第七章 泡沫分離法

1、第七章第七章 泡沫分離法泡沫分離法（Foam Separation）一、概述一、概述二、泡沫分離的分類(lèi)二、泡沫分離的分類(lèi)三、泡沫分離的基本原理三、泡沫分離的基本原理四、泡沫分離操作方式四、泡沫分離操作方式五、影響泡沫分離效率的因素五、影響泡沫分離效率的因素六、泡沫分離應(yīng)用六、泡沫分離應(yīng)用 19151915年用于礦物浮選年用于礦物浮選 5050年代用于分離金屬離子的研究；年代用于分離金屬離子的研究； 6060年代采用泡沫分離法脫除洗滌劑工廠(chǎng)污水年代采用泡沫分離法脫除洗滌劑工廠(chǎng)污水中的表面活性劑獲得成功；中的表面活性劑獲得成功； 19771977年報(bào)道泡沫分離法用于年報(bào)道泡沫分離法用于DNADNA

2、、蛋白質(zhì)及、蛋白質(zhì)及液體卵磷脂等生物活性物質(zhì)的分離。液體卵磷脂等生物活性物質(zhì)的分離。泡沫分離是以氣泡為介質(zhì)，利用組分的表泡沫分離是以氣泡為介質(zhì)，利用組分的表面活性差進(jìn)行分離的一種分離方法。面活性差進(jìn)行分離的一種分離方法。一、概述一、概述二、泡沫分離的分類(lèi)二、泡沫分離的分類(lèi)三、泡沫分離的基本原理三、泡沫分離的基本原理四、泡沫分離操作方式四、泡沫分離操作方式五、影響泡沫分離效率的因素五、影響泡沫分離效率的因素六、泡沫分離應(yīng)用六、泡沫分離應(yīng)用無(wú)泡沫吸附分離無(wú)泡沫吸附分離泡沫分離泡沫分離泡沫吸附分離泡沫吸附分離泡泡 沫沫 分分 餾餾泡泡 沫沫 浮浮 選選鼓鼓 泡泡 分分 餾餾溶溶 媒媒 浮浮 選選泡沫

3、分離法的分類(lèi)泡沫分離法的分類(lèi)按分離對(duì)象是溶液還是含有固體粒子按分離對(duì)象是溶液還是含有固體粒子的懸浮液、膠體溶液，泡沫分離可分成：的懸浮液、膠體溶液，泡沫分離可分成：泡沫分餾泡沫分餾(Foam Fractionation)泡沫浮選泡沫浮選(Foam Flotation)p 泡沫分離泡沫分離泡沫分餾泡沫分餾用于分離溶解物質(zhì)，它們可以用于分離溶解物質(zhì)，它們可以是表面活性劑，或者可與表面活性劑結(jié)合的是表面活性劑，或者可與表面活性劑結(jié)合的物質(zhì)，當(dāng)料液鼓泡時(shí)能進(jìn)入液層上方的泡沫物質(zhì)，當(dāng)料液鼓泡時(shí)能進(jìn)入液層上方的泡沫層而與液相主體分離。層而與液相主體分離。泡沫浮選泡沫浮選用于分離不溶解的物質(zhì)，按照用于分離不

4、溶解的物質(zhì)，按照被分離對(duì)象是分子還是膠體，是大顆粒還是被分離對(duì)象是分子還是膠體，是大顆粒還是小顆粒等，又可分為礦物浮選、粗粒浮選、小顆粒等，又可分為礦物浮選、粗粒浮選、微粒浮選、離子浮選、分子浮選、沉淀浮選微粒浮選、離子浮選、分子浮選、沉淀浮選和吸附膠體浮選。和吸附膠體浮選。無(wú)泡沫分離是指用鼓泡進(jìn)行分離，但不一無(wú)泡沫分離是指用鼓泡進(jìn)行分離，但不一定形成泡沫層，可分定形成泡沫層，可分鼓泡分餾鼓泡分餾和和溶媒浮選溶媒浮選。鼓泡分餾鼓泡分餾是從它設(shè)備底部通氣鼓泡，表面是從它設(shè)備底部通氣鼓泡，表面活性物質(zhì)被氣泡富集并上升至塔頂，和液相主活性物質(zhì)被氣泡富集并上升至塔頂，和液相主體分離，使溶質(zhì)得到濃縮，液

