泡沫吸附分离.ppt

第5章 泡沫吸附分离,本章目的及要求：（1）了解泡沫吸附分离法的分类及其特点；（2）搞清物理吸附与化学吸附的区别；（3）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；（4）了解浮选药剂的结构与性能。,重点和难点：重点：（1）泡沫吸附分离法的原理及其特点（2）吸附等温线；离子浮选；溶剂浮选难点：吸附等温线及表面活性剂的结构特点与作用,表面活性剂是一类具有双亲性结构的有机化合物。,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；但习惯上只将显著降低表面张力的这类化合物称为表面活性剂。,表面活性剂知识介绍（补充）,1970年 世界表面活性剂产量 320万吨1996年 世界表面活性剂产量 1000多万吨,其中 50%用于纤维工业 20%用于洗涤剂工业 其余 用于其它行业,应用特点：用量小，收效大。,“工业味精”,表面活性剂结构特点和分类,表面活性剂结构特点 表面活性剂分类,1、表面活性剂结构特点,非极性基团。,表面活性剂由结构上不对称的 两部分组成，为双亲化合物。,亲水基:,亲油基:,极性基团。,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。,易溶于水，具有亲水性质。,易溶于油，具有亲油性质。,(憎水基),2、表面活性剂分类,按亲水基团的结构分类,离子型,阴离子,阳离子,两性,如 肥皂、磺化油、,如 烷基三甲基氯化铵,如 十二烷基氨基丙酸钠,非离子型,平平加、OP等,特种表面活性剂,氟碳表面活性剂、硅表面活性剂,烷基二甲基甜菜碱性,(1)阴离子表面活性剂,肥皂,硬脂酸钠 CH3(CH2)16COONa,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 中性或碱性。,主要成分:,+3NaOH,+3C17H35COONa,制造肥皂的反应式,油脂,碱,甘油,肥皂,缺点:,不能在硬水中使用,金属皂,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。,磺化油,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磺化油。,结构:,R-SO3-Na+,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，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。,C12H25C6H5SO3Na,LAS,结构式:,简 写:,优 点:,磷酸酯盐,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。,通过调节 HLB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。,a 烷基醚磷酸酯,b 烷基磷酸酯,(2)阳离子表面活性剂,氨 伯胺 仲胺 叔胺 季胺盐,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，主要是季胺盐。,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 酸性。,纤维、毛发、合成树脂的柔软剂、抗静电剂 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,溶于水,+Cl-,优点：,柔软性好、抗静电、杀菌力强等,应用：,(3)两性表面活性剂,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，在酸性溶液中呈阳离子活性，在中性溶液中呈两性活性。,a 氨基酸型：,羧酸盐型,阳离子由仲胺盐构成,如十二烷基氨基丙酸钠 C12H25NHCH2CH2COO-Na+,两性表面活性剂的类型：,(强 酸 性),易溶于水，呈碱性,C12H25NH(CH2)2COO-Na+,C12H25NH(CH2)2COOH+NaCl,HCl,有沉淀生成,HCl,(弱 酸 性),沉淀溶解,烷基二甲基甜菜碱性,在水中溶解性好，任何pH都适合，渗透力和抗静电性比氨基酸型好。,b 甜菜碱型：,磺酸盐型,阳离子由季胺盐构成,(4)非离子表面活性剂,如聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂,非离子表面活性剂分子中含有聚氧乙烯基或羟基，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。,无水时,有水时,升高温度，氢键断裂，水分子脱落，导致亲水性下降而不溶于水。,缺点:,升高温度，表面活性剂溶液由清晰变浑浊时的温度为浊点。,浊点：,脂肪醇聚氧乙烯醚(商品名平平加)、烷基酚聚氧乙烯醚(商品名 OP)、吐温系列产品(如吐温80)、6501净洗剂 C11H23CON(CH2CH2OH)2 都是常用的非离子表面活性剂。,(5)特种表面活性剂,氟碳表面活性剂,氟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。,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。,special surfactant,硅表面活性剂,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。,能极好地降低水的表面张力,且耐腐蚀、耐高温、无毒性。主要用作泡沫稳定剂、消泡剂、纺织物柔软剂和整理剂、原油破乳剂及防蜡剂以及各种润滑脱模剂等。,优点：,硅系产品降低表面张力值高于氟系产品，平滑性能也很好,表面活性剂的基本性质,表面张力 临界胶束浓度(CMC)胶束增溶,1、表面张力,气 相,表面层,液 相,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。,比表面吉布斯函数是系统单位表面积的吉布斯函数变，即表面张力(单位 N/m)。