第六章泡沫分离法
泡沫分离法泡沫分离
14.2.2 Gibbs(吉布斯)等温吸附方程
Γ为吸附溶质的表面过剩量，即单位面积上吸附溶质 的摩尔数与主体溶液浓度之差,对于稀溶液即为溶质的 表面浓度，可通过 σ (溶液的表面张力)与浓度c(溶质 在主体溶液中的平衡浓度)来求得；Γ/c为吸附分配因 子。 如果溶液中含离子 型表面活性剂，则
n为与离子型表面活性剂的类型有关的常数。例如为完 全电离的电解质类型n＝2；在电解质类型溶液中还添 加过量无机盐时n＝1。
溶液中表面活性剂浓度c和 表面过剩量Γ的相互关系可 用右图表示。在b点之前， 随着溶液中表面活性剂浓度 c增加，Γ成直线增加：
Γ=Kc
b点后溶液饱和，多余的表面活
性剂分子开始在溶液内部形成“胶束”，b点的浓度 称为临界浓度(CMC)，此值一般为0.01～0.02mol/L左 右，分离最好在低于CMC下进行。对于非离子型表面 活性剂，上图曲线更接近于Langmuir等温方程：
酶等，但它们必须具有和某一类型的表面活性剂 结合的能力，当料液鼓泡时能进入液层上方的泡 沫层而与液相主体分离。由于它的操作和设计在 许多方面可与精馏相类比，所以称它为泡沫分馏。 泡沫浮选用于分离不溶解的物质，按照被分离对 象是分子还是胶体，是大颗粒还是小颗粒等等， 又可分为:1 矿物浮选，用于矿石和脉石离子的 分离；2 粗粒浮选和微粒浮选，常用于共生矿中 单质的分离，前者粒子直径大致1～10mm内，后 者的粒子直径为1μm ～1mm ，处理的对象为胶体、高
分子物质或矿浆；3 粒子浮选和分子浮选，用于分离非 表面活性粒子或分子，需要向体系中
加入浮选捕集剂与被分离组分形成难溶或不溶 物，然后以浮渣形式将其脱除；4 沉淀浮选， 首先利用改变溶液的pH值或加入某种絮凝剂等 方法，使需脱除的粒子形成沉淀，再利用浮选 法将沉淀脱除；5 吸附胶体浮选，是以胶体粒 子作为捕集剂，选择性吸附所需的溶质，再用 浮选法除去。 泡沫分离技术除了在选矿方面比 较成熟外。在其他方面尚属开发阶段，命名和 分类尚不完善，但由上所述，可以对泡沫分离 术有大体的了解。
化学分离泡沫分离ppt
的集合体聚集在一起形成泡沫。泡沫分离技术就是利
用这些泡沫具有吸附含表面活性的物质的作用将其分 离的。
02
泡沫的稳定性
泡沫不是很稳定的体系，气泡与气泡之间仅以薄膜隔开，此隔膜也会因彼此压 力不均或间隙液的流失等原因而发生破裂，导致气泡间的合并现象，或由于小气泡 的压力比大气泡高，因此气体可以从小气泡通过液膜向大气泡扩散，导致大气泡变 大，小气泡变小，以至消失。
4.对泡沫本身的结构研究少，它是一个非稳定体系，无法直接测
量，许多泡沫的性质不清楚。
03
分离细胞
泡沫分离的应用
1
泡沫分离法可以从待分离基质中分离出全细胞。用月桂酸、硬脂酰胺或辛胺作为表而活性剂，对初始细胞 浓度为7.2×108 cfu/cm3的大肠杆菌进行细胞分离，结果l min内能除去90%的细胞，用10 rnin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。
2
分离富集蛋白质体系
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。 同前能够利用泡沫分离技术成功分离出的蛋白质有:磷酸酶、链激酶、蛋白酶、血清白蛋白、溶菌酶、胃蛋白 酶、尿素酶、过氧化氢酶、明胶、大豆蛋、酪蛋白、抗菌肽类等一系列蛋白质。
是在气泡表面和间隙液之间进行，借助气泡与液相主体分离，并在塔顶富集
，排出塔外。 可见它的分离作用主要取决于组分在气-液界面上的吸附的选择
性和程度，其本质是各种物质在溶液中的表面活性差异。
所谓表面活性剂即在液体中加入 少量这类物质能使液体的表面张力显 著降低，该物质的分子一般具有性质 相反的两类亲性基团，如图所示。一 类为疏水性或亲油性基团，属于非极 性基团，它们是一些直链的或带有侧 链的有机烃基；另一类是亲水性基团 ，属于极性基团，如：OH、COOH
