עקרון הפעולה של מיכל ציפה במפעל מים

שיטת הציפה היא לייצר מספר רב של בועות זעירות במים באמצעות טכנולוגיה מסוימת, כך שהן נצמדות לחלקיקים מרחפים בשפכים. כשהצפיפות יורדת לפחות ממים, הם צפים אל פני המים ויוצרים חלאות, ובכך מסירים חלקיקים מרחפים במים. שיטת הציפה משמשת בעיקר לטיפול במים המכילים חלקיקים מרחפים בצפיפות הקרובה ל-1 וקשה להסרה בשיטת שיקוע, כגון חנקן אמוניה, חומר אורגני, חלקיקים קולואידים, מי מקור מים בטמפרטורה נמוכה ועכירות נמוכה עם יותר אצות.

1. מתח משטח ואנרגיה חופשית משטחים כאשר נוזל וגז נמצאים במגע, מולקולות פני השטח של הנוזל והמולקולות הפנימיות כפופות לכוחות משיכה מולקולריים שונים, והמשיכה ההדדית בין מולקולות הנוזל, כלומר כוח הלכידות, היא הרבה יותר גדול מההיצמדות בין מולקולות נוזל למולקולות גז. לכן, מולקולות פני השטח והמולקולות הפנימיות של הנוזל נתונות לכוחות לא אחידים, כלומר, הכוח הנוצר על המולקולות הפנימיות של הנוזל הוא אפס, והכוח הנוצר על מולקולות השטח של הנוזל גדול מאפס. גודל הכוח הנוצר שווה, והכיוון מאונך למשטח המגע ומצביע על הפנים של הנוזל והגז. כוח זה מנסה להקטין את שטח הפנים של הנוזל. המים עם נפח קטן מאוד באוויר קיימים בצורה של טיפות מים (כלומר כדורים, כי שטח הפנים של הכדור הוא הקטן ביותר). הדבר נכון גם לגבי שלב הגז.

2. האוויר במים קיים בצורת בועות (כלומר כדורים), והמתח המשטחי הוא המשיכה בין מולקולות פני השטח, המתקיימת במקביל לכוח המלוכד בין המולקולות, והכיוון משיק ל. משטח המגע. מולקולות השטח של הנוזל עדיין נמצאות על פני הנוזל בפעולת הלכידות, מה שאומר שהמשיכה בין מולקולות השטח של הנוזל, כלומר מתח המשטחים, גדולה מהמשיכה בין המולקולות הפנימיות. לכן, למולקולות פני השטח של הנוזל יש יותר אנרגיה מאשר למולקולות הפנימיות.

אותו נפח אוויר יוצר בועות קטנות מפוזרות, ושטח הפנים שלו גדול משטח הפנים של בועות גדולות, מה שיגדיל את הסיכוי להתנגשות והידבקות בין בועות לחלקיקים; בנוסף, התסיסה ההידראולית האלימה של בועות גדולות במהלך תהליך העלייה אינה תורמת להידבקות של בועות וחלקיקים, והיא גם תפיל את הבועות הנספגות, כך שהבועות הקטנות שנוצרות תורמות לציפה.

התרגול הוכיח שקוטר הבועות הוא מתחת ל-100um כדי להיצמד היטב לחלקיקים. לבועות עצמן יש נטייה להיצמד אחת לשנייה ולהפחית את אנרגיית הממשק, כלומר אפקט המיזוג של בועות, מה שיפחית גם את הסיכוי להתנגשות ולהידבקות. אם שילוב הבועות והחלקיקים, כלומר הקצף, יעלה אל פני המים ויתפוצץ במהירות, החלקיקים הנספגים לא יספיקו להסירם על ידי ציוד הגרידה ולשקוע שוב במים. לכן, חייבת להיות כמות מסוימת של פעיל שטח במים כדי למנוע התמזגות של בועות וקריסה מהירה של בועות. חומרים פעילי שטח נקראים גם סוכני קצף. רובם מורכבים ממולקולות קוטביות ולא קוטביות. הראש העגול מייצג את הקבוצה הקוטבית, הנמסה בקלות במים ונכנסת לעומק המים (מכיוון שהמים הם מולקולה קוטבית חזקה); הזנב מייצג את הקבוצה הלא קוטבית, שהיא קבוצה הידרופוביה ונכנסת עמוק לתוך הבועות. דחיית מטענים של אותו שלט יכולה למנוע מיזוג וקריסה של בועות, ובכך לשפר את יציבות הקצף. כאשר אין מספיק חומר פעיל שטח במים, על מנת להבטיח את אפקט הציפה, יש להוסיף אותו ולקבוע את כמות התוספת לפי הבדיקה.

