泡沫吸附分离目的及要求

1、泡沫吸附分离目的及要求泡沫吸附分离目的及要求本章目的及要求：本章目的及要求：（1 1）了解泡沫吸附分离法的分类及其特点；）了解泡沫吸附分离法的分类及其特点；（2 2）搞清物理吸附与化学吸附的区别；）搞清物理吸附与化学吸附的区别；（3 3）了解表面活性剂的结构特点及其在泡沫吸附分离中的）了解表面活性剂的结构特点及其在泡沫吸附分离中的作用；作用；（4 4）了解浮选药剂的结构与性能。）了解浮选药剂的结构与性能。重点和难点：重点和难点：重点：（重点：（1）泡沫吸附分离法的原理及其特点）泡沫吸附分离法的原理及其特点 （2）吸附等温线；离子浮选；溶剂浮选）吸附等温线；离子浮选；溶剂浮选难点：吸附等温线及表

2、面活性剂的结构特点与作用难点：吸附等温线及表面活性剂的结构特点与作用 从广义上讲，能使体系表面张力降低的溶质均从广义上讲，能使体系表面张力降低的溶质均可称为表面活性物质；但习惯上只将可称为表面活性物质；但习惯上只将显著降低表面显著降低表面张力张力的这类化合物称为表面活性剂。的这类化合物称为表面活性剂。1970年年 世界表面活性剂产量世界表面活性剂产量 320万吨万吨1996年年 世界表面活性剂产量世界表面活性剂产量 1000多万吨多万吨其中其中 50% 用于纤维工业用于纤维工业 20% 用于洗涤剂工业用于洗涤剂工业 其余其余 用于其它行业用于其它行业 非极性基团。非极性基团。 表面活性剂由结构

3、上不对称的表面活性剂由结构上不对称的 两部分组成，两部分组成，为双亲化合物。为双亲化合物。极性基团。极性基团。常见的亲水基有羧基、磺酸基、醚基和羟基等。常见的亲水基有羧基、磺酸基、醚基和羟基等。一般为长链烃基。一般为长链烃基。易溶于水，具有亲水性质。易溶于水，具有亲水性质。易溶于油，具有亲油性质。易溶于油，具有亲油性质。(憎水基憎水基) 按亲水基团的结构分类按亲水基团的结构分类如如 肥皂、磺化油、肥皂、磺化油、如如 烷基三甲基氯化铵烷基三甲基氯化铵 如如 十二烷基氨基丙酸钠十二烷基氨基丙酸钠平平加、平平加、OPOP等等氟氟碳表面活性剂、硅表面活性剂碳表面活性剂、硅表面活性剂烷基二甲基甜菜碱性烷

4、基二甲基甜菜碱性 肥皂肥皂硬脂酸钠硬脂酸钠 CH3(CH2)16COONa溶于水后，起表面活性作用的是阴离子。溶于水后，起表面活性作用的是阴离子。一般，阴离子表面活性剂水溶液显一般，阴离子表面活性剂水溶液显 中性或碱性中性或碱性。亲水基亲水基亲油基亲油基溶于水溶于水C17H35COONa C17H35 COO- + Na+ 主要成分主要成分: + 3NaOHCH2OHCH OHCH2OHCH2OOCC17H35CH OOCC17H35CH2OOCC17H35 + 3C17H35COONa肥皂肥皂缺点缺点: :不能在硬水中使用不能在硬水中使用2C17H35COO- + Ca2+ C17H35CO

5、O-2 Ca2C17H35COO- + Mg2+ C17H35COO-2 Mg金属皂金属皂 蓖麻油制得的磺化油称为土耳其红油或太古油，蓖麻油制得的磺化油称为土耳其红油或太古油，硫酸化程度高，亲水性强，常用在皮革加脂中。硫酸化程度高，亲水性强，常用在皮革加脂中。 磺化油磺化油 含羟基和不饱和双键的油脂经硫酸酯化后再含羟基和不饱和双键的油脂经硫酸酯化后再中和的产品被习惯称为中和的产品被习惯称为磺化油磺化油。结构结构: :R - SO3- Na+ 烷基苯磺酸钠烷基苯磺酸钠如十二烷基苯磺酸钠如十二烷基苯磺酸钠 十二烷基苯磺酸钠是合成洗衣粉的主要成分，十二烷基苯磺酸钠是合成洗衣粉的主要成分，国家规定洗衣

