Flotácia

   Princíp

Flotácia je fyzikálny dej, pri ktorom sa pevné častice suspendované vo vode jemnými bublinkami vzduchu vynášajú na hladinu. Na nej sa vytvára kompaktná vrstva, ktorá sa odstraňuje napr. stieraním, nasávaním a pod. (Matis, 1995; Hubáčková a Erben 1989; Edzwald, 1995). Metóda je založená na separácii materiálov s rozdielnymi povrchovými vlastnosťami – na ich hydrofóbnosti a hydrofilnosti, t. j. na ich rozdielnej zmáčanlivosti kvapalinou. Na hydrofóbne častice priľnú bubliny, pričom vznikajú agregáty častica – bublina. Podľa základného teoretického predpokladu flotuje taká častica, ktorej hustota je nižšia ako hustota flotačného roztoku (Basařová, 2003).

   Použiteľnosť

Flotácia sa používa na:

•          oddeľovanie pevných a tuhých fáz,

•          vodnú recirkuláciu (zahusťovanie),

•          ošetrovanie kyslých banských vôd (AMD),

•          odstraňovanie látok vytvorených pri neutralizácii.

Využíva sa aj pri umývaní ťažobných a veľkých dopravných prostriedkov, na odstraňovanie tukov a olejov z vody a v rôznych odvetviach potravinárstva, biotechnológii, petrochémii a chémii, v textilnom, kožiarskom a sklárskom priemysle a pod. (Rodriquez a Rubio, 2006). Úspešne sa využíva na odstraňovanie olejov a ropných látok z rôznych typov vôd, odstraňovanie voľných a emulgovaných tukov, jemných suspendovaných nerozpustených častíc z vody, koagulovateľných znečisťujúcich zložiek, resp. na zahusťovanie kalov (Matis, 1995; Rubio et al., 2002; Dolejš, 2006).

   Základná charakteristika

Proces flotácie spočíva v znížení špecifickej hmotnosti suspendovaných častíc tým, že sa na ne nabalia mikrobublinky plynu. Výsledná špecifická hmotnosť takto vytvorených aglomerátov je podstatne nižšia ako hmotnosť kvapalnej fázy, z ktorej sa suspendované látky odstraňujú. Aglomeráty môžu vystupovať na hladinu, kde vytvárajú zahustenú plávajúcu vrstvu.

Kinetika flotácie je obdobná ako kinetika flokulácie. Všetky procesy sa riadia Henryho zákonom vyjadrujúcim závislosť rozpusteného množstva vzduchu/plynu od tlaku a teploty. Mikrobublinky nevyhnutné na flotačný efekt sa pri tlakovej vzdušnej flotácii vytvárajú tak, že sa kvapalina v uzavretej nádobe za zvýšeného tlaku nasýti vzduchom. Po nasýtení sa tlak na dekompresnej dýze uvoľní, zníži sa tlak a vzduch sa z presýteného roztoku uvoľňuje vo forme mikrobubliniek, ktoré sa vizuálne prejavujú mliečnym zákalom. Veľkosť bubliniek závisí od tlaku nasýtenia a dekompresného prietoku. Čím je hodnota tlaku nasýtenia vyššia, tým sa tvoria menšie bublinky. Optimálne rozmedzie tlaku na tvorbu mikrobubliniek je 0,4 – 0,6 Mpa. Takto vzniknuté bublinky majú nižšiu rýchlosť vzostupu, čo vplýva na priaznivejší priebeh fyzikálnych a chemických reakcií (de Rijk et al., 1994).

Na rozdiel od sedimentácie, pri flotácii sa častice (napr. vytvorené pri koagulácii) spájajú s mikrobublinkami a tieto agregáty majú výrazne nižšiu špecifickú hmotnosť ako voda. Preto stúpajú k hladine kvapaliny, t. j. proti pôsobeniu gravitácie. Mikrobublinky sa vytvárajú špeciálnymi dýzami blízko dna flotačnej nádrže v tzv. kontaktnej (reakčnej) zóne. V nej dochádza k spájaniu častíc (vločiek) s mikrobublinkami, ktoré sú tam vo veľkom prebytku v porovnaní s počtom častíc, ktoré prichádzajú vo vode do kontaktnej zóny z agregačných reaktorov (flokulácia). Na hladine separačnej zóny sa tvorí vrstva flotovaného kalu, ktorá sa mechanicky alebo hydraulicky odstraňuje. Upravená voda sa odoberá systémom zberného potrubia nad dnom separačnej časti flotačnej nádrže.

