Tablica 1.2 prikazuje klasifikaciju procesa razdvajanja heterogenih sustava prema pokretačkoj sili.
|
Tablica 1.3
2.2. Taloženje
Gravitacijska sedimentacija
Sedimentacija je proces odvajanja tekućih i plinovitih nehomogenih sustava (suspenzije, prašine) oslobađanjem krutih čestica. Taloženje gravitacijom naziva se taloženje. Uglavnom se taloženje koristi za prethodno grubo odvajanje heterogenih sustava. Sedimentacija uključuje kretanje čvrstih čestica u tekućini ili plinu.
Razmotrimo gibanje kuglaste čestice u nepokretnom mediju (slika 2.1). Kada se tijelo giba u tekućini ili kada oko njega struji tekućina koja se giba, nastaje otpor za čije svladavanje, kao i za jednoliko kretanje tijela, treba utrošiti određenu količinu energije. Veličina otpora koja nastaje ovisi o načinu gibanja i obliku aerodinamičnog tijela.
631 " style="width:473.55pt;border-collapse:collapse">
,
gdje https://pandia.ru/text/79/143/images/image216_0.gif" width="32" height="32">.gif" width="261" height="66">; 
;
, gdje je promjer čestice; - gustoća medija; gustoća čvrstih čestica; brzina taloženja; - koeficijent otpora medija (bez dimenzija).
U proširenom obliku, jednadžba (2.1) će imati oblik:
|
,odakle će brzina taloženja biti jednaka:
Postoje tri načina taloženja: laminarno, prolazno i turbulentno.
U načinu laminarnog taloženja (Sl. 2.2 A) tekućina glatko teče oko čestice bez stvaranja vrtloga. Brzina i veličina čestica su male, ali je viskoznost medija velika. Energija se troši samo na svladavanje sila trenja. Povećanjem brzine taloženja (tijekom prijelaznog režima) sve veću ulogu u strujanju počinju imati inercijske sile koje dovode do odvajanja graničnog sloja od površine tijela, što doprinosi smanjenju tlaka iza pokretnog tijela u njegovoj neposrednoj blizini i formiranje vrtloga (Sl. 2.2 b). U turbulentnom načinu taloženja, vrtložni tok se kreće iza čestice (Sl. 2.2 V).
https://pandia.ru/text/79/143/images/image232_0.gif" width="106" height="29">. Tijekom prijelaznog načina , i https://pandia.ru/text/79/143/images/image235_0.gif" width="88 height=31" height="31">).
U laminarnom načinu rada, brzina taloženja određuje se Stokesovom formulom:
Nakon izračuna određuje se način taloženja. Poznavajući odnos između Reynoldsa i Arhimeda za dati način (str. 36), nalazimo Reynoldsov kriterij, a zatim i stopu taloženja: 
.
U laminarnom načinu rada Ar36, prijelaznom 36https://pandia.ru/text/79/143/images/image242_0.gif" width="13" height="16">83000 i turbulentnom - Ar>83000.
Odnos između kriterija i je sljedeći:
Za laminarni način rada 
, prijelazni 
i turbulentan 
, gdje je koeficijent oblika (ili faktor), koji uzima u obzir razliku u obliku čestice od kugle. Za čestice nepravilnog oblika brzina taloženja je manja, pa se brzina izračunata za kuglastu česticu množi s faktorom korekcije ψ
, koji< 1.
Svi gornji argumenti vrijede ako taloženje nije ograničeno (slobodno), kada susjedne čestice ne utječu jedna na drugu na kretanje. Slobodna sedimentacija opaža se u razrijeđenim suspenzijama i plinskim suspenzijama (s volumnom koncentracijom krute faze manjom od 5%) u nedostatku međusobnog utjecaja čestica dispergirane faze. Ako je koncentracija čestica velika (ograničeno taloženje), tada, kako se talože, čestice dolaze u kontakt jedna s drugom i otpor taloženju postaje veći nego za jednu česticu. Kao rezultat toga, stopa taloženja se smanjuje. Kada je sedimentacija ograničena, korekcije se uvode u izračunatu brzinu ovisno o koncentraciji suspenzije. Za približne izračune, uzima se da je stvarna brzina taloženja jednaka polovici teorijske brzine taloženja jedne sferne čestice.
Uređaji za razdvajanje heterogenih sustava pod utjecajem gravitacije
Taloženje čvrstih čestica gravitacijom naziva se taloženje. Sedimentacija se uglavnom koristi za prethodno grubo odvajanje heterogenih sustava. Najjednostavniji taložnik za prašinu (prašne plinove) je taloženje dimnjaka(Slika 2.3).
Ugradnja okomitih pregrada u plinski kanal dovodi do pojave inercijskih sila, što pridonosi procesu taloženja čvrstih čestica. Prašnjavi plin se dovodi kontinuirano, a prašina se povremeno ispušta iz bunkera.
Poznato je da je produktivnost taložnika izravno proporcionalna površini taloženja. Stoga, ugradnja vodoravnih polica od 2 inča komora za taloženje prašine(Sl. 2.4) dramatično povećava produktivnost uređaja. Okomita reflektirajuća pregrada 3 osigurava ravnomjernu raspodjelu plina između polica. Stupanj pročišćavanja u takvim komorama je nizak i iznosi 30-40%, a čestice veličine 5 mikrona i manje uopće se ne odvajaju od plina.
Za odvajanje suspenzija, kontinuirani rad taložnik s mješalicom 3 (slika 2.5). To je cilindrični spremnik 1 s konusnim dnom 2 i prstenastim utorom 4 duž gornjeg ruba aparata. U spremnik je ugrađena miješalica, opremljena lopaticama koje kontinuirano pomiču sediment (mulj) do središnjeg otvora za pražnjenje i istovremeno https://pandia.ru/text/79/143/images/image251_0.gif" align= "left" width="446 " height="254">Slika 2.6 prikazuje kontinuirani taložnik za odvajanje emulzije. To je horizontalni spremnik 1 s perforiranom pregradom 2, koja sprječava poremećaj tekućine u taložnici strujom emulzije koja ulazi u aparat i ravnomjerno raspoređuje protok po presjeku taložnice. Odvojene lake i teške faze ispuštaju se sa suprotne strane taložnika. Razina odvajanja lakih i teških tekućina održava se regulatorom razine ili hidrauličkim ventilom 3 (sifon, "patka").
Uređaji za razdvajanje heterogenih sustava pod utjecajem centrifugalne sile
Brzina taloženja pod utjecajem gravitacije je niska, a da bi se povećala, procesi sedimentacije provode se u polju centrifugalnih sila. Za stvaranje polja centrifugalnih sila obično se koristi jedna od dvije metode: ili osiguravaju rotacijsko kretanje toka u stacionarnom aparatu ili je tok usmjeren u rotirajući aparat. U prvom slučaju, proces se provodi u ciklonima, u drugom - u centrifuge za taloženje (taloženje).. Centrifugalne sile u ciklonu (sl. 2.7) nastaju zbog tangencijalnog dovoda plina u cilindrično tijelo aparata 1. Zahvaljujući ovom unosu plina, on dobiva rotacijsko gibanje oko cijevi koja se nalazi duž osi aparata i namijenjena je za uklanjanje pročišćenog plina. Čestice prašine pod utjecajem centrifugalne sile izbacuju se prema stijenkama kućišta 1 i ulaze u istovarni lijevak 3. Što je manji radijus ciklona, veće je ubrzanje centrifugalne sile i veći su faktori razdvajanja. Međutim, smanjenje polumjera ciklona dovodi do povećanja brzine protoka i povećanja hidrauličkog otpora.
Stoga se pri velikim protokima zaprašenog plina umjesto jednog ciklona velikog promjera ugrađuje nekoliko manjih ciklonskih elemenata koji su spojeni u jedno kućište i rade paralelno. Takvi uređaji se nazivaju baterijski cikloni(Slika 2.8).
https://pandia.ru/text/79/143/images/image255_0.gif" align="left" width="280" height="342">Budući da je teško osigurati tangencijalni dovod prašnjavog plina u svaki element ciklona, koristi se Drugi princip za stvaranje vrtložnih tokova je ugradnja fiksnih lopatica na unutarnje cijevi ciklona.
Za taloženje krutih čestica iz tekućine u polju centrifugalnih sila koriste se hidrocikloni, koji se od konvencionalnih ciklona razlikuju u omjerima pojedinih dijelova i komponenti.
Velike centrifugalne sile i visoki faktori razdvajanja mogu se postići u taložne centrifuge. Na sl. 2.9 prikazuje dijagram šaržna centrifuga za taloženje. Glavni dio centrifuge je čvrsti bubanj 2 postavljen na rotirajuću osovinu 1. Pod djelovanjem centrifugalne sile krute čestice iz suspenzije bacaju se prema stjenkama bubnja, tvoreći sloj taloga. Pročišćena tekućina (centrat) se ulijeva u stacionarno kućište 3 (kućište) i uklanja kroz cijev u njegovom donjem dijelu. Po završetku taloženja, centrifuga se zaustavlja i sediment se ručno istovaruje.
Na sl. 2.10 prikazano kontinuirana taložna centrifuga s vodoravnom osovinom i pužnim ispuštanjem taloga. Suspenzija teče kroz cijev u unutarnji bubanj i izbacuje se kroz prozore u rotirajući stožasti bubanj za taloženje, gdje se odvaja pod utjecajem centrifugalne sile.