אם יש יותר מדי חומרים פעילי שטח במים, הבועות או החלקיקים (כגון חלקיקי שמן) יציבים מדי בגלל אותו סימן, וגם קשה ליצור קצף. לאבקה המוצקה ההידרופלית שיש במים זווית הרטבה בין 0 ל-90 מעלות, כך שחלק קטן משטחה נדבק לשמן. טיפות השמן מכוסות על ידי אבקות מוצקות אלו, מה שמקשה על יצירת קצף. לכן, השיטה היעילה היא שימוש בחומר קרישה כדי להגדיל את הקולואיד הטעון במים, לבטל את דחיית המטענים ולאפשר לחלקיקים להיצמד לבועות.

על פי הלחצים השונים שבהם משקעים בועות, ניתן לחלק את הצפת האוויר המומס לשני סוגים: ציפת אוויר מומסת בוואקום וצפת אוויר מומס בלחץ.

צפת אוויר מומסת בוואקום היא תהליך של התמוססות אוויר למים בתנאי לחץ רגילים או בלחץ ומשקעים בתנאי לחץ שלילי. המאפיינים העיקריים שלו הם: הלחץ הנדרש לפירוק אוויר נמוך מזה של אוויר מומס בלחץ, וציוד החשמל וצריכת החשמל פחותים; הצפת אוויר פועלת בתנאי לחץ שלילי, ויש לסגור את מיכל הצפת האוויר, מה שהופך את המבנה של מיכל הצפת האוויר למורכב, תחזוקה ותפעול, תחזוקת ציוד קשה וכמות האוויר המומס קטנה. שיטה זו מתאימה רק לטיפול בשפכים עם ריכוזי מזהמים נמוכים וממעטת להשתמש בה בייצור.

אוויר מומס בלחץ מתמוסס למים בתנאי לחץ ומשקעים בלחץ רגיל. המאפיינים שלו הם: נפח אוויר מומס גדול, ניתן לספק מספיק בועות מיקרו שיכולות לעמוד בדרישות הפרדת מוצק-נוזל של דרישות שונות ולהבטיח את אפקט ההסרה; גודל חלקיקי הבועות שנוצר לאחר פירוק ושחרור קטן (20~100um), גודל החלקיקים אחיד, המיקרובועות עולות לאט מאוד במיכל הציפה, וההפרעה למיכל קטנה, מה שמתאים במיוחד להפרדה של גושים רופפים ומוצקים עדינים; הציוד והתהליך פשוטים יחסית והתחזוקה והניהול נוחים. הצפת אוויר מומס בלחץ היא שיטת הציפה הנפוצה ביותר בייצור. התהליך שלו מורכב מציוד לרווית אוויר, ציוד לשחרור אוויר, מיכל ציפה, ציוד להסרת סיגים וכו'. ישנם שלושה זרימות תהליך בסיסיות: זרימת אוויר מומס מלאה, זרימת אוויר מומס חלקית וספיקת אוויר מומס בלחץ ריפלוקס.

זרימת האוויר המומס המלאה היא ללחוץ ולהמיס את כל מי השפכים, ולאחר מכן להיכנס למיכל הציפה דרך התקן שחרור הדקומפרסיה להפרדת מוצק-נוזל. בהשוואה לשני התהליכים האחרים, צריכת החשמל שלו גבוהה, אך מכיוון שלא מוסיפים מי אוויר מומסים, נפח מיכל הציפה קטן.

זרימת האוויר המומס החלקית היא ללחוץ ולהמיס חלק מהשפכים, ושאר השפכים נשלחים ישירות למיכל הציפה. תהליך זה חוסך יותר בחשמל מאשר תהליך הגז המומס המלא. מכיוון שחלק מהשפכים עוברים דרך מיכל הגז המומס, נפח מיכל הגז המומס קטן יחסית. עם זאת, מכיוון שכמות האוויר שניתן לספק מהגז המומס בלחץ של חלק מהשפכים קטנה, אם רוצים לספק את אותה כמות אוויר, יש להגביר את הלחץ של מיכל הגז המומס. הגז המומס בלחץ ריפלוקס מחזיר חלק מהקולחים ולוחץ אותו ישירות לתוך מיכל הציפה. שיטה זו מתאימה להפרדה של מוצקים ונוזלים במים עם ריכוז גבוה של חומר מרחף.