Proces flotácie môžeme rozdeliť podľa vzniku uvoľnených mikrobubliniek na (Edzwad, 1995; Rubio et al., 2002):

•    bublinkovú flotáciu s dispergáciou vzduchu (induced gas flotation, IGF),

•    bublinkovú flotáciu s uvoľňovaním plynu z roztoku (dissolved gas flotation, DGF),

•    elektroflotáciu.

Bublinková flotácia s dispergáciou vzduchu (IGF)

Proces tvorby komplexu častice. – Bublinka prebieha na hranici troch fáz (častica – vzduch – voda). Pevnosť vytvoreného komplexu závisí od rozmerov častice a bublinky, fyzikálno-chemických vlastností častice a kvapaliny (hydrofóbnosti povrchu častice a jej pevnosti, povrchového napätia atď.) a hydrodynamických podmienok (Matis, 1995). Tvorba jemných bubliniek môže byť vyvolané mechanicky alebo iným spôsobom. V prípade častice dobre zmáčateľnej vodou je pevnosť priľnutia minimálna, na rozdiel od hydrofóbnych častíc, pri ktorých je maximálna. Najlepšie podmienky priľnutia sú vytvorené pri pomerne nízkej rýchlosti premiešavania častíc a bubliniek a pri zvýšení teploty. Dôležitým ukazovateľom je stálosť penovej vrstvy. Nedostatočná pevnosť peny neumožňuje odstraňovanie kalu z hladiny. Na druhej strane, jej prílišná pevnosť sťažuje jej ďalšie spracovanie. Schéma IGF je uvedená na obr. 4.2.49.

 

Obr. 4.2.49. Flotačné zariadenie s mechanickou dispergáciou vzduchu.

Vysvetlivky: 1 – motor, 2 – kontrolný ventil vzduchu, 3 – zberač vyflotovaného materiálu, 4 – ponorná rúra, 5 – distribučný kryt, 6 – obežné koleso, 7 – otočné zberné lopatky.

 

Bublinková flotácia s uvoľňovaním plynu z roztoku (DAF)

Systém DAF je dôležitou prevádzkovou jednotkou v čistiarni odpadových vôd, ktorá slúži najmä na separáciu olejov a ostatných tuhých materiálov z kvapalnej fázy. Zahŕňa mechanický aj chemický režim na dosiahnutie dobrej separácie. Umožňuje to zavedenie jemných bubliniek stlačeného plynu. Schéma DAF je uvedená na obr. 4.2.50. Postup čistenia flotáciou bublinkami vyvíjajúcimi sa z presýteného roztoku má tieto štádiá (Matis, 1995):

•    nasycovanie odpadovej vody plynom (vzduchom),

•    tvorba bublín z presýteného roztoku účinkom vákua alebo tlaku na hladinu čistenej vody,

•    vznik agregátu častice nečistoty a bubliny,

•          vzostupný pohyb vytvorených agregátov, samotná flotácia častíc nečistoty a tvorba penového produktu na hladine.

 

Vznik bublín pri metóde DAF sa docieli dvomi rôznymi procesmi, ktorými sú (Kmeť, 1992):

•          Vákuovou flotácia. – Odpadová voda sa najskôr nasýti plynom pri atmosférickom tlaku a potom sa nad ňou vytvorí vákuum, pričom sa vylúčia bublinky. Vákuovou flotáciou sa len ojedinele čistia odpadové vody, pretože pri podmienkach atmosférického tlaku vzniká nízky stupeň nasýtenia vody vzduchom, a tiež preto, lebo sa vyvíja malý počet vzduchových bublín.

•          Tlaková flotácia. –Odpadová voda sa nasýti plynom (vzduchom) účinkom pretlaku a potom sa tlak rýchlo vyrovná na atmosférický. Vytvárané bubliny flotujú častice nečistôt na hladinu čistenej vody. Množstvo bubliniek vytvorených z presýteného roztoku významne vplýva na efektívnosť flotácie.

 

Obr. 4.2.50. Schéma flotácie rozpusteným vzduchom (Gregory, 2006).

 

Elektroflotácia

Vo flotačnej nádrži sú umiestnené elektródy a k nim je pripojený zdroj jednosmerného napätia 4 – 6 V. Elektrolýzou sa v celej nádrži vytvárajú priamo z vody veľmi jemné bublinky vodíka a kyslíka. Voda privádzaná na elektroflotáciu sa prítokovým žľabom a prepadovou hranou rozdeľuje rovnomerne po celej dĺžke elektroflotačnej nádrže. Cez nornú stenu priteká odpadová voda do flotačného priestoru. Tam sa odpadová voda intenzívne premiešava pôsobením plynových bublín produkovaných na elektródach. Tieto plynové bubliny sa zachytávajú na znečisťujúcich látkach, resp. vločkách hydroxidov v odpadovej vode. Vločky nadľahčené vzduchom sú potom obdobne ako pri tlakovej flotácii vynášané na hladinu a zhrabovacím zariadením sa premiestňujú do kalového priestoru. Zjednodušená schéma elektroflotácie je uvedená na obr. 4.2.51.