Pročišćena tekućina (centrat) juri u široki dio bubnja, teče u nepomično kućište i uklanja se iz njega kroz cijev. Talog se taloži na stijenkama bubnja i pomiče puž, zbog male razlike u brzini vrtnje bubnja i puža.
Taložne centrifuge za odvajanje emulzija često se nazivaju separatori. Kontinuirani disk separatori su široko korišteni (slika 2.11). Emulzija kroz središnju cijev ulazi u donji dio rotirajućeg bubnja (rotora), opremljenog paketom konusnih pregrada - ploča s rupama. Prolazeći kroz rupu, emulzija se raspoređuje u tankim slojevima između ploča. Tijekom odvajanja, teža tekućina se centrifugalnom silom baca prema stijenci bubnja, kreće se duž nje i uklanja kroz otvor.
Lakša tekućina kreće se u središte bubnja i uklanja se kroz prstenasti kanal. Putanja kretanja tekućine prikazana je strelicama. Brzina vrtnje bubnja je 5000 – 7000 okretaja u minuti.
Ako se izdvaja fina suspenzija, tada se koriste separatori s pločama bez rupa. Čvrsta disperzna faza suspenzije taloži se na površini svake ploče (osim gornje), klizi s njih i nakuplja se u blizini stijenke bubnja. Pročišćena tekućina kreće se u središte bubnja, diže se i izlazi iz njega.
Mulj se istovaruje ručno ili automatski. Disk separatore karakterizira visoka produktivnost i visoka kvaliteta separacije.
Centrifuge s vrlo velikom brzinom (do 60 tisuća okretaja u minuti) i velikim faktorima razdvajanja (preko 3500) nazivaju se ultracentrifugama ili supercentrifugama. Ogromne centrifugalne sile koje se u njima javljaju koriste se za odvajanje finih suspenzija i emulzija. Kako bi se postigli visoki faktori razdvajanja, supercentrifuge imaju mali radijus. U cjevastoj supercentrifugi periodičkog djelovanja (sl. 2.12) suspenzija teče kroz cijev u brzo rotirajući bubanj 1, zatvoren u kućište 2. Unutar cjevastog bubnja (rotora) s čvrstim stijenkama nalaze se radijalne lopatice 3, koje sprječavaju da tekućina ne zaostaje iza stijenki bubnja dok se okreće. Čvrste čestice suspenzije talože se na stijenkama bubnja, a pročišćena tekućina se izbacuje iz njega kroz rupe na vrhu 8 i uklanja iz gornjeg dijela kućišta. Talog se povremeno uklanja ručno nakon zaustavljanja centrifuge i rastavljanja bubnja.
Takve se centrifuge koriste samo za odvajanje suspenzija s malim udjelom čvrste faze (ne više od 1%).
Za odvajanje emulzije koriste se kontinuirane cjevaste supercentrifuge, koje se odlikuju složenijim uređajem u gornjem dijelu rotora, koji omogućuje odvojeno uklanjanje odvojenih tekućina.
Taloženje pod utjecajem sila električnog polja
Taloženje raspršenih čvrstih i tekućih čestica u električnom polju (elektrotaloženje) omogućuje vam učinkovito pročišćavanje plina od vrlo malih čestica. Temelji se na ionizaciji molekula plina električnim pražnjenjem.
Za taloženje čestica u polju električnih sila koriste se električni taložnici koji se prema obliku elektroda dijele na cjevaste i pločaste, a ovisno o vrsti čestica koje se uklanjaju iz plina na suhe (suha prašina je sakupljeno) i mokro (mokra prašina se uklanja). Cijevasti elektrofilter(Sl. 2.13) napaja se istosmjernom strujom visokog napona (oko 60 tisuća volti) i uređaj je u kojem se nalaze sabirne elektrode 2, izrađene u obliku cijevi promjera 0,15 - 0,3 m i duljine 3 - 4 m. Duž osi cijevi prolaze koronske elektrode 1 od žice promjera 1,5 - 2 mm, koje su obješene na okvir 3 oslonjen na izolatore 5. Prašnjavi plin ulazi 
uređaj kroz donji priključak i zatim se kreće unutar cijevi 2. Budući da su površine elektroda različite, na negativno nabijenoj elektrodi, izrađenoj u obliku žice, stvara se velika jakost električnog polja i dolazi do koronskog pražnjenja. Vanjski znak ionizacije je sjaj plinskog sloja ili stvaranje "korone" na katodi. Negativno nabijeni ioni teku prema pozitivnoj elektrodi (anodi) u obliku cjevčica. Na svom putu “bombardiraju” čestice prašine, adsorbiraju se i daju im negativan naboj. Negativno nabijene čestice prašine hrle na pozitivnu elektrodu, prazne se i talože na njezinoj površini, a pročišćeni plin napušta uređaj kroz gornji priključak.
U suhim elektrofilterima prašina se uklanja povremeno protresanjem elektroda posebnim uređajem 4. U mokrim elektrofilterima taložene čestice prašine uklanjaju se pranjem unutarnje površine elektroda vodom. Stupanj pročišćavanja je 95 – 99%.
2.3 Filtriranje
Filtriranje– proces odvajanja suspenzija i prašnjavih plinova pomoću poroznih pregrada koje zadržavaju čvrstu fazu i propuštaju tekućinu (slika 2.14). Pokretačka sila filtracije je razlika tlaka u početnoj suspenziji i iza filterske pregrade.
631 " style="width:473.55pt;border-collapse:collapse">
.
Gdje V- volumen filtrata; F- površina za filtriranje; - trajanje filtracije; RoS- otpor sloja sedimenta; R je otpor filtarske pregrade.
Osnovni dizajni filtera
Prema načinu djelovanja filtri se dijele na periodične i kontinuirane uređaje; prema namjeni - filteri za odvajanje suspenzija i filteri za pročišćavanje zraka i industrijskih plinova. Koriste se sljedeći filteri: tkanina, pijesak; ugljen (granulirana pregrada); metalna mreža; porozna keramika (kruta pregrada) i dr. Najjednostavniji i najrašireniji u industriji su nutsch ili druk filtri (šaržni filtri), kao i diskasti, pješčani, patronski, okvirni i komorni filtri. Kontinuirani filtri uključuju: vakuum, bubanj, trakasti, rotacijski itd.
Nutsch - filteri rade pod vakuumom ili nadtlakom.
Riža. 2.15. Otvoreni usisni filtar koji radi pod vakuumom: 1 - tijelo; 2 - ovjes; 3 - filterska pregrada; 4 – porozna podloga; 5 - priključak za izlaz filtrata, spojen na vakuumska pumpa |
Riža. 2.16. Zatvoreni nutsch filter: 1 - tijelo; 2 - grijanje košulja; 3 - prsten pregrada; 4-preklopno dno; 5 - filterska pregrada; 6 - potporna rešetka; 7 - mreža; 8 - poklopac koji se može ukloniti; 9 - sigurnosni ventil. |
Prilikom rada vakuumski nutsch filter(Sl. 2.15) filtracija se provodi stvaranjem smanjenog tlaka ispod filterske pregrade. Talog se odozgo uklanja ručno.
Nutsch, koji radi pod viškom tlaka komprimiranog zraka (Sl. 2.16), ima prikladniji uređaj za uklanjanje taloga, koji se ručno uklanja iz pregrade filtra prilikom spuštanja i okretanja dna filtra. Ogromnost i ručno istovar sedimenta ne dopuštaju široku upotrebu ovih uređaja.
Uobičajen šaržni filter s pozitivnim tlakom je okvirna filter preša(Slika 2.17). Filter se sastoji od naizmjeničnih ploča i okvira, između kojih je stegnuta filterska tkanina. Ploče imaju glatku površinu na rubovima i valovitu površinu u sredini (slika 2.18).
Riža. 2.18. Ploča (a), okvir (b) i sklop (c) okvirne filter preše: 1 - rupe u pločama i okvirima, koji tijekom montaže čine kanal za opskrbu ovjesa; 2 - rupe u pločama i okvirima, tvoreći kanal za dovod tekućine za pranje; 3 - zavoji za prolaz ovjesa u okvire; 4 - unutarnji prostori okvira; 5 - filterske pregrade; 6 - valovitost ploča; 7 - kanali u pločama za izlaz filtrata u fazi filtracije ili tekućine za pranje - u fazi ispiranja sedimenta; 8 - središnji kanali u pločama za skupljanje filtrata ili tekućine za pranje; 9 - slavine na izlaznim vodovima filtrata ili tekućine za pranje |
Šuplji okvir filter preše postavljen je između dvije ploče, tvoreći komoru 4 za talog. Rupe 1 i 2 u pločama i okvirima se podudaraju, tvoreći kanale za prolaz suspenzije, odnosno vode za pranje. Između ploča i okvira postavljaju se filtarske pregrade ("salvete"), čiji se otvori podudaraju s rupama u pločama i okvirima. Sabijanje ploča i okvira vrši se pomoću vijčanih ili hidrauličkih stezaljki. Suspenzija se pod tlakom pumpa kroz kanal 1 i izlaze 3 u šuplji prostor (komoru) unutar okvira. Tekuća faza suspenzije prolazi kroz filterske pregrade 5, kreće se duž utora valova 6 do kanala 7, a zatim u kanale 8, koji su otvoreni u fazi filtriranja za sve ploče. Kada se prostor (komora) 4 ispuni talogom, prekida se dovod suspenzije i započinje ispiranje taloga. U fazi pranja, tekućina za pranje se dovodi kroz bočne kanale 2, koja ispire sediment i pregrade filtera i ispušta se kroz slavine 9. Na kraju pranja, sediment se upuhuje komprimiranim zrakom, a zatim se ploče i okviri odmiču. . Sediment djelomično pada u kolektor ugrađen ispod filtera, a preostali dio sedimenta istovaruje se ručno. Salvete se po potrebi mijenjaju.