6、粉中其含量在国家规定洗衣粉中其含量在1035%。对水要求不高，可在硬水中应用。对水要求不高，可在硬水中应用。C12H25C6H5SO3NaLAS结构式结构式: :简简 写写: :优优 点点: : 磷酸酯盐磷酸酯盐 可以组成各种水溶性和油溶性的化合物，其应用可以组成各种水溶性和油溶性的化合物，其应用范围也各有不同。范围也各有不同。 通过调节通过调节 HLBHLB值来控制这类表面活性剂的性能。值来控制这类表面活性剂的性能。多用作防锈剂、抗静电剂、乳化剂。多用作防锈剂、抗静电剂、乳化剂。a a 烷基醚磷酸酯烷基醚磷酸酯b b 烷基磷酸酯烷基磷酸酯NH3 R-NH2 R-NH-RRR-N-RR-N-R

7、 R R + X-氨氨 伯胺伯胺 仲胺仲胺 叔胺叔胺 季胺盐季胺盐阳离子表面活性剂绝大部分是含氮的有机化合物，阳离子表面活性剂绝大部分是含氮的有机化合物，少数是含磷或硫的有机化合物，主要是少数是含磷或硫的有机化合物，主要是。 溶于水后，起表面活性作用的是阳离子。溶于水后，起表面活性作用的是阳离子。一般，阳离子表面活性剂水溶液显一般，阳离子表面活性剂水溶液显 。 纤维、毛发、合成树脂的柔软剂纤维、毛发、合成树脂的柔软剂 、抗静电剂、抗静电剂 和防水剂，也用于医药卫生及建筑行业等。和防水剂，也用于医药卫生及建筑行业等。 如烷基三甲基氯化铵如烷基三甲基氯化铵R - N - CH3 + Cl- CH3

8、CH3溶于水溶于水 R - N+ - CH3 CH3CH3+ Cl-优点：优点： 柔软性好、抗静电、杀菌力强等柔软性好、抗静电、杀菌力强等应用：应用： 两性表面活性剂的分子结构中兼有阳离子和阴离两性表面活性剂的分子结构中兼有阳离子和阴离子基团，在碱性溶液中呈阴离子活性，在酸性溶液中子基团，在碱性溶液中呈阴离子活性，在酸性溶液中呈阳离子活性，在中性溶液中呈两性活性。呈阳离子活性，在中性溶液中呈两性活性。a 氨基酸型：氨基酸型： 羧酸盐型羧酸盐型阳离子由仲胺盐构成阳离子由仲胺盐构成 如如十二烷基氨基丙酸钠十二烷基氨基丙酸钠 C12H25NHCH2CH2COO - Na+ 两性表面活性剂的类型：两性

9、表面活性剂的类型：(强强 酸酸 性性)易溶于水，呈碱性易溶于水，呈碱性 C12H25NH(CH2)2COO - Na+C12H25NH(CH2)2COOH + NaClHCl有沉淀生成有沉淀生成HClC12H25NH(CH2)2COOHHCl(弱弱 酸酸 性性)沉淀溶解沉淀溶解烷基二甲基甜菜碱性烷基二甲基甜菜碱性 在水中溶解性好，任何在水中溶解性好，任何pHpH都适合，渗透力和抗静都适合，渗透力和抗静电性比氨基酸型好。电性比氨基酸型好。b b 甜菜碱型：甜菜碱型： 磺酸盐型磺酸盐型 阳离子由季胺盐构成阳离子由季胺盐构成 CH3 CH3结构：结构：R N+ CH2 COO- 如聚氧乙烯醚型非离子

