泡沫分離法講解

1泡沫分離法

泡沫分離(FoamSeparation)又稱泡沫吸附分離(FoamSeparationAdsorbent)技術，早在1915年就開始應用于礦物浮選，但是對離子、分子、膠體及沉淀的泡沫吸附分離是在20世紀50年代末才引起人們的興趣與重視，并逐漸作為一種單元操作加以研究，首先是從溶液中回收金屬離子的課題開始，前期研究了泡沫分離金屬離子的可行性，然后建立了金屬離子與表面活性劑離子之間相互作用的擴散－雙電層理論。20世紀60年代中期采用泡沫分離法脫除洗滌劑工廠排放的一級污水和二級污水中的表面活性劑－直鏈烷基磺酸鹽和苯磺酸鹽獲得成功。220世紀70年代進行了染料等有機物與廢水泡沫分離的實驗研究，1977年開始有報道用陰離子表面活性劑泡沫分離DNA、蛋白質及液體卵磷脂等生物活性物質。到目前為止，用泡沫分離法獲得的蛋白質及酶有溶菌酶、白蛋白、促性腺激素、胃蛋白酶、凝乳酶、血紅蛋白、過氧化氫酶、卵磷脂、β－淀粉酶、纖維素酶、D－氨基酸氧化酶、蘋果酸脫氫酶等等。隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是對環(huán)境保護的普遍重視和資源綜合利用的要求，泡沫分離的研究工作將不斷擴大范圍，其工業(yè)應用將越來越多。31.

泡沫分離法的分類泡沫分離是以氣泡為介質，利用組分的表面活性差進行分離的一種分離方法4無泡沫分離是指用鼓泡進行分離，但不一定形成泡沫層，可分鼓泡分餾和溶媒浮選。鼓泡分離是從塔設備底部通氣鼓泡，表面活性物質被氣泡富集并上升至塔頂，和液相主體分離，使溶質得到濃縮，液相主體被凈化；溶媒浮選是在溶液頂部置有一種與其互不相溶的溶劑，用它來萃取或富集由塔底鼓出的氣泡所吸附的表面活性物質。泡沫分離按分離對象是溶液還是含有固體粒子的懸浮液、膠體溶液而分成泡沫分餾(FoamFractionation)和泡沫浮選(FoamFlotation)。5泡沫分餾用于分離溶解物質，它們可以是表面活性劑如洗滌劑，也可以是不具有表面活性的物質如金屬離子、陰離子、蛋白質、酶等，但它們必須具有和某一類型的表面活性劑結合的能力，當料液鼓泡時能進入液層上方的泡沫層而與液相主體分離。由于它的操作和設計在許多方面可與精餾相類比，所以稱它為泡沫分餾。6

泡沫浮選用于分離不溶解的物質，按照被分離對象是分子還是膠體，是大顆粒還是小顆粒等等，又可分為:1.礦物浮選，用于礦石和脈石粒子的分離；

2.粗粒浮選和微粒浮選，常用于共生礦中單質的分離，前者粒子直徑大致1～10mm內，后者的粒子直徑為1μm～1mm，處理的對象為膠體、高分子物質或礦漿；

3.粒子浮選和分子浮選，用于分離非表面活性粒子或分子，需要向體系中加入浮選捕集劑與被分離組分形成難溶或不溶物，然后以浮渣形式將其脫除；74.沉淀浮選，首先利用改變溶液的pH值或加入某種絮凝劑等方法，使需脫除的粒子形成沉淀，再利用浮選法將沉淀脫除；5.吸附膠體浮選，是以膠體粒子作為捕集劑，選擇性吸附所需的溶質，再用浮選法除去。泡沫分離技術除了在選礦方面比較成熟外。在其他方面尚屬開發(fā)階段，命名和分類尚不完善，但由上所述，可以對泡沫分離技術有大體的了解。82.泡沫分離技術的基本原理