5、相主體被凈化；體分離，使溶質(zhì)得到濃縮，液相主體被凈化；溶媒浮選溶媒浮選是在溶液頂部置有一種與其互不是在溶液頂部置有一種與其互不相溶的溶劑，用它來(lái)萃取或富集由塔底鼓出的相溶的溶劑，用它來(lái)萃取或富集由塔底鼓出的氣泡所吸附的表面活性物質(zhì)。氣泡所吸附的表面活性物質(zhì)。p 無(wú)泡沫分離無(wú)泡沫分離一、概述一、概述二、泡沫分離的分類(lèi)二、泡沫分離的分類(lèi)三、泡沫分離的基本原理三、泡沫分離的基本原理四、泡沫分離操作方式四、泡沫分離操作方式五、影響泡沫分離效率的因素五、影響泡沫分離效率的因素六、泡沫分離應(yīng)用六、泡沫分離應(yīng)用泡沫分離過(guò)程泡沫分離過(guò)程是利用待分離物質(zhì)本身是利用待分離物質(zhì)本身具有表面活性或能與表面活性劑結(jié)合在

6、一具有表面活性或能與表面活性劑結(jié)合在一起，在鼓泡塔中被吸附在氣泡表面，得以起，在鼓泡塔中被吸附在氣泡表面，得以富集，籍氣泡上升帶出溶劑主體，達(dá)到凈富集，籍氣泡上升帶出溶劑主體，達(dá)到凈化主體液、濃縮待分離物質(zhì)的目的?；黧w液、濃縮待分離物質(zhì)的目的。泡沫分離作用的泡沫分離作用的本質(zhì)本質(zhì)是各種物質(zhì)在溶是各種物質(zhì)在溶液中的表面活性的差異，主要取決于組分液中的表面活性的差異，主要取決于組分在氣液界面上吸附的選擇性和程度。在氣液界面上吸附的選擇性和程度。 當(dāng)一種非離子型表面活性劑以非常低當(dāng)一種非離子型表面活性劑以非常低的濃度溶解于純?nèi)軇┲袝r(shí)，根據(jù)的濃度溶解于純?nèi)軇┲袝r(shí)，根據(jù)Gibbs等等溫吸附方程，可得溫

7、吸附方程，可得 （71）為吸附溶質(zhì)的表面過(guò)剩量，即單位面積上為吸附溶質(zhì)的表面過(guò)剩量，即單位面積上吸附溶質(zhì)的摩爾數(shù)與主體溶液濃度之差（吸附溶質(zhì)的摩爾數(shù)與主體溶液濃度之差（/c/c為吸附分配因子）；為吸附分配因子）；為溶液的表面張力，為溶液的表面張力，c c為為溶質(zhì)在主體溶液中的平衡濃度。溶質(zhì)在主體溶液中的平衡濃度。cddRTln11、Gibbs等溫吸附方程等溫吸附方程如果溶液中含離子型表面活性劑，如果溶液中含離子型表面活性劑，則則(6-1)式可修正為式可修正為 （72）n為與離子型表面活性劑類(lèi)型有關(guān)的常為與離子型表面活性劑類(lèi)型有關(guān)的常數(shù)：對(duì)完全解離型電解質(zhì)，數(shù)：對(duì)完全解離型電解質(zhì)，n2；在電解；

