泡沫分离技术的应用(论文)-金卫强.doc

滨州学院毕业设计（论文）泡沫分离技术的应用及研究进展摘 要泡沫分离技术是近些年得到重视的分离技术之一，介绍了泡沫分离技术的应用，介绍了此技术可分离细胞，可分离富集蛋白质体系，泡沫分离_Fenton氧化工艺处理表面活性剂废水，泡沫分离_Fenton氧化处理炼油废水，两级泡沫分离废水中大豆蛋白的工艺，聚氨酯泡沫塑料分离富集石墨炉原子吸收光谱法测定痕量金，硅片线锯砂浆中硅粉与碳化硅粉的泡沫浮选分离回收，超滤与泡沫分离内耦合应用于表面活性物质浓缩分离的实验研究，重点研究了此技术分离皂苷的有效成分。通过泡沫浮选分离富集三七中的4种人参皂苷的实验采用泡沫浮选法对三七粗提液中的4种人参皂苷Rg1、R e、Rb1 与 Rd进行了分离富集,此法分离皂苷具有富集倍数高、时间短、装置简单,且不需要有机溶剂,具有安全无污染的特点,易实现工业化生产.最后又介绍了一下泡沫分离技术的优缺点.本文通过在现实工业中的九大应用证实了泡沫分离技术在工业生产中的重要性，泡沫分离的研究工作将不断扩大范围，其工业应用将越来越多.关键词：泡沫分离；富集蛋白质；泡沫浮选法；两级泡沫分离；聚氨酯泡沫塑料分离；超滤与泡沫分离；人参皂苷10Application of Foam Separation Technology and Research DevelopmentAbstractFoam separation is a separation technique in recent years been one of great importance, introduced the application of foam separation technology, introduces the technology detachable cell, detachable enriched with proteins, Oxidation process in foam separation _Fenton surfactant wastewater, foam separation _Fenton oxidation wastewater, two soy protein in the foam separation process wastewater, polyurethane foam separation and enrichment of graphite furnace atomic absorption spectrometric determination of trace gold, silicon silica fume mortar jigsaw pieces with silicon carbide powder froth flotation separation and recovery, the ultrafiltration coupled with the foam separation of surfactant concentration used in the separation of experimental research focused on the separation of this technology the active ingredient saponin. By froth flotation separation and enrichment of the four kinds of ginseng notoginseng saponins foam separation experiments using crude extracts of thirty-seven the four kinds of ginsenosides Rg1, R e, Rb1 and Rd were separated and enriched, this method