泡沫浮選分離技術(shù)

1、泡沫浮選別離技術(shù)一、摘要泡沫浮選別離法是在一定的條件下，向試液鼓入空氣或氮氣使之產(chǎn)生氣泡， 將溶液中存在的欲別離富集的微量組分離子、分子、膠體或固體顆粒吸著或 吸附在其上面并隨著氣泡浮到液面， 從而與母液別離，收集后即到達別離和富集 的目的。泡沫浮選別離法是在礦物別離中一種常用的方法， 在分析化學(xué)的別離富 集物質(zhì)中取得顯著的成績。隨著分析技術(shù)的提高，及跟其它測試手段的使用。泡 沫浮選技術(shù)必將在稀溶液的別離，有價物質(zhì)的回收方面有更加廣泛的使用。二、根本概念泡沫別離技術(shù)是近十幾年開展起來的新型別離技術(shù)之一，在化工、生化、醫(yī)藥、污水處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 泡沫別離是根據(jù)吸附的原理，向含外表 活

2、性物質(zhì)的液體中鼓泡，使液體的外表活性物質(zhì)聚集在氣液界面氣泡的外表 上,在液體主體上方形成泡沫層，將泡沫層和液相主體分開，就可以到達濃縮表 面活性物質(zhì)在泡沫層和凈化液相主體的目的。目前一般只能別離溶液中ppm 量級的物質(zhì)。高純金屬中微雜質(zhì)的別離亦有采用此法的。被濃縮的物質(zhì)可以是表 面活性物質(zhì)，也可以是能與外表活性物質(zhì)相絡(luò)合的物質(zhì)， 但它們必須具備和某一 類型的外表活性物質(zhì)能夠絡(luò)合或鰲合的能力。 人們通常把但凡利用氣體在溶液中 鼓泡，以到達別離目的的這類方法總稱為泡沫吸附別離技術(shù)， 簡稱泡沫別離技術(shù)。 按別離對象是溶液還是含有固體例子的懸浮液、膠體溶液，泡沫別離可以分成泡沫分餾和泡沫浮選兩種別離方

3、法。泡沫浮選別離就是利用某種物質(zhì)如離子、分子、膠體、固體顆粒、懸浮微粒，外表活性的不同，可被吸附或粘附在從溶液 中升起的泡沫外表上，從而與母液別離的技術(shù)。泡沫浮選別離技術(shù)用于別離不溶 解的物質(zhì)，它的優(yōu)點是使用的別離裝置簡單并易于放大， 可連續(xù)和間歇操作并能 實現(xiàn)自動化和連續(xù)化操作。三原理外表活性劑在水溶液中有富集吸附在氣/液界、泡沫浮選的簡單原面溶 液中氣飽外表的傾向，它在氣泡外表是定向排列的，分子帶電的極性端朝向 氣-液界面的水的一邊，這時外表活性劑將與一種或一類的離子由于物理的如靜 電引力或化學(xué)的如絡(luò)合作用原因相互作用而聯(lián)結(jié)在一起，被氣泡帶至液 面， 從而到達別離的目的。因此， 如果離子和

4、外表活性劑之間形成絡(luò)合物被浮選， 這種別離方法跟離子交換別離有相似之處，區(qū)別在于離子交換法吸附是在靜止的 固一液界面上進行的，而離子浮選那么是在可動的液 -氣界面上進行的。其實有關(guān) 這方面涉及的理論要復(fù)雜得多，近幾年來，一些文獻從不同的角度對浮選別離進 行了有關(guān)理論的研究。如 Wilso n等對膠體吸附浮選用電學(xué)和電化學(xué)的理論進行 了一系列較系統(tǒng)的闡述，Ahmad研究了泡沫形成的規(guī)律等等。這對于有關(guān)這方 面的理論研究僅是初步的，還有待進一步深入。泡沫別離必須具備兩個根本條件。 首先，目標溶質(zhì)是外表活性物質(zhì)，或者是 可以和某些活性物質(zhì)相絡(luò)合的物質(zhì)，它們都可以吸附在氣-液界面上；其次，富集質(zhì)在別離

