泡沫浮選分離技術(shù)

1、泡沫浮選分離技術(shù)一、摘要泡沫浮選分離法是在一定的條件下，向試液鼓入空氣或氮氣使之產(chǎn)生氣泡，將溶液中存在的欲分離富集的微量組分(離子、分子、膠體或固體顆粒）吸著或吸附在其上面并隨著氣泡浮到液面，從而與母液分離，收集后即達(dá)到分離和富集的目的。泡沫浮選分離法是在礦物分離中一種常用的方法，在分析化學(xué)的分離富集物質(zhì)中取得顯著的成績。隨著分析技術(shù)的提高，及跟其它測試手段的使用。泡沫浮選技術(shù)必將在稀溶液的分離，有價物質(zhì)的回收方面有更加廣泛的使用。二、基本概念泡沫分離技術(shù)是近十幾年發(fā)展起來的新型分離技術(shù)之一，在化工、生化、醫(yī)藥、污水處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。泡沫分離是根據(jù)吸附的原理，向含表面活性物質(zhì)的液體中

2、鼓泡，使液體內(nèi)的表面活性物質(zhì)聚集在氣液界面（氣泡的表面）上，在液體主體上方形成泡沫層，將泡沫層和液相主體分開，就可以達(dá)到濃縮表面活性物質(zhì)（在泡沫層）和凈化液相主體的目的。目前一般只能分離溶液中ppm量級的物質(zhì)。高純金屬中微雜質(zhì)的分離亦有采用此法的。被濃縮的物質(zhì)可以是表面活性物質(zhì)，也可以是能與表面活性物質(zhì)相絡(luò)合的物質(zhì)，但它們必須具備和某一類型的表面活性物質(zhì)能夠絡(luò)合或鰲合的能力。人們通常把凡是利用氣體在溶液中鼓泡，以達(dá)到分離目的的這類方法總稱為泡沫吸附分離技術(shù)，簡稱泡沫分離技術(shù)。按分離對象是溶液還是含有固體例子的懸浮液、膠體溶液，泡沫分離可以分成泡沫分餾和泡沫浮選兩種分離方法。泡沫浮選分離就是利用

3、某種物質(zhì)(如離子、分子、膠體、固體顆粒、懸浮微粒)，表面活性的不同，可被吸附或粘附在從溶液中升起的泡沫表面上，從而與母液分離的技術(shù)。泡沫浮選分離技術(shù)用于分離不溶解的物質(zhì)，它的優(yōu)點是使用的分離裝置簡單并易于放大，可連續(xù)和間歇操作并能實現(xiàn)自動化和連續(xù)化操作。三.原理表面活性劑在水溶液中有富集（吸附）在氣/液界、泡沫浮選的簡單原面（溶液中氣飽表面）的傾向，它在氣泡表面是定向排列的，分子內(nèi)帶電的極性端 朝向氣-液界面的水的一邊，這時表面活性劑將與一種或一類的離子由于物理的 (如靜電引力)或化學(xué)的(如絡(luò)合作用)原因相互作用而聯(lián)結(jié)在一起，被氣泡帶至液 面，從而達(dá)到分離的目的。

4、因此， 如果離子和表面活性劑之間形成絡(luò)合物被浮選，這種分離方法跟離子交換分離有相似之處，區(qū)別在于離子交換法吸附是在靜止的固一液界面上進(jìn)行的，而離子浮選則是在可動的液-氣界面上進(jìn)行的。其實有關(guān)這方面涉及的理論要復(fù)雜得多，近幾年來，一些文獻(xiàn)從不同的角度對浮選分離進(jìn)行了有關(guān)理論的研究。如 Wilson 等對膠體吸附浮選用電學(xué)和電化學(xué)的理論進(jìn)行了一系列較系統(tǒng)的闡述， Ahmad 研究了泡沫形成的規(guī)律等等。 這對于有關(guān)這方面的理論研究僅是初步的, 還有待進(jìn)一步深入。 泡沫分離必須具備兩個基本條件。首先，目標(biāo)溶質(zhì)是表面活性物質(zhì)

