泡沫分離技術(shù)

1、泡沫分離技術(shù)主要內(nèi)容概述1原理2設(shè)備及流程3 應(yīng)用4展望51.概述 1915年用于礦物浮選； 50年代用于分離金屬離子的研究； 60年代采用泡沫分離法脫除洗滌劑工廠 污水中的表面活性劑獲得成功； 1977年報(bào)道泡沫分離法用于DNA、蛋白質(zhì) 及液體卵磷脂等生物活性物質(zhì)的分離。1.1 泡沫分離的發(fā)展1.概述1.2 定義 泡沫分離（Foam Separation）是以氣泡作分離介質(zhì)來(lái)濃集表面活性物質(zhì)的一種新型分離技術(shù)?？杀环蛛x的物質(zhì)： 本身具有表面活性的物質(zhì)，例如蛋白質(zhì)、酶 本身為非表面活性劑,但它們具備和某一類型的表面活性物質(zhì)絡(luò)合或螯合的能力,例如工業(yè)污水中的金屬離子。1.概述1.3 泡沫分離的分

2、類需要鼓泡，但不一定形成泡沫層1.概述1.3.1 非泡沫分離鼓泡分離法 從塔式設(shè)備底部鼓入氣體,所形成 的氣泡富集了溶液中的表面活性物質(zhì),并上 升至塔頂和液相主體分離，液相主體得以 凈化,溶質(zhì)得以濃縮。溶劑消去法 將一種與溶液不相互溶的溶劑置 于溶液的頂部,用來(lái)萃取或富集溶液內(nèi)的表 面活性物質(zhì)。該表面活性物質(zhì)藉容器底部 所設(shè)置的鼓泡裝置中所鼓出的氣泡吸附作 用帶到溶劑層。1.概述1.3.2 泡沫分離泡沫分離法 用于分離溶解的物質(zhì)，它們可以 是表面活性劑，或者可與表面活性劑結(jié)合 的物質(zhì)，當(dāng)料液鼓泡時(shí)能進(jìn)入液層上方的 泡沫層而與液相主體分離。泡沫浮選法 用于分離不溶解的物質(zhì)，按照被 分離對(duì)象是分子

3、還是膠體，是大顆粒還是 小顆粒等，又可分為礦物浮選、粗粒浮選、 微粒浮選、粒子浮選、分子浮選、沉淀浮 選和吸附膠體浮選。2.原理 泡沫分離是根據(jù)表面吸附原理，借助鼓泡使溶液中的表面活性物質(zhì)聚集在氣-液界面，隨氣泡上浮至溶液主體上方，形成泡沫層，將泡沫和液相主體分開(kāi)，從而達(dá)到濃縮表面活性物質(zhì)（在泡沫層），凈化液相主體的目的。2.原理泡沫分離必須具備兩個(gè)基本條件 所需分離的溶質(zhì)應(yīng)該是表面活性物質(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-液界面上。 富集質(zhì)在分離過(guò)程中借助氣泡與液相主體分離，并在塔頂富集。 它的傳質(zhì)過(guò)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

4、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)。2.原理（1）表面活性劑及其界面特性 在水溶液中的溶解行為是很快地聚集在水面, 使空氣和水的接觸面減少,從而使表面張力按比例急劇下降。 超過(guò)臨界膠束濃度后, 溶液表面張力不再降低。2.1 表面化學(xué)2.原理（2）Gibbs(吉布斯)等溫吸附方程為吸附溶質(zhì)的表面過(guò)剩量，即單位面積上吸附溶質(zhì)的摩爾數(shù)與主體溶液濃度之差,對(duì)于稀溶液即為溶質(zhì)的表面濃度/c為吸附分配因子2.原理如果溶液中含離子型表面活性劑，則有：n為與離子型表面活性劑的類型有關(guān)的常數(shù)。例如：為完全電離的電解質(zhì)類型n2；在電解質(zhì)類型溶液中還添加過(guò)量無(wú)機(jī)鹽時(shí)n1。2.原理

5、 溶液中表面活性劑濃度c和表面過(guò)剩量的相互關(guān)系可用右圖表示。在b點(diǎn)之前，隨著溶液中表面活性劑濃度c增加，成直線增加，可表示為：=Kc=Kc b點(diǎn)后溶液飽和，多余的表面活性劑分子開(kāi)始在溶液內(nèi)部形成“膠束”，b點(diǎn)的濃度稱為臨界膠束濃度(CMC)，此值一般為0.010.02mol/L左右，分離最好在低于CMC下進(jìn)行。2.原理2.2.1 泡沫的形成 泡沫是由被極薄的液膜所隔開(kāi)的許多氣泡組成的。泡沫的形成主要有兩個(gè)方式： 氣體通過(guò)連續(xù)相-液體時(shí)，采用攪打或通過(guò)細(xì)孔鼓泡的方法被分散，形成泡沫。 氣體先以分子或離子的形式溶解于溶體中，然后設(shè)法使這些溶解的氣體從液體中析出而形成大量的泡沫。2.2 泡沫本身的結(jié)

