间歇式泡沫分离法分离含氟聚合物乳液的工艺研究

间歇式泡沫分离法分离含氟聚合物乳液的工艺研究

在氟聚合物的工业化生产中，氟聚合物溶液的固液分离通常与氟聚合物溶液的固液分离有关。该溶液的平均粒径约为0.30.6m，属于低浓度和高分散颗粒系统。目前,含氟聚合物乳液分离多采用凝聚预处理结合过滤的分离工艺,先进行凝聚将固体颗粒粒径增大,再进行加压滤饼过滤分离操作,因含氟聚合物乳液浓度低,形成的滤饼阻力很大,分离过程中要大量的液相穿过滤饼层,才能实现液固二相的分离,操作周期长、运行能耗大、生产效率低。泡沫分离技术是近几十年来发展的一种新型分离技术,具有工艺简单,选择性高等特点,主要用于低浓度表面活性物质的分离,已被广泛应用于废水处理、冶金工业和食品工业等。本实验将采用泡沫分离技术分离含氟聚合物乳液,初步探索搅拌器类型、通气方式对分离效果的影响,利用均匀设计的方法进行优化实验,得到间歇式泡沫分离工艺的最佳条件,并为后期的连续泡沫分离法提供数据支持。1活性物质的络合萃取气泡有很强的疏水性,当其与疏水颗粒粘附,释放可观的疏水作用能,直至水化膜破灭,形成固气相界面。泡沫分离的过程,其实质是气泡与颗粒相互作用的过程。气泡与颗粒的作用分为3个阶段:碰撞、吸附和脱落,其中颗粒与气泡的碰撞和吸附是泡沫分离的决定因素。碰撞几率与颗粒大小、气泡大小、颗粒与气泡相对运动速度、流体流动状态等因素有关。Schubert研究了高湍流强度下颗粒与气泡的碰撞几率,他认为对于粗颗粒低湍流增加碰撞几率,而细颗粒则高湍流增加碰撞几率。吸附过程是已实现接触的颗粒与气泡之间水化膜变薄、破裂及水排出的复杂过程。水化膜厚度与颗粒和气泡的疏水程度有关,颗粒疏水性越强,临界水化膜厚度越薄,颗粒与气泡越容易吸附在一起。目前,科研工作者在使用泡沫法分离微细颗粒时,常用的提高收率的方法是减小气泡直径,增加颗粒与气泡碰撞的几率;或向混合液中添加表面活性剂以降低液体的表面张力,增强气泡的疏水性,促进颗粒与气泡的粘附,达到固液分离的目的。本实验研究的物料为一种含氟聚合物乳液,该含氟聚合物颗粒的平均粒径为0.5μm,颗粒接触角为123°,具有粒径小、疏水性强的特点,且分离后还要对物料进行洗涤,因此应尽量不向原料液中添加其他物质。针对该物料的特性和工艺要求,作者采用泡沫法分离该乳液,研究在不添加任何表面活性剂的前提下,各因素对分离效果的影响。2泡沫发生器4本试验采用间歇泡沫法分离含氟聚合物乳液,实验流程如图1所示。物料经恒温槽1加热后,被进料泵2送入泡沫发生器4;压缩空气经压缩机5送入泡沫发生器4内,待通气平稳后,打开搅拌装置,搅拌一段时间后,关闭搅拌装置,停止进气,静置,原料液被分离成上层的泡沫相和下层的水相,下层水相被收集到残留液收集器3内,从而达到固液分离的目的。3方法和结果3.1固相型泡沫相中固体质量分数m本试验以收率Y和富集比E这2个指标来评价泡沫富集的效果。收率表示固体颗粒被回收的程度,其值越大越好;富集比表示泡沫相中固体质量分数与原料液中固体质量分数比,富集比越大,则泡沫相中固体质量分数越高。计算公式如下:式中:m0为进料液质量,g;m1为分离后泡沫相质量,g;mw为分离后剩余残留液中固体质量,g;wf为进料液的固体质量分数。3.2初步研究与实验3.2.1搅拌速度对齿轮式分离器富集效果的影响机械搅拌设备的关键部件是搅拌器,不同类型的搅拌器对流体的作用不同。机械搅拌,既促进流体的循环流动,又对流体有剪切作用,因此在试验开始前,需首先判断合适的搅拌器类型。本次试验不添加氯化钙,不通入压缩空气,泡沫发生器敞口;选用质量分数为4.18%的物料为进料液,进料体积为300mL,预热至80℃,搅拌4min,静置,观察收率、富集比随搅拌速度r的变化趋势,试验结果如图2、图3所示。从图2中可以看出,涡轮式搅拌器的临界搅拌速度为900r/min,拐点速度为1200r/min,最大速度2100r/min对应的收率为99.84%;桨式搅拌器的临界搅拌速度为1200r/min,拐点速度为1800r/min,最大速度2100r/min,对应的收率为90.69%。因此,从收率的角度来看,涡轮式搅拌器的富集效果好于桨式搅拌器。