להלן נציג את הציוד הנדרש להנפה. ציוד רוויית האוויר מורכב ממשאבת מים בלחץ ואספקת אוויר, גז מומס וציוד אחר. תפקידו הוא להמיס אוויר במים בלחץ מסוים כדי לספק מי גז מומס הנדרש לטיפול במים.

1. משאבת בוסטר

משאבת הבוסטר משמשת לאספקת כמות מסוימת של מים בלחץ מסוים. אם הלחץ של משאבת הבוסטר גבוה מדי, כמות האוויר המומס ליחידת נפח תגדל. לאחר דקומפרסיה, ניתן לזרז כמות גדולה של אוויר, אשר תקדם את הצטברות המיקרו-בועות ואינה תורמת להפרדת ציפה. בנוסף, מאחר שכמות מי הגז המומסים הדרושה בלחץ גבוה מצטמצמת, אין זה תורם לערבוב מלא של מי גז מומס ושפכים מקוריים. להיפך, אם הלחץ של משאבת הבוסטר נמוך מדי, כמות מי האוויר המומסים תגדל בהכרח, ובכך תגדיל את נפח מיכל הציפה.

2. אספקת אוויר

ניתן לחלק את אספקת האוויר לשלוש דרכים: אספקת צינור יניקה של צינור יניקה של משאבת מים, אספקת אוויר סילון בצינור לחץ משאבת מים ואספקת אוויר במדחס אוויר במשאבת מים. ניתן לחלק את אספקת האוויר בצינור היניקה של משאבת מים לשתי צורות: האחת היא להשתמש בלחץ השלילי בצינור היניקה של משאבת המים כדי לפתוח חור קטן בצינור היניקה, והאוויר נשאב לתוך מיכל האוויר המומס לאחר היניקה דרך התאמת נפח האוויר וציוד המדידה; השני הוא לחבר צינור מסועף לצינור הלחץ של משאבת המים, ולהתקין מפלט על צינור הענף. המפלט משמש לשאוב אוויר ולשלוח אותו אל צינור היניקה, ולאחר מכן אל מיכל האוויר המומס דרך משאבת המים. יתרונותיו הם ציוד פשוט ואין צורך במדחס אוויר; החיסרון הוא שכמות האוויר המומס קטנה, בדרך כלל לא עולה על 10% (יחס נפח) מזרימת משאבת המים, אחרת זה יגרום לרטט חריג של משאבת המים.

אספקת אוויר סילון של משאבת מים היא להשתמש במפלט המותקן על צינור הלחץ של משאבת המים כדי לשאוב אוויר. היתרונות שלו הם ציוד פשוט, אין צורך במדחס אוויר, אין רטט חריג של משאבת מים וסכנת קוויטציה; החסרונות שלו הם אובדן אנרגיה גדול של המפלט עצמו, בדרך כלל כ-30%, והלחץ ביציאה של משאבת המים גדול מלחץ המים המומס הנדרש.

אספקת אוויר עם מדחס שנאי אוויר למשאבת מים היא שיטת אספקת אוויר נפוצה כיום. האוויר המומס בשיטה זו מסופק על ידי מדחס אוויר, ומי הלחץ נכנסים למיכל האוויר המומס באמצעות משאבת מים בלבד, או שניתן לשלב אותם עם אוויר דחוס כדי להיכנס למיכל האוויר המומס. על מנת למנוע זרימת אוויר דחוס או מים בלחץ חזרה לתוך משאבת המים או מדחס האוויר עקב פעולה לא תקינה, אותו כיוון מלמעלה למטה משמש לעתים קרובות כדי לזרום לתוך מיכל האוויר המומס.

היתרון שלו הוא שהספק של מדחס אוויר קטן מכיוון שנדרש פחות אוויר בלחץ מסוים. צריכת האנרגיה קטנה; החיסרון הוא רעש קל וזיהום שמן וקירור. חשוב במיוחד לשלוט בלחץ של משאבת המים ומדחס האוויר ולגרום להם להגיע למצב מאוזן.

3. מיכל אוויר מומס

תפקידו של מיכל אוויר מומס הוא לשלב את המגע המלא בין מים לאוויר ולהאיץ את פירוק האוויר. ישנן מספר צורות נפוצות כיום. ישנם שני סוגים של מיכלי אוויר מומס: מיכלים ריקים ומיכלים מלאים. המיכלים המלאים יכולים להגביר את מידת המערבולת, לשפר את פיזור השלב הנוזלי ולעדכן באופן רציף את הממשק בין השלב הנוזלי לשלב הגז, כך שיעילות האוויר המומס גבוהה. ישנן צורות שונות של מיכלי אוויר מומס מלאים. מחקרים הראו שיעילות האוויר המומס של טבעות צעד היא הגבוהה ביותר, שיכולה להגיע ליותר מ-90%, ואחריהן טבעות Raschig, והנמוכה ביותר היא גלילי גיליון גליים. יעילות האוויר המומס של גלילי גיליונות גליים גבוהה בכ-25% מזו של מכלים ריקים. כאשר עובי שכבת האריזה עולה על 0.8 מ', היא יכולה להגיע לרוויה. עומס פני השטח של מיכל האוויר המומס הוא בדרך כלל 300~2500m3/(m2·d), כך שבדרך כלל משתמשים במיכלי אוויר מומס מלאים.