5、過程中借助氣泡與液相主體別離，并在塔頂富集。因此，它的傳質(zhì)過程在鼓泡區(qū)中是在液相主體和氣泡 外表之間進行，在泡沫區(qū)中是在氣泡外表和 間隙液之間進行。所以，外表化學(xué)和泡沫本身的結(jié)構(gòu)和特征是泡沫別離的基 礎(chǔ)。泡沫別離方法有一系列優(yōu)點。它適合于對低濃度的產(chǎn)品進行別離。如低濃 度的酶溶液，用常規(guī)的方法進行沉淀是行不通的，如果使用泡沫法對產(chǎn)品先進 行濃縮，就可以用沉淀法進行提取。它是根據(jù)別離物的外表活性而對產(chǎn)品進行 別離的，因此可以高選擇性地濃縮某種成分。由于此過程不使用無機鹽或有機 溶劑，僅僅是有 一些動力消耗，它的運行本錢一般要比其它方法低。外表活性劑具有親水的極性基團和憎水的非極性基團，可以在溶液

6、中有選擇性的吸附在氣-液相界面上，從而使外表活性物質(zhì)在外表相中的濃度高于主體相 使溶液的外表力急劇下降。如果溶液中只有一種外表活性劑并且在一定溫度下 到達吸附平衡，此時氣-液界面處外表活性劑的吸附作用可以用Gibbs吸附等溫方程來描述：r泡沫外表吸附溶質(zhì)的濃度；c平衡時原料液的濃度；c為溶液的表 面力；R氣體常數(shù)；T絕對溫度。四. 特點泡沫浮選別離特別適用于大量的極稀溶液的別離富集。常規(guī)泡沫浮選：適于 選別0.5mm至5卩m的礦粒，具體的粒限視礦種而定。由于別離效率高、設(shè) 備簡單、能耗低而引起越來越多的關(guān)注。對于共沉淀別離中不易過濾或離心別離 的膠狀、絮狀沉淀可改用適當(dāng)?shù)母∵x別離解決。 它的突

7、出特點是：樣品處理量大, 可到達0.5-2L，而且富集倍數(shù)大，一般為 100-10000。此外這種方法回收率高 達90%以上，易于與其他方法聯(lián)用而且在低濃度下別離特別有效，因此成為了 現(xiàn)階段礦物質(zhì)浮選的首選技術(shù)之一。五. 別離過程及設(shè)備泡沫浮選別離法是在一定的條件下，向試液鼓入空氣或氮氣使之產(chǎn)生氣泡， 將溶液中存在的欲別離富集的微量組分離子、分子、膠體或固體顆粒吸著或 吸附在其上面并隨著氣泡浮到液面， 從而與母液別離，收集后即到達別離和富集 的目的。它是一種能處理大量試樣的快速濃縮別離的方法。如圖1所示，從裝置底部通入大量空氣，將樣品液和氣泡一并送入裝置，溶質(zhì)吸附在氣泡上并隨之 上升，在裝置頂

8、形成浮渣或泡沫層。 氣泡不斷產(chǎn)生并且上升，最后被迫進入泡沫 收集器，待泡沫收集器裝滿后，剩余的泡沫由排管流出，而經(jīng)處理的基液或干 凈溶液由出水管排出，最后將別離后的料液進行回收。常用的浮選劑分三大類：捕收劑，起泡劑和調(diào)整劑。捕收劑的作用：加一種藥劑能改變礦物顆粒的親水性而產(chǎn)生疏水性使之可浮，這種藥劑通常稱之為捕收劑。捕收劑通常是極性捕收劑和非極性捕收劑。 極 性捕收劑由能與礦物顆粒外表發(fā)生作用的極性基團和起疏水作用的非極性基團 兩局部組成。當(dāng)這類捕收劑吸附于礦粒外表時， 其分子或離子呈定向排列，極性 基團朝向礦物顆粒外表，非極性基團朝外形成疏水膜，從而使礦位具有可浮性。 浮選時常用有機硫代化合

9、物作捕收劑，例如黃原酸鹽等。起泡劑的作用：有親水基團和疏水基團的外表活性分子，定向吸附于水一空 氣界面，降低水溶液的外表力，使充入水中的空氣易于彌散成氣泡和穩(wěn)定氣泡。 起泡劑和捕收劑聯(lián)合在一起吸附于礦物顆粒外表， 使礦粒上浮。常用的起泡劑有： 松樹油，俗稱二號油、酚酸混合脂肪醇，異構(gòu)己醇或辛醉、醚醉類以及各種酯類 等。調(diào)整劑可分為五類：1 pH值調(diào)整劑。用它來調(diào)節(jié)礦漿的酸堿度，用以控 制礦物外表特性、礦漿化學(xué)組成以及其他各種藥劑的作用條件，從而改善浮選效 果。常用的有石灰、碳酸鈉、氫氧化鈉和硫酸等。2活化劑。能增強礦物同捕收劑的作用能力，使難浮礦物受到活化而浮起。3抑制劑。提高礦物的親水性和阻