泡沫分离
当溶液中含有离子型表面活性剂的时候，可以表示如下：
其中的n与离子型表面活性剂的类型有关。
在浓度C很低时（如图中a以下）由于表面活性组分量少， 溶液的表面张力几乎不变，因此吸附量很少，吸附溶质 的表面浓度τ 接近于零，分离强度很低。在中间浓度区 （图中a，b之间），表面张力r随活性组分的加入而减 少，因此r-C曲线的斜率为负值，而相应部分的τ-C关系 接近于直线（可近似用τ =KC表示）。
1 间歇式泡沫分离过程 被处理的原料液和需加 入的表面活性剂置于塔 下部，塔底连续鼓进空 气，塔顶连续排泡沫液。 原料液由于不断的形成 泡沫而减少。为了弥补 分离过程中表面活性物 质的减少，可在塔釜间 歇补充适当的表面活性 剂。 间歇式操作既适用于溶液的净化，也适用于有价值 组分的回收。
2 连续式泡沫分离过程
3 多级逆流泡沫分离过程 和其他分离过程一样，泡沫分离也可以把一组 单级设备串联起来操作，如下图：
4 泡沫分离与精馏过程的比较
泡沫分离与精馏过程非常相似，两者可以在以下几方 面进行类比： 1.精馏中的液相相当于泡沫分离中产生泡沫的液相主 体； 2.精馏中的气相相当于泡沫分离中的泡沫； 3.精馏过程中的雾沫夹带相当于泡沫层中所夹带的主 体溶液； 4.精馏中单位时间所消耗的热量相当于泡沫分离中单 位时间所产生的气—液相界面。
就扩大了泡沫分离技术的应用范围，使其能用于非表
面活性物质的分离。
现在，泡沫分离技术还可用于许多可溶的和不可溶 物质的分离和富集。例如溶液中的无机阴离子、金
属阳离子的分离富集。
随着工业的发展，特别是对环境保护的重视和资源
综合利用的要求，泡沫分离的工作将不断扩大范围，
其工业应用将越来越广泛。
根据Karger等人提出的理论，凡是利用“泡”来进行 物质分离的方法统称为泡沫吸附分离法。并提出下图 所示分类法：
泡沫吸附分离技术
Jeong, G.-T..Ind.Eng.Chem.Res.2004, 43, 422-427
Feng, B.; Powder Technology 2019, 342, 486-490.
Hu, N.; Li, Y.; Yang, C.; Wu, Z.; Liu, W., J Hazard Mater 2019, 379, 120843.
泡沫分馏法脱除水中残留铬 水中镓的浮选分离
背景介绍一基本条件
泡沫分离必须具备的基本条件
1. 所需分离的溶质应该是表面活性物质或者是可以和某种活性物 质相络合的物质, 它们都可以吸附在气-液界面上
2. 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
➢ 传质过程的主体部分在鼓泡区中, 所以表面化学和泡沫本身 的结构和特征是泡沫分离的基础
水中的表面活性剂获得成功 ✓ 1977 年报道泡沫分离法用于DNA.蛋白质
以及液体卵磷脂等生物活性物质的分离 ✓ ······
矿物浮选工作原理图
背景介绍一原理
泡沫分离的原理
当溶液中需要分离的溶质本身为表面 活性剂时, 利用惰性气体在溶液中形成 的泡沫, 即可将溶质富集到泡沫上, 然 后将这些泡沫收集起来, 消泡后即可得 到溶质含量比原料液高的泡沫液
3展 望
➢ 水处理 ➢ 金属浮选 ➢ 蛋白质分离 ➢ 反应器结构优化
研究进展一水处理
之前存在的问题: 泡沫不稳定 气液界面吸收效率低
添加二氧化硅纳米颗粒在吸收阶段有利于泡沫的稳定, 有利于气液界面的 传质, 提高了LAS的吸收效率, 在回收阶段提高回收效率, 降低成本
Hu, N.; Li, Y.; Yang, C.; Wu, Z.; Liu, W., J Hazard Matபைடு நூலகம்r 2019, 379, 120843.