4. משחרר אוויר מומס

תפקידו של מכשיר שחרור האוויר הוא לשחרר במהירות את האוויר בלחץ מי אוויר מומס בצורת מיקרובועות לאחר דקומפרסיה. הקוטר של המיקרו-בועות חייב להיות 20 ~ 100 מ"מ. לקוטר ולמספר המיקרו-בועות יש השפעה רבה על אפקט הציפה. כיום, ציוד שחרור הדקומפרסיה המשמש בייצור מחולק לשתי קטגוריות: האחת היא שסתום הפחתת לחץ והשניה היא משחרר. שסתום הפחתת הלחץ משתמש בשסתום העצירה הקיים, וחסרונותיו הם: מידת הפתיחה של מספר שסתומים אינה עולה בקנה אחד עם מידת הפתיחה האופטימלית שלו קשה להתאמה ולשלוט, כך שהזרימה מכל שסתום שונה, גודל הבועות המשוחררות אינו עקבי; השסתום מותקן מחוץ למיכל הציפה, ולאחר שחרור הלחץ הוא נשלח אל מיכל הציפה דרך קטע צינור. אם קטע צינור זה ארוך, תופעת מיזוג הבועות היא חמורה, מה שמשפיע על אפקט הציפה; בנוסף, תחת ההשפעה של מי אוויר מומסים בלחץ ביום ובלילה, קל לשחרר את ליבת השסתום ובורג גזע השסתום, וחור כניסת המים, תא חור הפער, תיבת החור וחור יציאת המים גורמים לשינוי הזרימה, מה שהופך הפעולה לא יציבה.

בסין יש סוג TS, TJ וסוג טלוויזיה. משחרר אוויר מומס מסוג TS, כאשר מי האוויר המומס בלחץ עוברים דרך תיבת החורים, מי האוויר המומס עוברים שוב ושוב התכווצות, דיפוזיה, השפעה, ריפלוקס, אקסטרוזיה, קרינה, מערבולת ומצבי זרימה אחרים, ובתוך {{{{5} }}}.1 שניות, אובדן הלחץ הוא כ-95%, והאוויר המומס משתחרר במהירות. היתרון של משחרר מסוג TS הוא שהפחתת הלחץ ופיזור האנרגיה הם יסודיים. יעילות שחרור הגז החד-פעמית יכולה להגיע ל-99% או יותר, כמעט כל הגז המומס במים משתחרר; פיזור האנרגיה ושחרור הגז מסתיימים באופן מיידי. לאחר שמי הגז המומסים של 0.3MPa עוברים דרך המשחרר, הקוטר הממוצע של הבועה הוא 20 ~ 30um, אשר שולט על הבועות חסרות התועלת למינימום; זה יכול לשלוט טוב יותר על קצב הזרימה של מוצא המשחרר, לחסל את הנזק של זרימת מים שוברת פקקולות; למנוע אפשרות של התמזגות בועות בדרך, ולשפר את אפקט הציפה. החיסרון שלו הוא שזרימת המים במשחרר קטנה, ולפעמים היא נחסמת בגלל חומר מרחף במי הגז המומסים בלחץ. המשחררים המיוחדים מסוג הטלוויזיה וה-TJ משתמשים בהתקני פנאומטיים או ואקום כדי לפתוח את החריץ במשחרר כדי לשחרר את מי הגז המומס, וניתן לשטוף את הפסולת שבו מבלי לפרק את המשחרר. השתמש באפקט ציפה יציב.

לסיכום, לציפת מים במפעלי מים יש תפקיד חיוני בטכנולוגיית הפקת מים. זה יכול להסיר ביעילות חומר מרחף, שומן, פקקים ומי אצות גבוהות במים. לציוד הציפה יש השקעה קטנה, טביעת רגל קטנה ודרגה גבוהה של אוטומציה. יש לו השפעה משמעותית מאוד בטיפול באיכות המים של צמחי מים.