Saponin isolated high enrichment factor, time is short, the device is simple and does not require organic solvents, and has security features clean and easy to be industrialized. and finally introduction about advantages and disadvantages of foam separation.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典1. 名词 1. origin2. basis3. foundation4. source5. root6. roots of plant2. 形容词 1. undergraduate3. 代词 1. this字典1. 名词 1. origin2. basis3. foundation4. source5. root6. roots of plant2. 形容词 1. undergraduate3. 代词 1. thisIn this paper, nine in the real industry application of foamseparation confirmed the importance of industrial production inthefoamseparation of the research work will continue to expand the scope of its industrial applications will be more and more.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典Key words: Foam separation; concentration of protein; foam separation; two foam separation; polyurethane foam separation; ultrafiltration and foam fractionation; ginsenoside目录前 言1第一章 泡沫分离技术的简介2第二章 泡沫分离技术的应用22.1分离细胞22.2分离富集蛋白质体系32.3 分离皂苷有效成分32.4泡沫分离_Fenton氧化工艺处理表面活性剂废水42.5泡沫分离_Fenton氧化处理炼油废水52.6两级泡沫分离废水中大豆蛋白的工艺52.7聚氨酯泡沫塑料分离富集石墨炉原子吸收光谱法测定痕量金62.8硅片线锯砂浆中硅粉与碳化硅粉的泡沫浮选分离回收72.9超滤与泡沫分离内耦合应用于表面活性物质浓缩分离的实验研究8第三章 泡沫分离技术的优缺点93.1优点：93.2缺点：9结 语9参考文献10朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典1. 名词 1. origin2. basis3. foundation4. source5. root6. roots of plant2. 形容词 1. undergraduate3. 代词 1. this 前 言早在1915年就开始应用于矿物浮选，但是对离子、分子、胶体及沉淀的泡沫吸附分离是在20世纪50年代末才引起人们的兴趣与重视，并逐渐作为一种单元操作加以研究，首先是从溶液中回收金属离子的课题开始，前期研究了泡沫分离金属离子的可行性，然后建立了金属离子与表面活性剂离子之间相互作用的扩散双电层理论。20世纪60年代中期采用泡沫分离法脱除洗涤剂工厂排放的一级污水和二级污水中的表面活性剂直链烷基磺酸盐和苯磺酸盐获得成功。20世纪70年代进行了染料等有机物与废水泡沫分离的实验研究，1977年开始有报道用阴离子表面活性剂泡沫分离DNA、蛋白质及液体卵磷脂等生物活性物质。