Riža. 2.19. Dijagram bubnjastog vakuum filtra: 1 - perforirani bubanj; 2 - valovita mreža; 3 - filtrirana pregrada; 4 - sediment; 5 - nož za uklanjanje taloga; 6 - korito za ovjes; 7 - mješalica za ljuljanje; 8 - uređaj za dovod tekućine za pranje; 9 - komore (ćelije) bubnja; 10 - spojne cijevi; 11 - rotirajući dio razdjelne glave; 12 - fiksni dio razdjelne glave; I - zona filtracije i usisavanja filtrata; II - zona za ispiranje taloga i usisavanje vode za pranje; III - zona uklanjanja sedimenta; IV - zona čišćenja filterske tkanine |
Među kontinuiranim filtrima najčešći su bubanj vakuum filteri(Slika 2.19). Filter ima rotirajući cilindrični perforirani bubanj 1, prekriven metalnom valovitom mrežom 2, na kojoj se nalazi filterska tkanina. Bubanj je uronjen u suspenziju i podijeljen je radijalnim pregradama u određeni broj komora 9. Svaka komora je spojena cijevi 10 s različitim šupljinama fiksnog dijela 12 razdjelne glave. Cijevi su spojene u rotirajući dio 11 razvodne glave. Zbog toga, kada se bubanj 1 okreće, komore 9 su u određenom nizu povezane s izvorima vakuuma i komprimiranog zraka. Punom rotacijom bubnja svaka komora prolazi kroz nekoliko zona.
Zona I – filtriranje i usisavanje filtrata je u kontaktu sa suspenzijom i spojena na izvor vakuuma. Pod utjecajem vakuuma filtrat prelazi u komoru i kroz cijev se odvodi iz aparata, ostavljajući talog 4 na filtarskoj tkanini.
Zona II - ispiranje taloga i usisavanje vode za pranje također je spojeno na vakuum, a tekućina za pranje se dovodi u talog pomoću uređaja 8. Prolazi kroz talog i kroz cijev se ispušta iz aparata.
Zona III – uklanjanje taloga. Ovdje se sediment najprije suši pomoću vakuuma, a zatim se komora spaja na izvor komprimiranog zraka koji suši i rahli talog. Kada se komora s osušenim talogom približi nožu 5, prestaje dovod komprimiranog zraka i talog pada s površine tkanine.
Sedimentacija se koristi za grubo odvajanje suspenzija pod utjecajem gravitacije. Ovaj proces se provodi u uređajima koji se nazivaju taložnice. Za proračun taložnika potrebno je izračunati brzinu taloženja, tj. brzina kretanja čvrstih čestica u tekućini.
Da biste izveli formule za izračunavanje brzine taloženja, razmotrite kretanje sferne čvrste čestice u nepokretnoj tekućini pod utjecajem gravitacije. Ako se čestica pod utjecajem gravitacije slegne, tada se zbog ubrzanja gravitacije najprije povećava brzina njezina kretanja u tekućini. Istovremeno s povećanjem brzine čestice povećavat će se i otpor medija njezinu gibanju, pa će se akceleracija čestice smanjiti i nakon nekog vremena postati jednaka nuli. U tom slučaju dolazi do ravnoteže u silama koje djeluju na česticu, te će se ona gibati jednoliko konstantnom brzinom, a to je brzina taloženja.
Razmotrimo sile koje djeluju na česticu koja se taloži u tekućini (slika 4.3).
Prema drugom Newtonovom zakonu
Slika 4.3 – Sile koje djeluju na česticu kada se kreće u viskoznom mediju:
- gravitacija;
– Arhimedova sila (podizanje);
– sila otpora medija;
Gledamo male čestice. Oni se vrlo brzo počinju jednoliko kretati konstantnom brzinom. Stoga možemo prihvatiti da, tj. akceleracije čestica gotovo da nema ili je zanemarena ( 
)
. (4.4)
, (4.5)
, (4.6)
gdje je promjer čestice; indeks “ ” – čestica, “ ” – tekućina.
. (4.7)
, (4.8)
gdje je (zeta) koeficijent otpora;
– dinamički tlak ili kinetička energija
pranje jedinice volumena;
– projekcija čestice na ravninu okomitu na njezin smjer
pokreta. Jer čestica kugla, onda je površina njezina presjeka.
Određivanje brzine taloženja. Zamijenimo izraze (4.7) i (4.8) u (4.4)
. (4.9)
, odavde (4.10)
. (4.11)
Da bi se izračunala brzina taloženja pomoću formule (4.11), potrebno je znati vrijednost. Koeficijent otpora ovisi o načinu strujanja tekućine oko čestice. U logaritamskim koordinatama ovisnost o ima oblik prikazan na slici 4.4. Proračun brzine prema jednadžbi (4.11) provodi se samo metodom sukcesivne aproksimacije sljedećim redoslijedom:
1. postavljen režimom taloženja;
2. zamijenite u formulu (4.10) izraz koji odgovara načinu umjesto ;
3. Stopa taloženja izračunava se iz dobivene jednadžbe;
4. vrijednost Reynoldsovog kriterija i način taloženja određeni su brzinom;
5. Ako se način pokaže drugačijim, ponovno izračunajte brzinu.
Slika 4.4 – Prikaz ovisnosti koeficijenta otpora o Reynoldsovom kriteriju za različite načine taloženja čestica (u logaritamskim koordinatama).
Gore opisana metoda za izračunavanje stope taloženja nije baš prikladna i ne zahtijeva puno vremena. Stoga je Lyashchenko predložio drugu metodu radi lakšeg korištenja u praksi izračuna. Prema ovoj metodi, brzina se izražava Reynoldsovim kriterijem, kvadratom i zamjenom u jednadžbi (4.10) ( 
).
,
, (4.13)
Uzmimo izraz
, (4.14)
Fizičko značenje Arhimedovog kriterija je da uzima u obzir odnos između gravitacije, viskoznosti i Arhimedove sile.
Dobivamo kriterijsku jednadžbu za izračunavanje brzine taloženja:
(4.15)
Kako izračunati brzinu oborina metodom Lyashchenko.
1. Izračunajte vrijednost Arhimedovog kriterija koristeći izraz (4.14).
2. Određujemo način taloženja i odabiremo formulu za izračun koeficijenta otpora. To je moguće jer prema kriterijskoj jednadžbi (4.15) postoji korespondencija jedan na jedan između i. Ali Arhimedov kriterij, za razliku od , ne ovisi o brzini taloženja, već je određen samo geometrijskim dimenzijama čestice i svojstvima materijala čestice u tekućem mediju.
Laminarni način kretanja
Kod laminarnog gibanja, promatranog pri malim brzinama i malim veličinama tijela ili uz visoku viskoznost medija, tijelo je okruženo graničnim slojem tekućine i glatko teče okolo (slika 4.5). Gubitak energije u takvim uvjetima uglavnom je povezan samo s prevladavanjem otpora trenja. Reynoldsov kriterij.
Slika 4.5 – Gibanje čestice u tekućem mediju pod različitim modusima: laminarni (), prijelazni () i turbulentni ().
Za laminaran
; ; u .
Dakle, ako< 2, то < 36 - ламинарный режим осаждения (обтекания частицы).
Prijelazni način vožnje
Kako se brzina gibanja tijela povećava, sve veću ulogu počinju imati inercijske sile. Pod utjecajem tih sila dolazi do otkidanja graničnog sloja od površine tijela, što dovodi do smanjenja tlaka iza tijela koje se kreće u njegovoj neposrednoj blizini i do stvaranja slučajnih lokalnih vrtloga u određenom prostoru ( Slika 4.5). U tom slučaju razlika u tlaku tekućine na prednjoj (čeonoj) površini tijela, koja nailazi na strujanje oko tijela, i na njegovoj stražnjoj (stražnoj) površini sve više premašuje razliku tlaka koja nastaje tijekom laminarnog strujanja oko tijela.
Za prijelazni način taloženja, zamijeniti u izraz (4.15)
; u .
Čvrsta čestica ili kapljica tekućine koja se kreće pod utjecajem gravitacije kroz viskoznu tekućinu na kraju poprima konstantnu brzinu. To se zove stopa taloženja. Ako je gustoća čestice manja od gustoće tekućine, ona će se kretati prema gore brzinom uspona. Ove brzine su označene slovima vg (g - gravitacija). Brzina slijeganja/izrona određena je sljedećim fizičkim parametrima:
promjer čestica d, m
gustoća čestica ρp, kg/m3
gustoća kontinuirane faze, ρl, kg/m3
viskoznost kontinuirane faze η, kg/m,s
gravitacijsko ubrzanje g = 9,81 m/s2.
