Flokulacja zawiesin mineralnych



Pobieranie 20.57 Kb.
Data10.05.2016
Rozmiar20.57 Kb.
FLOKULACJA ZAWIESIN MINERALNYCH

opracowanie dr hab. inż. Andrzej Łuszczkiewicz

  1. Wprowadzenie

W wielu procesach przemysłowych zachodzi konieczność wydzielania fazy stałej z wody lub roztworu wodnego. Z zagadnieniami tymi spotykamy się w wielu dziedzinach związanych z inżynierią chemiczną i inżynierią środowiska. Z problemem tym mamy także często do czynienia w przeróbce surowców mineralnych, gdzie większość procesów przeprowadza się w wodzie. Produkty końcowe operacji głównych (np. wzbogacania) otrzymywane są bardzo często w stanie zawiesiny wodnej natomiast przedmiotem sprzedaży mogą być wyłącznie produkty odwodnione. Zachodzi zatem konieczność poddania zawiesin produktów procesowi odwodnienia, który z punktu widzenia inżynierii chemicznej jest procesem rozdziału (separacji) faz: ciekłej od stałej. Z drugiej strony woda po jej użyciu, przed skierowaniem jej ponownie do obiegu technologicznego lub odprowadzeniem do otaczającego środowiska, wymaga oczyszczenia co często sprowadza się do wydzielenia zawieszonych w niej cząstek stałych. Zabieg taki nazywamy klarowaniem wód. Separacja dużych, o rozmiarach milimetrowych, cząstek (ziarn) ciała stałego z wody jest operacją prostą i zwykle wykonuje się ją na sitach. Trudniejszym procesem jest wydzielanie ziarn drobnych np. o średnicach mniejszych od około 100 m (0.1 mm); do ich usuwania z wody stosuje się sedymentację lub filtrację)* próżniową lub bardziej wydajną filtrację ciśnieniową. Gdy jednak wielkość cząstek jest mniejsza od 1 m (mówimy wówczas o cząstkach o rozmiarach koloidalnych), proces filtracji przebiega bardzo opornie z powodu małej porowatości osadu, zaś sedymentacja często jest niemożliwa, ponieważ tak bardzo drobne cząstki nie podlegają działaniu sił grawitacji gdyż przewyższają je siły translacyjne Browna. W takich przypadkach dla umożliwienia lub podwyższenia skuteczności procesu filtracji czy sedymentacji wprowadza się do zawiesiny specjalne substancje chemiczne powodujące agregację bardzo drobnych ziarn. Zagregowane cząstki zachowują się jak ziarna większych rozmiarów, zatem szybciej i łatwiej opadają (sedymentują) tworząc na dnie osady, które można zdekantować (zlewanie cieczy z nad osadu), lub tworząc porowate osady, łatwo poddające się filtracji.

Agregacja cząstek może opierać się na dwóch odmiennych zjawiskach koagulacji i flokulacji.

Koagulacja jest to proces polegający na łączeniu pojedynczych cząstek fazy stałej w agregaty co prowadzi do wytrącenia się ich w formie osadu w wyniku dodania do zawiesiny elektrolitów nieorganicznych obniżających potencjał elektrokinetyczny cząstek. Zachodzi wtedy ścieśnienie rozmytej części tzw. podwójnej warstwy elektrycznej, istniejącej wokół cząstek w roztworze, co ułatwia ich zbliżenie na odległość oddziaływania sił van der Waalsa-Londona i wzajemne przyciąganie się.

Cząstka ciała stałego znajdująca się w cieczy polarnej jaką jest woda, posiada ładunek elektryczny, który może pochodzić z dysocjacji grup znajdujących się bezpośrednio na powierzchni minerału lub też z adsorbcji tzw. jonów potencjałotwórczych. Obecność ładunku na powierzchni cząstki powoduje powstanie wokół niej elektrycznej warstwy podwójnej. Warstwa ta składa się z warstwy jonów zaadsorbowanych na powierzchni ziarna (warstwa zwarta) oraz rozmytej warstwy przeciwjonów pochodzących z roztworu (warstwa rozmyta)

Substancje chemiczne powodujące koagulację nazywamy koagulantami. Jako koagulanty stosuje się najczęściej roztwory Ca(OH)2 , NaCl, FeCl2, Al2(SO4)3 itp. Proces koagulacji można stosować do klarowania bardzo drobnych cząstek ciała stałego o rozmiarach np. mniejszych od 0.1 m i rozcieńczonych zawiesin. Na skoagulowane cząstki zaczynają działać siły grawitacji powodując ich opadanie i po dekantacji mogą być usunięte jako osad cząstek ciała stałego. Z takim przypadkiem mamy do czynienia np. w technologii uzdatniania (oczyszczania) wody komunalnej.