泡沫分離過程是利用待分離物質本身具有表面活性(如表面活性劑)或能與表面活性劑通過化學的、物理的力結合在一起(如金屬離子、有機化合物、蛋白質和酶等)，在鼓泡塔中被吸附在氣泡表面，得以富集，藉氣泡上升帶出溶劑主體，達到凈化主體液、濃縮待分離物質的目的?？梢娝姆蛛x作用主要取決于組分在氣－液界面上吸附的選擇性和程度，其本質是各種物質在溶液中表面活性的差異。92.1表面活性劑及其界面特性

表面活性劑溶入溶液后表現(xiàn)出兩個基本性質：

1.水溶液中溶解行為是很快地聚集在水面并形成親水基團在水中，親油基伸向氣相的定向單分子排列，使空氣和水的接觸面減小，從而使表面張力急劇下降，同時，多余的分子則在溶液內部形成分子狀態(tài)的聚集體－膠束，并分布在液相主體內；102.超過表面活性劑形成膠束的最低濃度后，溶液表面張力不再降低,但在相界面上，由于上述定向排列的單分子層的作用，具有選擇性的定向吸附作用，會顯著地改變原溶液的界面的性質，造成各種界面作用，泡沫分離就是充分利用表面活性劑的界面作用發(fā)展起來的一種新型的分離方法。112.2

Gibbs(吉布斯)等溫吸附方程Γ為吸附溶質的表面過剩量，即單位面積上吸附溶質的摩爾數(shù)與主體溶液濃度之差,對于稀溶液即為溶質的表面濃度，可通過σ(溶液的表面張力)與濃度c(溶質在主體溶液中的平衡濃度)來求得；Γ/c為吸附分配因子。如果溶液中含離子型表面活性劑，則12n為與離子型表面活性劑的類型有關的常數(shù)。例如為完全電離的電解質類型n＝2；在電解質類型溶液中還添加過量無機鹽時n＝1。

溶液中表面活性劑濃度c和表面過剩量Γ的相互關系可用右圖表示。在b點之前，隨著溶液中表面活性劑濃度c增加，Γ成直線增加：Γ=Kc

b點后溶液飽和，多余的表面活性劑分子開始在溶液內部形成“膠束”，b點的濃度稱為臨界濃度(CMC)，此值一般為0.01～0.02mol/L左右，分離最好在低于CMC下進行。對于非離子型表面活性劑，上圖曲線更接近于Langmuir等溫方程：132.3

泡沫的形成與性質泡沫的形成和組成部分泡沫是由被極薄的液膜所隔開的許多氣泡所組成的，當氣體在含活性劑的水溶液中發(fā)泡時，首先在液體內部形成被包裹的氣泡。在此瞬時，溶液中表面活性劑分子立即在氣泡表面排成單分于膜，親油基指向氣泡內部，親水基指向溶液，該氣泡會借浮力上升沖擊溶液表面的單分子膜。在某種情況下，氣泡也可從表面跳出。此時，在該氣泡表面的水膜外層上，形成與上述單分子膜的分子排列完全相反的單分子膜，從而構成了較為穩(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氣泡。14形成泡沫的氣泡集合體包括兩個部分，一是泡，兩個或兩個以上的氣泡，二是泡與泡之間以少量液體構成的隔膜(液膜)是泡沫的骨架。許多氣泡聚集成大小不同的球狀氣泡集合體，更多的集合體集聚在一起形成泡沫。15泡沫的穩(wěn)定及層內排液泡沫不是很穩(wěn)定的體系，氣泡與氣泡之間僅以薄膜隔開，此隔膜也會因彼此壓力不均或間隙液的流失等原因而發(fā)生破裂，導致氣泡間的合并現(xiàn)象，或由于小氣泡的壓力比大氣泡高，因此氣體可以從小氣泡通過液膜向大氣泡擴散，導致大氣泡變大，小氣泡變小，以至消失。泡沫的穩(wěn)定性一般與溶質的化學性質和濃度，系統(tǒng)溫度和泡沫單體大小、壓力、溶液pH值有關。表面活性劑的濃度愈是接近臨界濃度，氣泡愈小，氣泡的壽命愈長。16