10、表面活性剂如聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂聚氧乙烯基或羟基，聚氧乙烯基或羟基，能溶于水，但在水中不能解离成离子。其亲水性是通能溶于水，但在水中不能解离成离子。其亲水性是通过聚氧乙烯醚链或羟基链中的氧原子与水分子形成氢过聚氧乙烯醚链或羟基链中的氧原子与水分子形成氢键而表现出来的。键而表现出来的。无水时无水时有水时有水时CH2OHCH2OCH2CH2CH2OCH2OCH2CH2CH2R-OHR-OCH2CH2CH2OCH2OCH2CH2CH2OCH2CH2OCH2OHOHHOHHOHHOHHOH 升高温度升高温度 ，氢键断裂，水分子脱落，导致亲水性，氢键断裂，水分子脱落，导致亲水性下降而不溶于水。下

11、降而不溶于水。缺点缺点: :升高温度升高温度 ，由清晰变浑浊时由清晰变浑浊时的温度为浊点。的温度为浊点。浊点：浊点：脂肪醇聚氧乙烯醚脂肪醇聚氧乙烯醚(商品名平平加商品名平平加)、烷基酚聚氧、烷基酚聚氧乙烯醚乙烯醚(商品名商品名 OP) 、吐温系列产品、吐温系列产品(如吐温如吐温80)、6501净洗剂净洗剂 C11H23CON(CH2CH2OH)2 都是常用的都是常用的CFFCFFCFFCFFCFFCFFCFF 氟氟碳表面活性剂碳表面活性剂 氟氟碳表面活性剂有阴离子型、阳离子型、两性离碳表面活性剂有阴离子型、阳离子型、两性离子型、非离子型等。子型、非离子型等。利用氟碳链或硅链为疏水基的表面活性剂

12、以及含有金属利用氟碳链或硅链为疏水基的表面活性剂以及含有金属的表面活性剂的总称。的表面活性剂的总称。special surfactant 硅表面活性剂硅表面活性剂 能降低水和其它有机溶剂的表面张力能降低水和其它有机溶剂的表面张力具有优良的热稳定性和化学稳定性。具有优良的热稳定性和化学稳定性。能极好地降低水的表面张力能极好地降低水的表面张力,且耐腐蚀、耐高温、无且耐腐蚀、耐高温、无毒性毒性。主要。主要用作用作泡沫稳定剂泡沫稳定剂、消泡剂消泡剂、纺织物、纺织物柔软剂柔软剂和整理剂、和整理剂、原油原油破乳剂破乳剂及防及防蜡剂以及各种蜡剂以及各种润滑润滑脱模剂脱模剂等。等。 优点：优点：(CH3)3S

13、i ( O Si ) 4 CH2(C2H4O)nCH3CH3CH3硅系产品降低表面张力值高于硅系产品降低表面张力值高于氟氟系产品，平滑性能也很好系产品，平滑性能也很好 气气 相相表面层表面层液液 相相物质的表面具有特殊的性质，这是由于表面层物质的表面具有特殊的性质，这是由于表面层分子与内部分子所处的力学状态不同引起的。分子与内部分子所处的力学状态不同引起的。比表面吉布斯函数是比表面吉布斯函数是系统单位系统单位表表面积的面积的吉布斯函数吉布斯函数变，即表面张力变，即表面张力 ( 单位单位 N/ /m ) 。 比表面吉布斯函数比表面吉布斯函数表面功：表面功： 表面张力表面张力与物质的组成、所处温度

14、压力以及共存相与物质的组成、所处温度压力以及共存相 的性质有关的性质有关。dS = dG = dG / dS表面张力就是表面张力就是 。 a极稀溶液极稀溶液 b稀溶液稀溶液c d 大于大于 c表面活性剂在溶液中形成胶束的最低浓度。表面活性剂在溶液中形成胶束的最低浓度。临界胶束浓度临界胶束浓度(CMC):(CMC): CMC 以单分子和胶束的动态平衡状态存在于溶液。以单分子和胶束的动态平衡状态存在于溶液。 当溶液浓度达到临界胶束浓度时，表面活性剂的一些当溶液浓度达到临界胶束浓度时，表面活性剂的一些物理性质如电阻率、渗透压、冰点下降以及颜色变化物理性质如电阻率、渗透压、冰点下降以及颜色变化等就会发