到目前为止，用泡沫分离法获得的蛋白质及酶有溶菌酶、白蛋白、促性腺激素、胃蛋白酶、凝乳酶、血红蛋白、过氧化氢酶、卵磷脂、淀粉酶、纤维素酶、D氨基酸氧化酶、苹果酸脱氢酶等等。随着工业的发展，特别是对环境保护的普通重视和资源综合利用的要求，泡沫分离的研究工作将不断扩大范围，其工业应用将越来越多。泡沫分离技术可用于分离各种物质小到离子而至粗大的矿石颗粒。泡沫浮选法精选矿石已有60年以上的历史。虽然1937年Langmuir等已发现离子也有可能应用浮选来提取,可是直到1959年才由Sebba提出泡沫浮选也可能应用于分析技术中。但实际应用于分析分离还只是近十年左右才实现的。到目前为止已对Ag、As、Au、Be、Bi、Cd、Ce、Co、Cr、Cu、F、Fe、Hg、In、Mn、Mo、Ni、Pb、Pd、Pm、Ra、Re、Sb、Th、U、V、W等元素以及一些有机物的泡沫分离作了广泛的研究。由于从水溶液分离痕量重金属和其他污染物质应用泡沫分离方法易实现,因此可以预料,泡沫分离技术势必将逐步发展起来，泡沫分离技术的研究开发工作已开展了近一个世纪，为统一泡沫分离的概念，1964年Karger，Grieves2等人共同推荐并向IUPAC提出一项建议，把泡沫分离技术方法分类I泡沫分离Foamseparation：A泡沫分离法FoamfractionationB泡沫浮选法FrothFlotation：1.矿物浮选OreFlotation2.粗离子浮选MacroFlotation3.细粒子浮选MicroFlotation4.沉淀浮选PrecipitateFlotation5.离子浮选IonFlotation6.分子浮选MolecularFlotationC吸附胶体浮选AdsorbingFlotation非泡沫分离NonfoamingadsorptivebubbleseparationsA鼓泡分离法BubblefractionationB萃取浮选法Solventsublation。第一章 泡沫分离技术的简介泡沫分离技术是通过向溶液中鼓泡并形成泡沫层，将泡沫层与液相主体分离，由于表面活性物质聚集在泡沫层内，就可以达到浓缩表面活性物质或净化液相主体的目的 被浓缩的物质可以是表面活性物质，也可以是能与表面活性物质相结合的任何物质 吸附作用使气泡表面的溶质浓缩，清除在液体表面上形成的泡沫，即可除去被浓缩的物质。泡沫分离是吸附性气泡分离技术中的一种，由于气泡能够以极少量的液体提供极大的表面积，因此如果某种溶质能够选择性地吸附在气液界面，该溶质在泡沫中的浓度将大于其在主体液相中的浓度。这种技术最初用于矿物浮选、污水处理等领域。近年来，基于其在生物医药和食品工业领域的巨大应用潜力，泡沫分离技术在生物分离特别是分离稀溶液中蛋白质的过程中受到了越来越多的关注，因此泡沫分离技术是近些年得到重视的分离技术之一。泡沫分离是根据吸附的原理，向含表面活性物质的液体中鼓泡，使液体内的表面活性物质聚集在气液界面（气泡的表面）上，在液体主体上方形成泡沫层，将泡沫层和液相主体分开，就可以达到浓缩表面活性物质（在泡沫层）和净化液相主体的目的。被浓缩的物质可以是表面活性物质，也可以是能与表面活性物质相络合的物质，但它们必须具备和某一类型的表面活性物质能够络合或鳌合的能力。人们通常把凡是利用气体在溶液中鼓泡，以达到分离或浓缩目的的这类方法总称为泡沫吸附分离技术，简称泡沫分离技术。第二章 泡沫分离技术的应用2.1分离细胞 泡沫分离法可以从待分离基质中分离出全细胞。用月桂酸、硬脂酰胺或辛胺作为表而活性剂，对初始细胞浓度为72108 cfucm3的大肠杆菌进行细胞分离，结果l min内能除去90的细胞，用10 rnin的时间能女除99的细胞2。此外，泡沫分离还可用于酵母细胞、小球藻、衣藻等的分离。2.2分离富集蛋白质体系2.2.1 分离糖蛋白质混合体系糖通常存在于植物和微生物体内，在糖的提取过程中生物体内的蛋白质也往往随之被提取出来，因此去除提取混合物中的蛋白质成为一些糖类提纯的关键步骤2。