分离科学-第六章-泡沫-( b )
泡沫分离与精馏过程的比较
泡沫分离与精馏过程的比较 泡沫分离 采用多级逆流泡沫分离塔 回流是维持稳定操作的方法。当全部泡沫液 回到塔顶或所有泡沫在塔顶破碎而没有泡沫 液路出时（全回流） ，分离效果最佳 增加塔釜的鼓泡量可以提高单位液体体积产 生的表面积，但最后将导致夹带液的增多， 降低分离效果 泡沫稳定性不好，泡沫内部气泡合并使气液 界面减少，间隙液流下产生内回流，是泡沫 液量减少 精馏 采用逆流精馏塔 回流是维持稳定操作的方法 （全回流） ，分离效果最佳 增加塔釜再 沸器的间 接蒸汽 量可提高 产气 量，但最终导致雾沫夹带，降低分离效果 保温不良、上升气流会在塔内冷凝，产生的 内回流使产品减少。
水粒 水气 cos(180 ) 气-粒
o
（6 31）
• 界面能可以用界面张力表示：
（6—2-2）影响泡沫分离的主要因素-3
W (W1 W2 ) W ' 水粒 水气 气-粒
• （6-31）代入（6-32）得到
（6 32）
• 由6-9，6-11得到表面相的 Gibls-Duhem 公式：
（6—1—2）吉布斯公式-5
S dT Ad ni d i 0
i
(6 12)
• 两边除以A,移项得
S n dT d i d i 0 A A i
(6 12) (6 13)
b i
(6 8)
• 只有一个表面相时
dG S dT V dp i dni
i
(6 9)
• 在恒温、恒压、恒组成的条件下，
G i ni
i
泡沫分离法分离蛋白质
分离工程期末论文泡沫分离法分离蛋白质Foam separation separation protein学院：化学工程学院专业班级：化学工程与工艺化工081 学生姓名：喻唯学号： 050811103 指导教师：戴卫东（副教授）2011年6月期末论文中文摘要泡沫分离法分离蛋白质摘要：泡沫分离蛋白质是利用蛋白质的表面活性对其进行分离的一种方法,分离过程中的条件温和,对蛋白质的活性影响较小,是一种成本较小、有着很好应用前景的分离方法.实验中,以两种蛋白质BSA和HSA作为分离模拟体系的目标蛋白质,利用自制的泡沫分离塔,作了一系列的泡沫分离实验,考察了各种操作参数对分离结果(回收率和增浓比)的影响.实验发现,液柱高度、泡沫层高度、鼓入气体的流速、进料流量和pH值、料液浓度以及温度等对分离的效果有着不同程度的影响:较低的进气速度、较高的泡沫高度与液柱高度、适宜的温度(BSA在25℃,HSA在35℃)、适当的pH值(蛋白质的等电点附近)以及较低的母液浓度有利于得到较高的富集比.在最佳条件下富集比最高可达28.6,回收率可达93.1％.在模型的建立过程中,假设吸附过程始终处于平衡态、气泡大小均一以及每一个气泡均为正十二面体,建立了分离的数学模型,得到可以求解的微分方程组.关键词：蛋白质泡沫分离数学模型回收率富集比泡沫分离法期末论文外文摘要Foam separation separation proteinAbstract:Foam separation protein is the surface activity by protein on the separation of a kind of method, the separation process of mild conditions, the less influence the actiity of the protein, is a kind of cost, lesser, has the very good application prospect of separation method. Experiments with two proteins, BSA and HSA as the target protein separation simulation system, a self-made foam separation tower, made a series of foam, examined the separation experiments of operation parameters on the separation results (recovery and increase the influence of