8、在電解質(zhì)溶液中還添加過(guò)量無(wú)機(jī)鹽時(shí)，質(zhì)溶液中還添加過(guò)量無(wú)機(jī)鹽時(shí)，n1。cddnRTln1在低濃度時(shí)，在低濃度時(shí)，隨溶液隨溶液中表面活性劑濃度的增大而中表面活性劑濃度的增大而線(xiàn)性增大；線(xiàn)性增大；當(dāng)表面活性劑的濃度高當(dāng)表面活性劑的濃度高于于CMCCMC時(shí)，多余的表面活性時(shí)，多余的表面活性劑開(kāi)始在溶液內(nèi)部形成膠束，劑開(kāi)始在溶液內(nèi)部形成膠束，這時(shí)這時(shí)便不隨表面活性劑濃便不隨表面活性劑濃度的增大而變化。度的增大而變化。表面活性劑的表面活性劑的CMCCMC一般在一般在0.0010.0010.02mol/L0.02mol/L左右，泡沫分離最好在低于左右，泡沫分離最好在低于CMCCMC下進(jìn)行。下進(jìn)行。 泡沫是由

9、被極薄的液膜所隔開(kāi)的許泡沫是由被極薄的液膜所隔開(kāi)的許多氣泡所組成的。多氣泡所組成的。2、泡沫的形成、泡沫的形成當(dāng)氣體在含表面活性劑的水溶液中發(fā)當(dāng)氣體在含表面活性劑的水溶液中發(fā)泡時(shí)，首先在液體內(nèi)部形成被包裹的氣泡，泡時(shí)，首先在液體內(nèi)部形成被包裹的氣泡，與此瞬時(shí)，溶液中表面活性劑分子立即在與此瞬時(shí)，溶液中表面活性劑分子立即在氣泡表面排成單分子膜，親油基指向氣泡氣泡表面排成單分子膜，親油基指向氣泡內(nèi)部，親水基指向溶液。內(nèi)部，親水基指向溶液。氣泡借助浮力上升，沖擊溶液表面氣泡借助浮力上升，沖擊溶液表面的單分子膜。的單分子膜。某些情況下，氣泡可以跳出液體表面，此某些情況下，氣泡可以跳出液體表面，此時(shí)，該

10、氣泡表面的水膜外層上，形成與液體內(nèi)時(shí)，該氣泡表面的水膜外層上，形成與液體內(nèi)部單分子膜的分子排列完全相反的單分子膜，部單分子膜的分子排列完全相反的單分子膜，從而構(gòu)成了較為穩(wěn)定的雙分子層氣泡體，在氣從而構(gòu)成了較為穩(wěn)定的雙分子層氣泡體，在氣相空間形成接近于球體的單個(gè)氣泡。相空間形成接近于球體的單個(gè)氣泡。許多氣泡聚集成大小不同的球狀氣泡許多氣泡聚集成大小不同的球狀氣泡集合體，更多的集合體聚集在一起形成集合體，更多的集合體聚集在一起形成泡沫泡沫。形成泡沫的氣泡集合體包括兩個(gè)部分：形成泡沫的氣泡集合體包括兩個(gè)部分：一是泡，兩個(gè)或兩個(gè)以上的氣泡；二是一是泡，兩個(gè)或兩個(gè)以上的氣泡；二是泡與泡之間以少量液體構(gòu)成

11、的隔膜（液泡與泡之間以少量液體構(gòu)成的隔膜（液膜），是泡沫的骨架。膜），是泡沫的骨架。 泡沫的穩(wěn)定及層內(nèi)排液泡沫的穩(wěn)定及層內(nèi)排液 泡沫不是很穩(wěn)定的體系，氣泡與氣泡泡沫不是很穩(wěn)定的體系，氣泡與氣泡之間僅以薄膜隔開(kāi)，此隔膜也會(huì)因彼此壓之間僅以薄膜隔開(kāi)，此隔膜也會(huì)因彼此壓力不均或間隙流的流失等原因而發(fā)生破裂，力不均或間隙流的流失等原因而發(fā)生破裂，導(dǎo)致氣泡間的合并現(xiàn)象；導(dǎo)致氣泡間的合并現(xiàn)象；由于小氣泡的壓力比大氣泡高，因此由于小氣泡的壓力比大氣泡高，因此氣體可以從小氣泡通過(guò)液膜向大氣泡擴(kuò)散，氣體可以從小氣泡通過(guò)液膜向大氣泡擴(kuò)散，導(dǎo)致大氣泡變大，小氣泡消失。導(dǎo)致大氣泡變大，小氣泡消失。泡沫的穩(wěn)定性一般與溶