蛋白质和糖类表面活性具有较大差异，可以利用泡沫分离技术来实现蛋白质和糖的初级分离，与geveg溶剂萃取方法相比，该法操作简单，处理量大，不需外加任何有机溶剂。冈而从植物和微生物中提取糖时，采用泡沫分离技术可以满足初步去除蛋白质的需要，大大降低后续纯化工作的负荷。 2.2.2 分离蛋白质二元及多元体系在分离蛋白质体系中，蛋白质的活性在吸附过程中起了主导作用，但对于表面活性相近的蛋白质，存气液界面的吸附结松又决定了蛋白质的吸附优势，因此蛋白质表面活性强弱的判定是断定泡沫分离效果的首要前提。 2.2.3 蛋白-酶体系的分离泡沫分离可应用于各种蛋白质和酶的浓缩或分离，其最初是用于胆酸和胆酸钠混合物中分离胆酸，泡沫中胆酸的浓度为料液的3-6倍，活度增加654。泡沫分离还可用于从非纯制剂中分离磷酸酶，从链球菌培养液中分离链激酶，从粗的人体胚胎均浆中分离蛋白酶。同前能够利用泡沫分离技术成功分离出的蛋白质有：磷酸酶、链激酶、蛋白酶、血清白蛋白、溶菌酶、胃蛋白酶、尿素酶、过氧化氢酶、明胶、大豆蛋、酪蛋白、抗菌肽类等一系列蛋白质4。2.3 分离皂苷有效成分2.3.1皂苷是一种优良的天然非离子型表面活性成分，具有亲水性的糖体和疏水性的皂苷，并且具有良好的起泡性，因此可用泡沫分离技术来从天然植物中提取皂苷。日前，人参皂苷和三七皂苷等中药皂苷类有效组分的富集分离都使用泡沫分离技术6。 2.3.2泡沫浮选法分离富集三七中的 4种人参皂苷： 中药生产包括提取、分离富集、浓缩、干燥等一系列复杂操作,提取后的分离富集是改变传统中药粗、大、黑的关键一环.浮选分离是一项利用物质在气泡表面上吸附性质的差异进行分离的技术溶液中含有表面活性成份是泡沫分离的必要条件之一,而中草药中的一些有效成分具有表面活性的特性,能够在强烈搅拌或沸腾时产生稳定的泡沫,因此中药水提 液具备了泡沫分离的必要条件6。三七为五加科人参属植物,是我国特产的传统珍贵药材,其药用部分为干燥块根它具有活血化瘀、消肿止痛和滋补强壮等多种药理和生物活性.三七的化学成分比较复杂,主要含有皂苷、黄酮、蛋白质、氨基酸、多糖蛋白、甾醇、挥发油和油脂等成分6。三七中的人参皂苷Rg1 、Re 、Rb1 和 Rd等是其中含量较高的有效成分,其分离纯化方法有溶剂法、沉淀法、柱层析法(硅胶、氧化铝、大孔吸附树脂等)结晶法等其中以柱层析法最为常见.然而柱层析法对提取液纯度有一定要求,杂质含量较多的提取液需经过柱,操作复杂且使用大量有机溶剂.本文采用泡沫浮选法分离富集三七的4种人参皂苷. 结果表明,此法操作简单,富集倍数高,安全无污染,为中草药有效成分的分离富集提供了一条新途径6。2.4泡沫分离_Fenton氧化工艺处理表面活性剂废水含表面活性剂废水易在气液界面聚集并形成排列整齐的分子膜, 使界面附近表面活性剂的浓度相对提高,隔绝水和氧的交换,抑制其他有毒物质的降解,影响水体自净10。若该废水排入水体环境中,则严重危害人类健康和生态平衡。目前处理含表面活性剂废水的方法有物理法(泡沫分离法、光催化氧化法、超声降解、膜过滤技术)、化学法(化学絮凝法、化学氧 化法、离子交换法)和生物法(如活性污泥法、厌氧消化法)等。其中泡沫分离法具有工艺简单、操作简便、运行稳定、处理效果好等特点, 但由于其对COD去除率较低,费用高等问题,因此常需要和其他工艺联合进行9。2.5泡沫分离_Fenton氧化处理炼油废水大多数表面活性剂属于难生物降解物质,若不经处理直接排入水体,将严重危害人类健康和生态平衡11。目前含表面活性剂废水处理主要采用物理法(泡沫分离法 、光催化氧化法 、超声降解和膜过滤技术等) 、化学法 (化学絮凝法 、化学氧化和离子交换法等 ) 、生物法(活性污泥法和厌氧消化法 )等。其中泡沫分离法具有工艺简单 、操作简便 、运行稳定 、处理效果好等特点 ,但由于存在 COD 去除率较低 、费用高等问题 ,因此常需要和其他工艺联用某炼油公司废水处理站采用隔油/浮选(气浮曝气) /生化曝气处理工艺。