泡沫分離技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

1、泡沫分離技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀摘 要:探討了泡沫分離技術(shù)的原理、 泡沫分離設(shè)備及泡沫分離技術(shù)的研究進(jìn)展。 泡沫分離 過程的性能受很多因素的影響,例如,進(jìn)料液濃度、氣泡尺寸、氣體流量、泡沫的排液、進(jìn) 料位置、聚并、溫度等。闡述了現(xiàn)有的幾種新技術(shù),如低重力條件操作、通過壓力梯度而提 高分離效率。此外,還簡要介紹了泡沫分離塔中傳質(zhì)單元數(shù)和傳質(zhì)單元高度的概念。關(guān)鍵詞:泡沫分離;表面活性劑;吸附,分離因子;聚并泡沫分離技術(shù) (Foam Fractionation,又稱泡沫吸附分離技術(shù) (Adsorptive bubble separation technique ,是 20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的一種新型分離技術(shù)。這種分

2、離技術(shù)最初用于礦物的浮選,后 來又被用于脫除廢水中的表面活性物質(zhì) (如表面活性劑、蛋白質(zhì)、酶等 和洗滌劑;或提取可 與表面活性劑絡(luò)合或鰲合在一起的物質(zhì), 如金屬離子; 也可作為一種濃縮過程, 對(duì)含有表面 活性劑的廢水進(jìn)行處理; 在生化制品領(lǐng)域中, 還可以通過泡沫分離技術(shù)進(jìn)行病毒分離以及蛋 白質(zhì)、酶的提煉。為統(tǒng)一泡沫分離的概念, 1967年 Karger 、 Grieves 等人共同建議把泡沫分 離技術(shù)方法按照圖 1分類圖 1 泡沫分離技術(shù)方法分類泡沫分離技術(shù)在工業(yè)中成功應(yīng)用的實(shí)例很多, 還有一些應(yīng)用尚處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。 目 前有關(guān)泡沫分離技術(shù), 很多學(xué)者從不同的角度對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了深入的研究

3、, 以期提高各種 泡沫分離技術(shù)及分離設(shè)備的效率, 并希望將這一技術(shù)大規(guī)模、 高效的應(yīng)用于工業(yè)中。 在本文 中,對(duì)泡沫分離技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和設(shè)備進(jìn)行了綜述和分析。1 泡沫分離技術(shù)的原理泡沫分離的過程是通過在液相底部通入某種氣體或使用某種裝置產(chǎn)生泡沫, 收集泡沫就 得到了某種產(chǎn)物的濃縮液。泡沫分離技術(shù)是根據(jù)表面吸附原理,基于溶液中溶質(zhì) (或顆粒 間 表面活性的差異, 表面活性強(qiáng)的物質(zhì)優(yōu)先吸附于分散相與連續(xù)相的界面處, 通過鼓泡使溶質(zhì) 選擇性的聚集在氣液界面并借助浮力上升至溶液主體上方形成泡沫層, 從而分離、 濃縮 溶質(zhì)或凈化液相主體的過程。表面活性劑具有親水的極性和憎水的非極性基團(tuán), 在溶液中可以選

4、擇性的吸附在氣 液界面上, 使表面活性物質(zhì)在表面相中的濃度高于主體相, 并使該溶液的表面張力急劇下降。 當(dāng)溶液中只存在一種表面活性劑, 且在一定的溫度下達(dá)到吸附平衡, 此時(shí), 氣液界面處 表面活性劑的吸附可以用 Gibbs 吸附等溫方程描述, 從理論上證實(shí)了表面活性劑在氣一液界 面上的富集作用。 當(dāng)溶液中表面活性劑很少, 溶液的表面張力與溶劑相似, 幾乎不發(fā)生吸附; 當(dāng)溶液濃度介于 a,b 之間時(shí), 溶液的表面張力隨溶液濃度的增加而降低, 從而可以實(shí)現(xiàn)分離; 當(dāng)溶液的濃度大于 b 時(shí),曲線的斜率接近 0,在這一范圍內(nèi),溶液的主體中形成一定形狀的 膠束 (micelle,此時(shí)溶液中表面活性劑的濃

5、度稱為臨界膠束濃度 (CMC。通常認(rèn)為理想的溶 液吸附發(fā)生在 a b 的范圍內(nèi)。很多研究都證明低濃度物質(zhì)的富集率比較大,因此泡沫分離 方法更適合于低濃度表面活性物質(zhì)的分離純化。 對(duì)于非表面活性物質(zhì), 可以在溶液中添加一 種合適的表面活性物質(zhì), 并且這種物質(zhì)可以與溶液中原有的溶質(zhì)結(jié)合在一起形成一種新的具有表面活性的溶質(zhì),吸附在氣泡表面上,從而使原有的溶質(zhì)從溶液中分離出來。泡沫分離必須具備兩個(gè)基本條件。 首先, 目標(biāo)溶質(zhì)是表面活性物質(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一液界面上; 其次, 富集質(zhì)在分離過程中借助 氣泡與液相主體分離, 并在塔頂富集。 因此, 它的傳質(zhì)過