5、，或者是可以和某些活性物質(zhì)相絡(luò)合的物質(zhì)，它們都可以吸附在氣-液界面上；其次，富集質(zhì)在分離過程中借助氣泡與液相主體分離，并在塔頂富集。因此，它的傳質(zhì)過程在鼓泡區(qū)中是在液相主體和氣泡 表面之間進(jìn)行，在泡沫區(qū)中是在氣泡表面和間隙液之間進(jìn)行。所以，表面化學(xué)和泡沫本身的結(jié)構(gòu)和特征是泡沫分離的基礎(chǔ)。 泡沫分離方法有一系列優(yōu)點。它適合于對低濃度的產(chǎn)品進(jìn)行分離。如低濃度的酶溶液， 用常規(guī)的方法進(jìn)行沉淀是行不通的，如果使用泡沫法對產(chǎn)品先進(jìn)行濃縮， 就可以用沉淀法進(jìn)行提取。它是根據(jù)分離物的表面活性而對產(chǎn)品進(jìn)行分 離的，因此可以高選擇性地濃縮某種成分。由于此過程不使

6、用無機(jī)鹽或有機(jī)溶劑，僅僅是有 一些動力消耗，它的運行成本一般要比其它方法低。表面活性劑具有親水的極性基團(tuán)和憎水的非極性基團(tuán)，可以在溶液中有選擇性的吸附在氣-液相界面上，從而使表面活性物質(zhì)在表面相中的濃度高于主體相􀋓使溶液的表面張力急劇下降。如果溶液中只有一種表面活性劑并且在一定溫度下達(dá)到吸附平衡，此時氣-液界面處表面活性劑的吸附作用可以用 Gibbs 吸附等溫方程來描述：泡沫表面吸附溶質(zhì)的濃度；c平衡時原料液的濃度； 為溶液的表面張力；R氣體常數(shù)；T絕對溫度。四.特點泡沫浮選分離特別適用于大量的極稀溶液的分離富集。常規(guī)泡沫浮選：適于選別0.5mm 至 5m 的礦粒，

7、具體的粒限視礦種而定。由于分離效率高、設(shè)備簡單、能耗低而引起越來越多的關(guān)注。對于共沉淀分離中不易過濾或離心分離的膠狀、絮狀沉淀可改用適當(dāng)?shù)母∵x分離解決。它的突出特點是：樣品處理量大，可達(dá)到 0.5-2L，而且富集倍數(shù)大，一般為 100-10000。此外這種方法回收率高達(dá) 90%以上，易于與其他方法聯(lián)用而且在低濃度下分離特別有效，因此成為了現(xiàn)階段礦物質(zhì)浮選的首選技術(shù)之一。五.分離過程及設(shè)備泡沫浮選分離法是在一定的條件下，向試液鼓入空氣或氮氣使之產(chǎn)生氣泡，將溶液中存在的欲分離富集的微量組分(離子、分子、膠體或固體顆粒）吸著或吸附在其上面并隨著氣泡浮到液面，從而與母液分離，收集后即達(dá)到分離和富集的目

8、的。它是一種能處理大量試樣的快速濃縮分離的方法。如圖 1 所示，從裝置底部通入大量空氣，將樣品液和氣泡一并送入裝置，溶質(zhì)吸附在氣泡上并隨之上升，在裝置頂形成浮渣或泡沫層。氣泡不斷產(chǎn)生并且上升，最后被迫進(jìn)入泡沫收集器，待泡沫收集器裝滿后,，剩余的泡沫由排管流出，而經(jīng)處理的基液或干凈溶液由出水管排出，最后將分離后的料液進(jìn)行回收。常用的浮選劑分三大類：捕收劑，起泡劑和調(diào)整劑。捕收劑的作用：加一種藥劑能改變礦物顆粒的親水性而產(chǎn)生疏水性使之可浮，這種藥劑通常稱之為捕收劑。捕收劑通常是極性捕收劑和非極性捕收劑。極性捕收劑由能與礦物顆粒表面發(fā)生作用的極性基團(tuán)和起疏水作用的非極性基團(tuán)兩部分組成。當(dāng)這類捕收劑吸

9、附于礦粒表面時，其分子或離子呈定向排列，極性基團(tuán)朝向礦物顆粒表面，非極性基團(tuán)朝外形成疏水膜，從而使礦位具有可浮性。浮選時常用有機(jī)硫代化合物作捕收劑，例如黃原酸鹽等。起泡劑的作用：有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)的表面活性分子，定向吸附于水一空氣界面，降低水溶液的表面張力，使充入水中的空氣易于彌散成氣泡和穩(wěn)定氣泡。起泡劑和捕收劑聯(lián)合在一起吸附于礦物顆粒表面，使礦粒上浮。常用的起泡劑有：松樹油，俗稱二號油、酚酸混合脂肪醇，異構(gòu)己醇或辛醉、醚醉類以及各種酯類等。調(diào)整劑可分為五類：(1) pH 值調(diào)整劑。用它來調(diào)節(jié)礦漿的酸堿度，用以控制礦物表面特性、礦漿化學(xué)組成以及其他各種藥劑的作用條件，從而改善浮選效果。常用的