12、質(zhì)的化學(xué)性泡沫的穩(wěn)定性一般與溶質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和濃度，系統(tǒng)溫度和泡沫單體大小、質(zhì)和濃度，系統(tǒng)溫度和泡沫單體大小、壓力、溶液壓力、溶液pHpH值有關(guān)。值有關(guān)。表面活性劑的濃度愈是接近臨界濃表面活性劑的濃度愈是接近臨界濃度，氣泡愈小，氣泡的壽命愈長(zhǎng)。度，氣泡愈小，氣泡的壽命愈長(zhǎng)。 泡沫層排液是泡沫中液體的流泡沫層排液是泡沫中液體的流體學(xué)行為，它是研究泡沫塔特性、體學(xué)行為，它是研究泡沫塔特性、氣液表面吸附機(jī)理以及泡沫分離塔氣液表面吸附機(jī)理以及泡沫分離塔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 一、概述一、概述二、泡沫分離的分類(lèi)二、泡沫分離的分類(lèi)三、泡沫分離的基本原理三、泡沫分離的基本原理四、泡沫分離操作方式四、泡沫分離

13、操作方式五、影響泡沫分離效率的因素五、影響泡沫分離效率的因素六、泡沫分離應(yīng)用六、泡沫分離應(yīng)用 泡沫分離的操作有兩個(gè)基本過(guò)程：泡沫分離的操作有兩個(gè)基本過(guò)程：1 1）待分離的溶質(zhì)被吸附到氣液界面；）待分離的溶質(zhì)被吸附到氣液界面；2 2）對(duì)被泡沫吸附的物質(zhì)進(jìn)行收集并破壞）對(duì)被泡沫吸附的物質(zhì)進(jìn)行收集并破壞泡沫，將溶質(zhì)提取出來(lái)。泡沫，將溶質(zhì)提取出來(lái)。 主要設(shè)備為主要設(shè)備為泡沫塔泡沫塔和和破沫器破沫器。氣體從塔底連續(xù)鼓入，氣體從塔底連續(xù)鼓入，形成的泡沫從塔頂連續(xù)排形成的泡沫從塔頂連續(xù)排除，原料液因不斷形成泡除，原料液因不斷形成泡沫而減少，可在塔的下部沫而減少，可在塔的下部適當(dāng)補(bǔ)充表面活性劑，以適當(dāng)補(bǔ)充表面

14、活性劑，以彌補(bǔ)其在分離過(guò)程中的減彌補(bǔ)其在分離過(guò)程中的減少。少。 間歇式泡沫分離過(guò)程間歇式泡沫分離過(guò)程料液和表面活性劑連續(xù)加入料液和表面活性劑連續(xù)加入塔內(nèi)，泡沫液和殘液連續(xù)從塔內(nèi)塔內(nèi)，泡沫液和殘液連續(xù)從塔內(nèi)排出。排出。 連續(xù)式泡沫分離過(guò)程連續(xù)式泡沫分離過(guò)程破沫可采用靜止法、離心分離、聲波、破沫可采用靜止法、離心分離、聲波、超聲波、震動(dòng)加熱等方法。超聲波、震動(dòng)加熱等方法。如果使用的是加入表面活性劑來(lái)形成如果使用的是加入表面活性劑來(lái)形成絡(luò)合物的方法，在脫除非表面活性劑時(shí)，絡(luò)合物的方法，在脫除非表面活性劑時(shí)，泡沫液中的絡(luò)合物可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使需脫泡沫液中的絡(luò)合物可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使需脫除的非表面活性組分形成