6、構(gòu)和特征2.原理氣泡一旦在溶液中氣泡一旦在溶液中形成，溶液中的表形成，溶液中的表面活性劑分子即在面活性劑分子即在氣泡表面形成如圖氣泡表面形成如圖所示的單分子層。所示的單分子層。氣泡借助浮力上升，氣泡借助浮力上升，沖擊溶液表面的單沖擊溶液表面的單分子膜。分子膜。某些情況下，氣泡可以跳出液體表面，此時(shí)，該氣泡表面的水膜外層上，形某些情況下，氣泡可以跳出液體表面，此時(shí)，該氣泡表面的水膜外層上，形成與液體內(nèi)部單分子膜的分子排列完全相反的單分子膜，從而構(gòu)成了較為穩(wěn)成與液體內(nèi)部單分子膜的分子排列完全相反的單分子膜，從而構(gòu)成了較為穩(wěn)定的雙分子層氣泡體，在氣相空間形成接近于球體的單個(gè)氣泡。定的雙分子層氣泡體，

7、在氣相空間形成接近于球體的單個(gè)氣泡。許多氣泡聚集成大小不同的球狀氣泡集合體，更多的集合體聚集在一許多氣泡聚集成大小不同的球狀氣泡集合體，更多的集合體聚集在一起形成泡沫層。起形成泡沫層。 形成泡沫的氣泡集合體包括兩個(gè)部分：一是泡，形成泡沫的氣泡集合體包括兩個(gè)部分：一是泡，兩個(gè)或兩兩個(gè)或兩 個(gè)以上的氣泡；二是泡與泡之個(gè)以上的氣泡；二是泡與泡之間以及少量液體構(gòu)間以及少量液體構(gòu) 成的成的隔膜（液膜），是泡沫的骨架。隔膜（液膜），是泡沫的骨架。2.原理 組分的化學(xué)性質(zhì)和濃度 一般來(lái)說(shuō)，無(wú)機(jī)化合物水溶液中的泡沫穩(wěn)定性比許多醇、有機(jī)酸、堿或鹽的水溶液的穩(wěn)定性差。在臨界膠束濃度所形成的泡沫最穩(wěn)定。 溫度 泡沫

8、的穩(wěn)定性一般隨溫度上升而下降。這主要是由于隨著溫度的上升，氣泡內(nèi)氣體的壓力增加，形成氣泡的液膜粘度下降。 氣泡的大小 小的氣泡具有較長(zhǎng)的壽命。表面積大的膜穩(wěn)定性比表面積小的膜穩(wěn)定性小。2.2.2 影響氣泡穩(wěn)定性的因素3.設(shè)備及流程泡沫分離的操作是由兩個(gè)基本過(guò)程組成：1）待分離的溶質(zhì)被吸附到氣液界面上2）對(duì)被泡沫吸附的物質(zhì)進(jìn)行收集并用化學(xué)、熱或機(jī)械的方法破壞泡沫，將溶質(zhì)提取出來(lái)。因此它的主要設(shè)備為泡沫塔和破沫器。3.1 泡沫分離的操作方式3.設(shè)備及流程3.設(shè)備及流程蛋白質(zhì)分離器3.設(shè)備及流程3.2 評(píng)價(jià)泡沫分離程度的指標(biāo)分配因子：/X = 吸附溶質(zhì)在表面的濃度吸附溶質(zhì)在主體溶液中的平衡濃度脫除率

9、：脫除率 = 原料中金屬離子（其他組分）的濃度它在殘液中的濃度增濃比：增濃比 =泡沫中被吸附物質(zhì)的濃度主體溶液的濃度體積比：體積比 =原料液的體積泡沫液的體積泡沫分離中可能達(dá)到的最大分離程度殘液的脫除程度塔頂產(chǎn)品的增濃程度一般希望泡沫體積比盡可能小3.設(shè)備及流程3.3 影響泡沫分離的因素操作參數(shù)溶液體系性質(zhì)分離設(shè)備3.設(shè)備及流程3.3.1.1 氣流速度的影響 一般而言，增加氣流速度可以縮短分離時(shí)間，降低分離后溶液的濃度，提高回收率，但同時(shí)會(huì)增加泡沫中液體的含量，降低富集比，所以應(yīng)根據(jù)不同需要調(diào)節(jié)氣流速度。 根據(jù)不同的需要，選擇適當(dāng)?shù)臍馑?；要得到比較干燥的泡沫相，可以在低氣速下操作，若要得到液相