10、止礦物同捕收劑作用，使其可浮性受到抑制。4絮凝劑。使礦物細顆粒聚集成大顆粒，以加快其在水中的沉降速度，利用選擇性絮凝進行絮凝一脫泥及絮 凝一浮選。常用的絮凝劑有聚丙烯酰胺和淀粉等。5分散劑。阻止細礦粒聚集， 處于單體狀態(tài)，其作用與絮凝劑恰恰相反，用的有水玻璃、磷酸鹽等。浮選劑的種類和用量隨礦石性質(zhì)和浮選條件及流程特點而各異，在生產(chǎn)實踐 過程中也根據(jù)各種條件的變化而加以改變。泡沫浮選過程中用到的主要設(shè)備有泡沫別離器和浮選機。 泡沫別離器的根本 裝置可由一個簡單的氣泡圓柱體表示如圖 2所示，輸入的廢水被抽入塔中，氣 體經(jīng)由擴散器注入形成許多小氣泡。泡沫浮選別離法實驗用的泡沫別離器材主要有玻璃和有機

11、玻璃，形式多為柱狀別離塔。氣體分布形式有壓力溶氣方式和氣體分散式。氣體分散式別離塔底部 裝有氣體分布器；塔頂有泡沫排出口；連續(xù)式別離器還有進料口，塔底排液口， 別離塔的直徑一般為38cm，塔高80 120cm，般高徑比大于10，以減少 軸向返混并提供足夠的氣液接觸時間，離子浮選、礦物浮選用的是選礦機。所有的泡沫浮選裝置均包括幾個根本的局部：1氣體發(fā)生源，它通常是 一個小的空氣壓縮機或氣體鋼瓶，在這項別離技術(shù)中常用的是空氣，然而有的工作也使用N2、He或Ar氣源。2控制氣體壓力和流量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。3氣 體凈化裝置，為了防止在體系中發(fā)生一些不必要的變化，通常要用水或是其他合適的溶液預(yù)先洗滌氣體，在一

12、些情況下為了防止不希望在塔中發(fā)生的反響，要把體系中的C02出去。4氣體流量計，為測量通過塔的氣體流量，常采用皂 泡流量計。5別離柱，常用玻璃柱，但也有塑料柱，尺寸和形狀可根據(jù)實驗 需要，但在塔的底部通常有一個具有適宜孔數(shù)的燒結(jié)玻璃板，通過這個多孔板， 產(chǎn)生了形成泡沫的小的上升的氣泡。叛迪層擴射器進氣口浮選設(shè)備主要是浮選機以及為實現(xiàn)浮選工藝的其他設(shè)備，礦漿經(jīng)過攪拌充 氣，在各種浮選劑的作用下礦粒與氣泡粘附，氣泡上升、形成礦化泡沫層，被刮 板刮出或溢出，這一系列浮選過程均是在浮選機中完成的。按攪拌和充氣方式不 同，浮選機可分為5種：1機械攪拌式。攪拌器在浮選槽高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使礦漿 流動，在葉輪腔產(chǎn)生

13、負壓而吸入空氣。2充氣機械攪拌式。除機械攪拌外，再 補充向浮選糟充入低壓空氣。3充氣式?？繅喝肟諝膺M行攪拌并產(chǎn)生氣泡，如 浮選柱和泡沫別離裝置等。4氣體析出式。用降低壓力法或先加壓后降至常壓 的萬法，使礦漿中溶解的空氣析出，形成微泡。5壓力溶氣式。利用高壓將 充入的空氣預(yù)溶于水，然后再常壓下在浮選槽析出，形成大量微泡。S2泡沫別離器的甚水裝覽六. 影響因素影響泡沫浮選別離的效果及特性的因素很多， 包括氣體的流速，泡沫層的高 度，溫度，進料濃度，溶液 PH、溶液的離子強度等。1、氣流速度的影響。一般而言，增加氣流速度，泡沫的吸附率外表積增加， 可以縮短別離時間，降低別離后溶液的濃度，提高回收率。