Ako su vrijednosti svih gore navedenih parametara poznate, tada se brzina slijeganja/uspona čestice ili kapi može izračunati pomoću sljedeće formule izvedene iz Stokesovog zakona (formula 1):
Zamjenom ovih vrijednosti u formulu dobivamo:
Kao što možemo vidjeti iz dobivenog rezultata, masne kuglice se dižu vrlo sporo. U praksi, masne kuglice stvaraju velike nakupine i puno brže isplivaju na površinu.
Periodično odvajanje gravitacijom
Slika 1
U posudi A prikazanoj na sl. 1, sadrži tekućinu u kojoj su suspendirane krute čestice iste veličine i gušće od tekućine. Potrebno je dosta vremena da čestice na površini tekućine potonu na dno.
Vrijeme taloženja može se smanjiti smanjenjem ove udaljenosti. Visina posude (B) je smanjena, a površina povećana tako da je volumen ostao nepromijenjen. Udaljenost taloženja (h2) smanjila se na 1/5 prve opcije (h), a vrijeme potrebno za potpuno odvajanje frakcija također se smanjilo na 1/5 (Slika 2).
Slika 2
Kontinuirano odvajanje gravitacijom
Najjednostavnija posuda u kojoj se čestice različitih promjera mogu kontinuirano odvajati od tekućine prikazana je na sl. 3. Tekućina koja sadrži čestice u obliku mulja ulazi u posudu s jednog kraja i kreće se prema izlazu na drugom kraju pod određenim pritiskom. Prilikom kretanja čestice se talože različitim brzinama ovisno o promjeru.
Slika 3
Kontinuiranim odvajanjem suspenzije od tekućine u posudi s vodoravnim rešetkama, kanali za taloženje stalno će se začepiti česticama koje se skupljaju u njima. Na kraju će se proces zaustaviti. U posudi s nagnutim zaslonima, prikazanoj na Sl. 4, čestice taložene na sitima skliznu sa sita pod utjecajem gravitacije i nakupljaju se na dnu posude.
Slika 4
Zašto se čestice nataložene na sitima ne hvataju tekućinom koja teče prema gore između sita? Objašnjenje je dano na sl. 5, na kojoj
prikazan je presjek dijela oborinskog kanala. Kada tekućina teče između zaslona, njezin granični sloj najbliži zaslonima koči se trenjem i stoga njegova brzina pada na nulu. Stacionarni granični sloj djeluje kočno na susjedni sloj i tako dalje prema središtu kanala, gdje je brzina najveća.
Slika 5
Rezultirajući profil brzine je kao što je prikazano na slici 5 - laminarno strujanje u kanalu. Na čestice taložene u stacionarnoj graničnoj zoni tako djeluje samo gravitacija.
Površina za taloženje koja se koristi pri prolasku kroz nagnutu posudu s maksimalnim protokom mora biti unaprijed projektirana. Za potpuno iskorištavanje protoka posude za odvajanje potrebno je osigurati što veću površinu za taloženje čestica. Udaljenost unutar koje dolazi do taloženja ne utječe izravno na protok posude, ali se mora održavati određena minimalna širina kanala kako bi se spriječilo začepljenje kanala česticama koje se talože.
Karakteristično opće svojstvo suspenzija, prašaka, emulzija i aerosola, osobito ako su razrijeđeni, jest sklonost česticama disperzne faze da se talože ili isplivaju. Taloženje čestica disperzne faze naziva se sedimentacija, a lebdenje čestica reverzna sedimentacija.
Na svaku česticu u sustavu djeluje sila teže (gravitacijska sila) i Arhimedova sila dizanja:
Ove sile su konstantne i usmjerene u različitim smjerovima, rezultantna sila koja uzrokuje taloženje jednaka je:
Budući da se taloženje događa u određenom okruženju, tijekom laminarnog kretanja čestice nastaje otpor - sila trenja proporcionalna brzini kretanja čestice:
Dakle, sila koja djeluje na česticu tijekom gibanja jednaka je:
Kako se brzina povećava i koeficijent trenja je dovoljno velik, dolazi trenutak kada sila trenja dostiže silu koja uzrokuje taloženje, pa se tako pogonska sila F ispostavlja da je nula.
Izraz za silu trenja koja nastaje tijekom gibanja sfernih čestica može se prikazati u obliku Stokesovog zakona: .
Zamjenjujući ga u dobivenu jednadžbu i izražavajući volumen čestice u smislu njezinog polumjera, dobivamo:
1) Stokesov zakon vrijedi ako se čestice disperzne faze talože neovisno jedna o drugoj, što se može dogoditi samo u razrijeđenim sustavima.
2) Tipično, čestice u disperznim sustavima i čvrstoj disperznoj fazi imaju nepravilan oblik. Tijekom slobodnog taloženja, nesferična čestica je usmjerena u smjeru kretanja na način da stvara maksimalan otpor gibanju, što smanjuje brzinu slijeganja.
3) Stokesov zakon se ne može poštovati u turbulentnom načinu taloženja čestica.
4) Stokesov zakon pretpostavlja prisutnost unutarnjeg trenja, ili viskoznog trenja, kada se granica (površina) gibanja čestice u odnosu na medij nalazi unutar disperzijskog medija, čija viskoznost određuje koeficijent trenja. Ako je međupovršinska interakcija mala, granica (površina) gibanja čestica u odnosu na medij može se podudarati s faznom sučeljem i trenje se ispostavlja vanjskim. To dovodi do pojave klizanja, što ubrzava kretanje čestice.
5) Primjenjivost Stokesova zakona također je ograničena disperzijom čestica. Velike čestice (>100 µm) mogu se brzo kretati, vrlo male čestice su ultramikroheterogene (<0,1 мкм) осаждаются настолько медленно, что следить за такой седиментацией практически невозможно.
Princip sedimentacijske metode analize disperzije je mjerenje brzine taloženja čestica, obično u tekućem mediju. Veličine čestica izračunavaju se iz brzine taloženja pomoću odgovarajućih jednadžbi. Metoda omogućuje određivanje granulometrijskog sastava i prema tome izračunavanje njihove specifične površine.
P 
Prilikom sedimentacijske analize disperznosti polidisperznih sustava utvrđuje se vrijeme taloženja čestica pojedinih frakcija, izračunavaju se njihove brzine taloženja i pripadajuće veličine čestica. Da biste to učinili, prvo izmjerite ovisnost mase taloženog sedimenta o vremenu, konstruirajte graf ove ovisnosti, nazvan krivulja sedimentacije, iz koje se zatim određuju sve potrebne karakteristike disperziranog sustava.
Postoje grafičke i analitičke metode za izračunavanje krivulje taloženja.
R 
Prava sedimentacijska krivulja polidisperznog sustava obično je glatka i odgovara mnogim infinitezimalnim dijelovima; tangente u svakoj točki ove krivulje odražavaju sedimentaciju dane infinitezimalne frakcije.
Rezultati sedimentacijske analize disperznosti polidisperznih sustava također su prikazani u obliku krivulja granulometrijskog sastava, koje karakteriziraju stupanj polidisperznosti sustava.
Krivulja raspodjele je vizualna i prikladna karakteristika polidisperznosti sustava, iz koje je lako odrediti sadržaj različitih frakcija. Konstruirana je slično krivulji raspodjele veličine pora. Obično se prvo dobije krivulja integralne distribucije, ona se izravnava uzimajući u obzir točnost dobivenih prosječnih vrijednosti radijusa frakcijskih čestica, a zatim se iz nje konstruira krivulja diferencijalne distribucije. Ponekad se diferencijalna krivulja konstruira odmah. Vrijednosti polumjera iscrtane su na apscisnoj osi; Omjer prirasta masenih udjela i razlike polumjera čestica susjednih udjela Δx/Δr i nanosi se na os ordinata. Iscrtavanjem zasebnih pravokutnika za svaku frakciju (histogram) na grafu i spajanjem sredina njihovih gornjih stranica glatkom krivuljom dobiva se diferencijalna krivulja granulometrijskog sastava polidisperznog sustava.
Pomoću Einsteinove jednadžbe izračunajte viskoznost AgC soll, s koncentracijom od 10% masenog udjela i sadržava sferne čestice. Gustoća AgCl: 5,56 10 3 kg\m 3 ; viskoznost i gustoća disperzijskog medija su 1·10 -3 Pa s i 1000 kg/m 3 odnosno.
Ispitna karta br.6
Utjecaj disperznosti na termodinamičku reaktivnost. Izvođenje Kelvinove jednadžbe kapilarne kondenzacije. Utjecaj disperznosti na topljivost, konstantu ravnoteže kemijske reakcije i temperaturu faznog prijelaza.
Termodinamička reaktivnost karakterizira sposobnost tvari da prijeđe u neko drugo stanje, na primjer, prijeđe u drugu fazu ili stupi u kemijsku reakciju. Označava udaljenost danog agregatnog stanja ili sustava komponenata od ravnotežnog stanja pod određenim uvjetima. Termodinamička reaktivnost određena je kemijskim afinitetom, koji se može izraziti kao promjena Gibbsove energije ili razlika u kemijskom potencijalu.
Reaktivnost ovisi o stupnju disperzije tvari, čija promjena može dovesti do pomaka faze ili kemijske ravnoteže.
Odgovarajuće povećanje Gibbsove energije dG d (zbog promjene disperzije) može se prikazati u obliku kombinirane jednadžbe prvog i drugog zakona termodinamike:
Za pojedinačnu tvar V=V m i pri T=const imamo:
Zamjenom Laplaceove relacije u ovu jednadžbu dobivamo: 
za sfernu zakrivljenost:
Ako se razmatra prijelaz tvari iz kondenzirane faze u plinovitu fazu, tada se Gibbsova energija može izraziti u smislu tlaka pare, uzimajući ga kao idealnog. Dodatna promjena Gibbsove energije povezana s promjenom disperzije je:
Zamjenom ovog izraza dobivamo:
Dobiveni odnos naziva se Kelvinova jednadžba (jednadžba kapilarne kondenzacije).
Za neelektrolite se može napisati na sljedeći način:
Iz ove jednadžbe je jasno da s povećanjem disperzije raste topljivost, odnosno kemijski potencijal čestica disperznog sustava veći je od potencijala velike čestice za 2σV/r.
Stupanj disperzije također može utjecati na ravnotežu kemijske reakcije:
Povećanjem disperzije povećava se aktivnost komponenata, au skladu s tim konstanta kemijske ravnoteže mijenja se u jednom ili drugom smjeru, ovisno o stupnju disperzije polaznih tvari i produkata reakcije.
S promjenom disperzije tvari mijenja se temperatura faznog prijelaza.
Kvantitativni odnos između temperature faznog prijelaza i disperznosti proizlazi iz termodinamičkih odnosa.
Za fazni prijelaz:, 
Za sferne čestice:
Može se vidjeti da se sa smanjenjem veličine čestica r smanjuju temperature taljenja i isparavanja tvari (H f.p. >0).
Priroda Brownovog gibanja. Pojam i definicija srednjeg kvadratnog pomaka u odabranom smjeru. Odnos između srednjeg kvadratnog pomaka i koeficijenta difuzije (ulaz Einstein-Smoluchowski jednadžbe).
Osnova za dokaz toplinskog molekularnog gibanja u tijelima bilo je otkriće engleskog botaničara Roberta Browna 1827. godine, pomoću mikroskopa, kontinuiranog kretanja vrlo malih čestica - spora paprati (pelud) suspendiranih u vodi. Veće čestice bile su u stanju stalnog osciliranja oko ravnotežnog položaja. Vibracije i gibanja čestica ubrzavaju se smanjenjem njihove veličine i porastom temperature i nisu povezani s vanjskim mehaničkim utjecajima.
Teorijski utemeljeno tumačenje Brownovog gibanja - sudjelovanje čestica disperzne faze ultramikroheterogenih sustava u toplinskom gibanju - dali su neovisno Einstein (1905.) i Smoluchowski (1906.).
Provedena istraživanja konačno su dokazala prirodu Brownovog gibanja. Molekule medija (tekućine ili plina) sudaraju se s česticom disperzne faze, zbog čega ona prima veliki broj udaraca sa svih strana.
E 
Einstein i Smoluchowski uveli su koncept prosječnog pomaka čestica kako bi kvantitativno izrazili Brownovo gibanje čestica. Ako se pri promatranju kretanja čestice sola pod mikroskopom zabilježi njezino mjesto u određenim jednakim vremenskim intervalima, tada se može dobiti njezina putanja kretanja. Budući da se kretanje događa u trodimenzionalnom prostoru, kvadrat prosječne udaljenosti koju čestica prijeđe u bilo kojem vremenskom razdoblju jednak je 
.
Pod mikroskopima se promatra projekcija pomaka čestice na ravninu kroz neko vrijeme, dakle.
Uz jednako vjerojatna odstupanja čestice, njezin će smjer biti između x i y smjera, tj. pod kutom od 45° na svaku koordinatu. Odavde ili 
.
Zbog jednako vjerojatnih odstupanja, aritmetička sredina pomaka je nula. Stoga se koristi korijen srednje kvadratne udaljenosti koju je čestica priješla:
Einstein i Smoluchowski, postulirajući jedinstvo prirode Brownovog gibanja i toplinskog gibanja, uspostavili su kvantitativni odnos između prosječnog pomaka čestice (koji se ponekad naziva amplituda pomaka) i koeficijenta difuzije D.
Ako je Brownovo gibanje posljedica toplinskog gibanja molekula medija, tada možemo govoriti o toplinskom gibanju čestica disperzne faze. To znači da se disperzna faza, koja je skup broja čestica, mora pokoravati istim statističkim zakonima molekularne kinetičke teorije koji se primjenjuju na plinove ili otopine.
D 
Da bismo ustanovili vezu između prosječnog pomaka (pomaka) čestice i koeficijenta difuzije, zamislimo cijev presjeka S ispunjenu solom čija koncentracija čestica opada s lijeva na desno. U istom smjeru (označeno strelicom na dijagramu) teče i difuzija čestica sola. Odaberimo s obje strane pravca MN dva mala odsječka 1 i 2 čije su dimenzije u smjeru difuzije jednake Δ - srednjem kvadratnom pomaku tijekom vremena τ. Označimo parcijalnu koncentraciju sola u volumenima tih presjeka s ν 1 odnosno ν 2 (ν 1 > ν 2). Slučajnost toplinskog gibanja dovodi do jednake vjerojatnosti prijenosa disperzne faze iz oba volumena desno i lijevo od MN linije: polovica čestica će se kretati udesno, a druga polovica ulijevo. Količina disperzne faze u vremenu τ će se kretati od volumena 1 udesno: , a od volumena 2 ulijevo (u suprotnom smjeru): 
.
Budući da je |Q 1 | > |Q 2 | (ν 1 >ν 2), tada je ukupna količina tvari prenesena kroz MN ravninu udesno određena relacijom.
Gradijent koncentracije po udaljenosti u smjeru difuzije može se izraziti na sljedeći način:
Zamjenom dobivamo: 
Uspoređujući ovaj odnos s Fickovim prvim zakonom difuzije: 
,napokon imamo:
Ova jednadžba izražava Einstein-Smoluchowskijev zakon, prema kojem je kvadrat prosječnog pomaka proporcionalan koeficijentu difuzije i vremenu.
Za negativno nabijeni hidrosol Al 2 S 3 , koagulacijski prag s dodanim CSljednako 49 mmol/l. Koristeći Deryaginov zakon, izračunajte pragove koagulacije za elektrolite kao što je Na 2 SO 4 , MgCl 2 i AlCl 3 .
Ispitna karta br.7
Metode dobivanja disperznih sustava: disperzija i kondenzacija. Rehbinderova jednadžba za rad disperzije. Adsorpcijsko smanjenje snage (Rebinderov učinak). Fizička i kemijska kondenzacija. Gibbsova energija stvaranja jezgre nove faze tijekom homogene kondenzacije; uloga prezasićenja.
Disperzija i kondenzacija su metode za proizvodnju slobodno disperznih sustava: prahova, suspenzija, solova, uključujući aerosole, emulzije itd. Disperzija se shvaća kao drobljenje i mljevenje tvari, kondenzacija je stvaranje heterogenog disperznog sustava iz homogenog kao rezultat udruživanja molekula, atoma ili iona u agregate.
Rad elastične i plastične deformacije proporcionalan je volumenu tijela:
Rad formiranja nove površine tijekom disperzije proporcionalan je prirastu površine:
Ukupni rad utrošen na disperziju izražava se Rehbinderovom jednadžbom:
Razaranje materijala može se olakšati korištenjem Rehbinderovog efekta - adsorpcijskim smanjenjem čvrstoće čvrstih tvari. Ovaj učinak je smanjenje površinske energije uz pomoć surfaktanata, što rezultira lakšom deformacijom i uništavanjem krutine.
Proces kondenzacije uključuje stvaranje nove faze na postojećim površinama (stjenke posude, čestice stranih tvari – kondenzacijske jezgre) ili na površini jezgri koje spontano nastaju kao posljedica kolebanja gustoće i koncentracije tvari. u sustavu. U prvom slučaju, kondenzacija se naziva heterogena, u drugom - homogena.
Kako bi se spriječio povratak kondenzirane tvari u izvornu fazu i nastavak kondenzacije, izvorni sustav mora biti prezasićen. U protivnom ne može doći do kondenzacije, a nestaju i kondenzacijske jezgre (isparavanjem, otapanjem, taljenjem).
Kod homogene kondenzacije dolazi do spontanog stvaranja jezgri; površinska energija djeluje kao potencijalna prepreka kondenzaciji. Gibbsova energija nukleacije izražava se (u skladu s kombiniranom jednadžbom prvog i drugog zakona termodinamike) u obliku četiri komponente: entropijske, mehaničke, površinske i kemijske.
Za tekuće i plinovite faze možemo se ograničiti na prve dvije komponente Gibbsove energije nukleacije.
E 
Ako je stupanj prezasićenja manji od kritičnog, tada nastale jezgre spontano isparavaju (otapaju se). Njihove su veličine manje od kritične, pa Gibbsova energija opada kako se smanjuje veličina jezgre. Ponekad je prikladno zamisliti prezasićenu otopinu ili paru pod tim uvjetima kao heterogeni dispergirani sustav u kojem postoji mnogo jezgri nove faze koje neprestano nastaju i nestaju. U kritičnoj točki nestabilnost ravnoteže očituje se u tome što postoji jednaka vjerojatnost pojave i nestanka kondenzacijskih jezgri.
Ako je stupanj supersaturacije veći od kritične vrijednosti, tada će jezgre u nastajanju rasti spontano.