从图3中可以看出,富集比随着搅拌速度的增大而增大,涡轮式搅拌器的富集比曲线明显优于桨式搅拌器的富集比曲线。从本次试验的结果可以推断出涡轮式搅拌器的分离效果较好。这是因为涡轮式搅拌器是典型的剪切型搅拌桨叶,剪切作用可以促进液滴的细化、固体粒子的破碎以及气泡的细微化,有利于实现颗粒与泡沫之间的粘附达到固液分离的目的。3.2.2通入采用密通法测收率通气方式是影响泡沫分离的重要因素之一,本次试验比较了2种通气方式下泡沫分离的效果。一种通气方式为容器敞口,通过搅拌作用将大气中的气体引入混合体系,一种通气方式为容器密闭,通过压缩机通入压缩空气。试验结果如图4、图5所示。由图4可知,当搅拌速度低于1500r/min时,通入压缩空气可以显著提高收率,在搅拌速度为600r/min便可得到泡沫相,此时收率为22.55%,拐点速度为1200r/min,对应的收率为93.98%;当搅拌速度大于1500r/min,2种通气方式下得到的收率曲线几乎重合,也就是说此时气相不再是影响收率的重要因素。这是因为低速时,颗粒运动缓慢,颗粒与气泡碰撞的几率主要取决于气泡的数量;而高速时,颗粒运动剧烈,大气泡也被剪切成更细小的小气泡,颗粒与气泡碰撞的几率很大,多余的气体反而被排出体系,因此高速区通气方式对收率影响不大。由图5可以看出,当通入压缩空气时,可以显著提高富集比,这是因为增大通气量,气泡数量增多,直径增大,总的比表面积减少,含水量降低;富集比随着搅拌速度的增大而增大,这是因为随着搅拌速度的增大,大泡沫被剪切,破碎后合并成新的泡沫,经过不断的破裂、兼并,水分被排出泡沫相,从而增大了富集比。3.3均匀设计试验3.3.1钙用量6影响富集效果的因素依次为通气量(X1)、温度(X2)、搅拌速度(X3)、搅拌时间(X4)、进料液质量分数(X5)、氯化钙用量(X6),各因素的考察范围如表1所示。本试验影响因素多,因素范围跨度大,因此采用均匀设计的方法,科学、详细地了解富集过程中这6个因素对收率的影响及其之间存在的关系,并确定各因素的最佳条件。选用U*10(108)的均匀设计表,当影响因素只有6个时,应选用第1,2,3,5,6,8列,弃用第4和第7列,此时均匀度D为0.2994。以收率为响应因子,试验设计和结果如表2所示。3.3.2回归方程的建立及显著性分析从表2中数据观察出收率随着某一因素的变化不明显,影响反应的各因素之间存在交互作用,本文使用非线性回归方法,进行试验数据处理,建立模型。将表2中的数据用DPS软件中的“二次多项式逐步回归”命令,以收率Y为考察目标进行分析,对回归系数进行显著性检验。在α=0.05显著水平下剔除不显著项后得回归方程:该回归方程的相关系数R=0.9998,剩余标准偏差S=0.0112,P=0.0014<0.01,F=720.6942>F0.05(7,2)=19.35,通过F检验(α=0.05),表明试验中所取的各个因素具有良好的相关性,回归方程与实验数据的拟合程度较好,回归方程非常显著,误差分析预测值与实验值相对误差在可接受范围内,因此模型方程在实验范围内可靠。依据回归方程,结合各因素约束条件,DPS软件预测方程极值点得出反应最佳条件:X1=0.4194,X2=89.6055,X3=1602.02,X4=1.0,X5=0.0759,X6=0.0002;即通气量为0.42L/min,温度为90℃,搅拌速度为1600r/min,搅拌时间为1.0min,物料质量分数为0.08,氯化钙用量为0.0002g/mL,收率为99.97%。3.3.3回归方程实验根据最优分离条件:X1=0.4194,X2=89.6055,X3=1602.02,X4=1.0,X5=0.0759,X6=0.2,做2次验证实验,2次收率的平均值为99.55%,与回归方程预测值的残差在剩余标准偏差的2倍以内,说明实验值与预测值基本符合,回归方程在实验范围内有意义。4缩空气,通气则显著提高收率(1)搅拌器的类型是影响机械造泡的重要因素,搅拌器对流体主要起剪切作用,选用涡轮式搅拌器较好。(2)搅拌速度低于1500r/min时,通入压缩空气可以显著提高收率;搅拌速度大于1500r/min时,2种通气方式下