泡沫分离技术

泡沫分离技术研究进展及发展趋势The development situation and trend of foam fractionation

姓名：吕虹锋

学号：C31114041

专业：11级高分子材料与工程

课程：现代分离技术

教师：陈鹏鹏

摘要：本文综述了泡沫分离的原理，技术设备；还讨论了泡沫分离技术目前存在的问题以及发展趋势。

关键词：泡沫分离技术；原理；表面活性剂；发展趋势

Abstract：the purpose of this article was to review the theory and equipment of foam fractionation,and also discussed the problem and development trend of foam fractionation.

Key Words:foam fractionation;theory;surfactant;tendency

1.引言

泡沫分离技术是一种新兴的分离与净化技术，广泛应用于工业领域中。通常把凡是利用气体在溶液中鼓泡，以达到分离或浓缩的方法总称为泡沫分离技术Ⅲ。作为分离对象的某溶质，可以是表面活性物质和洗涤剂，也可以是能与表面活性物质相结合的任何溶质，例如矿石颗粒、沉淀颗粒、阴离子、阳离子、染料、蛋白质、酶、病毒、细菌或某些有机物质。在间歇塔式设备内部鼓泡时，该溶质可被选择性地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.分离原理

泡沫分离是根据表面吸附的原理，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。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。

3.技术设备

在间歇泡沫分离操作系统中，泡沫连续从设备中输出，初始溶液中所含的发泡剂(通常为某种表面活性剂)逐渐耗尽。设备的泡沫层中无料液引入，全塔近似为一个理论级。在连续操作的泡沫分离设备中，料液连续进入泡沫分离塔中，同时，泡沫相和残留液相连续从塔内排出。为提高分离塔的分离效率，目前常采用两种模型：提馏模型和精馏模型。在提馏模型中，料液从泡沫相中加人，料液在到达塔底之前先通过泡沫相，实现部分分离。在精馏模型中，通过将部分泡沫的破沫液回流到塔顶，从而提高分离程度。很多学者对泡沫分离设备进行了局部的改进。例如，杜建新，胡华等提出了一种新型的泡沫分离设备，即环流泡沫塔。通过分析液相区的流体力学行为和实验，在理论和实践上都得到了较理想的结果。环流泡沫塔的结构类似于传统的气升式环流反应器，不同之处在于：装有导流筒的液相区所占整塔高度的比例比较小，且塔的顶端有引出泡沫的结构。与传统的用于泡沫分离的鼓泡塔相比，环流泡沫塔的最大优点在于：气泡随液体循环流动，气泡的平均停留时间比鼓泡塔中长。环流泡沫塔的上述特点保证了泡沫分离过程气泡表面与液相间的充分接触和有效传质。有关这种泡沫塔的流体力学行为和传质行为，还可继续加以考察，以发展高效的泡沫分离设备。

4．应用现状

（1）分离固体离子

由于分离的对象是含有固体粒子的悬浮液，可以加入合适的表面活性剂，捕收固体颗粒，使他们获得疏水性，然后再加入适当起泡剂，利用空气鼓泡，根据矿石粒子和脉石粒子性质的差异，使脉石下沉，矿石随气泡上浮，从而达到分离目的。这种技术较为成熟，已经广泛应用于工业生产中。

（2）分离溶液中的离子、分子，处理工业废水

分离的对象是真溶液，通过向溶液中加入表面活性物质，吸附溶液中的离子或分子，通过鼓泡将其带出，从而实现分离。一般认为，吸附在泡沫表面的表面活性剂与溶质的作用力有两种，一种是表面活性剂与溶质间的离子-离子作用力，它具有良好的选择性和高的提浓率，另一种是离子-偶极间的作用力。但常志东等却利用偶极$偶极的作用，以吐温系列非离子表面活性剂从水中回收低浓度的磷酸三丁酯，取得较好的分离效果。在对氰根离子进行分离时得出结论，泡沫分离不仅对具有表面活性的物质有效，对非表面活性的物质也是可以的，只要复合物是疏水的，因为泡沫存在双电层结构，其结构类似于胶体，复合物就会被静电力吸附在泡沫上。溶液中溶质与表面活性剂亲水基团的亲和受溶剂水的水化作用及各种离子干扰竞争的影响，只有与表面活性剂有较强亲和能力的溶质才能被较好地分离。

（3）回收、浓缩蛋白质等表面活性物质

泡沫分离可应用于各种蛋白质和酶的浓缩或分离，其最初是用于胆酸和胆酸钠混合物中分离胆酸，泡沫中胆酸的浓度为料液的3~6倍，活度增加65%，泡沫分离还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。

（4）分离全细胞

用月桂酸、硬脂酰胺或辛胺作表面活性剂，对初始细胞浓度为7.2×108个/cm3大肠杆菌进行细胞分离，结果1min的时间能除去99%的细胞，用10min 的时间能去除99%的细胞。此外，泡沫分离还可用于酵母细胞、小球藻、衣藻等的分离。

（5）其它方面的应用

泡沫分离法在污水处理，矿物浮选，金属特别是稀有金属的回收检测等方面都有很重大的意义，在水处理中的应用始于19世纪90年代，当时欧洲国家用它来处理溶解水的各种表面活性物质。20世纪泡沫浮选广泛应用于矿冶工业，但针对离子,分子，胶体及沉淀的泡沫吸附分离技术则是近30年中发展起来的一种新型分离技术。