10、有石灰、碳酸鈉、氫氧化鈉和硫酸等。(2)活化劑。能增強(qiáng)礦物同捕收劑的作用能力，使難浮礦物受到活化而浮起。(3)抑制劑。提高礦物的親水性和阻止礦物同捕收劑作用，使其可浮性受到抑制。(4)絮凝劑。使礦物細(xì)顆粒聚集成大顆粒，以加快其在水中的沉降速度，利用選擇性絮凝進(jìn)行絮凝一脫泥及絮凝一浮選。常用的絮凝劑有聚丙烯酰胺和淀粉等。(5)分散劑。阻止細(xì)礦粒聚集，處于單體狀態(tài)，其作用與絮凝劑恰恰相反，用的有水玻璃、磷酸鹽等。浮選劑的種類和用量隨礦石性質(zhì)和浮選條件及流程特點而各異，在生產(chǎn)實踐過程中也根據(jù)各種條件的變化而加以改變。泡沫浮選過程中用到的主要設(shè)備有泡沫分離器和浮選機(jī)。泡沫分離器的基本裝置可由一個簡單的

11、氣泡圓柱體表示如圖 2 所示，輸入的廢水被抽入塔中, 氣體經(jīng)由擴(kuò)散器注入形成許多小氣泡。泡沫浮選分離法實驗用的泡沫分離器材主要有玻璃和有機(jī)玻璃，形式多為柱狀分離塔。氣體分布形式有壓力溶氣方式和氣體分散式。氣體分散式分離塔底部裝有氣體分布器；塔頂有泡沫排出口；連續(xù)式分離器還有進(jìn)料口，塔底排液口，分離塔的直徑一般為38cm，塔高80120cm，一般高徑比大于10，以減少軸向返混并提供足夠的氣液接觸時間，離子浮選、礦物浮選用的是選礦機(jī)。所有的泡沫浮選裝置均包括幾個基本的部分：（1）氣體發(fā)生源，它通常是一個小的空氣壓縮機(jī)或氣體鋼瓶，在這項分離技術(shù)中常用的是空氣，然而有的工作也使用N2、Hc或Ar氣源。

12、（2）控制氣體壓力和流量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。（3）氣體凈化裝置，為了避免在體系中發(fā)生一些不必要的變化，通常要用水或是其他合適的溶液預(yù)先洗滌氣體，在一些情況下為了避免不希望在塔中發(fā)生的反應(yīng)，要把體系中的CO2出去。（4）氣體流量計，為測量通過塔的氣體流量，常采用皂泡流量計。（5）分離柱，常用玻璃柱，但也有塑料柱，尺寸和形狀可根據(jù)實驗需要，但在塔的底部通常有一個具有合適孔數(shù)的燒結(jié)玻璃板，通過這個多孔板，產(chǎn)生了形成泡沫的小的上升的氣泡。浮選設(shè)備主要是浮選機(jī)以及為實現(xiàn)浮選工藝的其他設(shè)備，礦漿經(jīng)過攪拌充氣，在各種浮選劑的作用下礦粒與氣泡粘附，氣泡上升、形成礦化泡沫層，被刮板刮出或溢出，這一系列浮選過程均是在浮選

13、機(jī)中完成的。按攪拌和充氣方式不同，浮選機(jī)可分為 5種： (1)機(jī)械攪拌式。攪拌器在浮選槽內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使礦漿流動，在葉輪腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓而吸入空氣。(2)充氣機(jī)械攪拌式。除機(jī)械攪拌外，再補(bǔ)充向浮選糟內(nèi)充入低壓空氣。(3)充氣式?？繅喝肟諝膺M(jìn)行攪拌并產(chǎn)生氣泡，如浮選柱和泡沫分離裝置等。(4)氣體析出式。用降低壓力法或先加壓后降至常壓的萬法，使礦漿中溶解的空氣析出，形成微泡。（5）壓力溶氣式。利用高壓將充入的空氣預(yù)溶于水，然后再常壓下在浮選槽內(nèi)析出，形成大量微泡。六.影響因素影響泡沫浮選分離的效果及特性的因素很多，包括氣體的流速，泡沫層的高度，溫度，進(jìn)料濃度，溶液 PH、溶液的離子強(qiáng)度等。1、氣流速度