Powszechniej stosowanym i znacznie bardziej wydajnym sposobem agregacji cząstek i przyspieszania ich sedymentacji jest flokulacja. Flokulacja jest to proces tworzenia agregatów z cząstek fazy stałej na drodze oddziaływania i wiązania ich powierzchni za pośrednictwem zaadsorbowanego na niej makrocząsteczki specjalnego związku polimerowego. Wiązania pomiędzy poszczególnymi cząstkami fazy stałej w tym procesie są silniejsze niż w przypadku koagulacji. Substancje chemiczne wywołujące flokulację nazywamy flokulantami. Jako flokulanty stosuje się związki polimerowe zarówno pochodzenia naturalnego (np. skrobia, żelatyna) jak i syntetyczne. Jako flokulanty syntetyczne najczęściej stosuje się poliakrylamidy, kwasy poliakrylowe, tlenek polietylenu, kwasy poliakrylowe, tlenek polietylenu, alkohol poliwinylowy i ich pochodne. Związki te muszą być rozpuszczalne w wodzie, ich ciężar cząsteczkowy jest wysoki (ponad milion g/mol), a długość cząsteczki na tyle duża aby polimer mógł jednocześnie ulegać sorpcji na kilku ziarnach ciała stałego. Powstałe ciężkie i porowate agregaty zwane flokułami, które zaczynają być posłuszne siłom grawitacji i zaczynają opadać, a prędkość ich sedymentacji opisuje prawo Stokesa. Opadające flokuły tworzą porowaty osad o dużej objętości. Flokuły te można oddzielić od wody za pomocą sit, filtracji czy dekantacji.

Spotykane w praktyce przemysłowej zawiesiny są tak różnorodne, że konieczne jest stosowanie różnych flokulantów. Produkuje się flokulanty o ciężarach cząsteczkowych od jednego do kilkunastu milionów g/mol o charakterze anionowym, kationowym lub obojętnym. Flokulanty anionowe są szczególnie przydatne przy klarowaniu i odwadnianiu zawiesin mineralnych w ośrodkach z odczynem zasadowym lub obojętnym. Flokulanty obojętne mają najszersze zastosowanie zarówno w przeróbce węgla, soli i rud. Flokulanty kationowe używane są przede wszystkim do klarowania zawiesin substancji organicznych. Można je stosować do zawiesin charakteryzujących się odczynem kwaśnym (np. w metalurgii).

Flokulanty znalazły szerokie zastosowanie wszędzie tam gdzie w procesach technologicznych operujemy wodą a zatem w górnictwie, metalurgii, przemyśle chemicznym, papiernictwie, cukrownictwie i innych dziedzinach przemysłu spożywczego, gospodarce komunalnej (woda pitna), itd.

Proces flokulacji ma zastosowanie w następujących dziedzinach górnictwa :


  • przy oczyszczaniu zailonych wód po przeróbce wielu surowców mineralnych np. po płukaniu piasków i kruszyw

  • przy oczyszczaniu wód technologicznych zanieczyszczonych produktami wzbogacania w przeróbce węgla, rud miedzi, cynku i ołowiu, żelaza, siarki.

  • przy odwadnianiu produktów wzbogacania; dodatek flokulanta powoduje przyspieszenie sedymentacji i konsekwencji pozwala na znaczne zmniejszenie objętości osadników t.j. urządzeń, w których ten proces jest przeprowadzany. Cechą znamienna tego procesu jest to, że niewielki dodatek flokulanta np. 0.5 g/m3 zawiesiny może przyspieszyć prędkość sedymentacji dziesięcio- czy nawet dwudziestokrotnie.

  • przy selektywnym rozdziale dwóch różnych substancji mineralnych rozproszonych w zawiesinie.

Jeżeli zawiesina wodna zawiera więcej niż jeden składnik mineralny, to poprzez odpowiedni dobór polimeru - flokulanta, który będzie selektywnie sorbował się tylko na jednym rodzaju ziarn, można doprowadzić do selektywnej flokulacji. Rozdział sflokulowanego składnika od pozostałości (woda + pozostałe składniki) dokonuje się przez przelewanie. Flokulacja selektywna jest zatem jedną z metod wzbogacania ziarn bardzo drobnych.