,比表面吉布斯函数,表面功：,表面张力与物质的组成、所处温度压力以及共存相 的性质有关。,dS=dG=dG/dS,表面张力就是 表面分子作用于单位长度上的收缩力。,2、临界胶束浓度(CMC),(1)定义,a极稀溶液,b稀溶液,cCMC的溶液,d 大于 CMC的溶液,表面活性剂在溶液中形成胶束的最低浓度。,临界胶束浓度(CMC):,CMC 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生改变。,表面活性剂浓度稍大于CMC时，才能充分发挥其表面活性作用。,CMC值 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非电解质无关。,(2)CMC值,表面活性剂的分子结构,离子型表面活性剂的CMC决定于亲油基(憎水基)的长短，一般碳原子数越大，CMC越小。但亲油基中若引入双键或支链，则使CMC变大。,非离子型表面活性剂的CMC主要由亲水基的种类决定，如聚氧乙烯链增长,CMC变大。,表面活性剂随着无机盐类强电解质的加入而使CMC值降低。,无机盐类强电解质的影响,3、胶束增溶,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，这种现象称为增溶。此有机物质叫被增溶物质。,（1）增溶,（2）原因,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。,（3）增溶量,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。,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。,强烈振荡,油,水,水包油型(O/W),油包水型(W/O),5.1 泡沫吸附分离技术的分类,5.2 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，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。,图5.3 间歇式分离塔,图5.4 连续式分离塔,5.3 特点及应用,优点:(1)能在很低的浓度下十分有效地去除表面活性物质;(2)在表面活性剂的存在下,可以有效地去除非表面活性物质如金属离子等;(3)当全塔都具有稳定的泡沫时,可利用回流尽可能增加单塔的分离能力;(4)设备和操作十分简单,能耗低.,局限性:(1)当溶液中表面活性物质的浓度在临界浓度以上时,泡沫分离塔虽然获得稳定的泡沫层,但分离效率低;(2)在临界胶束浓度以下,难以维持稳定的泡沫层;(3)当用于去除富集质时,除去的总量和表面活性剂的用量往往呈化学计量关系,而后者都是高分子物质,消耗量较大,也会产生回收问题;(4)在泡沫分离设备的设计和操作中,塔中的返混严重影响分离的效率,尤其是泡沫层不稳定的系统,只能实测,难以预测.,5.4 湿法冶金中的矿石浮选,5.4.1 物理吸附和化学吸附物理吸附:以分子间作用力为主化学吸附:以化学键力为主,物理吸附与化学吸附的区别:(1)吸附热(2)选择性(3)活化能(4)可逆性(5)吸附层,5.4.2 液气界面的吸附,图5.5起泡剂分子在液气界面的排列(a)浓度很小；（b）浓度中等；（c）浓度很大,图5.6 吉布斯吸附等温线,吉布斯吸附等温方程：,关键是求出d/dc！,在温度不高时，与c的关系可用希士可夫斯基经验公式表示：,当浓度达到饱和即c很大时，则1+bc=bc，则,5.4.3 解吸功,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。,解吸功的计算：,5.4.4 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。,Langmuir单分子层吸附理论：,5.4.5 浮选剂吸附方程式,Freundlich吸附等温方程：吸附量 ac1/n,5.4.6 矿物表面吸附类型,（1）与晶格同名离子的吸附,有时称“定位离子”的吸附；（2）表面上的晶格离子与溶液中的离子交换吸附；（3）原吸附的配衡离与溶液离子的二次交换吸附；（4）分子吸附（5）活性吸附（6）胶粒吸附,5.5 浮选药剂,5.5.1 浮选药剂的分类,请看表5.2浮选剂的分类,5.5.2 浮选药剂的结构与性能,（1）临界胶束浓度的概念及算法,lgCMC=A nBA与极性基性质有关的常数；B与非极性性质及温度有关的常数；n非极性基为直链烷基时-CH2-的数目,（2）CMC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；极性基在烃链的位置；非极性剂中有苯环；不饱和度对CMC的影响,（3）CMC算法在推测药剂浮选方面的应用,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性基比例较大，表示其捕收性较强，有可能作为捕收剂使用；CMC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；当CMC处于一中间值时，则可能成为起泡剂。估计药剂的用量范围 半胶束浓度HMC？CDC？分析两种基团的配比关系,5.6 浮选分离在分析化学中的应用,5.6.1 表面活性剂在气液界面吸附的规律,5.6.2 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？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,5.6.3 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。,表5.9 离子浮选法的应用,5.6.4 溶剂浮选,在沉淀或共沉淀浮选或离子浮选的过程中，结果有一薄层不能混合的液体铺在水面上，则该过程称为溶剂浮选。当来自水溶液的气泡经过该薄层有机相时，表面活性剂或表面活性物质可能从气泡上解吸下来，或气泡破裂，表面活性物质就捕集在有机相中。,表5.10 溶剂浮选的分离富集应用,本 章 结 束,谢 谢,本章作业：P.116 思考题1、2、3、4、5,