14、的影響。一般而言，增加氣流速度，泡沫的吸附率表面積增加，可以縮短分離時間，降低分離后溶液的濃度，提高回收率。但同時也會增加泡沫中液體的含量, 降低富集比，以應(yīng)根據(jù)不同需要調(diào)節(jié)氣流速度。氣體流速決定于表面活性劑在溶液中的濃度和泡沫的表面張力，適當(dāng)?shù)臍怏w流速，可以使泡沫層的高度維持一定，有利于分離效果的提高。2、沫層高度的影響。隨泡沫層高度的增加，沫停留時間延長，增加了泡沫破碎排水, 因此收集到的泡沫數(shù)量減少，泡沫含水量降低，泡沫就越干燥，所以富集比增大，但表面活性物質(zhì)的回收率降低。3、溫度的影響。升高液體溫度，泡沫產(chǎn)生的數(shù)量將會增加，泡沫含水率降低，富集比增大。因為溫度升高導(dǎo)致表面活性劑的粘度降

15、低，減小了擴(kuò)散阻力，使吸附阻力降低，因此可以提高分離效率。4、進(jìn)料濃度的影響。在進(jìn)料濃度很低時，提高溶液濃度，富集比增大，但濃度升至一定程度時， 再增加溶液濃度，殘留溶液濃度也增大，富集比就會降低，但回收率增加。這是因為低濃度時，料液在氣-液界面的吸附量與濃度呈線性關(guān)系，并隨濃度的增大而增大。當(dāng)濃度較高時，表面吸附趨于飽和，表面吸附量隨濃度增加緩慢，形成的泡沫比較穩(wěn)定，表面濃度的增加量不及進(jìn)料濃度的增加量，因此富集比下降。5、溶液 pH 值的影響。溶液酸度主要影響表面活性劑與欲分離富集成分在溶液中的存在狀態(tài)及所帶電荷的情況，當(dāng)表面活性劑處于等電點時，分子間的斥力減小，溶解降低，有利于氣-液界面

16、的吸附。同時，表面活性物質(zhì)在等電點的表面活性增強(qiáng)，在溶液中表現(xiàn)出較好的發(fā)泡能力，有助于料液的富集分離。6、溶液離子強(qiáng)度的影響。增大離子強(qiáng)度，可以改善料液在氣-液界面處的吸附，提高排液，增加泡沫的穩(wěn)定性，加大泡沫產(chǎn)量；可以強(qiáng)化分離過程，提高回收率。同時增強(qiáng)離子濃度，會增加泡沫含水量，降低富集比。7、乙醇。在分離體系中可加入少量的乙醇，這樣可避免生成膠束，也可縮小氣泡的體積，這樣可以提高分離效果。8、誘導(dǎo)時間。誘導(dǎo)時間過長，易形成大的粒子，建議不要誘導(dǎo)時間或短一些。在開始就收集或浮選過程中逐步收集。9、燒結(jié)玻璃板的孔隙率及氣泡大小。它們和氣體流速密切相關(guān)。通常情況下，產(chǎn)生小而均勻的氣泡較好，因為氣

17、液界面增加。10、柱形及體積。柱的形狀、體積及結(jié)構(gòu)排布影響分離物的重現(xiàn)性，從而影響分離效率。七應(yīng)用1、對固體離子的分離。由于分離對象是帶有固體粒子的懸浮液、膠體液，所以通過選擇合適的捕獲劑使礦物獲得疏水性，再加入適量起泡劑，采用空氣鼓泡，利用礦石粒子和脈石粒子性質(zhì)上的差異，使脈石下沉，礦石隨氣泡浮出而得已分離。其最終產(chǎn)物是固體粒子。近期,N.SHEHU，TianXueda和A.XEHIA對礦石浮選分離做了一定的研究工作，這種方法在工業(yè)中應(yīng)用較廣，是比較成熟的分離技術(shù)。2、對溶液中離子、分子的分離。分離對象是真溶液，是一種通過鼓泡將具有表面活性的物質(zhì)，或不具有表面活性但具有能與表面活性物質(zhì)相結(jié)合