  1. Część doświadczalna

Oczyszczanie zawiesiny wodnej zawierającej drobne ziarna węgla

Odważ 6 porcji po 25 g drobno zmielonego węgla i wsyp do sześciu cylindrów miarowych o pojemności 250 cm3. Cylindry ponumeruj a następnie do każdego z nich nalej tyle wody aby objętość końcowa zawiesiny w poszczególnych cylindrach wynosiła zgodnie z numerami cylindrów kolejno:



    1. 250 cm3

    2. 245 cm3

    3. 240 cm3

    4. 230 cm3

    5. 210 cm3

Zatykając dłonią górną, otwartą część cylindra, wstrząśnij kilkakrotnie zawiesiną w każdym cylindrze i zwróć uwagę na to, aby węgiel uległ całkowitemu zwilżeniu. Wykonaj 5 niezależnych doświadczeń rozpoczynających się dodaniem do poszczególnych cylindrów wodnego roztworu skrobi ziemniaczanej o stężeniu 100 ppm w ilości, dla kolejnych doświadczeń, zgodnie z numerami cylindrów:

    1. 0 cm3 , (do pierwszego cylindra niczego nie dodajemy)

    2. 5 cm3 ,

    3. 10 cm3 ,

    4. 20 cm3 ,

    5. 40 cm3,

Po dodaniu skrobi, zawiesinę w każdym cylindrze delikatnie wymieszaj przez trzykrotne, spokojne odwracanie każdego szczelnie przykrytego dłonią cylindra do góry dnem. Zwróć uwagę na to by sposób odwracania do góry dnem każdego cylindra był możliwie identyczny; ważna jest tu prędkość wykonywanej operacji zatem najlepiej jak wykona ją zawsze jedna i ta sama osoba. Po trzykrotnym odwróceniu do góry dnem każdy cylinder postaw na stole i obserwuj zachodzące zjawiska. Zmierz prędkość rozdziału faz obserwując przesuwanie się tzw. granicy mętności, mierząc stoperem czas przekraczania kolejnych działek cylindra przez granicę mętności. Na koniec przyjmując jakiś jednakowy dla wszystkich doświadczeń czas zakończenia pomiarów zanotuj objętość utworzonego osadu. Wyniki przedstaw w postaci wykresów zależności:

1. kinetyki procesu t.j. zależności wysokości słupa sklarowanej wody od czasu dla zastosowanych poszczególnych stężeń flokulanta,

2. czasu separacji faz jako funkcji stężenia flokulanta,

3. objętość sflokulowanego osadu jako funkcji stężenia flokulanta.

W sprawozdaniu oprócz krótkiego opisu teoretycznego i opisu doświadczenia przedstaw wyniki pomiarów i ich omówienie. Stosuj się do wzorów ogólnie przyjętych przy pisaniu sprawozdań.

Selektywna flokulacja węgla z mieszaniny z krzemionką

Odważ 25g węgla i 8g SiO2. Obydwa składniki przenieś do cylindra miarowego 250 cm3 i dodaj wody do objętości 240 cm3. Całość mieszaj przez wytrząsanie przez 1minutę. Zwróć uwagę aby węgiel uległ całkowitemu zwilżeniu. Przygotuj 5 podobnych zawiesin. Do jednej z nich dodaj 5 cm3 roztworu skrobi. Po dodaniu skrobi wytrząsaj zawartość cylindra przez 1 minutę a potem pozostaw całość w spokoju przez 2 minuty. Teraz zdekantuj roztwór znad osadu. Otrzymany koncentrat (sflokulowany materiał) i odpad wysusz i przekaż do analizy chemicznej. Powtórz doświadczenia w pozostałych cylindrach dodając odpowiednio 10, 20, 50 cm3 roztworu skrobi. W piątym cylindrze wykonaj ślepą próbę bez dodatku skrobi.



Na podstawie wyników analiz chemicznych koncentratów i odpadów sporządź bilans wzbogacania. Ponadto przedstaw wyniki pomiarów w postaci wykresów. Uzysk węgla i uzysk SiO2 od stężenia skrobi. Napisz sprawozdanie według obowiązującego wzoru.




©absta.pl 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna