ניתוח עקרונות הציפה וגורמי ההשפעה

בטיפול במים תעשייתיים ועירוניים, ציפה היא טכנולוגיית טיהור מים המשתמשת בבועות זעירות כדי להעלות זיהומים מרחפים אל פני השטח. למרות שהוא פשוט לכאורה, הוא מגלם עקרונות מורכבים של מכניקת נוזלים וכימיה של הממשק. מאמר זה ישלב נוסחאות קלאסיות עם ניסיון הנדסי כדי לספק-ניתוח מעמיק של מנגנוני הליבה וגורמי ההשפעה של הציפה לעיון על ידי אנשי מקצוע לטיפול במים.

I. עקרונות יסוד של ציפה
ציפה היא ההפך משקיעה. בעוד שקיעה מנצלת את כוח המשיכה כדי לשקוע חלקיקים ולהסיר חומר מרחף, הציפה מנצלת את כושר הציפה של הבועות המחוברות כדי להביא חלקיקים מרחפים אל פני השטח, ובכך להשיג הפרדת נוזלים מוצקים.

המפתח לטיהור מי ציפה הוא יצירת מספר רב של בועות זעירות, הנצמדות לחלקיקים מרחפים ויוצרות "פקעות- בועות". בועות אלו עולות עקב ציפה ובסופו של דבר נגרדות.

התהליך הפיזי הבסיסי הוא: יצירת בועות → מגע והידבקות בין בועות לחלקיקים → עליית חלקיקים מחוברים עם הבועות → היווצרות והפרדה של שכבת קצף.

II. ניתוח של מהירות עליית בועה
כאשר בועה עולה במים, היא מושפעת על ידי שלושה כוחות: כוח הכבידה F1, ציפה F2 וגרירה F3. בהתבסס על החוק השני של ניוטון, ניתן לגזור את הנוסחה הבאה.

היכן: v היא מהירות העלייה של הבועה, ס"מ/שנייה; m היא מסת האויר-העמוסים, g; כוח הכבידה F1=ρ1gV, כאשר ρ1 הוא צפיפות הקומפלקס של הבועה-, g/cm³, ו-V הוא נפח הקומפלקס של הבועה-, cm³; ציפה F2=ρ2gV, כאשר ρ2 היא צפיפות המים, g/cm³; גרור F3=CAρ2v²/2, כאשר C הוא מקדם הגרר ו-A הוא השטח המוקרן של קבוצות האוויר העמוסות- בכיוון זרימת המים, cm².

החלפת כוח הכבידה F1, ציפה F2 וגרירת F3 לנוסחה שלמעלה מניבה את הנוסחה הבאה.

כאשר מהירות העלייה של הבועה מתייצבת, ניתן לחשב dv/dt=0 ומהירות העלייה v של הבועה כפי שמוצג בנוסחה הבאה.

אם נדמיין את מבנה ה"בועה-פלוק" ככדור בקוטר d, אז V/A=2d/3. יתר על כן, מקדם הגרר של הכדור C=4, ומהירות העלייה של הבועה היא כדלקמן.

הנוסחה שלעיל חושפת שמהירות העלייה של הבועה v פרופורציונלית ישירה לשורש הריבועי של קוטר החלקיקים d ובפרופורציה הפוך לצפיפות המים ρ1. כלומר, ככל שהבועה גדולה יותר והפרש הצפיפות גדול יותר, כך מהירות העלייה מהירה יותר. עם זאת, בועות גדולות מדי נוטות פחות למשוך זיהומים, מה שהופך את יצירת המיקרו-בועות לחשוב במיוחד. יתר על כן, מכיוון שצפיפות האוויר היא רק 1/775 מזו של מים, קבוצות עם מספר מסוים של מיקרו-בועות מחוברות עולות מהר יותר מהצפיפות המקוריות. לכן, ציפה משיגה זמני הפרדת נוזלים- קצרים בהרבה מאשר שקיעה.

III. מתח פני השטח ולחץ נוסף
הליבה של תהליך הציפה טמונה בהיצמדות הבועות לחלקיקים, ומתח פני השטח קובע את יציבות הבועות. מתח הפנים של נוזל מוגדר כדלקמן.

איפה: T הוא מתח הפנים, בדין, המשקף את עוצמת הכוחות בין מולקולות נוזל; הוא מקדם מתח פני השטח, בדינים/ס"מ; ו-l הוא אורך שכבת פני השטח, בס"מ.

אוויר לא מומס במים נמשך על ידי מולקולות המים, ויוצר מתח פנים בממשק בין שני השלבים. שכבה דקה זו של מולקולות מים שיוצרת מתח פנים יוצרת קרום של בועה. המשטח המעוקל של הממברנה, עקב מתח פני השטח, מפעיל לחץ נוסף Ps על האוויר שבתוך הבועה. כדי לאזן את הלחץ הנוסף הזה, הלחץ בתוך הבועה, P, חייב להיות גדול מהלחץ מחוץ לבועה, P0, כלומר, P=P0 + Ps. גודל הלחץ הנוסף הזה עומד ביחס ישר למקדם מתח פני השטח וביחס הפוך לרדיוס הבועה, כפי שמוצג במשוואה הבאה.

איפה: r הוא רדיוס הבועה, בס"מ.
המשוואה שלעיל מגלה שככל שהבועה קטנה יותר, כך הרדיוס r קטן יותר, והלחץ הנוסף גדול יותר, מה שגורם לבועה להתפוצץ יותר. לכן, מערכת הציפה חייבת לקחת בחשבון הן את גודל הבועות והן את יציבותן. אם הבועות גדולות מדי, הן יצופו מהר מדי ויהיה קשה להדביק אותן; אם הבועות קטנות מדי, הן ישברו בקלות וקשה ליצור שכבת חלאות יעילה.

IV. מנגנון הדבקה של בועות ופלקים
השילוב של בועות ופלקים הוא המפתח לציפה. ניתן לסכם את מנגנון הפעולה שלו כשלוש השפעות מכניות:

(1) אפקט הפחתת אנרגיית פני השטח. כאשר בועות נצמדות לפני השטח של פקקים, אנרגיית השטח הכוללת של המערכת פוחתת והממשק נוטה להיות יציב;

(2) אפקט גישור נימי. הסרט הנוזלי בין הבועות והפלקים נמתח ליצירת גשר נימי, מה שהופך את השניים לחיבור הדוק;

(3) אפקט ספיחה אלקטרוסטטית. חלקיקים במים לרוב טעונים שלילי, וניתן לשלוט בפוטנציאל פני השטח של בועות מיקרו גם כדי ליצור אפקט ספיחה אלקטרוסטטי.

השילוב של בועות ופלקים לא רק מגדיל את הפרש המשקל הסגולי של חלקיקים מרחפים, אלא גם משפר את יעילות הפרדת הציפה.

V. אפקט ה-Entrainment ואפקט הציפה
במיכל הציפה, כאשר מיקרו-בועות נושאות פקקים למעלה, הן יגררו איתן חלק מהמים למעלה. תופעה זו נקראת אפקט סחף. למרות שאפקט ההכלה משפיע על ריכוז הקצף, הוא עוזר לשפר את קצב ההסרה. המנגנון שלו כולל: (1) שיפור מגע הערבוב, מה שהופך את הבועות והפלקים למגע מלא יותר באמצעות מערבולות; (2) קידום ספיחת בועות והגדלת שטח המגע; (3) יצירת שכבת חלאות יציבה, שבה בועות קטנות משתלבות עם קבוצות דביקות ויוצרות שכבה צפופה, שקל לגרד אותה.

מַסְקָנָה

ציפה משיגה טיהור על ידי "יצירת ביוב לצוף". זוהי טכנולוגיית הפרדה יעילה המשלבת תהליכים פיזיקליים וכימיים. המפתח להצלחתו טמון ביצירת מיקרו-בועות, היווצרות פקקים ושילוב יעיל של השניים. הבנת החוקים הדינמיים של ציפה של בועות וההתנהגות הכימית הממשקלת לא רק עוזרת לייעל את התכנון של ציוד הציפה, אלא גם מספקת תמיכה תיאורטית לטיפול עמוק בשפכים תעשייתיים וביוב עירוני. כשאתה רואה את שכבת החלאות הזו נגרדת לאט, זכרו שזהו נס טיהור שנעשה על ידי אינספור בועות וחלקיקים.