Dans le traitement de l'eau industrielle et municipale, la flottation est une technologie de purification de l'eau qui utilise de minuscules bulles pour remonter les impuretés en suspension à la surface. Bien qu’apparemment simple, il incarne des principes complexes de mécanique des fluides et de chimie des interfaces. Cet article combinera des formules classiques avec une expérience en ingénierie pour fournir une analyse approfondie-des mécanismes de base et des facteurs d'influence de la flottation pour référence par les professionnels du traitement de l'eau.
I. Principes de base de la flottaison
La flottation est l'opposé de la sédimentation. Alors que la sédimentation utilise la gravité pour couler les particules et éliminer les matières en suspension, la flottation utilise la flottabilité des bulles attachées pour amener les particules en suspension à la surface, réalisant ainsi une séparation solide-liquide.
La clé de la purification de l'eau de flottation réside dans la génération d'un grand nombre de minuscules bulles, qui s'attachent aux particules en suspension pour former des « flocons de bulles -. Ces bulles montent en raison de la flottabilité et sont finalement grattées.
Le processus physique de base est le suivant : génération de bulles → contact et adhésion entre bulles et particules → remontée des particules attachées aux bulles → formation et séparation d'une couche de mousse.
II. Analyse de la vitesse de montée des bulles
Lorsqu’une bulle s’élève dans l’eau, trois forces agissent sur elle : la gravité F1, la flottabilité F2 et la traînée F3. Sur la base de la deuxième loi de Newton, la formule suivante peut être dérivée.
Où : v est la vitesse de montée de la bulle, en cm/s ; m est la masse des flocs chargés d'air, g ; gravité F1=ρ1gV, où ρ1 est la densité du complexe bulle-floc, g/cm³, et V est le volume du complexe bulle-floc, cm³ ; flottabilité F2=ρ2gV, où ρ2 est la densité de l'eau, g/cm³ ; traînée F3=CAρ2v²/2, où C est le coefficient de traînée et A est la surface projetée des flocs chargés d'air-dans la direction de l'écoulement de l'eau, cm².
En remplaçant la gravité F1, la flottabilité F2 et la traînée F3 dans la formule ci-dessus, on obtient la formule suivante.
Lorsque la vitesse de montée de la bulle se stabilise, dv/dt=0 et la vitesse de montée de la bulle v peuvent être calculées comme indiqué dans la formule suivante.
Si nous imaginons la structure "bulle-floc" comme une sphère d'un diamètre de d, alors V/A=2d/3. De plus, le coefficient de traînée de la sphère C=4 et la vitesse de montée de la bulle sont les suivants.
La formule ci-dessus révèle que la vitesse de montée de la bulle v est directement proportionnelle à la racine carrée du diamètre des particules d et inversement proportionnelle à la densité de l'eau ρ1. Autrement dit, plus la bulle est grande et plus la différence de densité est grande, plus la vitesse d’augmentation est rapide. Cependant, des bulles trop grosses sont moins susceptibles d’attirer les impuretés, ce qui rend la génération de microbulles particulièrement importante. De plus, comme la densité de l’air n’est que de 1/775 de celle de l’eau, les flocs auxquels sont attachées un certain nombre de microbulles montent plus rapidement que les flocs d’origine ne coulent. Par conséquent, la flottation permet d'obtenir des temps de séparation solide-liquide beaucoup plus courts que la sédimentation.
III. Tension superficielle et pression supplémentaire
Le cœur du processus de flottation réside dans l’adhésion des bulles aux particules, et la tension superficielle détermine la stabilité des bulles. La tension superficielle d'un liquide est définie comme suit.
Où : T est la tension superficielle, en dynes, reflétant la force des forces entre les molécules liquides ; est le coefficient de tension superficielle, en dynes/cm ; et l est la longueur de la couche superficielle, en cm.
L'air non dissous dans l'eau est attiré par les molécules d'eau, générant une tension superficielle à l'interface entre les deux phases. Cette fine couche de molécules d’eau qui génère une tension superficielle forme la membrane d’une bulle. La surface incurvée de la membrane, du fait de la tension superficielle, exerce une pression supplémentaire Ps sur l'air à l'intérieur de la bulle. Pour équilibrer cette pression supplémentaire, la pression à l'intérieur de la bulle, P, doit être supérieure à la pression à l'extérieur de la bulle, P0, c'est-à-dire P=P0 + Ps. L'ampleur de cette pression supplémentaire est directement proportionnelle au coefficient de tension superficielle et inversement proportionnelle au rayon de la bulle, comme le montre l'équation suivante.
Où : r est le rayon de la bulle, en cm.
L’équation ci-dessus révèle que plus la bulle est petite, plus le rayon r est petit et plus la pression supplémentaire est élevée, ce qui rend la bulle plus susceptible d’éclater. Le système de flottation doit donc prendre en compte à la fois la taille et la stabilité des bulles. Si les bulles sont trop grosses, elles flotteront trop vite et seront difficiles à adhérer ; si les bulles sont trop petites, elles se briseront facilement et il sera difficile de former une couche d'écume efficace.
IV. Mécanisme d’adhésion des bulles et flocs
La combinaison de bulles et de flocs est la clé de la flottaison. Son mécanisme d’action peut se résumer à trois effets mécaniques :
(1) Effet de réduction d’énergie de surface. Lorsque les bulles adhèrent à la surface des flocs, l’énergie de surface totale du système diminue et l’interface tend à être stable ;
(2) Effet de pont capillaire. Le film liquide entre les bulles et les flocs est étiré pour former un pont capillaire, rendant les deux étroitement liés ;
(3) Effet d'adsorption électrostatique. Les particules dans l'eau sont souvent chargées négativement et le potentiel de surface des microbulles peut également être contrôlé pour former un effet d'adsorption électrostatique.
La combinaison de bulles et de flocs augmente non seulement la différence de densité spécifique des particules en suspension, mais améliore également l'efficacité de la séparation par flottation.
V. Effet d'entraînement et effet de flottaison
Dans le bassin de flottation, lorsque les microbulles entraînent les flocs vers le haut, elles entraînent avec elles une partie de l'eau. Ce phénomène est appelé effet d'entraînement. Bien que l’effet d’inclusion affecte la concentration de mousse, il contribue à améliorer le taux d’élimination. Son mécanisme comprend : (1) l'amélioration du contact de mélange, permettant aux bulles et aux flocs d'être plus pleinement en contact par turbulence ; (2) favoriser l'adsorption des bulles et augmenter la zone de contact ; (3) former une couche d'écume stable, où de petites bulles se combinent avec des flocs collants pour former une couche dense, facile à gratter.
Conclusion
La flottation réalise la purification en « faisant flotter les eaux usées ». Il s'agit d'une technologie de séparation efficace qui intègre des processus physiques et chimiques. La clé de son succès réside dans la génération de microbulles, la formation de flocs et la combinaison efficace des deux. Comprendre les lois dynamiques du flottement des bulles et le comportement chimique interfacial contribue non seulement à optimiser la conception des équipements de flottation, mais fournit également un support théorique pour le traitement en profondeur des eaux usées industrielles et urbaines. Lorsque vous voyez cette couche d’écume être lentement grattée, rappelez-vous qu’il s’agit d’un miracle de purification accompli par d’innombrables bulles et particules.