典型的三個氣泡集合體的結構如圖,泡與泡之間壁為平面，三個泡的共同交界處形成有一定曲率半徑的小三角形柱體，由于這個曲率半徑，使液膜中位于平面內的液體所受的壓力要比位于三角柱體壁內的液體所受壓力高很多，這一壓力梯度會導致液膜中液體由膜向小三角柱體流動，從而使平壁逐漸變薄，最后在阻力的平衡下，膜達到一定的厚度。當膜間夾角為120°時，壓力差最小，泡沫穩(wěn)定。17

若是三個以上，如四個氣泡聚集在一起時，見圖，最初可能形成十字形或其他結構，但它是不穩(wěn)定的，在相鄰氣泡間的微小壓力差作用下，膜會滑動，直至轉變成上述的三泡結構的穩(wěn)定形式。這也是泡沫層內排液的主要原因。18表面活性劑作用——在氣泡表面定向排列●表面活性劑非極性一端向著氣泡，極性一端向著水相●表面活性劑的極性端可與吸附水中的離子和極性分子

若待分離離子是親水的，它們很難吸附在氣泡上而被浮選分離。加入捕集劑覆蓋在離子表面上，使它們由親水性變成疏水性，便可附在氣泡上分離出來。19浮選裝置與操作

浮渣或泡沫層樣品液氣泡燒結板空氣203.泡沫分離的操作方式及其影響因素3.1

泡沫分離的操作方式泡沫分離的操作是由兩個基本過程組成：待分離的溶質被吸附到氣－液界面上；2.對被泡沫吸附的物質進行收集并用化學、熱或機械的方法破壞泡沫，將溶質提取出來。因此它的主要設備為泡沫塔和破沫器。泡沫分離流程可分為間歇式、連續(xù)式兩類。21

A.間歇式泡沫分離過程

氣體從塔底連續(xù)鼓入，形成的泡沫液從塔頂連續(xù)排出．原料液因不斷形成泡沫而減少，可在塔的下部補充適當表面活性劑，以彌補其在分離過程產的減少。間歇式操作可用于溶液的凈化和有用組分的回收。見下圖：

22B.連續(xù)式泡沫分離過程這種過程料液和表面活性劑連續(xù)加入塔內，泡沫液和殘液連續(xù)從塔內排出。按照原料液引入塔的位置不同，可將連續(xù)泡沫分離分為濃縮塔(或稱精餾塔)、提餾塔和兩者疊加的復合塔．可分別得到不同的分離效果。見下圖中(a)、(b)、(c)。2324

濃縮塔：表面活性劑的料液連續(xù)加入塔中的鼓泡區(qū)，在塔頂設置回流。將凝集的泡沫液部分引回塔頂，以提高泡沫液的濃度即塔頂產品濃度，故像精餾塔中的精餾段。除了外回流外，上升泡沫中氣泡聚集所形成的內回流同樣具有提高塔頂產品濃度的作用。但對殘液的去污效果不好。提取塔：料液從泡沫塔頂加入，這樣的操作可以達到很高的去污系數(shù)。故相當于提取塔。復合塔：料液和部分表面活性劑由泡沫段底部加入，塔頂也采用部分回流，故相當于復合塔。