15、不溶解的化合物，除的非表面活性組分形成不溶解的化合物，然后過(guò)濾分離，再生的表面活性劑可以循然后過(guò)濾分離，再生的表面活性劑可以循環(huán)使用。環(huán)使用。一、概述一、概述二、泡沫分離的分類(lèi)二、泡沫分離的分類(lèi)三、泡沫分離的基本原理三、泡沫分離的基本原理四、泡沫分離操作方式四、泡沫分離操作方式五、影響泡沫分離效率的因素五、影響泡沫分離效率的因素六、泡沫分離應(yīng)用六、泡沫分離應(yīng)用1 1、待分離物質(zhì)的種類(lèi)待分離物質(zhì)的種類(lèi) 例如對(duì)金屬離子的分離：一種方法是例如對(duì)金屬離子的分離：一種方法是加入表面活性劑，使其與待分離離子一起加入表面活性劑，使其與待分離離子一起被氣泡帶到液面予以分離；另一種方法是被氣泡帶到液面予以分離；

16、另一種方法是把溶液調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)陌讶芤赫{(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)膒HpH值，使待分離物質(zhì)值，使待分離物質(zhì)形成沉淀，并與表面活性劑一起被氣泡帶形成沉淀，并與表面活性劑一起被氣泡帶到泡沫層而分離。到泡沫層而分離。溶液的溶液的pHpH值對(duì)分離效果影響很大。值對(duì)分離效果影響很大。對(duì)于天然表面活性物質(zhì)，如蛋白質(zhì)的泡沫對(duì)于天然表面活性物質(zhì)，如蛋白質(zhì)的泡沫分離，在等電點(diǎn)時(shí)效率最高；分離，在等電點(diǎn)時(shí)效率最高；對(duì)于非表面活性物質(zhì)，可控制在某一對(duì)于非表面活性物質(zhì)，可控制在某一pHpH下下使其使其/c/c（吸附分配因子）最大，這樣可從（吸附分配因子）最大，這樣可從離子混合物中分離個(gè)別離子。離子混合物中分離個(gè)別離子。2、溶液的、溶液

17、的pH值值表面活性劑的濃度不宜超過(guò)表面活性劑的濃度不宜超過(guò)CMCCMC，但也不能太低，使泡沫層不穩(wěn)定，太但也不能太低，使泡沫層不穩(wěn)定，太高則使分離效率下降。高則使分離效率下降。3、表面活性劑的濃度、表面活性劑的濃度首先溫度應(yīng)達(dá)到表面活性劑的起泡溫首先溫度應(yīng)達(dá)到表面活性劑的起泡溫度，保持泡沫的穩(wěn)定性；度，保持泡沫的穩(wěn)定性；其次，還要根據(jù)吸附平衡的類(lèi)型來(lái)選其次，還要根據(jù)吸附平衡的類(lèi)型來(lái)選擇溫度的高低。擇溫度的高低。 4、溫度、溫度氣流速度上升，泡沫形成速度上升，氣流速度上升，泡沫形成速度上升，則單位時(shí)間的去除率也上升，但泡沫中間則單位時(shí)間的去除率也上升，但泡沫中間歇液的含量也上升，因而降低了塔頂泡

18、沫歇液的含量也上升，因而降低了塔頂泡沫液的濃度。液的濃度。氣速過(guò)大時(shí)，泡沫中氣液分離則易形氣速過(guò)大時(shí)，泡沫中氣液分離則易形成乳化氣體，對(duì)操作不利。成乳化氣體，對(duì)操作不利。 5、氣流速度、氣流速度很多泡沫體系對(duì)離子強(qiáng)度很敏感，很多泡沫體系對(duì)離子強(qiáng)度很敏感，離子強(qiáng)度增加，效率很快下降，這是離子強(qiáng)度增加，效率很快下降，這是由于相同電荷離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附引起的。由于相同電荷離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附引起的。6、離子強(qiáng)度、離子強(qiáng)度 泡沫的性質(zhì)泡沫的性質(zhì) 泡沫層高泡沫層高 排沫方式排沫方式 攪拌攪拌7、其他因素、其他因素一、概述一、概述二、泡沫分離的分類(lèi)二、泡沫分離的分類(lèi)三、泡沫分離的基本原理三、泡沫分離的基本原理四、泡沫分離操作方式四、泡沫分離操作方