầu mỡ cao 85-95% - Giảm thời gian xử lý nước diện tích so với cơng trình khác - Các hạt cặn hữu khó lắng kết hợp với hóa chất đem lại hiệu suất tuyển cao - Bùn cặn thu có độ ẩm thấp, 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 q trình khiểm sốt áp suất khó khăn 2.2 Tuyển với phân tán khơng khí khí Sự phân tán khí máy tuyển kiểu thực nhờ bơm tuabin cánh quạt, cánh quạt quay chất lỏng xuất dịng xốy nhỏ tạo bọt khí Bọt khí nhỏ q trình hiệu Được sử dụng để xử lí nước có nồng độ hạt keo tụ cao (lớn g/l) Ở thiết bị mức độ phân tán khí định hiệu suất tuyển nổi: mức độ phân tán khí cao bọt khí nhỏ Tuy nhiên, vận tốc quay cao làm tăng đột ngột dòng chảy rối làm phá vỡ tổ hợp hạt- khí dẫn đến giảm hiệu Để đạt hiệu độ bão hịa khơng khí nước phải cao (10-50% thể tích) Thơng thường máy tuyển gồm số buồng mắc nối tiếp Đường kính cánh quạt 600-700mm.Thiết bị khí động sử dụng xử lý nước thải chứa tạp chất hịa tan, có tính ăn mịn Sự phân tán bọt khí đạt nhờ vịi phun gắn ống phân phối khí Vịi thường có đường kính lỗ 1-1.2mm, áp suất làm việc 0.30.5MPa Vận tốc tia khí đầu vòi phun 100-200 m/s Thời gian tuyển khoảng 15-20 phút Hiện người ta dùng máy tuyển khí sản xuất đại trà tuyển quặng để xử lý nước thải Như thiết kế cánh khuấy thông số hoạt động không tối ưu xử lý nước thải Để tuyển nước thải cần đề xuất thiết kế tuyển có xét đến tính đặc hiệu q trình: chất nhiễm bị phân tán, suất tạo bọt thấp (1-5%)và cần loại bỏ hoàn toàn thành phần nhiễm bẩn Do khó tạo bọt khí phân tán tốt lịng chất lỏng nên khơng xử lý triệt để loại chất thải Với: - Froth (containing hydrophobic material): bọt (chứa vật liệu kỵ nước) - Hydrophilic particles: hạt háo nước, phân tử có tính hút nước mạnh - Tails (containing hydrophilic material):dịng (có chứa vật liệu thấm nước) - Agitator: máy trộn - Hydrophobic particles adhering to bubbles: phân tử kỵ nước bám vào bọt bong bóng Các bọt khí tạo cách kết hợp khuấy học tốc độ cao với hệ phun khí Cơng nghệ sử dụng lực ly tâm Khí đưa vào từ đỉnh trộn với khí sau qua cấu phân tán bánh khuấy tạo thành bóng khí kích cỡ 700-1500µm Phương pháp sử dụng để tách nước/dầu 2.3 Tuyển nhờ xốp Khi cho khí qua sứ xốp thu bọt khí có kích thước bằng: Với: - R, r:bán kính bong bóng khí lỗ - :sức căng bề mặt nước Hiệu suất tuyển phụ thuộc vào lỗ, áp suất khơng khí, lưu lượng khơng khí, thời gian tuyển nổi, mực nước thiết bị tuyển Ưu điểm: kết cấu buồn tuyển đơn giản, chi phí lượng thấp Nhược điểm: lỗ xốp dễ bị bịt kín, khó chọn vật liệu có lỗ giống để tạo bọt khí nhuyễn kích thước 2.4 Tuyển hóa học Trong q trình xử lý nước diễn q trình hố học với phát sinh khí khác như: O2, CO2,Cl2…bọt khí kết dính với chất lơ lửng khơng tan đưa chúng lên lớp bọt Để tăng độ kết dính hạt lơ lửng, người ta cho thêm phèn nhôm, silicat… Hiệu tuyển phụ thuộc vào kích thước, số lượng bong bóng khí Ít sử dụng nhiều cơng nghiệp tiêu hao nhiều hóa chất Ưu điểm: thu hồi kim loại quý, khử hoàn toàn hạt nhẹ- lắng chậm, cấu tạo đơn giản, dễ thi công Nhược điểm: tiêu hao hóa chất, khơng thân thiện với mơi trường Với: - Froth bubbles carrying sulphide ore particles: bọt bong bóng mang theo hạt quặng sulfua - Compressed air: khí nén - Sulphide ore particles: hạt quặng sulfua - Water containing pine oil: nước có chứa dầu thơng Đây sơ đồ tách hạt quặng sulfua Đất quặng sulfua cho vào dung dịch có chứa dầu thơng Lúc bên bồn tuyển nổi, hạt quặng sulfua kết dính với tinh thể dầu thơng lơ lửng nước Lúc này, khí nén thiết bị cung cấp khí thổi vào bể tuyển nổi, vàbong bóng khí mang theo hạt quặng sulfua đẩy lên mặt dung dịch Váng bọt thu gom để sản xuất sản phẩm chứa sulfua 2.5 Tuyển sinh học Phương pháp dùng để nén cặn từ bể lắng xử lý nước thải sinh hoạt Trong phương pháp cặn đun nóng nước đến 35- 550C nhiệt độ giữ vào ngày đêm Do hoạt động vi sinh vật bọt khí sinh mang hạt cặn lên lớp bọt, chúng nén khử nước Bằng cách này, 5- ngày độ ẩm cặn giảm đến 80% 2.6 Tuyển điện hóa Khi có dịng điện qua chất lỏng, hydro giải phóng catot oxy anot Khác với phương pháp làm thoáng dùng khơng khí để tuyển nổi, phương pháp điện hố khí hydro chất tuyển tích cực Trong tuyển điện hố, khí tạo dạng bong bóng nhỏ (20µ), anot oxy giải phóng góp phần oxy hóa chất hữu Trong nước trung tính, kiềm yếu ăn mịn mạnh mẽ kim loại anot xảy với tạo thành hidroxide, hấp thụ phần chất hữu sau tuyển nhờ hidrogen loại khỏi nước dạng bọt Do dó người ta cịn gọi q trình xử lý điện hóa với anot loại tuyển – keo tụ điện hay tuyển điện Những yếu tố cho phép xử lý tốc độ cao Nồng độ tồn dư hạt keo tụ nước thải từ nhà máy giảm cịn 2-3 mg/l sau tuyển điện hóa 2.7 Tuyển tự nhiên Tuyển tự nhiên thường dùng tất trình loại bỏ sơ dầu mỡ Phương pháp (hai pha) tiến hành trước hợp tính (cho phép liên kết hạt nhỏ)để đạt kích thước nhỏ Tuyển tự nhiên sinh khí q trình lên men  ... nhân tuyển với orbital trống thành phần cần tuyển nổi, giải thích mơ hình orbital phân tử Tóm lại, ngày người ta phân biệt ba loại chế bám dính tác nhân tuyển lên bề mặt thành phần tuyển nổi: ... đơi) với thành phần cần tuyển nổi, mà chứa cation có số lượng tử n ≥2 Sự bám dính phân tử tác nhân chất tuyển có chứa nguyên tử cho điện tử xảy vị trí bề mặt thành phần tuyển mà có chứa orbital... phức chất tuyển với cation kim loại có mạng tinh thể thành phần tuyển cần tách lớn chất tuyển có tính chọn lọc cao Giá trị số tạo phức K tính hoạt hố Khh đặc trưng cho bám dính chất tuyển ion