15、生改变。等就会发生改变。表面活性剂浓度稍大于表面活性剂浓度稍大于CMCCMC时，才能充分发挥其表时，才能充分发挥其表面活性作用。面活性作用。 CMC值值 的大小主要决定于表面活性剂的分子结的大小主要决定于表面活性剂的分子结构和在水中的强电解质的浓度，与强电解质的种类和构和在水中的强电解质的浓度，与强电解质的种类和非电解质无关。非电解质无关。 表面活性剂的分子结构表面活性剂的分子结构 离子型表面活性剂的离子型表面活性剂的CMC决定于亲油基决定于亲油基(憎水基憎水基)的的长短，一般碳原子数越大，长短，一般碳原子数越大，CMC越小。但亲油基中若引越小。但亲油基中若引入双键或支链，则使入双键或支链，则

16、使CMC变大。变大。非离子型表面活性剂的非离子型表面活性剂的CMCCMC主要由亲水基的种类决主要由亲水基的种类决定，如聚氧乙烯链增长定，如聚氧乙烯链增长, CMC, CMC变大变大 。表面活性剂随着无机盐类强电解质的加入而使表面活性剂随着无机盐类强电解质的加入而使CMCCMC值降低。值降低。 无机盐类强电解质的影响无机盐类强电解质的影响 A月桂酸钾月桂酸钾 B-十二烷基硫酸钠十二烷基硫酸钠A的的CMC103/mol dm-3B的的CMC103/mol dm-3B8 6 4 2 020 16 12 8 4NaClNa2SO40 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 A 在临界胶束浓度以

17、上的表面活性剂溶液中加入少量在临界胶束浓度以上的表面活性剂溶液中加入少量不溶于水的有机物质时，可得到透明水溶液，这种现象不溶于水的有机物质时，可得到透明水溶液，这种现象称为称为。此有机物质叫。此有机物质叫 不溶于水的有机物质进入胶束内部，呈现热力学不溶于水的有机物质进入胶束内部，呈现热力学上各向同性溶液的缘故。上各向同性溶液的缘故。 在一定浓度表面活性剂溶液中，所溶解的被增溶在一定浓度表面活性剂溶液中，所溶解的被增溶物质的饱和浓度称为增溶量。物质的饱和浓度称为增溶量。随着浓度的增加，增溶量一般呈线性增大，而且随着浓度的增加，增溶量一般呈线性增大，而且斜率越大，增溶能力越强。斜率越大，增溶能力越

18、强。强烈振荡强烈振荡油油水水水包油型水包油型(O/W)(O/W)油包水型油包水型(W/O)(W/O)5.1 5.1 泡沫吸附分离技术的分类泡沫吸附分离技术的分类残液出口残液出口鼓鼓 泡泡溶剂层溶剂层图图5.2 5.2 溶剂消去法流程示意图溶剂消去法流程示意图5.2 5.2 流程设置及操作流程设置及操作 泡沫分离的流程设置及处理方法和精馏很类似，泡沫分离的流程设置及处理方法和精馏很类似，故有泡沫精馏之称。其流程可以分为间歇分离和连续故有泡沫精馏之称。其流程可以分为间歇分离和连续分离两类。分离两类。图图5.3 5.3 间歇式分离塔间歇式分离塔图图5.4 5.4 连续式分离塔连续式分离塔5.3 5.

19、3 特点及应用特点及应用优点优点: :(1)(1)能在很低的浓度下十分有效地去除表面活性物质能在很低的浓度下十分有效地去除表面活性物质; ;(2)(2)在表面活性剂的存在下在表面活性剂的存在下, ,可以有效地去除非表面活性物可以有效地去除非表面活性物质如金属离子等质如金属离子等; ;(3)(3)当全塔都具有稳定的泡沫时当全塔都具有稳定的泡沫时, ,可利用回流尽可能增加单可利用回流尽可能增加单塔的分离能力塔的分离能力; ;(4)(4)设备和操作十分简单设备和操作十分简单, ,能耗低能耗低. .局限性局限性: :(1)(1)当溶液中表面活性物质的浓度在临界浓度以上时当溶液中表面活性物质的浓度在临界