Kritična Gibbsova energija nastanka kondenzacijskih jezgri odgovara kritičnoj točki - maksimumu funkcije ΔG = f(r): 
Dakle, Gibbsova energija stvaranja nukleacije tijekom homogene kondenzacije jednaka je jednoj trećini površinske energije jezgre. Ako pronađemo radijus jezgre u kritičnoj točki, izjednačujući prvu derivaciju Gibbsove energije s nulom i zamjenjujući je u ovaj izraz, dobivamo:
Iz ovog odnosa proizlazi da energija nastanka kondenzacijske jezgre ovisi o stupnju prezasićenja, a o tome ovisi i veličina kritičnog radijusa jezgre. Što je veći stupanj prezasićenja, to je manja Gibbsova energija stvaranja nukleacije i manja je veličina rezultirajućih jezgri sposobnih za daljnji rast.
| " |
2. Čimbenici koji utječu na brzinu taloženja čestica.
3. Procesi flotacije.
4. Ionska izmjena
5. Koagulacija, flokulacija. Područje primjene.
6.Adsorpcija. Definicija. Područje primjene
7.ABsorpcija. Definicija. Područje primjene
8. Fizička i kemijska apsorpcija.
9.Pročišćavanje otpadnih voda ekstrakcijom.
10. Procesi elektrokemijske oksidacije i redukcije.
11.Postupci elektrokoagulacije, elektroflotacije, elektrodijalize
12.Membranski procesi
13. Raspršivanje štetnih tvari u atmosferi.
Metode razdvajanja heterogenih sustava: sedimentacija, filtracija, centrifugiranje, mokra separacija.
Taloženje je separacijski proces u kojem se krute i tekuće čestice suspendirane u tekućini ili plinu odvajaju od kontinuirane faze pod utjecajem gravitacije, centrifugalne sile, inercijske sile i električne sile.
Filtriranje- proces odvajanja korištenjem porozne pregrade koja može propuštati tekućinu ili plin, ali zadržava
suspendirane čestice. Pokretačka snaga procesa je razlika tlakova.
Mokro čišćenje plinom- proces hvatanja čestica suspendiranih u plinu bilo kojom tekućinom, pod utjecajem gravitacije ili inercijskih sila, a koristi se za pročišćavanje plinova i odvajanje suspenzija.
CENTRIFUGIRANJE– odvajanje u polju centrifugalnih sila tekućih disperznih sustava s česticama većim od 100 nm. Koristi se za odvajanje komponentnih faza (tekućina - centar ili filtrat, krutina - sediment) od dvokomponentnih (suspenzija, emulzija) i trokomponentnih (emulzija koja sadrži čvrstu fazu) sustava.
U praksi centrifugiranja koriste se dvije metode razdvajanja tekućih heterogenih sustava: centrifugalna filtracija i centrifugalna sedimentacija. U prvom slučaju, centrifuge se proizvode s perforiranim rotorom, na čijoj je unutarnjoj stijenci (ljusci) postavljena filterska pregrada - filterske centrifuge, u drugom - s taložnim rotorom koji ima čvrstu školjku - taložne centrifuge. Također se proizvode i kombinirane taložno-filtarske centrifuge koje kombiniraju oba principa odvajanja.
Brzina SEDIMENTACIJE ovisi o fizikalnim svojstvima disperzne i disperzne faze, koncentraciji disperzne faze i temperaturi. Brzina SEDIMENTACIJE pojedinog kuglastog čestice opisane su Stokesovom jednadžbom:
Woc = /18μc ;
gdje je Woc brzina slobodnog taloženja sferne čvrste čestice, m/s;
d – promjer čestice, m; ρt – gustoća čvrstih čestica, kg/m3;
ρs – gustoća medija, kg/m3; μs – dinamička viskoznost medija, Pa.s.
Stokesova jednadžba primjenjiva je samo na striktno laminarni način gibanja čestica, kada Reynoldsov broj Re< 1,6, и не учитывает ортокинетич, коагуляцию, поверхностные явления, влияние изменения концентрации твердой фазы, роль стенок сосуда и др. факторы.
Za čestice nepravilnog oblika, brzina taloženja je manja, pa se stoga izračunata brzina za kuglastu česticu mora pomnožiti s faktorom korekcije φ, koji se naziva koeficijent (ili faktor) oblika.
W= φ* W oc lopta .
Gdje W– brzina slijeganja čvrstih čestica proizvoljnog oblika, m/s;
φ – faktor oblika.
Koeficijenti oblika čestica:
Kubični, φ = 0,806;
Duguljasto, φ = 0,58 - okruglo, φ = 0,69;
Lamelarni, φ = 0,43;- kutni, φ = 0,66;
Flotacija se koristi za uklanjanje netopivih dispergiranih nečistoća iz otpadnih voda, koje se spontano slabo talože. U nekim slučajevima, flotacija se također koristi za uklanjanje topljivih tvari (na primjer, površinski aktivnih tvari).
Razlikuju se sljedeće metode flotacijske obrade otpadnih voda:
S oslobađanjem zraka iz otopina;
S mehaničkom disperzijom zraka;
S dovodom zraka kroz porozne materijale;
elektroflotacija;
Kemijska flotacija.
Flotacija s oslobađanjem zraka iz otopina koristi se za obradu otpadnih voda koje sadrže vrlo male čestice onečišćenja. Bit metode je stvoriti prezasićenu otopinu zraka u otpadnoj tekućini. Kada se tlak smanji, iz otopine se oslobađaju mjehurići zraka koji lebde onečišćenja.
Ovisno o načinu stvaranja prezasićene otopine zraka u
Voda se razlikuje: - vakuum; - pritisak; - plutanje zračnim liftom.
U vakuumskoj flotaciji, otpadna voda se prethodno zasiti zrakom pri atmosferskom tlaku u aeracijskoj komori, a zatim se šalje u flotacijsku komoru, gdje vakuumska pumpa održava vakuum od 30 - 40 kPa. Sićušni mjehurići koji se oslobađaju u komori uklanjaju dio onečišćenja. Proces flotacije traje oko 20 minuta.
Prednosti ove metode su:
Stvaranje mjehurića plina i njihovo prianjanje na čestice, koje se događa u tihom okruženju;
Potrošnja energije za proces je minimalna.
Mane:
Postoji neznatan stupanj zasićenja otpadne vode mjehurićima plina, pa se ova metoda ne može koristiti pri visokim koncentracijama suspendiranih čestica, ne više od 250 - 300 mg/l);
Potreba za izgradnjom hermetički zatvorenih flotacijskih spremnika i postavljanjem strugačkih mehanizama u njih.
Tlačne jedinice su češće od vakuumskih jedinica, jednostavne su i pouzdane u radu. Tlačna flotacija omogućuje pročišćavanje otpadnih voda s koncentracijom suspendiranih tvari do – 5 g/l. Da bi se povećao stupanj pročišćavanja, vodi se ponekad dodaju koagulansi.
Proces se provodi u dvije faze:
1) zasićenje vode zrakom pod pritiskom;
2) oslobađanje otopljenog plina pod atmosferskim tlakom.
Mehaničko raspršivanje zraka u flotacijskim postrojenjima osiguravaju turbine tipa pumpe - impeleri, koji su disk s lopaticama okrenutim prema gore. Takve instalacije se široko koriste za pročišćavanje otpadnih voda s visokim sadržajem suspendiranih čestica (više od 2 g/l). Kada se impeler okreće, u tekućini nastaje veliki broj malih vrtložnih tokova koji se raspadaju u mjehuriće određene veličine. Stupanj mljevenja i učinkovitosti čišćenja ovise o brzini vrtnje impelera: što je veća brzina, manji je mjehurić i veća je učinkovitost procesa.
temelji se na procesu izmjene između iona u otopini i iona prisutnih na površini krute faze – ionski izmjenjivač. Ove metode omogućuju ekstrakciju i iskorištavanje vrijednih nečistoća: spojeva arsena i fosfora, kroma, cinka, olova, bakra, žive i drugih metala, kao i površinski aktivnih tvari i radioaktivnih tvari. Ionski izmjenjivači se dijele na kationske i anionske izmjenjivače. Kationi se izmjenjuju na kationskim izmjenjivačima, a anioni na anionskim izmjenjivačima. Ova se razmjena može prikazati kao sljedeći dijagram. Kationski izmjenjivač: Me+ + H[K] → Me[K] + H+.
Anionski izmjenjivač: SO – 24 + 2[A]OH → [A]2SO4 + 2OH- Značajka ionskih izmjenjivača je reverzibilna priroda reakcija ionske izmjene. Stoga je moguće "ukloniti" ione "posađene" na ionskom izmjenjivaču obrnutom reakcijom. Da biste to učinili, kationski izmjenjivač se ispere otopinom kiseline, a anionski izmjenjivač otopinom lužine. Na taj način se provodi regeneracija ionskih izmjenjivača.
Za pročišćavanje otpadnih voda ionskom izmjenom koriste se periodični i kontinuirani filtri. Periodični filtar je zatvoreni cilindrični spremnik s drenažnim uređajem s prorezom koji se nalazi na dnu, čime se osigurava ravnomjerno otjecanje vode po cijelom presjeku filtra.
Visina sloja za punjenje ionskog izmjenjivača je 1,5 – 2,5 m. Filtar može raditi u paralelnom ili protustrujnom krugu. U prvom slučaju, i otpadna voda i otopina za regeneraciju se dovode odozgo, u drugom slučaju, otpadna voda se dovodi odozdo, a otopina za regeneraciju se dovodi odozgo.