18、的物質(zhì)帶出，從而實現(xiàn)分離的方法。不具有表面活性的物質(zhì)可以以離子對或分子的形式被泡沫帶出。泡沫浮選分離法不僅對具有表面活性的物質(zhì)有效，對非表面活性的物質(zhì)也可能。只要復(fù)合物是疏水的。因為泡沫存在雙電層結(jié)構(gòu)(其結(jié)構(gòu)類似膠體)，復(fù)合物就會被靜電力吸附在泡沫上。待分離溶液與表面活性劑親水基團(tuán)的親和受到溶劑水的水化作用及各種離子干擾競爭作用的影響，只有能與表面活性劑有較強(qiáng)親合力的溶質(zhì)才能被較好地分離。另外在引用文獻(xiàn)中報導(dǎo)了對聚乙烯醇、聚丙烯二元醇等非離子型表面活性劑的一些工作。3、 對蛋白質(zhì)、細(xì)胞等生物產(chǎn)品的分離。這項工作最早開展于1937年。Ostwald和Sierh從馬鈴薯和甜菜汁中分離蛋白，隨后的幾

19、十年人們開展了許多工作。對生物物質(zhì)的分離與礦石、離子、分子有很大的差別，生物物質(zhì)(如細(xì)胞等)受培養(yǎng)基成份及外界條件影響很大，同種細(xì)胞在不同培養(yǎng)條件下，浮選條件和效率也不一樣。浮選效率受靜電力的影響很大。而這種力又受細(xì)胞和氣泡的電位控制，當(dāng)顆粒和氣泡的電位最小時，浮選有最高效率。礦物浮選在泡沫浮選中是最成熟的技術(shù)。礦物顆粒自身表面具有疏水性或經(jīng)浮選藥劑作用產(chǎn)生或增強(qiáng)疏水性。疏水就是親油和親氣體，可在液、氣或水油的界面發(fā)生聚集。礦物浮選是利用礦石粒子與表面活性物質(zhì)相互作用，經(jīng)過一系列工藝處理后，密度大的礦物顆粒能與氣泡和浮選劑親合而被浮于浮選機(jī)的礦液表面，用泡沫使礦石粒子上升，脈石粒子下沉，從而達(dá)

20、到得以分離富集礦石的目的，是用于礦石粒子與脈石粒子的一種分離過程。在浮選前，首先將礦石粉碎至一定大小，以利于隨氣泡漂浮，加水制成礦漿，再加人浮選劑，攪拌或通人空氣，形成泡沫進(jìn)行浮選。大多數(shù)天然礦物的表面是親水的，易為水所潤濕。因而，必須加人表面活性劑作為捕集劑和起泡劑。有時還加人表面活性劑作為調(diào)節(jié)劑，對捕集劑起促進(jìn)或抑制作用，以達(dá)到對混合礦物作選擇性浮選的目的。表面活性劑可以選擇性地改變礦物的疏水性，從而使浮選幾乎可用于所有的礦石，同時它又有利于礦漿形成泡沫。泡沫浮選至今仍是大多數(shù)礦物的分選的一種最有效的技術(shù)。1、在非極性非金屬礦物浮選中的應(yīng)用該類礦石主要有石墨、滑石、高嶺土和煤等，具有非極性

21、表面，自然疏水性強(qiáng)，密度小，硬度低，可浮性好，選用非極性油類作為捕收劑。以石墨浮選為例，石墨浮選時選用煤油或柴油作為捕收劑，松油作為起泡劑，采用多段磨選流程。如圖 3，為兩段精礦再磨再選流程。2、在多金屬硫化礦浮選中的應(yīng)用金屬硫化礦主要是銅、鉛、鋅等和硫的共生礦，以銅-鉛-鋅-硫礦為例，采用混合浮選流程，先將幾種有用礦物一起浮出得到精礦后再對混合精礦進(jìn)行分離。如圖 4 所示，為銅-鉛-鋅-硫礦混合浮選流程圖。3、在有色金屬氧化礦浮選中的應(yīng)用有色金屬氧化礦的主要礦物油氧化銅、氧化鋅以及氧化鉛，該類型的礦物組成復(fù)雜，細(xì)磨時易泥化。以氧化鉛礦物為例，采用硫化浮選法，選用硫化鈉為硫化劑，經(jīng)硫化后用黃藥作為捕收劑，硫化前經(jīng)脫水處理脫出粘土、氫氧化鐵等物質(zhì)。4、在氧化物及硅酸鹽礦物浮選中的應(yīng)用這類礦物含鐵高，具有很強(qiáng)的親水性，不能被硫化。以弱磁性鐵的氧化物和氫氧化物礦石為例，工業(yè)浮選方案有：陰離子捕收劑正浮選方案，即在蘇打介質(zhì)中以脂肪酸及皂類為捕收劑浮選鐵礦物；選擇性