strong than). Experiments have found that fluid column height, foam height, drums into gas velocity, feeding flow and pH value, material liquid concentration and temperature on the separation effect of different effect: lower inlet velocity, higher foam height and fluid column height, appropriate temperature (25 ℃, BSA HSA in 35 ℃), appropriate in the pH value (protein isoelectric point) and low near the mother liquor to get a higher concentration of enrichment ratio. At the best possible conditions than the maximum concentration, recovery can reach dropped to 93.1% 28.6. In model of the process, the hypothetical adsorption process always in equilibrium, bubble size uniformity and each bubble are are twelve surface body, the mathematical model was established, get separation of differential equations can be solved.Keywords:Protein foam separation mathematical model recovery than bubble separation enrichment1 引言1.1 泡沫分离泡沫分离技术是近十几年发展起来的新型分离技术之一。
新型分离技术-第六章 泡沫分离技术资料
增浓比:泡沫液中被吸附物质的浓度除以主体溶 液的浓度,表示塔顶产品的增浓程度. 体积比:原料液的体积除以泡沫液的体积.一般希 望塔顶排出泡沫体积尽可能小.
破泡器的设计
筛板式破泡器. 高速转盘.
间歇式泡沫分离过程. 连续式泡沫分离过程. 多级逆流泡沫分离过程.
三.影响泡沫分离的因素
影响泡沫分离效率的因素很多,而每种影响因素的 重要性则取决于具体的分离体系. 各种影响因素又可以分为基本因素(如表面活性剂, 辅助试剂的性质,浓度,溶液的PH值,黏度,温度等) 及操作变数(如气体流速,料液流速,回流比,泡沫层 高度,密度,泡的大小及设备的设计等).
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。
泡沫不是很稳定的体系，气泡与气泡之间仅以薄 膜隔开，此隔膜也会因彼此压力不均或间隙液的流失 等原因而发生破裂，导致气泡间的合并现象，或由于 小气泡的压力比大气泡高，因此气体可以从小气泡通 过液膜向大气泡扩散，导致大气泡变大，小气泡变小， 以至消失。
泡沫分离按分离对象是溶液还是含有固体离子的悬 浮液、胶体溶液而分成泡沫分馏(Foam Fractionation) 和泡沫浮选 (Foam Flotation)。泡沫分馏用于分离溶解 物质，它们可以是表面活性剂加洗涤剂，也可以是不具 有表面活性的物质如金属离子、阴离子、蛋白质、酶等， 但它们必须具有和某一类型的表面活性剂结合的能力， 当料液鼓泡时能进入液层上方的泡沫层而与液相主体分 离。
(3)溶液中离子强度的影响
绝大多数浮选体系对离子强度都非常敏感,且大 多数随离子强度的增加,分离效率明显下降.
(4)温度的影响
温度作为泡沫分离过程中的一个参数,其影响主要 在于温度变化时,表面活性剂组分所形成泡沫的稳 定性也随之变化. 体系的温度升高,会导致表面活性剂在泡沫上吸附 量的减少,而使浮选效果下降,但也有许多情况下 温度对离子浮选和泡沫分馏影响似乎不大.