14、但同時也會增加泡沫 中液體的含量，降低富集比，以應(yīng)根據(jù)不同需要調(diào)節(jié)氣流速度。氣體流速決定于 外表活性劑在溶液中的濃度和泡沫的外表力， 適當(dāng)?shù)臍怏w流速，可以使泡沫層的 高度維持一定，有利于別離效果的提高。2、沫層高度的影響。隨泡沫層高度的增加，沫停留時間延長，增加了泡沫 破碎排水，因此收集到的泡沫數(shù)量減少，泡沫含水量降低，泡沫就越枯燥，所以 富集比增大，但外表活性物質(zhì)的回收率降低。3、溫度的影響。升高液體溫度，泡沫產(chǎn)生的數(shù)量將會增加，泡沫含水率降 低，富集比增大。因為溫度升高導(dǎo)致外表活性劑的粘度降低，減小了擴散阻力， 使吸附阻力降低，因此可以提高別離效率。4、進料濃度的影響。在進料濃度很低時，提

15、高溶液濃度，富集比增大，但 濃度升至一定程度時， 再增加溶液濃度，殘留溶液濃度也增大，富集比就會降 低，但回收率增加。這是因為低濃度時，料液在氣 -液界面的吸附量與濃度呈線 性關(guān)系，并隨濃度的增大而增大。當(dāng)濃度較高時，外表吸附趨于飽和，外表吸附 量隨濃度增加緩慢，形成的泡沫比擬穩(wěn)定，外表濃度的增加量不及進料濃度的增 加量，因此富集比下降。5、溶液pH值的影響。溶液酸度主要影響外表活性劑與欲別離富集成分在 溶液中的存在狀態(tài)及所帶電荷的情況，當(dāng)外表活性劑處于等電點時，分子間的斥 力減小，溶解降低，有利于氣-液界面的吸附。同時，外表活性物質(zhì)在等電點的 外表活性增強，在溶液中表現(xiàn)出較好的發(fā)泡能力，有助

16、于料液的富集別離。6、溶液離子強度的影響。增大離子強度，可以改善料液在氣 -液界面處的吸 附，提高排液，增加泡沫的穩(wěn)定性，加大泡沫產(chǎn)量；可以強化別離過程，提高回 收率。同時增強離子濃度，會增加泡沫含水量，降低富集比。7、乙醇。在別離體系中可參加少量的乙醇，這樣可防止生成膠束，也可縮 小氣泡的體積，這樣可以提高別離效果。8、誘導(dǎo)時間。誘導(dǎo)時間過長，易形成大的粒子，建議不要誘導(dǎo)時間或短一 些。在開始就收集或浮選過程中逐步收集。9、燒結(jié)玻璃板的孔隙率及氣泡大小。它們和氣體流速密切相關(guān)。通常情況 下，產(chǎn)生小而均勻的氣泡較好，因為氣液界面增加。10、柱形及體積。柱的形狀、體積及結(jié)構(gòu)排布影響別離物的重現(xiàn)性

17、，從而 影響別離效率。七應(yīng)用1、對固體離子的別離。由于別離對象是帶有固體粒子的懸浮液、 膠體液，所以通過選擇適宜的捕獲 劑使礦物獲得疏水性，再參加適量起泡劑，采用空氣鼓泡，利用礦石粒子和脈石 粒子性質(zhì)上的差異，使脈石下沉，礦石隨氣泡浮出而得已別離。其最終產(chǎn)物是固 體粒子。近期，N.SHEHU，TianXueda和A.XEHIA對礦石浮選別離做了一定的研 究工作，這種方法在工業(yè)中應(yīng)用較廣，是比擬成熟的別離技術(shù)。2、對溶液中離子、分子的別離。別離對象是真溶液，是一種通過鼓泡將具有外表活性的物質(zhì)， 或不具有外表 活性但具有能與外表活性物質(zhì)相結(jié)合的物質(zhì)帶出，從而實現(xiàn)別離的方法。不具有 外表活性的物質(zhì)可

