《泡沫分离》PPT课件.ppt

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1、1,第6讲 泡沫分离,泡沫分离(Foam Separation)又称泡沫吸附分离(Foam Separation Adsorbent)技术，早在1915年就开始应用于矿物浮选，但是对离子、分子、胶体及沉淀的泡沫吸附分离是在20世纪50年代末才引起人们的兴趣与重视，并逐渐作为一种单元操作加以研究，首先是从溶液中回收金属离子的课题开始，前期研究了泡沫分离金属离子的可行性，然后建立了金属离子与表面活性剂离子之间相互作用的扩散双电层理论。20世纪60年代中期采用泡沫分离法脱除洗涤剂工厂排放的一级污水和二级污水中的表面活性剂直链烷基磺酸盐和苯磺酸盐获得成功。20世纪70年代进行了染料等有机物与废水泡沫分

2、离的实验研究，1977年开始有报道用阴离子表面活性剂,2,泡沫分离DNA、蛋白质及液体卵磷脂等生物活性物质。到目前为止，用泡沫分离法获得的蛋白质及酶有溶菌酶、白蛋白、促性腺激素、胃蛋白酶、凝乳酶、血红蛋白、过氧化氢酶、卵磷脂、淀粉酶、纤维素酶、D氨基酸氧化酶、苹果酸脱氢酶等等。随着工业的发展，特别是对环境保护的普通重视和资源综合利用的要求，泡沫分离的研究工作将不断扩大范围，其工业应用将越来越多。,3,2.泡沫分离法的分类,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,4,无泡沫分离是指用鼓泡进行分离，但不一定形成泡沫层，可分鼓泡分馏和溶媒浮选。鼓泡分离是从塔设备底部通气鼓

3、泡，表面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，液相主体被净化；溶媒浮选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气泡所吸附的表面活性物质。,5,泡沫分离按分离对象是溶液还是含有固体离子的悬浮液、胶体溶液而分成泡沫分馏(Foam Fractionation)和泡沫浮选(Foam Flotation)。泡沫分馏用于分离溶解物质，它们可以是表面活性剂加洗涤剂，也可以是不具有表面活性的物质如金属离子、阴离子、蛋白质、酶等，但它们必须具有和某一类型的表面活性剂结合的能力，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。由于它的操作和设计在许多方面可

4、与精馏相类比，所以称它为泡沫分馏。,泡沫浮选用于分离不溶解的物质，按照被分离对象是分子还是胶体，是大颗粒还是小颗粒等等，又可分为:1 矿物浮选，用于矿石和脉石离子的分离；2 粗粒浮选和微粒浮选，常用于共生矿中单质的分离，前者粒子直径大致110mm内，后者的粒子直径为1m 1mm，处理的对象为胶体、高分子物质或矿浆；,6,7,3 粒子浮选和分子浮选，用于分离非表面活性粒子或分子，需要向体系中加入浮选捕集剂与被分离组分形成难溶或不溶物，然后以浮渣形式将其脱除；4 沉淀浮选，首先利用改变溶液的pH值或加入某种絮凝剂等方法，使需脱除的粒子形成沉淀，再利用浮选法将沉淀脱除；5 吸附胶体浮选，是以胶体粒子

5、作为捕集剂，选择性吸附所需的溶质，再用浮选法除去。泡沫分离技术除了在选矿方面比较成熟外。在其他方面尚属开发阶段，命名和分类尚不完善，但由上所述，可以对泡沫分离技术有大体的了解。,8,3.泡沫分离技术的基本原理,泡沫分离过程是利用待分离物质本身具有表面活性(如表面活性剂)或能与表面活性剂通过化学的、物理的力结合在一起(如金属离子、有机化合物、蛋白质和酶等)，在鼓泡塔中被吸附在气泡表面，得以富集，藉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。可见它的分离作用主要取决于组分在气液界面上吸附的选择性和程度，其本质是各种物质在溶液中表面活性的差异。,3.1 表面活性剂及其界面特性点,表面

6、活性剂溶入溶液后表现出两个基本性质：1 水溶液中溶解行为是很快地聚集在水面并形成亲水基团在水中，亲油基伸向气相的定向单分子排列，使空气和水的接触面减小，从,9,而使表面张力急剧下降，同时，多余的分子则在溶液内部形成分子状态的聚集体胶束，并分布在液相主体内；2 超过表面活性剂形成胶束的最低浓度后，溶液表面张力不再降低,但在相界面上，由于上述定向排列的单分子层的作用，具有选择性的定向吸附作用，会显著地改变原溶液的界面的性质，造成各种界面作用，泡沫分离就是充分利用表面活性剂的界面作用发展起来的一种新型的分离方法。,10,3.2 Gibbs(吉布斯)等温吸附方程,为吸附溶质的表面过剩量，即单位面积上吸