6、程在鼓泡區(qū)中是在液相主體和氣泡 表面之間進(jìn)行, 在泡沫區(qū)中是在氣泡表面和間隙液之間進(jìn)行。 所以, 表面化學(xué)和泡沫本身的 結(jié)構(gòu)和特征是泡沫分離的基礎(chǔ)。泡沫分離方法有一系列優(yōu)點(diǎn)。它適合于對(duì)低濃度的產(chǎn)品進(jìn)行分離。如低濃度的酶溶液, 用常規(guī)的方法進(jìn)行沉淀是行不通的,如果使用泡沫法對(duì)產(chǎn)品先進(jìn)行濃縮, 就可以用沉淀法進(jìn)行提取。 它是根據(jù)分離物的表面活性而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分 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(jī)鹽或有機(jī)溶劑, 僅僅是有 一些動(dòng)力消耗,它的運(yùn)行成本一般要比其它方法低。2 泡沫分離技術(shù)的設(shè)備在間歇泡沫分離操作系統(tǒng)中,泡沫連續(xù)從設(shè)備中輸出,初始溶液中所含的發(fā)泡劑 (通常 為某種

7、表面活性劑 逐漸耗盡。設(shè)備的泡沫層中無料液引入,全塔近似為一個(gè)理論級(jí)。在連 續(xù)操作的泡沫分離設(shè)備中, 料液連續(xù)進(jìn)入泡沫分離塔中, 同時(shí), 泡沫相和殘留液相連續(xù)從塔 內(nèi)排出。為提高分離塔的分離效率, 目前常采用兩種模型:提餾模型和精餾模型。 在提餾模 型中, 料液從泡沫相中加人,料液在到達(dá)塔底之前先通過泡沫相, 實(shí)現(xiàn)部分分離。 在精餾模 型中,通過將部分泡沫的破沫液回流到塔頂,從而提高分離程度。很多學(xué)者對(duì)泡沫分離設(shè)備進(jìn)行了局部的改進(jìn)。 例如, 杜建新, 胡華等提出了一種新型的 泡沫分離設(shè)備, 即環(huán)流泡沫塔。 通過分析液相區(qū)的流體力學(xué)行為和實(shí)驗(yàn), 在理論和實(shí)踐上都 得到了較理想的結(jié)果。環(huán)流泡沫塔的

8、結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的氣升式環(huán)流反應(yīng)器,不同之處在于:裝有導(dǎo)流筒的液相區(qū)所占整塔高度的比例比較小, 且塔的頂端有引出泡沫的結(jié)構(gòu)。 與傳統(tǒng)的 用于泡沫分離的鼓泡塔相比, 環(huán)流泡沫塔的最大優(yōu)點(diǎn)在于:氣泡隨液體循環(huán)流動(dòng), 氣泡的平 均停留時(shí)間比鼓泡塔中長。 環(huán)流泡沫塔的上述特點(diǎn)保證了泡沫分離過程氣泡表面與液相間的 充分接觸和有效傳質(zhì)。 有關(guān)這種泡沫塔的流體力學(xué)行為和傳質(zhì)行為, 還可繼續(xù)加以考察, 以 發(fā)展高效的泡沫分離設(shè)備。3 泡沫分離技術(shù)的影響因素泡沫分離體系的影響因素很多, 其中包括系統(tǒng)的操作參數(shù),如氣體流速、回流比、 泡沫 高度、溫度等,溶液的性質(zhì),如 pH 值、溶液表面活性劑初始濃度、離子強(qiáng)度,以

9、及氣泡尺 寸等。在泡沫分離設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中,這些不同參數(shù)的相對(duì)重要性取決于具體的操作條件。 在這方面, 已經(jīng)有很多學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)各種參數(shù)的影響及影響程度進(jìn)行了深入研 究。 5,10,13,244 泡沫分離技術(shù)的展望泡沫分離技術(shù)是一種新型的分離技術(shù)。在化工,生化、醫(yī)藥、污水處理等領(lǐng)域,它的應(yīng)用和發(fā)展前景都十分廣闊。 因此, 對(duì)泡沫分離技術(shù)分離效率的影響因素及其影響程度的研究 就顯得十分重要。 此外, 分離設(shè)備的創(chuàng)新和改善對(duì)于泡沫分離技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用也起到了重 要作用。 為提高泡沫分離的效率, 改善泡沫分離設(shè)備的性能, 有關(guān)各種表面活性劑在氣一液 界面處發(fā)生分離的吸附機(jī)理以及吸附特性還有

