泡沫分离技术与应用

浅析泡沫分离技术的应用及其发展趋势摘要：泡沫分离技术作为一种新兴的分离与净化技术，广泛应用于工业领域中。

本文依据近年来有关泡沫分离的报道，综述了泡沫分离技术的研究进展，介绍了分离过程中操作参数，溶液体系性质，分离设备等因素对分离效果的影响，并介绍了泡沫分离在固体粒子、溶液中的离子分子、废水处理以及生物产品的分离过程中的应用，指出了泡沫分离技术目前存在的问题及发展方向。

关键词：泡沫分离技术；原理；设备；影响因素；应用Abstract: The foam fractionation and purification technique, which are widely used in industry. Based on recent reports of foam separation, the purpose of this paper was to review the foam fractionation, introduced the effects of the operating parameters, the nature of solution system and the equipment, and also introduced the application of foam separation. To discuss the current problem and development trend of foam fractionation.Key words: foam fractionation; theory; equipment; the factors of effect; applications第一章引言泡沫分离技术是近几十年发展比较快的新兴分离技术，广泛应用于工业领域中。

泡沫分离是膜分离技术的一种，它是以泡沫作为分离介质，以组分之间的表面活性差异作为分离依据，利用在溶液中的鼓泡来达到浓集物质目的的一种新型分离技术【1】。

作为分离对象的某溶质，可以是表面活性物质和洗涤剂，也可以是不具有表面活性的物质，但它们必须具备和某一类型的表面活性物质能够络合或螯合的能力，当在塔式设备内部鼓泡时，该溶质可被选择性的吸附在自下而上的气泡表面，并在溶液主体上方形成泡沫层，将排出的泡沫消泡，可获得泡沫液（溶质的富集回收），在连续操作时，液体从塔底排出，可以直接排放，也可以作为精制后的产品液【2、3】。

泡沫分离技术的研究开发工作已开展了近一个世纪，为统一泡沫分离的概念，1967年Karger、Grieves等人共同推荐并向IUPAC提出一项建议，把泡沫分离技术方法按照图1分类【4、5】图一非泡沫分离过程需要鼓泡，但不一定形成泡沫层，吸附分离过程在液相主体中完成。

这种分离方法又分为鼓泡分离法与萃取浮选法【6】。

鼓泡分离法。

是从分离器底部鼓入气体，形成的气泡将液相中的表面活性物质或微量的有机物质夹带至分离器顶部，从而完成分离、富集的一种方法【6】。

萃取浮选法【5】。

又称作溶剂消去法、溶剂浮选法，是将一层与水溶液不相混溶的有机溶剂置于溶液顶部，利用鼓泡把水溶液中的表面活性物质带到此层，从而完成分离任务。

泡沫分离技术主要分为【7】：矿物浮选：主要用于矿石粒子和脉石粒子的分离。

利用表而活性物质在矿石粒子表面上的吸附。

就可用泡沫使矿石粒子上升，脉石粒子下沉，从而得以分离，达到富集矿石的目的。

粗粒和细粒浮选：常用于共生矿中单质的分离，处理对象为胶体、高分子物质和矿物液。

离子浮选：待分离组份在体积溶液中或在气液界面与表面活性剂形成沉淀物，此沉淀物捕集在气液界面上，富集于泡沫相。

如果待分离组份先由非表面活性物沉淀，然后富集于泡沫相，那么称此过程为沉淀浮选。

第一类沉淀浮选需要表面活性剂．第二类沉淀浮选不需要表面活性剂，沉淀物本身具有表面活性。

如果待分离组份被吸附在胶体颗粒表面，然后颗粒由表面活性剂捕集，起泡上升，富集于泡沫相。

称此过程为胶体浮选。

20世纪早期泡沫分离技术已经应用于矿物浮选和处理废水中的表面活性剂，20世纪70年代以后此种技术得到了广泛的使用。

目前，在工业中成功应用的实例很多，还有一些应用尚处在实验室研究阶段。

在食品工业及生化领域中，泡沫分离技术已被用于蛋白质、多糖及生物活性物质等的分离提取及浓缩过程【8】。

第二章工作原理及设备装置1、原理泡沫分离技术是利用表面活性剂在气-液界面的性质来进行溶质分离的。

表面活性剂的分子结构由亲水基和亲油基(或疏水基)两部分组成【7】，当它们溶入水中后即在水溶液表面聚集，亲水基留在水中，亲油基伸向气相，借助鼓泡使溶液中的表面活性物质聚集在气/液界面，随气泡上浮至溶液主体上方，形成泡沫层，将泡沫和液相主体分开，从而达到浓缩表面活性物质（在泡沫层），净化液相主体的目的。

从液相主体中浓缩分离的既可以是表面活性物质，也可以是能与表面活性物质相互亲和的任何溶质，比如金属阳离子、蛋白质、酶、染料等等。

另外，一些固体粒子（沉淀微粒或矿石小颗粒），也可以被表面活性物质吸附，从溶液中分离出来【3】。

如要除去非表面活性组分，可通过加入适当的表面活性剂，以把这类组分吸附到气泡表面上，吸附作用可以通过形成整合、静电吸引或分子问力等来产生【9】。

分子吸附的机理主要是所加入的表面活性剂(或捕集剂)与要除去的非表面活性组分间的范德华力和氢键力。

离子吸附的机理主要是静电力的作用或离子交换的结果。

阳离子吸附：颗粒物中无机或有机组分都可能选择性地或非选择性地吸附，这些离子被吸附的能力与很多因索有关。

如将被吸附的阳离子的电荷看成点电荷，则价数越大者受吸附力越大，若各阳离子价态相同，则受吸附力与离子的结晶半径和水和半径有关。

按库仑定律，离子的结晶半径越大相应水和半径越小，受吸附力越大。

阴离子吸附：要脱除一价阴离子的非表面活性物，可加入阴离子表面活性剂，阴离子就与表面活性剂中的阴离子相交换；要脱除阳离子非表面活性组分时．可加入阳离子表面活性剂，如矿物浮选需加脂肪胺等阳离子表面活性剂。