10、中較多的組分，可以進(jìn)行高氣速操作；還可以選擇變氣速操作，即先低氣速操作，后高氣速操作，這樣有助于分離因子和回收率的提高。3.3.1 操作參數(shù)3.設(shè)備及流程3.3.1.2 泡沫區(qū)高度的影響 隨泡沫區(qū)高度的增加，泡沫停留時(shí)間延長(zhǎng)，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，泡沫就越干燥，所以富集比增大，但表面活性物質(zhì)的回收率降低。3.3.1.3 液相高度的影響 對(duì)部分物質(zhì)有影響，液體高度增大，泡沫在液體中的停留時(shí)間變長(zhǎng)，富集比增大。3.3.1.4 溫度的影響 升高液體溫度，泡沫產(chǎn)生的數(shù)量將會(huì)增加，泡沫含水率降低，富集比增大。 3.設(shè)備及流程3.3.2.1 進(jìn)料濃度的影響 在進(jìn)料濃

11、度很低時(shí)，提高溶液濃度，溶液富集比增大；但濃度升至一定程度時(shí)，再增加溶液濃度，殘留溶液濃度也增大，富集比就會(huì)降低，但回收率增加。3.3.2.2 溶液pH值的影響 溶液PH值對(duì)分離效果影響很大。 對(duì)于天然表面活性物質(zhì)，如蛋白質(zhì)的泡沫分離，在等電點(diǎn)時(shí)效率最高； 對(duì)于非表面活性物質(zhì)，可控制在某一PH下使其/c（吸附分配因子）最大，這樣可從離子混合物中分離個(gè)別離子。3.3.2 溶液體系性質(zhì)的影響3.設(shè)備及流程3.3.2.3 溶液離子強(qiáng)度的影響 很多泡沫體系對(duì)離子強(qiáng)度很敏感，離子強(qiáng)度增加，效率很快下降，這是由于相同電荷離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附引起的。3.3.2.4 表面活性劑的濃度 表面活性劑的濃度不宜超過(guò)CMC

12、，但也不能太低，使泡沫層不穩(wěn)定，太高使分離效率下降。3.設(shè)備及流程 采用環(huán)流泡沫塔和鼓泡塔兩種設(shè)備進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。 當(dāng)采用連續(xù)操作時(shí)，可使環(huán)流塔中的氣液環(huán)流始終處于最佳狀態(tài)，能夠得到良好的分離效果。 氣體分布器上的氣孔孔徑越小，產(chǎn)生的泡沫也就越小，泡沫含水量增加，降低了富集比，但產(chǎn)生的泡沫總體積增大，擴(kuò)大了表面活性劑的接觸面積，提高了回收率。因此，氣體分布器的孔徑越小，回收率越高。3.3.3 分離設(shè)備的影響4.應(yīng)用4.1 分離細(xì)胞4.2 分離固體粒子4.3 礦物浮選4.4 分離溶液中的離子、分子4.5 分離富集蛋白質(zhì)體系4.6 分離皂苷有效成分4.應(yīng)用 泡沫分離法可以從待分離基質(zhì)中分離出全細(xì)胞。

13、用月桂酸、硬脂酰胺或辛胺作為表而活性劑，對(duì)初始細(xì)胞濃度為7.2108 cfucm3的大腸桿菌進(jìn)行細(xì)胞分離，結(jié)果lmin內(nèi)能除去90的細(xì)胞，用10min的時(shí)間能除去99的細(xì)胞。此外，泡沫分離還可用于酵母細(xì)胞、小球藻、衣藻等的分離。4.1 分離細(xì)胞4.應(yīng)用4.2 分離固體粒子 由于分離的對(duì)象是含有固體粒子的懸浮液，可以加入合適的表面活性劑，捕收固體顆粒，使它們獲得疏水性。然后再加入適當(dāng)起泡劑，利用空氣鼓泡，根據(jù)礦石粒子和脈石粒子性質(zhì)的差異，使脈石下沉，礦石隨氣泡上浮，從而達(dá)到分離目的。這種技術(shù)較為成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。 4.應(yīng)用4.3 礦物浮選 大多數(shù)天然礦物的表面是親水的，易為水所潤(rùn)濕