采用该工艺处理后出水各项指标均可达标,但由于废水具有很强的发泡性,生产运行过程中会间歇产生大量泡沫(生化曝气工段) ,生物处理效率低;此外,达标水在排放过程中遇到气流、水流等的搅动会间歇产生大量泡沫12。针对此问题,经过调研及多方论证,采用泡沫分离 Fenton氧化联用技术成功地解决了出水排放过程中产生泡沫的问题。2.6两级泡沫分离废水中大豆蛋白的工艺大豆是中国主要农作物之一，对大豆进行深加工具有重要意义。由于大豆蛋白具有良好的溶解性、乳化性、起泡性、持水性和黏弹性，在食品和化工等领域中具有广泛应用。迄今为止，中国用碱溶酸沉法生产大豆蛋白，从而产生大量含有大豆蛋白的废水，生产1 t 大豆蛋白排放20 t 废水，其废水中化学需要量（COD）高达10 000 mg/L，直接排放对环境造成严重的污染。目前该废水的处理方法主要有生化法、膜分离法以及离子交换树脂法等。然而，由于这些方法存在投资和生产费用高，操作工艺复杂等缺陷，难以实现工业化8。因此迫切需要探索操作简单、费用低、无污染和特别是能回收大豆蛋白的新工艺。泡沫分离法是近些年发展比较快的重要分离技术。它是根据表面吸附原理，通过鼓泡使溶液中具有表面活性的溶质或颗粒吸附到气-液界面上并以气泡为载体与液相主体进行分离，因此只要是具有表面活性的物质或是可以与表面活性物质发生络合的物质都可以进行泡沫分离。泡沫分离技术因其具有设备简单、投资少、能耗低和无污染等优点而越来越受到研究者的重视8。 20 世纪初，泡沫分离技术已经应用于冶金工业，之后应用于环保工业，近些年研究在生物分离过程中蛋白质提取方面的应应用泡沫分离技术处理大豆蛋白废水的研究也有文献报道，结果表明当初始进料的大豆蛋白质量浓度为0.54 g/L 时，在最佳工艺条件下，富集比为 3.25，消泡液中大豆蛋白质量浓度为1.76 g/L8。但当大豆蛋白浓度增大时，富集比和回收率大幅度减小。根据此工艺所确定的消泡液中大豆蛋白质量浓度最高也只有3.93 g/L，而实际废水中蛋白质量浓度约为4 g/L，因此根据目前的泡沫分离工艺也难以实现工业化。进一步提高泡沫分离水溶液中蛋白质的富集比之所以很难，是因为目前研究仅仅局限在常温下操作。常温时，当溶液中蛋白质浓度超过其临界胶束浓度时，在泡沫分离过程中泡沫层排液困难，泡沫塔出口的持液量大，从而使得蛋白质富集比难以提高。因此该文在研究不同初始pH 值、表观气速和温度，特别是在较高温度（60），对大豆蛋白废水泡沫分离效果影响的基础上，建立了两级泡沫分离工艺：第一级泡沫分离使得大豆蛋白的富集比尽可能高，消泡液中的大豆蛋白浓度超过溶解度而析出，可作为大豆蛋白的生产原料；第二级泡沫分离使得大豆蛋白的回收率尽可能高。这样的两级泡沫分离工艺既能提高富集比，又能增大回收率，从而为其工业化奠定基础8。2.7聚氨酯泡沫塑料分离富集石墨炉原子吸收光谱法测定痕量金初步认为泡沫塑料吸附机理是由于极性基团的吸附作用和胺基离子的带石墨炉及自动进样装置13。工作条件见下表：交换作用。吸附金的泡沫塑料大都采用聚胺酯泡沫塑料，也可采用聚氨醚北京CAAM-2001型原子吸收光谱仪石墨炉工作条件泡沫塑料。在一些化探样品中常含有有机物质，另外金的比重（19.3）比一般矿石和脉石大得多，很难混均匀，为使分析结果准确可靠需要加大取样量（一般为220g），并且一定要在650700的高温炉中灼烧12h，以去除有机物和硫化物等对分析结果的干扰。试验了常用酸及其它试剂用量对测定Au的影响，选择了仪器的最佳工作条件，测定范围为0.3ng/g500ng/g金。2.8硅片线锯砂浆中硅粉与碳化硅粉的泡沫浮选分离回收太阳能电池片普遍采用多线锯配合砂浆切割生产，线切割中使用的砂浆通常是由矿物油或者聚乙二醇（PEG）等带有一定黏度的介质与碳化硅（SiC）磨料粉混合而成；线锯丝径一般为0.18mm, 产生的锯缝宽度一般为0.200.30mm，而当前太阳能电池硅片的厚度为0.180.22mm，这意味在硅片线切割过程中超过50%的硅料成为锯屑进入砂浆4。