螫合作用是需脱除的金属离子能够与表面活性剂形成具有表面活性的络合离子，这种表面活性剂叫表面活性螯合剂。

泡沫分离必须具备两个基本条件。

首先。

所需分离的溶质应该是表面活性物质，或者是可以和某些活性物质相络合的物质，它们都可以吸附在气-液界面上；其次，富集质在分离过程中借助气泡与液相主体分离，并在塔顶富集。

因此，它的传质过程在鼓泡区中是在液相主体和气泡表面之间进行，在泡沫区中是在气泡表面和间隙液之间进行。

所以，表面化学和泡沫本身的结构与特征是泡沫分离的基础【2】。

该技术具有3个特点：(1)设备比较简单、能耗低、投资少，而且操作和维修都方便；(2)在常温或低温下操作【10】，斟此适用于热敏性和化学性质不稳定的成分的分离；(3)适用于低温度组分的浓缩和同收。

2、设备装置泡沫分离所使用设备通常称为泡沫塔（Foam Column）。

基本装置可南一个简单的气泡圆柱体表示（图2）：输入的废水被抽人塔中，气体经南扩散器注入，形成许多小气泡，气泡在上升过程中吸附聚集溶质，到达液面时形成泡沫，并携带溶质及少量溶剂．气泡不断产生并且上升，最后被迫进入泡沫收集器，待泡沫收集器装满后，剩余的泡沫由排管流出，而经处理的基液或干净溶液由出水管排出。

图二泡沫分离装置在本文中，根据泡沫塔中泡沫相和液相的运动方式以及设备结构复杂程度的不同，将泡沫分离设备分为简单泡沫塔和复杂泡沫塔两类。

其中复杂泡沫塔分成了多级泡沫塔和带有内部构件的单级泡沫塔。

2.1、简单泡沫塔我们把液池（Liquid Pool）位于泡沫层下方，泡沫层连续并且没有回流装置的泡沫分离设备称为简单泡沫塔。

按照操作的连续性，简单泡沫塔可以在以下几种模式下运行：2.1.1、批式操作（Batch Operation）批式操作是一次性将待处理料液注入泡沫分离设备中，随后通入压缩气体鼓泡；当泡沫层达到所需高度后，立即切断供气，泡沫层在静止状态下进行排液（Foam Drainage）；泡沫层持液率（Liquid Holdup）降低到所需水平后，再次通入压缩气体，新产生的泡沫层将排液完成的泡沫推出；如此反复，直至达到所需的收率。

批式操作允许泡沫在设备内长时间停留，排液可以充分进行，因此能够得到很低的持液率和很高的富集比。

但是，由于鼓泡和排液都是间歇进行，设备的有效运行时间缩短，降低了设备的利用率和处理能力【11、12】。

2.1.2、半批式操作（Semi-batch Operation）半批式操作常与批式操作混淆。

之所以称之为“半批式”是因为这种操作方式料液的加入是一次性的，而鼓泡是连续的。

排液是在泡沫向上运动过程中同时进行的，排液时间由鼓泡气速和设备尺寸决定；持续鼓泡直至达到所需的收率后排放残液，一次操作完成。

半批式泡沫分离，操作简单，设备利用率高，处理量大，是工业化生产中常用的操作方式。

但该方式中鼓泡气速对泡沫排液着直接的影响，因此对气速要求比较苛刻【13】。

2.1.3、连续操作（Continuous Operation）在鼓泡过程中通过泵设备将料液连续注入分离设备内，同时排放残液。

连续操作根据新鲜料液注入的位置不同又可以分为并流操作（Co-current Column）和逆流操作（Counter-current Column）。

前者是将新鲜料液直接加入到液池中而后者是将新鲜料液加入到泡沫层中。

连续操作具有和半批式操作相似的特征，但是当目标物质在气泡表面吸附较慢时，进料速度不可能很大，否则塔底排放的残液中目标物质含量过高，影响收率；而如果进料速度太低，则失去了连续操作的意义。

因此，连续操作多用于污水处理等领域，而很少用于回收发酵液中昂贵的医药中间体等产物。

2.1.4、半连续操作（Semi-continuous Operation）半连续操作处于半批式操作和连续操作之间：新鲜的料液不断补充到液池中，连续鼓泡，但是塔底没有残液排出。

半连续操作对工业化生产没有显著的意义，但是它可以弥补由鼓泡造成的液池液面降低，维持恒定的泡沫层高度和液池深度，减缓液池中原料液浓度的下降，在一定时间内提供稳定的操作条件，适合实验室中研究泡沫分离机理使用。

2.2、复杂泡沫分离设备简单泡沫塔的分离效果受到目标物质在气泡表面吸附能力和泡沫排液能力的限制。

而通过改变体系性质来改善目标物质的吸附能力需要考虑目标物质的承受能力，因此调节范围受限。

此外，许多操作条件对泡沫分离富集比和回收率的影响是相反的，优化起来相当困难。

为了解决这些问题，人们设计了各种具有复杂结构的泡沫分离设备【13】。

2.2.1、多级泡沫分离多级泡沫分离的根本特征是将收集到的泡沫液再次进行鼓泡。

其原理是通过提高主体液相中的吸附质浓度来增加其在气泡表面的吸附密度：按照Langmuir 吸附等温线，在主体液相浓度较低的情况下，吸附质的表面吸附密度随其在主体液相中的浓度增加而增加。