25

泡沫分離和其他分離過程一樣，也可以把一組單級設備串聯(lián)起來操作，以提高脫除率。泡沫可采用靜止法、離心分離、聲波、超聲波、振動加熱等方法。如果用加入表面活性劑來形成絡合物的方法，脫除非表面活性物時，泡沫液中的絡合物可通過化學反應使需脫除的非表面活性組分形成不溶解的化合物，然后用過濾將其從溶液中分出，再生的表面活性劑可循環(huán)使用。263.2影響泡沫分離的因素A.待分離物質的種類待分離物質可能是一種，也可能是幾種溶質：(1)待分離的物質是一種溶劑和一種表面活性物質的二元體系，則可應用Gibbs吸附公式計算分配系數(shù)；(2)待分離物質是非表面活性物質，如金屬離子，則可用兩種方法分離：(a)加入表面活性劑，使其與待分離離子一起被氣泡帶到泡沫層加以分離；(b)把溶液調節(jié)至適當pH值，使待分離物質形成沉淀，并與表面活性劑一起被氣泡帶到泡沫層而分離。一般希望采用有機沉淀劑，因為它的選擇性好，易于過濾。27B.溶液的pH值溶液的pH值對分離效果有很大的影響，對于天然表面活性物質，如蛋白質在泡沫分離時，在等電點時效率最高，因為這時表面張力-濃度曲線的斜率最大(吉布斯公式)；對于非表面活性物質，如金屬離子，應控制在某pH值下使表面活性劑和溶液濃度的比值最大。這樣可從離子混合物中分離出個別離子。

C.表面活性劑濃度表面活性劑的濃度不宜超過臨界膠束濃度，但也不能太低，使泡沫層不穩(wěn)定，太高使分離效率下降。28D.溫度溫度首先應達到表面活性劑的起泡溫度，保持泡沫的穩(wěn)定性，其次根據(jù)吸附平衡的類型來選擇溫度的高低。也可通過變溫泡沫分餾，把不同的表面活性物質分開。

E.氣流速度氣流速度上升，泡沫形成的速度上升量也上升，因而降低了塔頂泡沫液的濃度對提高操作效率會很不利。F.離子強度很多泡沫分離體系對離子強度很敏感，離子強度增加，效率很快下降。這是由相同電荷離子的競爭吸附引起的。此外，泡沫的性質、層高、排沫方式、攪拌等也是影響泡沫分離的因素。29泡沫分離的應用

泡沫分離的應用可以分兩大類：一類是本身為非表面活性劑，可通過絡合或其它方法使其具有表面活性的．這類體系的分離被廣泛地用于工業(yè)污水中各種金屬離子銅、鋅、鐵、汞、銀等的分離回收，以及海水中鈾、銅等的富集和原子能工業(yè)中放射性元素钚的廢水的處理。另一類是本身具有表面活性物質的分離以及各種天然或合成表面活性劑的分離，如全細胞、蛋白質、酶和膠體分子、合成洗滌劑等，下面著重介紹在生物,環(huán)境工程中的應用。30A.大腸桿菌的分離用月桂酸、硬脂酸胺或辛胺作表面活性劑，對初始細胞濃度為7.2×108個／cm3大腸桿菌進行泡沫分離，結果用1分鐘的時間能去除90％的細胞，用10分鐘時間就能去除99％的細胞。這個方法對于小球藻(Chlorella.SP)和衣藻(Chlomydomonas.SP)也是成功的。B.酵母細胞的分離釀成的啤酒，一般含有20～40g/L酵母。含水率達75％，進行酵母的分離，對于酵母漿的脫水，可使用許多方法：浮選，分離，蒸發(fā)和干燥。31

分離和濃縮酵母細胞的浮選法值得特別注意。但并不是所有的微生物培養(yǎng)物都具有足夠的浮選能力，它在很大的程度上取決于酵母細胞的生理狀態(tài)，為了獲得浮選分離好的效果，必須有大的相接觸表面(酵母細胞-空氣)，要求空氣的分散作用很小。浮選方法分離酵母較其它分離方法具有一系列的優(yōu)點：可相當大地減少分離塔的數(shù)目、總投資經濟等。酵母的浮選能力受酵母的種屬、細胞大小、雜質的存在影響，單枝細胞的浮選要比枝密酵母困難。在微生物工業(yè)中使用的浮選設備在制造上有些變動?？煞譃榕P式與立式兩種，也可以有一級操作和二級操作。