Na rad filtara ionske izmjene uvelike utječe sadržaj suspendiranih čestica u dovedenoj otpadnoj vodi. Stoga se voda prije ulaska u filtar podvrgava mehaničkom pročišćavanju.
Varijanta metode ionske izmjene pročišćavanja otpadnih voda je elektrodijaliza - to je metoda odvajanja iona pod djelovanjem elektromotorne sile koja se stvara u otopini s obje strane membrane koja je odvaja. Proces odvajanja provodi se u elektrodijalizatoru. Pod utjecajem istosmjerne električne struje, kationi, krećući se prema katodi, prodiru kroz membrane kationske izmjene, ali ih zadržavaju membrane anionske izmjene, a anioni, krećući se prema anodi, prolaze kroz membrane anionske izmjene, ali se zadržavaju membranama kationske izmjene.
Kao rezultat toga, ioni iz jednog reda komora uklanjaju se u susjedni red komora. Voda pročišćena od soli ispušta se kroz jedan kolektor, a koncentrirana otopina kroz drugi.
Elektrodijalizatori se koriste za uklanjanje soli otopljenih u otpadnoj vodi. Optimalna koncentracija soli je 3 – 8 g/l. Svi elektrodijalizatori koriste elektrode izrađene prvenstveno od platiniziranog titana.
Zgrušavanje je proces uvećanja raspršenih čestica kao rezultat njihove interakcije i povezivanja u agregate. U pročišćavanju otpadnih voda koagulacija se koristi za ubrzavanje procesa taloženja finih nečistoća i emulgiranih tvari. Najučinkovitiji je za uklanjanje koloidnih dispergiranih čestica iz vode, tj. čestice veličine 1-100 mikrona. U procesima pročišćavanja otpadnih voda koagulacija se događa pod utjecajem posebnih tvari koje im se dodaju - koagulansi. Koagulansi u vodi stvaraju ljuskice metalnih hidroksida, koje se pod utjecajem gravitacije brzo talože. Pahuljice imaju sposobnost hvatanja koloidnih i suspendiranih čestica i njihovog združivanja. Jer Budući da koloidna čestica ima slab negativan naboj, a ljuskice koagulansa imaju slab pozitivan naboj, među njima nastaje međusobno privlačenje. Kao koagulansi obično se koriste aluminijeve i željezne soli ili njihove mješavine. Izbor koagulansa ovisi o njegovom sastavu, fizikalno-kemijskim svojstvima, koncentraciji nečistoća u vodi i pH vrijednosti solnog sastava vode. Kao koagulansi koriste se aluminijev sulfat i aluminijev hidroklorid. Od soli željeza, kao koagulans se koriste željezni sulfat i željezni klorid, a ponekad i njihove mješavine.
Flokulacija je proces agregacije suspendiranih čestica kada se otpadnoj vodi dodaju visokomolekularni spojevi – flokulanti. Za razliku od koagulansa, tijekom flokulacije agregacija se ne događa samo izravnim kontaktom čestica, već i kao rezultat interakcije molekula adsorbiranih na česticama koagulansa. Flokulacija se provodi kako bi se intenzivirao proces stvaranja pahuljica aluminijevog i željeznog hidroksida kako bi se povećala brzina njihovog taloženja. Korištenjem flokulanata moguće je smanjiti dozu koagulansa, smanjiti trajanje procesa koagulacije i povećati brzinu taloženja nastalih flokula. Za pročišćavanje otpadnih voda koriste se i prirodni i sintetski flokulanti. U prirodne spadaju škrob, eteri, celuloza itd. Najaktivniji flokulant je silicijev dioksid. Od sintetskih organskih flokulanata u našoj zemlji najviše se koristi poliakrilamid. Mehanizam djelovanja flokulanata temelji se na sljedećim pojavama: adsorpcija molekula flokulanata na površini koloidnih čestica, stvaranje mrežaste strukture molekula flokulanata, adhezija koloidnih čestica uslijed van der Waalsovih sila. Pod djelovanjem flokulanata nastaju trodimenzionalne strukture između koloidnih čestica sposobne za brže i potpunije odvajanje od tekuće faze. Razlog za pojavu takvih struktura je adsorpcija makromolekula flokulanata na nekoliko čestica uz stvaranje polimernih mostova između njih. Koloidne čestice su negativno nabijene, što pospješuje proces međusobne koagulacije s aluminijevim ili željeznim hidroksidom.
Adsorpcija– proces selektivne apsorpcije jedne ili više komponenti iz smjese plina ili tekućine površinom čvrstog apsorbera. Plinska ili tekuća faza u kojoj se nalazi komponenta koju treba ukloniti naziva se nosač (plin nosilac ili tekućina nosač). Apsorbirana tvar je adsorbent, apsorbirana tvar je adsorbat, a čvrsto tijelo (apsorbent) je adsorbent.
Adsorpcijske metode imaju široku primjenu za dubinsko pročišćavanje otpadnih voda od otopljenih organskih tvari nakon biokemijske obrade, kao iu lokalnim postrojenjima ako je koncentracija tih tvari u vodi niska te se ne biološki razgrađuju ili su visoko toksične. Korištenje lokalnih instalacija je preporučljivo ako se tvar dobro adsorbira uz nisku specifičnu potrošnju adsorbensa.
Adsorpcija se koristi za neutralizaciju otpadnih voda od fenola, herbicida, pesticida, aromatskih nitro spojeva, površinski aktivnih tvari, bojila itd.
Prednost metode je visoka učinkovitost, mogućnost pročišćavanja otpadnih voda koje sadrže nekoliko tvari, kao i oporaba tih tvari.
Apsorpcija je proces apsorpcije plinova ili para iz plina ili paro-plinskih smjesa tekućim apsorberima. Ovaj proces je selektivan i reverzibilan.
Dvije su faze uključene u procese apsorpcije - plin i tekućina. Plinska faza sastoji se od neapsorpcijskog plina nosača i jedne ili više apsorbirajućih komponenti. Tekuća faza je otopina apsorbirane (ciljne) komponente u tekućem apsorberu. Tijekom fizičke apsorpcije, plinski nosač i tekući apsorber su inertni u odnosu na prijenosnu komponentu i jedan u odnosu na drugu.
Predložene su mnoge metode za pročišćavanje ispušnih plinova od sumpornog dioksida, no samo su neke od njih našle primjenu u praksi. To je zbog činjenice da su volumeni ispušnih plinova veliki, a koncentracija SO2 u njima niska; plinove karakteriziraju visoke temperature i značajan sadržaj prašine. Za apsorpciju se mogu koristiti voda, vodene otopine i suspenzije soli alkalijskih i zemnoalkalijskih metala.
Ovisno o značajkama međudjelovanja apsorbera i komponente ekstrahirane iz plinske smjese, apsorpcijske metode dijele se na metode koje se temelje na zakonima fizičke apsorpcije i apsorpcijske metode praćene kemijskom reakcijom u tekućoj fazi (kemisorpcija).
Na fizička apsorpcija otapanje plina nije popraćeno kemijskom reakcijom (ili barem ta reakcija nema zamjetan učinak na proces). U tom slučaju postoji više ili manje značajan ravnotežni tlak komponente iznad otopine, a apsorpcija potonje se događa samo dok je njen parcijalni tlak u plinovitoj fazi viši od ravnotežnog tlaka iznad otopine. U tom slučaju potpuno izdvajanje komponente iz plina moguće je samo protustrujnim strujanjem i dovođenjem čistog apsorbera koji ne sadrži komponentu u apsorber. Tijekom fizičke apsorpcije energija međudjelovanja između molekula plina i apsorbensa u otopini ne prelazi 20 kJ/mol.
Na kemisorpcija(apsorpcija praćena kemijskom reakcijom) apsorbirana komponenta veže se u tekućoj fazi u obliku kemijskog spoja. U ireverzibilnoj reakciji ravnotežni tlak komponente iznad otopine je zanemariv i moguća je njezina potpuna apsorpcija. Tijekom reverzibilne reakcije primjetan je pritisak komponente iznad otopine, iako manji nego tijekom fizičke apsorpcije. Molekule otopljenog plina reagiraju s aktivnom komponentom apsorbenta – kemisorbenta (energija međudjelovanja molekula je veća od 25 kJ/mol) ili u otopini dolazi do disocijacije ili asocijacije molekula plina. Srednje mogućnosti apsorpcije karakterizirane su energijom interakcije molekula od 20-30 kJ/mol. Takvi procesi uključuju otapanje s stvaranjem vodikove veze, posebice apsorpciju acetilena dimetilformamidom.
Tekuća ekstrakcija se koristi za pročišćavanje otpadnih voda koje sadrže fenole, ulja, organske kiseline, metalne ione itd.
Izvedivost korištenja ekstrakcije za pročišćavanje otpadnih voda određena je koncentracijom organskih nečistoća u njima.
Pročišćavanje otpadnih voda ekstrakcijom sastoji se od tri stupnja.
1. faza– intenzivno miješanje otpadne vode s ekstraktantom (organskim otapalom). U uvjetima razvijene kontaktne površine između tekućina nastaju dvije tekuće faze. Jedna faza - ekstrakt - sadrži ekstrahiranu tvar i ekstraktant, druga - rafinat - otpadnu vodu i ekstraktant.