14、。因而，必須加入表面活性劑作為捕收劑和起泡劑。有時(shí)還加入表面活性劑作為調(diào)節(jié)劑，對(duì)捕收劑起促進(jìn)或抑制作用，以達(dá)到對(duì)混合礦物作選擇性浮選的目的。表面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(shí)它又有利于礦漿形成泡沫，以作為浮選的分離手段。泡沫浮選至今仍是大多數(shù)礦物的分選和煤凈化的一種最有效的技術(shù)。泡沫浮選最古老、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域是礦物浮選。浮選前處理：礦石 礦漿 泡沫和礦漿 粉碎加水加浮選劑攪拌通入空氣4.應(yīng)用4.4 分離溶液中的離子、分子，處理工業(yè)廢水 分離的對(duì)象是真溶液，通過(guò)向溶液中加入表面活性物質(zhì)，吸附溶液中的離子或分子，通過(guò)鼓泡將其帶出，從而實(shí)現(xiàn)分離。一般認(rèn)為，

15、吸附在泡沫表面的表面活性劑與溶質(zhì)的作用力有兩種，一種是表面活性劑與溶質(zhì)間的離子-離子作用力，它具有良好的選擇性和高的提濃率，另一種是離子-偶極間的作用力。 Yun-Hwei Shen通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了從水溶液中分離TiO2的可行性,在適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下，TiO2回收率可達(dá)100%。4.應(yīng)用4.5 分離富集蛋白質(zhì)體系 分離糖-蛋白質(zhì)混合體系 分離蛋白質(zhì)二元及多元體系 蛋白- 酶體系的分離 研究方向應(yīng)用的原理：根據(jù)各物質(zhì)表面活性的差異，但對(duì)于表面活性相近的蛋白質(zhì), 在氣液界面的吸附結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的吸附優(yōu)勢(shì), 因此蛋白質(zhì)表面活性強(qiáng)弱的判定是斷定泡沫分離效果的首要前提。4.應(yīng)用4.5 分離富集蛋白質(zhì)體系

16、對(duì)于分離糖-蛋白質(zhì)混合體系，與geveg溶劑萃取方法相比, 該法操作簡(jiǎn)單, 處理量大,不需外加任何有機(jī)溶劑。 目前能夠利用泡沫分離技術(shù)成功分離出的蛋白質(zhì)有: 磷酸酶、鏈激酶、蛋白酶、血清白蛋白、溶菌酶、胃蛋白酶、尿素酶、過(guò)氧化氫酶、明膠、大豆蛋白、- 酪蛋白、抗菌肽類等一系列蛋白質(zhì)。4.應(yīng)用4.5 分離富集蛋白質(zhì)體系 通過(guò)近年的研究總結(jié)出有兩大類蛋白質(zhì)適于泡沫分離, 分別是和質(zhì)膜結(jié)合的蛋白質(zhì)與抗菌肽類, 這兩類蛋白質(zhì)的共同點(diǎn)是都有很強(qiáng)的疏水性, 具備了吸附于氣液界面的表面活性, 但有些蛋白質(zhì)容易在吸附過(guò)程中變性并難于復(fù)性, 如何保護(hù)易變性的蛋白質(zhì)或使變性的蛋白質(zhì)復(fù)性是泡沫分離蛋白質(zhì)技術(shù)急需解決

17、的重要問(wèn)題。4.應(yīng)用4.5 分離皂苷有效成分 皂苷是一種優(yōu)良的天然非離子型表面活性成分,具有親水性的糖體和疏水性的皂苷元, 并且具有良好的起泡性, 因此可用泡沫分離技術(shù)來(lái)從天然植物中提取皂苷。 目前, 人參皂苷和三七皂苷等中藥皂苷類有效組分的富集分離都使用泡沫分離技術(shù)。王良貴等對(duì)三七粗提液進(jìn)行泡沫分離, 泡沫相三七皂苷收得率73.6%, 液相三七多糖收得率為 87.5%。5.展望（1）設(shè)備比較簡(jiǎn)單，可以連續(xù)進(jìn)行（2）一般在冷態(tài)下操作，適用于熱敏性及化學(xué) 不穩(wěn)定性物質(zhì)的分離（3）在低濃度下分離特別有效，因此就特別適 用于溶液中低濃度組分分離回收（4）能耗低。分離不涉及相變，對(duì)能量要求低， 與蒸餾、結(jié)晶和蒸發(fā)相比有較大的差異5.1