18、以以離子對或分子的形式被泡沫帶出。泡沫浮選別離法不僅對具有外表活性的物質(zhì)有效，對非外表活性的物質(zhì)也可能。只要復(fù)合物是疏水的。 因為泡沫存在雙電層結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)類似膠體，復(fù)合物就會被靜電力吸附在泡沫 上。待別離溶液與外表活性劑親水基團的親和受到溶劑水的水化作用及各種離子 干擾競爭作用的影響，只有能與外表活性劑有較強親合力的溶質(zhì)才能被較好地分 離。另外在引用文獻中報導(dǎo)了對聚乙烯醇、 聚丙烯二元醇等非離子型外表活性劑 的一些工作。3、對蛋白質(zhì)、細胞等生物產(chǎn)品的別離。這項工作最早開展于1937年。Ostwald和Sierh從馬鈴薯和甜菜汁中別離蛋 白，隨后的幾十年人們開展了許多工作。對生物物質(zhì)的別離與礦石

19、、離子、分子 有很大的差異，生物物質(zhì)如細胞等受培養(yǎng)基成份及外界條件影響很大，同種細 胞在不同培養(yǎng)條件下，浮選條件和效率也不一樣。浮選效率受靜電力的影響很大。而這種力又受細胞和氣泡的Z電位控制， 當(dāng)顆粒和氣泡的Z電位最小時，浮選有 最咼效率。礦物浮選在泡沫浮選中是最成熟的技術(shù)。 礦物顆粒自身外表具有疏水性或經(jīng) 浮選藥劑作用產(chǎn)生或增強疏水性。疏水就是親油和親氣體，可在液、氣或水一油 的界面發(fā)生聚集。礦物浮選是利用礦石粒子與外表活性物質(zhì)相互作用，經(jīng)過一系 列工藝處理后，密度大的礦物顆粒能與氣泡和浮選劑親合而被浮于浮選機的礦液 外表，用泡沫使礦石粒子上升，脈石粒子下沉，從而到達得以別離富集礦石的目 的

20、，是用于礦石粒子與脈石粒子的一種別離過程。在浮選前，首先將礦石粉碎至一定大小，以利于隨氣泡漂浮，加水制成礦漿， 再加人浮選劑，攪拌或通人空氣，形成泡沫進行浮選。大多數(shù)天然礦物的外表是 親水的，易為水所潤濕。因而，必須加人外表活性劑作為捕集劑和起泡劑。有時 還加人外表活性劑作為調(diào)節(jié)劑，對捕集劑起促進或抑制作用，以到達對混合礦物 作選擇性浮選的目的。外表活性劑可以選擇性地改變礦物的疏水性， 從而使浮選 幾乎可用于所有的礦石，同時它又有利于礦漿形成泡沫。泡沫浮選至今仍是大多 數(shù)礦物的分選的一種最有效的技術(shù)。1、在非極性非金屬礦物浮選中的應(yīng)用該類礦石主要有石墨、滑石、高嶺土和煤等，具有非極性外表，自然

21、疏水性 強，密度小，硬度低，可浮性好，選用非極性油類作為捕收劑。以石墨浮選為例，石墨浮選時選用煤油或柴油作為捕收劑， 松油作為起泡劑，采 用多段磨選流程。如圖 3，為兩段精礦再磨再選流程。2、在多金屬硫化礦浮選中的應(yīng)用金屬硫化礦主要是銅、鉛、鋅等和硫的共生礦，以銅-鉛-鋅-硫礦為例，采用 混合浮選流程，先將幾種有用礦物一起浮出得到精礦后再對混合精礦進行別離。 如圖4所示，為銅-鉛-鋅-硫礦混合浮選流程圖。3、在有色金屬氧化礦浮選中的應(yīng)用有色金屬氧化礦的主要礦物油氧化銅、氧化鋅以及氧化鉛，該類型的礦物組 成復(fù)雜，細磨時易泥化。以氧化鉛礦物為例，采用硫化浮選法，選用硫化鈉為硫化劑，經(jīng)硫 化后用黃藥作為捕收劑，硫化前經(jīng)脫水處理脫出粘土、氫氧化鐵等物質(zhì)。4、在氧化物及硅酸鹽礦物浮選中的應(yīng)用這類礦物含鐵高，具有很強的親水性，不能被硫化。以弱磁性鐵的氧化物和 氫氧化物礦石為例，工業(yè)浮選方案有：陰離子捕收劑正浮選方案，即在打介質(zhì)中 以脂肪酸及皂類