近期0.12mm直径的线锯正在初步试用，而同时更薄的电池硅片也在开发中。但无论如何发展，光伏产业中高纯硅料大约50%成为锯屑进入废砂浆而损失的状况在今后短期内难以改变4。此外，硅粉锯屑附着在研磨砂上，降低了SiC 在材料表面的切削能力，为了保持切削能力，每次切割后需要更换大量砂浆，而一次切割后的砂浆中90以上的 SiC 仍未充分利用，这些都导致了原材料的大量浪费。为了能进一步降低太阳能电池成本，国内外对废线锯砂浆的回收利用已有一些研究，并相继出现了一些专利。其中针对废砂浆中SiC、PEG 的回收利用比较成功，并开始形成了产业，但对其中Si 的回收，则至今尚未出现可行技术。由于砂浆中的各种污染物并未进入高纯硅屑晶体内部，可以期望通过物理分离、清洗等技术来提取获得高纯Si 粉，而不需要通过高耗能的高温化学或相变过程。砂浆中两种固相组元Si 与 SiC 的理化性质相近，且颗粒粒度范围有重叠，难于彻底分离；对于SiC 粉回收而言，可将残余的 Si 粉碱洗溶去，而对于Si 粉回收，却无法实现用化学方法溶去残余的SiC 粉，因后者化学性质上更稳定。因此回收利用砂浆中Si 粉的关键是将 Si 粉与 SiC 二者分离。笔者采用泡沫浮选方法对硅片线锯砂浆中二者进行分离的实验研究。采用泡沫浮选方法分离硅片线锯砂浆中Si 与SiC 粉的研究在国外曾有报道，但未介绍配方和工艺或相关信息，需要独立研究。笔者选取了对线锯砂浆中的SiC 表面有选择性的脂肪酸作为捕收剂，研究了这种捕收剂对线锯砂浆中Si 粉与 SiC 粉的泡沫分离回收效果，并考察了起泡剂、温度、pH 值对此泡沫浮选体系的影响，从中获得了效果较好的分离回收技术。2.9超滤与泡沫分离内耦合应用于表面活性物质浓缩分离的实验研究泡沫分离是通过向溶液中鼓泡并形成泡沫层 ,使表面活性物质或能与表面活性物质相结合的任何物质富集在泡沫层内 , 然后将泡沫层与液相主体分离 , 从而达到浓缩表面活性物质或净化液相主体目的的分离技术。泡沫分离的主要缺点是表面活性物质难以回收 ; 泡沫塔内的返混严重影响分离的效率14。同时 , 溶液中的表面活性物质的浓度也难以控制 , 当体相内表面活性物质浓度降低 , 传质推动力下降 , 将导致分离效率降低 ; 当浓度过高则会产。超滤是一种以压力差为推动力 , 根据相对分子质量的不同进行分离的膜技术 。超滤膜的孔径约为330 nm , 其压力差为 0111MPa,透过物质的相对分子质量一般小于1000,被截留物质的相对分子质量为1000300000之间。超滤过程中主要缺点是浓差极化和膜的污染15。曾对纳滤和泡沫分离联合的工艺流程处理含全氟辛酸铵废水进行研究,结果表明该法处理低浓度全氟辛酸铵废水是可行的,能耗低,具有回收有用物质、处理过程环保、易于工业放大等优点15。但该法未从根本上改善膜分离过程中浓差极化、膜污染等问题,以及泡沫分离过程中存在的推动力下降、返混等问题。本文提出将泡沫分离与膜分离进行内耦合,利用泡沫分离的特性减小或消除膜分离过程产生的浓差极化和膜污染,同时利用膜分离提高泡沫分离的体相浓度。泡沫分离与膜分离的内耦合能相互促进两者的传质速率,提高分离效率。分离过程中 , 膜的浓差极化被上升的气泡所消除 , 强化了膜的透过能力 , 而泡沫分离的传质推动力由于膜的存在得到提高15 。这种内耦合方法相互促进膜和泡沫分离的传质速率 , 提高了分离效率 。第三章 泡沫分离技术的优缺点3.1优点：1.泡沫分离设备简单，易于放大；2.操作简单，能耗低：3.可连续和间歇操作；4.在生物下游加工过程的初期使用，处理体积庞大的稀料液；5.可直接用于处理含有细胞或细胞碎片的料液；6.只要操作条件设计合理，可获得很高的分离效率。 3.2缺点： 影响因素多，如溶液的pH值，表面活性剂浓度，温度，气流速度，离子强度。此外，泡沫的性质、层高、排沫方式、搅拌等也是影响泡沫分离的因素。结 语泡沫分离法在污水处理，矿物浮选，金属特别是稀有金属的回收检测等方面都有很重大的意义，在