20、浓度以上时, ,泡泡沫分离塔虽然获得稳定的泡沫层沫分离塔虽然获得稳定的泡沫层, ,但分离效率低但分离效率低; ;(2)(2)在临界胶束浓度以下在临界胶束浓度以下, , 难以维持稳定的泡沫层难以维持稳定的泡沫层; ;(3)(3)当用于去除富集质时当用于去除富集质时, ,除去的总量和表面活性剂的用除去的总量和表面活性剂的用量往往呈化学计量关系量往往呈化学计量关系, ,而后者都是高分子物质而后者都是高分子物质, ,消耗量消耗量较大较大, ,也会产生回收问题也会产生回收问题; ;(4)(4)在泡沫分离设备的设计和操作中在泡沫分离设备的设计和操作中, ,塔中的返混严重影塔中的返混严重影响分离的效率响分离

21、的效率, ,尤其是泡沫层不稳定的系统尤其是泡沫层不稳定的系统, ,只能实测只能实测, ,难难以预测以预测. .5.4 5.4 湿法冶金中的矿石浮选湿法冶金中的矿石浮选5.4.1 5.4.1 物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附物理吸附物理吸附: :以分子间作用力为主以分子间作用力为主化学吸附化学吸附: :以化学键力为主以化学键力为主物理吸附与化学吸附的区别物理吸附与化学吸附的区别: :(1)(1)吸附热吸附热(2)(2)选择性选择性(3)(3)活化能活化能(4)(4)可逆性可逆性(5)(5)吸附层吸附层5.4.2 5.4.2 液气界面的吸附液气界面的吸附图图5.55.5起泡剂分子在液气界面的排

22、列起泡剂分子在液气界面的排列(a)(a)浓度很小；（浓度很小；（b b）浓度中等；（）浓度中等；（c c）浓度很大）浓度很大图图5.6 5.6 吉布斯吸附等温线吉布斯吸附等温线SO32-CH3CH2CH2CH2CH2ccddRT- 吉布斯吸附等温方程：吉布斯吸附等温方程：关键是求出关键是求出d/dc！在温度不高时，在温度不高时，与与c c的关系可用希士可夫斯基经验的关系可用希士可夫斯基经验公式表示：公式表示：)ln(1bca bcabdcddcd 1 bcabRTccRTc 1dd- 当浓度达到饱和即当浓度达到饱和即c c很大时，则很大时，则1+1+bc= bcbc= bc，则，则饱和吸附量饱

23、和吸附量 RTabcbc 1 与与LangmuirLangmuir吸附等温式类似吸附等温式类似。得得作作图图，由由直直线线的的斜斜率率求求 c 1cbcc5.4.3 5.4.3 解吸功解吸功）溶液内部浓度（溶液内部浓度（）；）；表面浓度（表面浓度（mol/L-mol/L-lnisisccccRTL 吸附功：吸附为自发过程，吸附过程所做的功为吸附功。吸附功：吸附为自发过程，吸附过程所做的功为吸附功。解吸功：将吸附分子从表面解吸所需的功。解吸功：将吸附分子从表面解吸所需的功。解吸功的计算：解吸功的计算：5.4.4 5.4.4 固体表面的吸附固体表面的吸附固气界面和固液界面的吸附对浮选很重要。固气界

24、面和固液界面的吸附对浮选很重要。图图5.7 5.7 溶解、化学反应和吸附的等温线溶解、化学反应和吸附的等温线（a a）溶解；）溶解； （b b）化学反应；（）化学反应；（c c）吸附）吸附Pd当当PPd时，时，Vr=kVa = k1PVa=k2Va = kP1/nLangmuir单分子层吸附理论：单分子层吸附理论：物物理理吸吸附附）化化学学吸吸附附；小小）（大大吸吸附附常常数数（平平衡衡浓浓度度饱饱和和吸吸附附密密度度；吸吸附附层层密密度度 2122/mol/L;mol/cmmol/cm1kkrcmmrcrcmm5.4.5 5.4.5 浮选剂吸附方程式浮选剂吸附方程式Freundlich吸附等