7、附溶质的摩尔数与主体溶液浓度之差,对于稀溶液即为溶质的表面浓度，可通过(溶液的表面张力)与浓度c(溶质在主体溶液中的平衡浓度)来求得；/c为吸附分配因子。如果溶液中含离子型表面活性剂，则,11,n为与离子型表面活性剂的类型有关的常数。例如为完全电离的电解质类型n2；在电解质类型溶液中还添加过量无机盐时n1。,溶液中表面活性剂浓度c和表面过剩量的相互关系可用右图表示。在b点之前，随着溶液中表面活性剂浓度c增加，成直线增加：,=Kc,b点后溶液饱和，多余的表面活,性剂分子开始在溶液内部形成“胶束”，b点的浓度称为临界浓度(CMC)，此值一般为0.010.02mol/L左右，分离最好在低于CMC下进

8、行。对于非离子型表面活性剂，上图曲线更接近于Langmuir等温方程：,12,3.3 泡沫的形成与性质泡沫的形成和组成部分 泡沫是由被极薄的液膜所隔开的许多气泡所组成的，当气体在含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。在此瞬时，溶液中表面活性剂分子立即在气泡表面排成单分于膜，亲油基指向气泡内部，亲水基指向溶液，该气泡会借浮力上升冲击溶液表面的单分子膜。在某种情况下，气泡也可从表面跳出。此时，在该气泡表面的水膜外层上，形成与上述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集合体，更

9、多的集合体集聚在一起形成泡沫。,=K/K,13,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，二是泡与泡之间以少量液体构成的隔膜(液膜)是泡沫的骨架。,泡沫的稳定及层内排液 泡沫不是很稳定的体系，气泡与气泡之间仅以薄膜隔开，此隔膜也会因彼此压力不均或间隙液的流失等原因而发生破裂，导致气泡间,14,的合并现象，或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，导致大气泡变大，小气泡变小，以至消失。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、压力、溶液pH值有关。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。,典型的三个气泡

10、集合体的结构见图，泡与泡之间壁为平面，三个泡的共同交界处形成有一定曲率半径的小三角形柱体，由于这个曲率半径，使液膜中位于平面内的液体所受的压力要比位于三角柱体壁内的液体所受压力高很多，这一压力梯度会导致液膜中液体由膜向小三角柱体流动，从而使平壁逐渐变薄，最后在阻力的平衡下，膜达到一定的厚度。当膜间夹角为120时，压力差最小，泡沫稳定。,15,若是三个以上，如四个气泡聚集在一起时，见图，最初可能形成十字形或其他结构，但它是不稳定的，在相邻气泡间的微小压力差作用下，膜会滑动，直至转变成上述的三泡结构的稳定形式。这也是泡沫层内排液的主要原因。,16,4.泡沫分离的操作方式及其影响因素,泡沫分离的操作

11、是由两个基本过程组成：1 待分离的溶质被吸附到气液界面上；2 对被泡沫吸附的物质进行收集并用化学、热或机械的方法破坏泡沫，将溶质提取出来。因此它的主要设备为泡沫塔和破沫器。,17,18,19,破沫可采用静止法、离心分离、声波、超声波、震动加热等方法。如果用加入表面活性剂来形成络合物的方法，在脱除非表面活性组分时，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不溶解的化合物，然后用过滤将其从溶液中分出，再生的表面活性剂可循环使用。,影响泡沫分离的主要因素,待分离物质的种类 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被气泡带到液面予以分离；另一种方法是把溶液调

12、节至适当的pH值，使待分离物质形成沉淀，并与表面活性剂一起被气泡带到泡沫层而分离。溶液pH值 溶液pH值对分离效果影响很大。溶液的pH值将决定各种无机粒子上电荷的符号和大小。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。,表面活性剂及辅助试剂 捕集剂的使用量并非越多越有效，因为过剩的捕集剂会与已形成的捕集剂-被脱除组分的络合物争夺有效气-液界面，而使分离效果下降。而且多余的捕集剂还可能在主体溶液中形成“胶束”，这些胶束也会吸附一定量的被脱离组分，从而使分离效果下降。例如用4十二烷基二乙撑三胺作表面活性剂脱除溶液中的汞离子时，汞的脱除率开始随表面活性剂浓度的增加而增加，到某一浓度

13、后，再增加表面活性剂的浓度，汞的脱除率反而下降。因此，表面活性剂的浓度不宜超过CMC，但也不能太低，使泡沫层不稳定。在泡沫分离技术中还经常使用各种辅助试剂来提高分离效率。这些辅助试剂的使用，有的是起凝絮作用，有的对捕集剂起活化作用。在泡沫分离中使用最普遍的凝絮剂是铝、三价铁盐和有机高分子电解质。例如从废水中脱除磷酸盐和悬浮的固体粒子时，就常使用这类凝絮剂来提高分离效率。,温度 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；其次，还要根据吸附平衡的类型来选择温度的高低。气流速度 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，但泡沫中间歇液的含量也上升，因而降低了塔顶泡沫液的浓