2 s– odvajanje ekstrakta i rafinata; 3- regeneracija ekstraktanta iz ekstrakta i rafinata.
Da bi se sadržaj otopljenih nečistoća smanjio na koncentracije ispod maksimalno dopuštenih granica, potrebno je pravilno odabrati ekstraktant i brzinu njegovog dovođenja u otpadnu vodu. Pri izboru otapala treba uzeti u obzir njegovu selektivnost, fizikalna i kemijska svojstva, cijenu i moguće metode regeneracije.
Potreba izdvajanja ekstraktanta iz ekstrakta je zbog toga što se isti mora vratiti u proces ekstrakcije. Regeneracija se može provesti sekundarnom ekstrakcijom s drugim otapalom, kao i isparavanjem, destilacijom, kemijskom reakcijom ili taloženjem. Nemojte regenerirati ekstraktant ako ga nema potrebe vraćati u ciklus.
Za pročišćavanje otpadnih voda od raznih topivih i dispergiranih nečistoća koriste se postupci anodne oksidacije i katodne redukcije, elektrokoagulacije, elektroflokulacije i elektrodijalize. Svi ovi procesi se odvijaju na elektrodama kada kroz otpadnu vodu prolazi istosmjerna električna struja. Elektrokemijske metode omogućuju izdvajanje vrijednih proizvoda iz otpadnih voda relativno jednostavnom automatiziranom tehnološkom shemom pročišćavanja, bez upotrebe kemijskih reagensa. Glavni nedostatak ovih metoda je velika potrošnja energije.
Pročišćavanje otpadnih voda elektrokemijskim metodama može se provoditi periodično ili kontinuirano.
Elektrokoagulacija. Prolaskom otpadne vode kroz međuelektrodni prostor elektrolizera dolazi do elektrolize dna, polarizacije čestica, elektroforeze, redoks procesa i međusobne interakcije produkata elektrolize. Pri korištenju netopivih elektroda može doći do koagulacije kao posljedica elektroforetskih pojava i pražnjenja nabijenih čestica na elektrodama, stvaranja tvari u otopini (klor, kisik) koje uništavaju solvatne soli na površini čestica. Ovim se postupkom može pročišćavati voda s niskim sadržajem koloidnih čestica i niskom postojanošću kontaminanata. Za obradu industrijskih otpadnih voda koje sadrže visoko postojane kontaminante, elektroliza se provodi pomoću topljivih čeličnih ili aluminijskih anoda. Pod utjecajem struje metal se otapa, pri čemu u vodu prelaze kationi željeza ili aluminija, koji pri susretu s hidroksidnim skupinama stvaraju metalne hidrokside u obliku ljuskica. Dolazi do intenzivne koagulacije.
Prednosti metode elektrokoagulacije: kompaktne instalacije i jednostavnost rada, nema potrebe za reagensima, niska osjetljivost na promjene u uvjetima procesa čišćenja (temperatura, pH, prisutnost toksičnih tvari), proizvodnja mulja s dobrim strukturnim i mehaničkim svojstvima. Nedostatak ove metode je povećana potrošnja metala i električne energije. Elektrokoagulacija se koristi u prehrambenoj, kemijskoj i industriji celuloze i papira.
Elektroflotacija. U tom se procesu otpadna voda pročišćava od suspendiranih čestica pomoću mjehurića plina nastalih tijekom elektrolize vode. Na anodi se pojavljuju mjehurići kisika, a na katodi mjehurići vodika. Dižući se u otpadnoj vodi, ti mjehurići plutaju suspendirane čestice. Pri korištenju topljivih elektroda stvaraju se koagulantne pahuljice i mjehurići plina, što doprinosi učinkovitijoj flotaciji.
Elektrodijaliza je metoda odvajanja iona pod djelovanjem elektromotorne sile koja se stvara u otopini s obje strane membrane koja je odvaja. Proces odvajanja provodi se u elektrodijalizatoru. Pod utjecajem istosmjerne električne struje, kationi, krećući se prema katodi, prodiru kroz membrane kationske izmjene, ali ih zadržavaju membrane anionske izmjene, a anioni, krećući se prema anodi, prolaze kroz membrane anionske izmjene, ali se zadržavaju membranama kationske izmjene. Kao rezultat toga, ioni iz jednog reda komora uklanjaju se u susjedni red komora.
Reverzna osmoza i ultrafiltracija su procesi filtriranja otopina kroz polupropusne membrane pod tlakom većim od osmotskog tlaka. Membrane dopuštaju molekulama otapala prolaz kroz njih, hvatajući otopljene tvari. Reverznom osmozom odvajaju se čestice (molekule, hidratizirani ioni) čija veličina ne prelazi veličinu molekula otapala. U ultrafiltraciji, veličina pojedinačnih čestica d h je za red veličine veći.
Reverzna osmoza, čiji je dijagram prikazan na dijagramu, naširoko se koristi za desalinizaciju vode u sustavima za pročišćavanje vode termoelektrana i poduzeća raznih industrija (poluvodiči, slikovne cijevi, lijekovi itd.); Posljednjih godina počeo se koristiti za pročišćavanje nekih industrijskih i komunalnih otpadnih voda.
Najjednostavnija instalacija reverzne osmoze sastoji se od visokotlačne pumpe i serijski spojenog modula (membranskog elementa).
Učinkovitost procesa ovisi o svojstvima korištenih membrana. Moraju imati sljedeće prednosti: visoku sposobnost razdvajanja (selektivnost), visoku specifičnu produktivnost (propusnost), otpornost na utjecaje okoline, postojanost svojstava tijekom rada, dovoljnu mehaničku čvrstoću, nisku cijenu.
Za ultrafiltraciju je predložen drugi mehanizam odvajanja. Otopljene tvari zadržavaju se na membrani jer je veličina njihovih molekula veća od veličine pora ili zbog trenja molekula o stijenke pora membrane. U stvarnosti se u procesu reverzne osmoze i ultrafiltracije događaju složeniji fenomeni.
Proces membranske separacije ovisi o tlaku, hidrodinamičkim uvjetima i dizajnu aparata, prirodi i koncentraciji otpadne vode, sadržaju nečistoća u njoj, kao i temperaturi. Povećanje koncentracije otopine dovodi do povećanja osmotskog tlaka otapala, povećanja viskoznosti otopine i povećanja koncentracijske polarizacije, odnosno do smanjenja propusnosti i selektivnosti. Priroda otopljene tvari utječe na selektivnost. Uz istu molekulsku masu, anorganske tvari se bolje zadržavaju na membrani nego organske.
Kako koncentracija štetnih tvari u prizemnom sloju atmosfere ne bi premašila maksimalno dopuštenu najveću pojedinačnu koncentraciju, emisije prašine i plinova se odvode u atmosferu preko visinskih cijevi. Distribucija industrijskih emisija emitiranih iz dimnjaka u atmosferi pokorava se zakonima turbulentne difuzije. Na proces disperzije emisija značajno utječe stanje atmosfere, lokacija poduzeća, priroda terena, fizikalna svojstva emisija, visina cijevi, promjer usta itd. Horizontalno kretanje nečistoća određeno je uglavnom brzinom vjetra, a vertikalno kretanje određeno je raspodjelom temperature u vertikalnom smjeru.
Kako se udaljavate od cijevi u smjeru širenja industrijskih emisija, koncentracija štetnih tvari u prizemnom sloju atmosfere prvo raste, doseže maksimum, a zatim polako opada, što nam omogućuje govoriti o prisutnosti tri zone nejednakog onečišćenja atmosfere: zona prijenosa emisijskih oblaka, karakterizirana relativno niskim sadržajem štetnih tvari u prizemnom sloju atmosfere; zona dima - zona maksimalnog sadržaja štetnih tvari i zona postupnog smanjenja razine onečišćenja.
Prema trenutnoj metodologiji, minimalna visina H min jednocijevne cijevi za raspršivanje emisija plin-zrak s temperaturom višom od temperature okoline određena je formulom
H min =√AMk F mn/MPC 3 √1/QΔT,
gdje je A koeficijent koji ovisi o temperaturnom gradijentu atmosfere i određuje uvjete vertikalne i horizontalne disperzije štetnih tvari. Ovisno o meteorološkim uvjetima za suptropski pojas srednje Azije A=240; za Kazahstan, regiju Donje Volge, Kavkaz, Moldaviju, Sibir, Daleki istok i druge regije središnje Azije - 200; Sjeverno i sjeverozapadno od europskog teritorija SSSR-a, regije Srednje Volge, Urala i Ukrajine - 160; Središnji dio europskog teritorija SSSR-a - 120;
M je količina štetne tvari emitirane u atmosferu, g/s;
Q je volumetrijska brzina protoka mješavine plina i zraka koja se izbacuje iz svih cijevi, m 3 / s;
k F je koeficijent koji uzima u obzir brzinu taloženja suspendiranih čestica emisije u atmosferu. Za plinove k F =1, za prašinu kada je učinkovitost čišćenja postrojenja za obradu plina veća od 0,90-2,5 i manja od 0,75-3;
ΔT je temperaturna razlika između emitirane mješavine plina i zraka i okolnog atmosferskog zraka. Temperatura okolnog zraka uzima se na temelju prosječne temperature najtoplijeg mjeseca u 13:00 sati;
m i n su bezdimenzionalni koeficijenti koji uzimaju u obzir uvjete izlaska smjese plina i zraka iz ušća izvora emisije.