10、待于繼續(xù)研究, 尤其是吸附動(dòng)力學(xué)、 以及表面 活性物質(zhì)混合物的競爭吸附。 有關(guān)吸附動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)行為, 目前還沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。 此外,由于吸附而引起的溶液粘度等物性的變化,也可能會(huì)影響到泡沫排液和泡沫穩(wěn)定性。 聚并對(duì)分離效率有顯著的作用, 所有會(huì)影響聚并的因素也應(yīng)加以研究。 單級(jí)、 半間歇及連續(xù) 操作的泡沫塔的分離能力已有較詳細(xì)的論述, 而多級(jí)逆流或錯(cuò)流模型還需進(jìn)一步考察。 有效 的泡沫分離和破沫模型的放大,對(duì)于多級(jí)泡沫塔的操作也是非常重要的。浮選機(jī)的工作原理:浮選機(jī) (礦用浮選機(jī) 由電動(dòng)機(jī)三角代傳動(dòng)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生離心 作用形成負(fù)壓, 一方面吸入充足的空氣與礦漿混合, 一方面攪拌礦漿

11、與藥物混合, 同時(shí)細(xì)化 泡沫,使礦物粘合泡沫之上,浮到礦漿面再形成礦化泡沫。調(diào)節(jié)閘板高度,控制液面,使有 用泡沫被刮板刮出。Flotation works: flotation machine (mine flotation driven by the motor driving the impeller triangle on behalf of the rotation, a centrifugal vacuum formed, on the one hand inhalation of sufficient air and slurry mixture, while stirring t

12、he slurry with drug mixture while thinning foam, foam adhesive to mineral above the float to the surface and then form a slurry bubble mineralization. Control gate height, control surface, making a useful foam was scraped scraperWhen the surfactant solution very little surface tension and solvent si

13、milar to the almost non-occurrence of adsorption; when the solution concentration is between a, b between, the surface tension increases with the lower concentration, which can achieve separation ; when the solution concentration is greater than b, the slope of the curve close to 0, in this context,

14、 the main solution in the shape of the micelle formation of some (micelle, then the solution of surfactant concentration called critical micelle concentration (CMC. Generally considered the ideal solution adsorption occurs in a b in the range.Many studies have proved that low concentration of materi

15、al enrichment rate is relatively large, so foam separation method is more suitable for low concentration of surfactant in the separation and purification.3. 1 進(jìn)料濃度 C 的影響由于進(jìn)料濃度變化可引起破沫相濃度的變化。 在一定的氣液比下, 若 進(jìn)料濃度太低, 形成的泡沫不穩(wěn)定, 易聚集并破碎而造成殘留液濃度 增高,分離效果下降。但如果進(jìn)水濃度過高,表面活性劑類廢水處理 系統(tǒng)的出水又難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng)進(jìn)料濃度較低時(shí), 隨進(jìn)料濃度增 加

16、, 表面活性分子由溶液主體向表面擴(kuò)散的推動(dòng)力增加, 表面過剩濃 度增大,相應(yīng)溶液的動(dòng)態(tài)表面張力降低,導(dǎo)致吸附量的增大;但當(dāng)進(jìn) 料濃度達(dá)到一定高度后, 繼續(xù)提高進(jìn)料濃度, 只能導(dǎo)致殘留液濃度殘 留液濃度的提高,分離因子急劇下降。過高的進(jìn)料濃度,還可能引起 氣泡尺寸的減小,氣泡含液量的增大,導(dǎo)致分離效率的降低。由此可 見,在泡沫分離操作中存在一個(gè)最優(yōu)的進(jìn)料濃度,在這個(gè)濃度下,設(shè) 備可以得到最大的分離效率。3. 2 氣泡尺寸的影響足夠的氣一液界面面積是泡沫分離的前提, 要確定氣一液相界面面積 就必須先確定泡沫氣泡的尺寸和分布。 從理論上來講, 小泡沫比大泡 沫具有更多的優(yōu)勢 。因?yàn)樾∨菽纳仙俣嚷?/p>

