第七章泡沫分离法

1、第七章第七章 泡沫分离法泡沫分离法（Foam Separation）一、概述一、概述二、泡沫分离的分类二、泡沫分离的分类三、泡沫分离的基本原理三、泡沫分离的基本原理四、泡沫分离操作方式四、泡沫分离操作方式五、影响泡沫分离效率的因素五、影响泡沫分离效率的因素六、泡沫分离应用六、泡沫分离应用 19151915年用于矿物浮选年用于矿物浮选 5050年代用于分离金属离子的研究；年代用于分离金属离子的研究； 6060年代采用泡沫分离法脱除洗涤剂工厂污水年代采用泡沫分离法脱除洗涤剂工厂污水中的表面活性剂获得成功；中的表面活性剂获得成功； 19771977年报道泡沫分离法用于年报道泡沫分离法用于DNADNA

2、、蛋白质及、蛋白质及液体卵磷脂等生物活性物质的分离。液体卵磷脂等生物活性物质的分离。泡沫分离是以气泡为介质，利用组分的表泡沫分离是以气泡为介质，利用组分的表面活性差进行分离的一种分离方法。面活性差进行分离的一种分离方法。一、概述一、概述二、泡沫分离的分类二、泡沫分离的分类三、泡沫分离的基本原理三、泡沫分离的基本原理四、泡沫分离操作方式四、泡沫分离操作方式五、影响泡沫分离效率的因素五、影响泡沫分离效率的因素六、泡沫分离应用六、泡沫分离应用无泡沫吸附分离无泡沫吸附分离泡沫分离泡沫分离泡沫吸附分离泡沫吸附分离泡泡 沫沫 分分 馏馏泡泡 沫沫 浮浮 选选鼓鼓 泡泡 分分 馏馏溶溶 媒媒 浮浮 选选泡沫

3、分离法的分类泡沫分离法的分类按分离对象是溶液还是含有固体粒子按分离对象是溶液还是含有固体粒子的悬浮液、胶体溶液，泡沫分离可分成：的悬浮液、胶体溶液，泡沫分离可分成：泡沫分馏泡沫分馏(Foam Fractionation)泡沫浮选泡沫浮选(Foam Flotation)p 泡沫分离泡沫分离泡沫分馏泡沫分馏用于分离溶解物质，它们可以用于分离溶解物质，它们可以是表面活性剂，或者可与表面活性剂结合的是表面活性剂，或者可与表面活性剂结合的物质，当料液鼓泡时能进入液层上方的泡沫物质，当料液鼓泡时能进入液层上方的泡沫层而与液相主体分离。层而与液相主体分离。泡沫浮选泡沫浮选用于分离不溶解的物质，按照用于分离不

4、溶解的物质，按照被分离对象是分子还是胶体，是大颗粒还是被分离对象是分子还是胶体，是大颗粒还是小颗粒等，又可分为矿物浮选、粗粒浮选、小颗粒等，又可分为矿物浮选、粗粒浮选、微粒浮选、离子浮选、分子浮选、沉淀浮选微粒浮选、离子浮选、分子浮选、沉淀浮选和吸附胶体浮选。和吸附胶体浮选。无泡沫分离是指用鼓泡进行分离，但不一无泡沫分离是指用鼓泡进行分离，但不一定形成泡沫层，可分定形成泡沫层，可分鼓泡分馏鼓泡分馏和和溶媒浮选溶媒浮选。鼓泡分馏鼓泡分馏是从它设备底部通气鼓泡，表面是从它设备底部通气鼓泡，表面活性物质被气泡富集并上升至塔顶，和液相主活性物质被气泡富集并上升至塔顶，和液相主体分离，使溶质得到浓缩，液

5、相主体被净化；体分离，使溶质得到浓缩，液相主体被净化；溶媒浮选溶媒浮选是在溶液顶部置有一种与其互不是在溶液顶部置有一种与其互不相溶的溶剂，用它来萃取或富集由塔底鼓出的相溶的溶剂，用它来萃取或富集由塔底鼓出的气泡所吸附的表面活性物质。气泡所吸附的表面活性物质。p 无泡沫分离无泡沫分离一、概述一、概述二、泡沫分离的分类二、泡沫分离的分类三、泡沫分离的基本原理三、泡沫分离的基本原理四、泡沫分离操作方式四、泡沫分离操作方式五、影响泡沫分离效率的因素五、影响泡沫分离效率的因素六、泡沫分离应用六、泡沫分离应用泡沫分离过程泡沫分离过程是利用待分离物质本身是利用待分离物质本身具有表面活性或能与表面活性剂结合在

6、一具有表面活性或能与表面活性剂结合在一起，在鼓泡塔中被吸附在气泡表面，得以起，在鼓泡塔中被吸附在气泡表面，得以富集，籍气泡上升带出溶剂主体，达到净富集，籍气泡上升带出溶剂主体，达到净化主体液、浓缩待分离物质的目的。化主体液、浓缩待分离物质的目的。泡沫分离作用的泡沫分离作用的本质本质是各种物质在溶是各种物质在溶液中的表面活性的差异，主要取决于组分液中的表面活性的差异，主要取决于组分在气液界面上吸附的选择性和程度。在气液界面上吸附的选择性和程度。 当一种非离子型表面活性剂以非常低当一种非离子型表面活性剂以非常低的浓度溶解于纯溶剂中时，根据的浓度溶解于纯溶剂中时，根据Gibbs等等温吸附方程，可得温

7、吸附方程，可得 （71）为吸附溶质的表面过剩量，即单位面积上为吸附溶质的表面过剩量，即单位面积上吸附溶质的摩尔数与主体溶液浓度之差（吸附溶质的摩尔数与主体溶液浓度之差（/c/c为吸附分配因子）；为吸附分配因子）；为溶液的表面张力，为溶液的表面张力，c c为为溶质在主体溶液中的平衡浓度。溶质在主体溶液中的平衡浓度。cddRTln11、Gibbs等温吸附方程等温吸附方程如果溶液中含离子型表面活性剂，如果溶液中含离子型表面活性剂，则则(6-1)式可修正为式可修正为 （72）n为与离子型表面活性剂类型有关的常为与离子型表面活性剂类型有关的常数：对完全解离型电解质，数：对完全解离型电解质，n2；在电解；

8、在电解质溶液中还添加过量无机盐时，质溶液中还添加过量无机盐时，n1。cddnRTln1在低浓度时，在低浓度时，随溶液随溶液中表面活性剂浓度的增大而中表面活性剂浓度的增大而线性增大；线性增大；当表面活性剂的浓度高当表面活性剂的浓度高于于CMCCMC时，多余的表面活性时，多余的表面活性剂开始在溶液内部形成胶束，剂开始在溶液内部形成胶束，这时这时便不随表面活性剂浓便不随表面活性剂浓度的增大而变化。度的增大而变化。表面活性剂的表面活性剂的CMCCMC一般在一般在0.0010.0010.02mol/L0.02mol/L左右，泡沫分离最好在低于左右，泡沫分离最好在低于CMCCMC下进行。下进行。 泡沫是由

9、被极薄的液膜所隔开的许泡沫是由被极薄的液膜所隔开的许多气泡所组成的。多气泡所组成的。2、泡沫的形成、泡沫的形成当气体在含表面活性剂的水溶液中发当气体在含表面活性剂的水溶液中发泡时，首先在液体内部形成被包裹的气泡，泡时，首先在液体内部形成被包裹的气泡，与此瞬时，溶液中表面活性剂分子立即在与此瞬时，溶液中表面活性剂分子立即在气泡表面排成单分子膜，亲油基指向气泡气泡表面排成单分子膜，亲油基指向气泡内部，亲水基指向溶液。内部，亲水基指向溶液。气泡借助浮力上升，冲击溶液表面气泡借助浮力上升，冲击溶液表面的单分子膜。的单分子膜。某些情况下，气泡可以跳出液体表面，此某些情况下，气泡可以跳出液体表面，此时，该

10、气泡表面的水膜外层上，形成与液体内时，该气泡表面的水膜外层上，形成与液体内部单分子膜的分子排列完全相反的单分子膜，部单分子膜的分子排列完全相反的单分子膜，从而构成了较为稳定的双分子层气泡体，在气从而构成了较为稳定的双分子层气泡体，在气相空间形成接近于球体的单个气泡。相空间形成接近于球体的单个气泡。许多气泡聚集成大小不同的球状气泡许多气泡聚集成大小不同的球状气泡集合体，更多的集合体聚集在一起形成集合体，更多的集合体聚集在一起形成泡沫泡沫。形成泡沫的气泡集合体包括两个部分：形成泡沫的气泡集合体包括两个部分：一是泡，两个或两个以上的气泡；二是一是泡，两个或两个以上的气泡；二是泡与泡之间以少量液体构成

11、的隔膜（液泡与泡之间以少量液体构成的隔膜（液膜），是泡沫的骨架。膜），是泡沫的骨架。 泡沫的稳定及层内排液泡沫的稳定及层内排液 泡沫不是很稳定的体系，气泡与气泡泡沫不是很稳定的体系，气泡与气泡之间仅以薄膜隔开，此隔膜也会因彼此压之间仅以薄膜隔开，此隔膜也会因彼此压力不均或间隙流的流失等原因而发生破裂，力不均或间隙流的流失等原因而发生破裂，导致气泡间的合并现象；导致气泡间的合并现象；由于小气泡的压力比大气泡高，因此由于小气泡的压力比大气泡高，因此气体可以从小气泡通过液膜向大气泡扩散，气体可以从小气泡通过液膜向大气泡扩散，导致大气泡变大，小气泡消失。导致大气泡变大，小气泡消失。泡沫的稳定性一般与溶

12、质的化学性泡沫的稳定性一般与溶质的化学性质和浓度，系统温度和泡沫单体大小、质和浓度，系统温度和泡沫单体大小、压力、溶液压力、溶液pHpH值有关。值有关。表面活性剂的浓度愈是接近临界浓表面活性剂的浓度愈是接近临界浓度，气泡愈小，气泡的寿命愈长。度，气泡愈小，气泡的寿命愈长。 泡沫层排液是泡沫中液体的流泡沫层排液是泡沫中液体的流体学行为，它是研究泡沫塔特性、体学行为，它是研究泡沫塔特性、气液表面吸附机理以及泡沫分离塔气液表面吸附机理以及泡沫分离塔设计的基础。设计的基础。 一、概述一、概述二、泡沫分离的分类二、泡沫分离的分类三、泡沫分离的基本原理三、泡沫分离的基本原理四、泡沫分离操作方式四、泡沫分离

13、操作方式五、影响泡沫分离效率的因素五、影响泡沫分离效率的因素六、泡沫分离应用六、泡沫分离应用 泡沫分离的操作有两个基本过程：泡沫分离的操作有两个基本过程：1 1）待分离的溶质被吸附到气液界面；）待分离的溶质被吸附到气液界面；2 2）对被泡沫吸附的物质进行收集并破坏）对被泡沫吸附的物质进行收集并破坏泡沫，将溶质提取出来。泡沫，将溶质提取出来。 主要设备为主要设备为泡沫塔泡沫塔和和破沫器破沫器。气体从塔底连续鼓入，气体从塔底连续鼓入，形成的泡沫从塔顶连续排形成的泡沫从塔顶连续排除，原料液因不断形成泡除，原料液因不断形成泡沫而减少，可在塔的下部沫而减少，可在塔的下部适当补充表面活性剂，以适当补充表面

14、活性剂，以弥补其在分离过程中的减弥补其在分离过程中的减少。少。 间歇式泡沫分离过程间歇式泡沫分离过程料液和表面活性剂连续加入料液和表面活性剂连续加入塔内，泡沫液和残液连续从塔内塔内，泡沫液和残液连续从塔内排出。排出。 连续式泡沫分离过程连续式泡沫分离过程破沫可采用静止法、离心分离、声波、破沫可采用静止法、离心分离、声波、超声波、震动加热等方法。超声波、震动加热等方法。如果使用的是加入表面活性剂来形成如果使用的是加入表面活性剂来形成络合物的方法，在脱除非表面活性剂时，络合物的方法，在脱除非表面活性剂时，泡沫液中的络合物可通过化学反应使需脱泡沫液中的络合物可通过化学反应使需脱除的非表面活性组分形成

15、不溶解的化合物，除的非表面活性组分形成不溶解的化合物，然后过滤分离，再生的表面活性剂可以循然后过滤分离，再生的表面活性剂可以循环使用。环使用。一、概述一、概述二、泡沫分离的分类二、泡沫分离的分类三、泡沫分离的基本原理三、泡沫分离的基本原理四、泡沫分离操作方式四、泡沫分离操作方式五、影响泡沫分离效率的因素五、影响泡沫分离效率的因素六、泡沫分离应用六、泡沫分离应用1 1、待分离物质的种类待分离物质的种类 例如对金属离子的分离：一种方法是例如对金属离子的分离：一种方法是加入表面活性剂，使其与待分离离子一起加入表面活性剂，使其与待分离离子一起被气泡带到液面予以分离；另一种方法是被气泡带到液面予以分离；

16、另一种方法是把溶液调节至适当的把溶液调节至适当的pHpH值，使待分离物质值，使待分离物质形成沉淀，并与表面活性剂一起被气泡带形成沉淀，并与表面活性剂一起被气泡带到泡沫层而分离。到泡沫层而分离。溶液的溶液的pHpH值对分离效果影响很大。值对分离效果影响很大。对于天然表面活性物质，如蛋白质的泡沫对于天然表面活性物质，如蛋白质的泡沫分离，在等电点时效率最高；分离，在等电点时效率最高；对于非表面活性物质，可控制在某一对于非表面活性物质，可控制在某一pHpH下下使其使其/c/c（吸附分配因子）最大，这样可从（吸附分配因子）最大，这样可从离子混合物中分离个别离子。离子混合物中分离个别离子。2、溶液的、溶液

17、的pH值值表面活性剂的浓度不宜超过表面活性剂的浓度不宜超过CMCCMC，但也不能太低，使泡沫层不稳定，太但也不能太低，使泡沫层不稳定，太高则使分离效率下降。高则使分离效率下降。3、表面活性剂的浓度、表面活性剂的浓度首先温度应达到表面活性剂的起泡温首先温度应达到表面活性剂的起泡温度，保持泡沫的稳定性；度，保持泡沫的稳定性；其次，还要根据吸附平衡的类型来选其次，还要根据吸附平衡的类型来选择温度的高低。择温度的高低。 4、温度、温度气流速度上升，泡沫形成速度上升，气流速度上升，泡沫形成速度上升，则单位时间的去除率也上升，但泡沫中间则单位时间的去除率也上升，但泡沫中间歇液的含量也上升，因而降低了塔顶泡

18、沫歇液的含量也上升，因而降低了塔顶泡沫液的浓度。液的浓度。气速过大时，泡沫中气液分离则易形气速过大时，泡沫中气液分离则易形成乳化气体，对操作不利。成乳化气体，对操作不利。 5、气流速度、气流速度很多泡沫体系对离子强度很敏感，很多泡沫体系对离子强度很敏感，离子强度增加，效率很快下降，这是离子强度增加，效率很快下降，这是由于相同电荷离子的竞争吸附引起的。由于相同电荷离子的竞争吸附引起的。6、离子强度、离子强度 泡沫的性质泡沫的性质 泡沫层高泡沫层高 排沫方式排沫方式 搅拌搅拌7、其他因素、其他因素一、概述一、概述二、泡沫分离的分类二、泡沫分离的分类三、泡沫分离的基本原理三、泡沫分离的基本原理四、泡沫分离操作方式四、泡沫分离操作方