32c蛋白質和酶的分離濃縮泡沫分離可應用于各種蛋白質和酶的濃縮或分離。其最初是用于膽酸和膽酸鈉混合物中分離膽酸。泡沫中膽酸的濃度為料液的3-6倍，活度增加65％。泡沫分離還可應用于從非純制劑中分離磷酸酶．從鏈球菌培養(yǎng)液中分離鏈激酶；從粗的人體胎盤均漿中分離蛋白酶：在pH值接近等電點時，約40％～50％的鏈激酶失活；但在pH＝6.5～7時，可回收80%的酶。也有報導用泡沫分離溶液中的牛血清白蛋白濃縮，或從它與DNA的混合物中把它分離出來。33由于泡沫分離具有高分離效率，低成本、操作維修費均很低，若與層析、超濾等方法聯(lián)用，可從許多體系中(例如生物廢液、發(fā)酵液、動物組織、器官勻漿、植物萃取液、果汁等)分離或濃縮蛋白質和酶。泡沫分離的主要缺點是表面活性劑大多是高分子化合物，消耗量較大，有時也難以回收；34

蛋白質分離器：又稱為泡沫分離器。它是利用水中的氣泡表面可以吸附混雜在水中的各種顆粒狀的污垢以及可溶性的有機物的原理，采用充氧設備或旋渦泵產生大量的氣泡，將蛋白質分離的水凈化設備。這些氣泡全部集中在水面形成泡沫，將泡沫收集在水面上的容器中，它就會變?yōu)辄S色的液體后被排除。蛋白質分離器可以有效地清除水中的有機物顆粒、蛋白質、有害金屬離子等，水質凈化效果較好。如養(yǎng)魚使用。35利用高速水流的強化渦流作用，使氣/水充分混合，并在水中產生大量的細小氣泡，由于氣泡表面張力的作用，使水中的重金屬、蛋白質、纖維、殘餌及糞便的細小顆粒和粘液等有機質吸附于氣泡表面，泡沫分離器再利用氣、水比重之差，將帶有污物的氣泡浮選分離，從而達到凈化水質的目的。36沉淀法只能分離顆粒較大、自由沉降較快的固體污染物，對于顆粒較小、比重較輕（比重接近1）的固體則往往不能奏效。此時可借助氣浮法。氣浮法是靠通入空氣，以微小氣泡作為載體，使水中的懸浮物微粒粘附于氣泡上，借助氣泡的浮力帶動上浮，從而使雜物與水分離。采用氣浮法可大大提高水中微粒上浮的速度。例如微小的油珠，自由上浮速度僅1μm/s左右，而粘附于氣泡后，其速度可以上升到1mm/s，上浮速度提高1千倍。氣浮法的布氣方式有：射流布氣、擴散板布氣、葉輪布氣、加壓溶氣（即加壓下強制空氣溶解于水中，然后突然減壓，便產生眾多微小氣泡）等方法。37氣浮法的優(yōu)點是：