25、温方程：吸附等温方程：吸附量吸附量 ac1/n5.4.6 5.4.6 矿物表面吸附类型矿物表面吸附类型（1 1）与晶格同名离子的吸附）与晶格同名离子的吸附, ,有时称有时称“定位离子定位离子”的吸附；的吸附；（2 2）表面上的晶格离子与溶液中的离子交换吸附；）表面上的晶格离子与溶液中的离子交换吸附；（3 3）原吸附的配衡离与溶液离子的二次交换吸附；）原吸附的配衡离与溶液离子的二次交换吸附；（4 4）分子吸附）分子吸附（5 5）活性吸附）活性吸附（6 6）胶粒吸附）胶粒吸附5.5 5.5 浮选药剂浮选药剂5.5.1 5.5.1 浮选药剂的分类浮选药剂的分类请看表浮选剂的分类请看表浮选剂的分类 5

26、.5.2 5.5.2 浮选药剂的结构与性能浮选药剂的结构与性能（1 1）临界胶束浓度的概念及算法）临界胶束浓度的概念及算法lgCMC = A nBA A与极性基性质有关的常数；与极性基性质有关的常数；B B与非极性性质及温度有关的常数；与非极性性质及温度有关的常数；n n非极性基为直链烷基时非极性基为直链烷基时-CH-CH2 2- -的数目的数目（2 2）CMCCMC值与药剂性能的关系值与药剂性能的关系非极性烃链长度；极性基数目；非极性基数目；非极性烃链长度；极性基数目；非极性基数目；极性基在烃链的位置；非极性剂中有苯环；极性基在烃链的位置；非极性剂中有苯环；不饱和度对不饱和度对CMCCMC的

27、影响的影响（3 3）CMCCMC算法在推测药剂浮选方面的应用算法在推测药剂浮选方面的应用 药剂的类别和能力大小药剂的类别和能力大小 CMC越小，药剂的疏水性能越大，表明药剂分子中非极越小，药剂的疏水性能越大，表明药剂分子中非极性基比例较大，表示其捕收性较强，有可能作为捕收剂性基比例较大，表示其捕收性较强，有可能作为捕收剂使用；使用；CMC较大，说明药剂的亲水性强，极性基比例大，有可较大，说明药剂的亲水性强，极性基比例大，有可能作为抑制剂使用；能作为抑制剂使用；当当CMC处于一中间值时，则可能成为起泡剂。处于一中间值时，则可能成为起泡剂。 估计药剂的用量范围估计药剂的用量范围 半胶束浓度半胶束浓

28、度HMC？CDC？ 分析两种基团的配比关系分析两种基团的配比关系5.6 5.6 浮选分离在分析化学中的应用浮选分离在分析化学中的应用5.6.1 5.6.1 表面活性剂在气液界面吸附的规律表面活性剂在气液界面吸附的规律5.6.2 5.6.2 沉淀或共沉淀浮选和胶体吸附浮选沉淀或共沉淀浮选和胶体吸附浮选何谓沉淀或共沉淀浮选？何谓沉淀或共沉淀浮选？第一类沉淀或共沉淀浮选：需加表面活性捕收剂第一类沉淀或共沉淀浮选：需加表面活性捕收剂第二类沉淀或共沉淀浮选：不需要表面活性捕收剂第二类沉淀或共沉淀浮选：不需要表面活性捕收剂5.6.3 5.6.3 离子浮选法离子浮选法无论是在气流发生前的主体溶液中，还是在气流开始后的气无论是在气流发生前的主体溶液中，还是在气流开始后的气泡界面上，如果痕量组分被表面活性剂所沉淀，沉淀微粒被泡界面上，如果痕量组分被表面活性剂所沉淀，沉淀微粒被气泡载入泡沫中，则该过程称为离子浮选。气泡载入泡沫中，则该过程称为离子浮选。表表5.9 5.9 离子浮选法的应用离子浮选法的应用微量组分微