气浮分离法

第六章气浮分离法

6.1 概述

泡沫吸附分离现象是日常生活个常见的现象，利用肥皂泡沫去除身体或衣物卜的污垢就是一个最好的例子。

什么是气浮分离法？

采用某种方式，向水样中通入大量微小气泡，使待分离物质(如离子、分子、胶体、固体颗粒、悬浮微粒)，因其表面活性不同，可被吸附或粘附在从溶液中升起的泡沫表面上, 从而使某组分得以分离的方法，称气浮分离法或气泡分离法。也称浮选分离或泡沫浮选分离。

本身没有表面活性的物质，经加入表面活性剂后可变为有活性的物质，亦可用浮选法分离。

这是分离和富集痕量物质的一种有效方法。

问题：1. 特分离物质为什么会选择性地吸附在气泡上？

2. 如何最大限度达到富集效果？

下面介绍泡沫吸附分离技术的基本原理。

6.2 气浮分离法的分离机理

上面提到在气浮分离法中用到表面活性剂，那么我们首先介绍一下表面活性剂的性质，以及它在水中的表现行为。

一．表面活性剂的结构和在水界面上取向

表面活性剂的分子一般由两部分组成，一部分是亲水的、极性的，另一部分是疏水的、

非极性。如以硬脂酸为例，它具有亲水的极性头，如C

OH

O

部分，也具有疏水的非极性尾，

即

R—CH2—(CH2)n一部分。如下图所示：

C

OH

O R CH2（CH2）n

可以用“”来表示表面活性剂的分子．其中“”表示极性头，““表示非极性尾。

在水—油体系中，表面活性剂分子将聚集在水—油界面上并定向地排列，其中的极性头向着水相．非极性尾向着油相。而在气—液界面上，一般是极性头向着水．非极性尾向着伸向气相。图6.1为表面活性剂在界面上取向的情况。

图6.1表面活性剂在界面上取向

(以下不讲，

如果温度、压力和组成一定，则液体的表面张力也一定。若向此体系加入少量物质而

引起此液体表面张力的明显下降，这种物质就称为表面活性剂。

表面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。

表面活性剂溶入水中后，很快聚集在水面上，使水相空气的界面积减少．从而使表面

张力迅速下降。由表面活性剂的加入对溶液表面张力影响的示意图可以看出，少量表面活性剂就会引起溶液的表面张力急剧下降。实验还表明，不同的直链型表面活性剂所引起的表面张力的下降情况是不一样的。如在脂肪酸中，直链(R基)愈长。表面张力下降愈剧烈。

由图还可看出，当表面活性剂分子浓度到达—定值后，表面张力即不再随表面活性剂浓度的上升而下降，这是因为表面活性剂分子开始在溶液中缔合成团，即形成胶束(或胶团)，并分布在液相主体内。表面活性剂形成胶束的最低浓度即为临界胶束浓度(CMC)。临界胶束浓度是一个很重要的数值，一般在0.001

一0.02mo1／L范围。十二烷基硫酸钠在25℃时CMC约为0．008mo1／L。泡沫分离最好在临界胶束浓度以下进行。

图表面活性剂浓度与表面张力的关系

理解：表面张力是一种物理效应，它使得液体的表面总是试图获得最小的、光滑的面积，就好像它是一层弹性的薄膜一样。其原因是液体的表面总是试图达到能量最低的状态。

表面张力是一种特殊的力，它是液体（纯净液体、溶液）性质的一种表现。从微观上看，表面张力是因液体表面薄层（约10–9米，并非几何面）内分子间的相互作用，即和液体表面共面且相切的力即为表面张力。它不同于液体内部分子间的相互作用，从而使液体表面层具有一种特殊性质．表面张力是分子力的一种宏观表现，在内聚力的作用下，表面层液体分子的移动总是尽量地使表面积减小。在液体表面形成一层弹性薄膜，这样便出现了表面张力。表面张力起源于表面分子间引力，从其作用效果来看，它属一种拉力。

不同液体表面张力不同，是由于它们有不同的摩尔体积、分子极性和分子力，分子间作用力越大，密度越大，越不容易蒸发的液体，其表面张力越大。比如：水分子是由氢键缔合的，因此水的表面张力较大．液态汞原子是由金属键缔合的，其表面张力更大．一般液体表面张力系数约为40×10–3N／m左右。）

二．泡沫的形成、结构和稳定性

气浮分离法又称为气泡分离法，气泡则是气浮分离法另一重要组成成分，气泡泡沫的形成、结构和稳定性直接影响分离效率。下面我们首先讨论一下。

1．泡沫的形成

气泡的形成过程可以描述如下：当在溶液中形成气泡时，溶液中的表面活性剂分子在气泡表面排列，形成极性头指向水溶液，非极性尾指向气泡内部的单分子膜，如图6.2 (a)所示。当气泡凭借浮力上升时，将冲击溶液表面的单分子层(如图6.2 (b)所示)，甚至从溶液表面跑出，此时在气泡的表面的水膜外层上，形成与上述单分子膜的分子排列完全相反的单分子膜，即如图6.2(c)所示的双分子层气泡体，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，更多的集合体集聚在一起形成气泡泡沫。

图6.2气泡的形成

2．气泡泡沫的结构和稳定性

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。

此时的泡沫系由很薄的液膜所隔开的大量的气泡所组成，这些气泡呈多面体形状。典型的三个气泡集合体的结构见图6.3，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。

图6.3三泡的结构图6.4四泡的稳定结构如果是四个气液聚集在一起，可能生成十字形结构，但它是不稳定的，在相邻的气泡间压力的微小差别造成膜的滑动，直至转变成为上述的三泡稳定结构，如图6.4所示。

（二维的膜情况要复杂—些，最可能的情况是形成侧面为正五边形的十二面而体（即由十二个同样大小的正五边形所围成的小泡)，各面之间互成120°的角度。）

我们已经知道泡沫是由被极簿的液膜所隔开的许多气泡所组成的。当气体通过纯水或搅动纯水时．就会产生泡沫，但它会很快地消失。只有当含有表面活性剂时，使泡与泡之间构成液膜，气泡可以稳定存在。

泡沫的稳定性还与组分的化学性质和浓度，系统温度和泡沫单体大小、压力、溶液pH 值等因素有关。这些我们以后讨论。

三．气浮分离法的分离机理

表面活性剂在水溶液中易被吸附到气泡的气一液界面上。表面活性剂极性的一端向着水相，非极性的一端向着气相。

将表面活性剂加入含有待分离的离子、分子的水溶液中，表面活性剂的极性端与水相中的离子或其极性分子通过物理(如静电引力)或化学（如配位反应）作用连接在一起。当通入气泡时，表面活性剂就将这些物质连在一起定向排在气一液界面，被气泡带到液面，形成泡沫层，从而达到分离的目的。

6.3 气浮分离法的类型