Elektroflotáciou nevznikajú žiadne vtokové alebo expanzné turbulencie, ako je to napr. pri tlakovovzdušnej flotácii. Pri tlakovovzdušnej flotácii je okrem stredných vzduchových bubliniek prítomný aj veľký podiel malých a veľkých bublín zodpovedajúcich približne Gaussovmu rozdeleniu pravdepodobnosti. To vedie k rôznej rýchlosti stúpania, čím sa separácia nerozpustených látok zhoršuje (Russell, 2006).

 

Obr. 4.2.51. Jednoduchá schéma elektroflotácie (Comninellis a Chen, 2009).

 

   Výhody a limitácie

Hlavné výhody flotácie (Matis, 1995; Comninellis a Chen, 2009):

•    vysoká účinnosť a efektívnosť separačného procesu,

•    optimálne koncentračné hodnoty separovaných zložiek (možnosť čiastočnej regulácie),

•    nízke koncentračné hodnoty rozhodujúceho zvyškového znečistenia v odtoku (tuky, nerozpustené látky),

•    výrazná súbežná redukcia organického znečistenia v odtoku (biologická spotreba kyslíka BSK, chemická spotreba kyslíka ChSK),

•    primerané investičné náklady vo vzťahu k efektívnosti separačnej technológie,

•    výhodné prevádzkové náklady v porovnaní s inými technológiami a konkurenčnými flotačnými zariadeniami (nízky elektrický príkon, princíp tzv. nulovej rýchlosti prúdenia na hladine a minimalizácia dávok chemikálií),

•    krátky čas na dosiahnutie požadovaného separačného efektu (nábehu technológie),

•    veľmi dobrá regulovateľnosť procesu a možnosť voľby automatického alebo ručného režimu,

•    minimálna zastavaná plocha flotačného zariadenia,

•    prevádzka technológie bez nadmerného hluku a vibrácií,

•    minimálne riziko kontaminácie, minimálna produkcia aerosólov, zápachu a pod.,

•    plnenie prísnych hygienických aspektov v potravinárstve a farmácii,

•    separovanie zložiek v súlade s platnou legislatívou, napr. odstraňovanie aj špecifických foriem znečistenia, ako sú ropné látky, farby, vlákna a pod.

Obmedzenie použitia flotácie spôsobujú predovšetkým tieto faktory (Dubánek, 2006a):

•          zmáčanlivosť odstraňovanej disperzie a rozdiel hustoty oddeľovaných fáz (pri dokonale hydrofilných časticiach bubliny nepriľnú a flotácia je neúčinná, preto podmienkou úspešného nasadenia flotácie sú technologické testy),

•          redukovanie množstva zvodnených kalov, ktoré je obvykle nevyhnutné mechanicky odvodniť, zložito a nákladne zneškodniť,

•          znižovanie účinnosti a rýchlosti flotácie pri nízkom obsahu dispergovaných znečisťujúcich látok, prítomnosť povrchovo aktívnych látok alebo koagulantov v kontaminovanej zmesi (v prípade relatívne málo zasiahnutých vôd je nevyhnutné dodávať koagulanty a detergenty).

   Trvanie čistenia a účinnosť

Flotáciou možno spoľahlivo spracovať veľký objem odpadového materiálu. Nepretržite pracujúce flotačné systémy poskytujú efektívne riešenie spracovania odpadového materiálu, ktorý obsahuje voľne plávajúce alebo emulgované oleje, rozpustené ťažké kovy, mydlá, tenzidy a mnohé ďalšie druhy odpadu.

Z technologickej schémy vyplýva, že flotačné zariadenie je oproti gravitačným separačným technológiám zložitejšie zariadenie, ktoré vyžaduje značné kapitálové a prevádzkové náklady (energia na výrobu bublín, prevádzkové chemikálie – koagulanty, detergenty na zmenu povrchového napätia) a sú náročné na obsluhu. Náklady na zaobstaranie v prípade flotátorov s výkonom niekoľko litrov za sekundu sa pohybujú v desiatkach až státisícoch eur. Prevádzkové náklady závisia najmä od nákladov na odvodnenie kalu a peny a ich zneškodnenie (Dubánek, 2006a).

 

© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží

Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,

Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová

Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,

ISBN    978-80-89343-39-3