1．氣浮設備的運行能力比沉淀池高。一般只需15～20分鐘，即可完成固液分離，其占地面積小，效率高。

2．采用氣浮法可以消除污泥膨脹問題。這對后續(xù)水處理裝置——過濾曝氣池的正常運轉十分有利。

3．氣浮時向水中曝氣，增加了水中的溶解氧，同時又去除了水中的表面活性物質及臭味，為后處理，特別是好氧性微生物的處理創(chuàng)造了良好條件。

4．對低溫、低濁、含有藻類較多的水源，采用氣浮法比沉淀法可取得更好的凈化效果。38氣浮法的缺點是：

1．設備的電耗較大，每噸水需耗電0.02度～0.04度。

2．設備維修管理工作量增加，特別是釋放器或減壓閥容易被堵塞。

3．氣水分離出的浮渣怕大風、大雨襲擊，因此氣浮設施必須安置在室內。

4．氣浮法只適用于去除水中疏水性固體物質（即與水的潤濕度較小，如油珠等），而對親水性固體微粒則需要加投浮選劑、混凝劑。39泡沫分離技術的工業(yè)應用1.分離固體粒子由于分離的對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，使他們獲得疏水性，然后再加入適當起泡劑，利用空氣鼓泡，根據(jù)礦石粒子和脈石粒子性質的差異，使脈石下沉，礦石隨氣泡上浮，從而達到分離目的。這種技術較為成熟，已經廣泛應用于工業(yè)生產中。401、葉輪機械攪拌式浮選機為例。

2、本機主要由承漿槽、攪拌裝置、充氣裝置、排出礦化氣泡裝置、電動機等組成。

（1）承漿槽：它有進漿口，以及調節(jié)礦漿面的閘門裝置，它主要由用鋼板焊成的槽體和鋼板與園鋼焊成的閘門組成。

（2）攪拌裝置：它用于攪拌礦漿，防止礦砂在槽體沉淀，它主要由皮帶輪、葉輪、垂直軸等組成，葉輪是由耐磨橡膠制成的。

（3）充氣裝置：它由導管進氣管組成，當葉輪旋轉時，葉輪腔中產生負壓，將空氣通過中空的泵管吸入，并彌散在礦漿中形成氣泡群，這種帶有大量氣泡的礦漿由葉輪的旋轉力而被很快的拋向定子，進一步使礦漿中的氣泡細化，及消除浮選槽中礦漿流的旋轉運動，造成大量垂直上升的微泡，為浮選過程提供必要的條件。

（4）排除礦化氣泡裝置：它是將浮在槽面上的泡沫刮出，主要由電機帶動減速器，減速器帶動刮板組成。

3、本機工作原理：

將磨碎的礦石，在磨碎時或磨碎后加水及必要的藥劑經攪拌槽調成礦漿后，注入開始攪拌的礦漿槽，向礦漿中導入空氣，使其形成大量氣泡，一些不易被水濕潤的，即一般稱作疏水性的礦物粒子附著于氣泡上，并與氣泡一起浮到礦漿表面，形成礦化氣泡層，另一些容易被水濕潤的，即一般稱做親水性的礦物粒子不附著于氣泡上，而留在礦漿中，將含有特定礦物的礦化氣泡排出，從而達到選礦的目的。41浮選工藝流程

42432.分離溶液中的離子、分子，處理工業(yè)廢水分離的對象是真溶液，通過向溶液中加入表面活性物質，吸附溶液中的離子或分子，通過鼓泡將其帶出，從而實現(xiàn)分離。一般認為，吸附在泡沫表面的表面活性劑與溶質的作用力有兩種，一種是表面活性劑與溶質間的離子－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。但常志東等卻利用偶極－偶極的作用，以吐溫系列非離子表面活性劑從水中回收低濃度的磷酸三丁酯，取得較好的分離效果。44

污水中微量鉻的分離和富集

污水中微量Cr(Ⅵ)在0.1mol/LH2SO4溶液中，可與二苯卡巴肼(DPCI)發(fā)生氧化還原反應，絡合生成Cr3+與二苯卡腙（DPCO）的絡陽離子，加入陰離子表面活性劑十二烷基磺酸鈉(SDS)，形成疏水性離子締合物而被浮選。45

高純鋅中痕量鐵和鉛的富集將試樣溶于硝酸，加水稀釋定容，加入載體Bi3+,再加入大量氨水使Zn(OH)2全部溶解，產生的Bi(OH)3共沉淀捕集痕量組分Fe和Pb。加入油酸鈉的乙醇溶液進行浮選。

46

自來水中痕量Zn2+的富集取水樣使Zn2+與SCN-絡合生成絡陰離子Zn(SCN)-3,再加入堿性染料孔雀綠（MG+）,它與絡陰離子生成疏水性的離子締合物MG[Zn(S