14、度。气流速度过大时，泡沫中气液分离则易形成乳化气体，对操作不利。,溶解物质的脱除，涉及它们在气液相之间的分布。随着气体流速的增加相界面也随之增加，因此单位时间内的脱除量就增加，但是低气速一般对分离和提高增浓比是有利的，不过这有个前提，即气速必须足以保持良好分离所需要的泡沫层高度，最佳气流速度决定于表面活性剂的浓度和泡沫的性质。,离子强度 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，这是由于相同电荷离子的竞争吸附引起的。泡沫排出的影响 当进行泡沫分离时，塔顶产物必须浓缩到体积尽可能的少。,泡沫分离的特点,泡沫分离的优点：A.能在很低的浓度（数量级在ppm 范围）下有效地除去表面活性

15、物质；B.可以除去同样浓度的非表面活性物质如金属离子等，但必须加入某种表面活性剂（作为捕集剂）和该富集质络合或螯合后，才能分离；C.当全塔都具有稳定的泡沫时，可利用回流尽可能增加单塔分离能力；D.可直接用于处理含有细胞或细胞碎片的料液；E.设备和操作十分简单，能耗低。,浮选剂,泡沫分离的局限性：,A.对高浓度的溶液分离效率较低；B.在实际操作中，塔内的返混现象经常发生，影响分离效果；C.对泡沫本身的结构研究少，它是一个非稳定体系，无法直接测量，许多泡沫的性质还不清楚。,5 泡沫分离的应用,泡沫分离技术的工业应用领域很广。20世纪初，最早用于金属矿石颗粒的分离回收。在环保工程中，可处理原子能工业

16、中含放射性元素如锶的废水；染料、制革、石油化工等工业污水中，可降低化学耗氧量（COD）、色素、有机化合物等；在其他工业废水中，也可富集各种金属离子包括铜、锌、铁、汞、银等；还可富集在海水中所含铜、锌、钼和铀。在医药和生物工程中，可用于分离蛋白质、酶以及活体中的金属含量的检验以及病毒的浓缩分离如脚气病和口腔病病毒等。,泡沫分离不失为一种应用很广、很有发展前途的新颖分离技术。,5.1 泡沫分离技术分离细胞,泡沫分离法可以从待分离基质中分离出全细胞。用月桂酸、硬脂酰胺或辛胺作为表面剂，对初始细胞浓度为7.2108 个/cm3 的大肠杆菌进行细胞分离，结果1min内能除去90%的细胞，10min即能除

17、去99%的细胞。此外，泡沫分离还可以用于酵母细胞、小球藻、衣藻等的分离,5.2分离富集蛋白质体系,5.2.1 分离糖蛋白质混合体系 从植物和微生物提取糖时会伴随着蛋白质，两者具有明显的表面活性差异，可用泡沫分离去除，操作简单，处理量大，不需外加任何有机溶剂大大降低工作负荷。5.2.2 分离蛋白质二元及多元体系 不同蛋白质的表面活性差异，及蛋白质在气液面的吸附松紧强度决定。,可用于从非纯制剂中分离磷酸酶，从链球菌培养液中分离链激酶，从粗的人体胚胎均浆中分离蛋白酶。成功分离出的蛋白质有：磷酸酶、链激酶、蛋白酶、血清白蛋白、溶菌酶、胃蛋白酶、尿素酶、过氧化氢酶、明胶、大豆蛋、酪蛋白、抗菌肽类等一系列

18、蛋白质。,5.2.3 蛋白-酶体系的分离,随着现代工业的发展,一种物质的分离往往需要几种分离方法才能达到分离的要求,泡沫分离常常与萃取、沉降、生化等方法共同应用于废水处理、染布等生产工艺中。近年来人们对泡沫分离模型等方面的研究,使这种方法的工业化又前进了一步。泡沫分离的模型已被成功应用于废水处理、庆大霉素的提取、低浓度磷酸三丁酯的回收、大豆蛋白质的分离等过程中。泡沫分离的另一主要缺点是表面活性物质大多是高分子化合物,消化量较大,有时也难以回收。泡沫塔内的返混严重影响分离的效率,溶液中的表面活性物质的浓度难以控制等等。最近有关泡沫分离模型的报导,只是针对具体的几个体系,还没有更为普遍的泡沫分离数学模型。另外,在影响泡沫分离的诸多因素中,气泡的类型对分离过程的影响,到目前为止还没有有关报导,有待于今后的进一步研究中。,33,