17、,有利于促進(jìn)蛋白質(zhì) 的吸附; 小泡沫的夾帶能力比大泡沫強(qiáng)。 小泡沫攜帶的液體量和表面 積都較大,一般而言,這有助于提高分離率和回收率,但不利于提高 富集率。隨著氣泡尺寸的變大,泡沫的含液量將減小,氣一液相界面 積也要減小, 也使得回收率下降。 於兵等人在已建立的光電毛細(xì)探頭 技術(shù)測定氣泡尺寸分布及壓力校正方法的基礎(chǔ)上, 對(duì)專門影響氣泡尺 寸以及泡沫分離塔鼓泡區(qū)的氣含率進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究, 并給出了在所采用的實(shí)驗(yàn)條件下, 氣含率與進(jìn)料濃度和空塔氣速之間的定量關(guān) 系。3. 3 氣體流量的影響氣體流量是泡沫分離系統(tǒng)中一個(gè)重要參數(shù), 對(duì)分離效率的高低起著重 要作用。氣體流量的提高, 可以增大界面面積

18、,從而有利于溶質(zhì)的分 離。但是,低氣體流量可以獲得更高的分離因子,因?yàn)檩^小的氣速可 以降低泡沫的含液量,而且氣速過高,產(chǎn)生泡沫的量就會(huì)增加,因而 泡沫在分離設(shè)備中的停留時(shí)間就會(huì)減少, 停留時(shí)間減少導(dǎo)致泡沫中要 分離表面活性劑的濃度下降。當(dāng)然,為了保持一個(gè)必要的泡沫高度, 泡沫分離塔操作時(shí)氣體流量不能低于一個(gè)臨界值。 值得注意的是, 蛋 白質(zhì)在泡沫表面吸附的時(shí)候,蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)往往發(fā)生一些改變, 如果要分離的蛋白質(zhì)是一種酪或其它生物活性蛋白的話, 就必須要考 慮到這一點(diǎn), 盡管適當(dāng)降低氣速可以增加蛋白質(zhì)的富集率, 但蛋白質(zhì) 在氣液界面吸附時(shí)間的延長必然也會(huì)延長蛋白質(zhì)所受變性因素的影 響。3.

19、4 泡沫排液的影響泡沫含液量對(duì)于分離因子的影響顯而易見。 泡沫是由相鄰的不規(guī)則十 二面體氣泡組成的,相鄰氣泡面之間形成液膜,每 3個(gè)液膜以一定的 角度 (117120之間 相交, 構(gòu)成一個(gè)液體通道, 即 Plateau 邊界。 液膜 與 Plateau 邊界之間液體流動(dòng)的推動(dòng)力主要來自不同的氣一液表面曲 率所產(chǎn)生的毛細(xì)壓差; 而 Plateau 邊界之間的液體流動(dòng)則主要由重力決 定。 泡沫分離塔的逆流泡沫區(qū)中, 總含液量由隨泡沫相上升的液體和Plateau邊界中下降的含液量兩部分組成。 泡沫塔中分離現(xiàn)象主要是由 于上升的氣泡的表面與氣泡間隙中下降的液體之間不斷進(jìn)行著質(zhì)量 傳遞，而且不論泡沫分離

20、設(shè)備是否具有外部回流裝置，由于重力和表 面力而產(chǎn)生的間隙液體的流動(dòng)都將起到內(nèi)部回流的作用， 從而實(shí)現(xiàn)分 離。所以，泡沫排液狀況對(duì)于泡沫分離設(shè)備的效率是非常重要的。同 時(shí)，間隙液體的排放還可以減少破沫液中所含主體溶液的量，從而提 高分離塔的效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示提高泡沫的高度，或改進(jìn)排液裝置， 從而促進(jìn)泡沫排液，得到更“干”的泡沫相，將有利于提高泡沫分離 塔的效率。關(guān)于泡沫排液模型，於兵等人根據(jù)Hass和Johnson的經(jīng)驗(yàn) 排液模型以及Leonard和Lemlieh的理論排液模型，提出了如下排液模 型L19 3： 35 溫度的影響 若具有表面活性的化合物在不同的溫度下具有不同的泡沫穩(wěn)定性， 在 分離設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，溫度就應(yīng)被作為一個(gè)操作變量考慮。此外， 溶液溫度的升高，溶液的動(dòng)態(tài)表面張力將隨之減小。這一現(xiàn)象可能是 因?yàn)闇囟鹊纳邔?dǎo)致了表面活性劑溶液粘度的降低，減小了擴(kuò)散阻 力，使吸附阻力降低；另一方面，也可能是因?yàn)闇囟鹊纳呤刮狡?衡常數(shù)k增加，吸附阻力降低，吸附量增大。這兩方面的因素都可以 提高泡沫分離設(shè)備的效率。 Uraizee等人的實(shí)驗(yàn)也證明溫度的升高可以 提高泡沫相中蛋白質(zhì)的濃度，從而提高分離效率。 36 pH值的影響 通常溶液中的表面活性物質(zhì)是一種兩性電解質(zhì)，當(dāng)處于等電點(diǎn)時(shí)，分 子所帶的電荷為零，此時(shí)，分子表現(xiàn)