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COHO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：COHO 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。
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COHO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：COHO 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。
分离科学与技术第6章 泡沫浮选分离法
因此，控制适当条件可以分离不同金属离子。
第二节 离子浮选分离法
三、在有机试剂溶液中的离子浮选 某些有机试剂，可作为配位剂与某些元素发生配位反 应，形成可溶的带有电荷或中性的配合物，加入适当表
面活性剂，可被离子浮选分离。
有机试剂：偶氮胂III、二苯卡巴肼、丁基黄原酸钾、
对氨基苯磺酸铵、邻二氮菲等。
第三节 沉淀浮选分离法
第一节 装置与操作
基本操作： 通过微孔玻璃砂芯/塑料筛板送入氮气/空气，使其产生 气泡流，含有待测组分的疏水性物质被吸附在气-液界面
上，随着气泡的上升，浮至溶液表面形成稳定的浮渣
（沉淀 + 泡沫）或泡沫层，从而分离出来。
第二节 离子浮选分离法
金属离子试液中加入配位剂，调节酸度，形成配离子，
再加入与配离子带相反电荷的表面活性剂，形成离子缔合
表面活性剂非极性部分链（烃链）长度增加，浮选率
增大。
第二节 离子浮选分离法
一、影响无机离子浮选效率的主要因素 3. 离子强度 溶液中离子强度大小对泡沫分离影响很大。 离子强度增大，对浮选分离不利。可能是待测离子和 其它离子对表面活性剂产生竞争引起。
第二节 离子浮选分离法
一、影响无机离子浮选效率的主要因素 4. 配位剂 离子浮选法选择分离金属离子时，可利用其能否与配 位剂配位及配位能力的大小来浮选分离。
荡，分层后弃去水相；加 H2SO4 洗涤有机相，分层后弃
去水相。加丙酮溶解沉淀，移入比色器测定吸光度。
第三节 沉淀浮选分离法
一、影响沉淀浮选的主要因素 1. 捕集沉淀剂 也称载体或聚集沉淀剂，需从共沉淀和浮选两个角度 进行选择。 一般选择比气泡大得多的大分子絮凝状捕集沉淀剂，
微小气泡易进入沉淀剂空隙及附着在气-液表面，从而使
新型分离泡沫
12
泡沫分离的应用
矿物浮选：是泡沫分离应用最广的领域。 废水处理：废水中表面活性剂、COD、色素、有 机物的除去及铜、锌、镉、铬、汞等金属的分离 回收，含放射性元素的废水处理等。 海水中铀、钼、锌、铜等的富集。 生物医药：蛋白质、酶、病毒、细菌等的分离。
13
典型问答题
1.何谓渗透？何谓反渗透？ 2.何谓超滤过程的浓差极化？说明并画出示意图。 3.简述电渗析的基本原理。 4.何谓固定床吸附过程的透过曲线？ 5.简述分子蒸馏的原理，画出示意图。
温度: 每种表面活性物质都有一定的起泡温度,高于 该温度, 起泡性变差。温度也影响泡沫的稳定性。
其它：溶液pH、离子强度、气液流量、气泡大小等。
11
泡沫分离的优缺点 优点：设备和操作比较简单、能耗低、投资 少、成本低。尤其适合低浓度（如ppm级）条 件下表面活性物质的分离回收。 缺点：泡沫分离塔内的返混影响分离效率； 分离非表面活性物质时添加的表面活性剂的 回收问题。
当被分离的物质不是表 面活性物质时,可以通过加 入能与它结合的表面活性 剂后进行泡沫分离。
2
泡沫分离的分类
（1）泡沫分馏（即通常所指的泡沫分离）：用于溶 液分离。 （2）泡沫浮选：用于不溶解物质的分离, 又可分为：
①矿物浮选 ②离子或分子浮选：用于分离非表面活性的离子或 分子, 先加入浮选捕集剂（如絮凝剂）与被分离组分 形成难溶或不溶物, 然后用浮选法将其除去。 （3）无泡沫吸附分离：指用鼓泡方法进行分离, 但不 一定形成泡沫层。
第六章 泡沫（Foam）分离
泡沫分离又称泡沫吸附分离或鼓泡吸附分 离，是以气泡为介质, 依据各组分的表面活性的 差异而分离液体混合物的一种方法。
1
分离过程：气体在待分 离的液体中鼓泡，液体中 的表面活性物质聚集在气 泡的表面,气泡上浮至液体 上方形成泡沫层, 泡沫层 经破沫后得到含表面活性 物质的泡沫液（部分泡沫 液回流，类似于精馏）。
泡沫分离法
泡沫分离技术的基本原理
泡沫的形成与性质
①泡沫的形成和组成部分
泡沫是由被极薄的液膜所隔开的许多气泡所组 成的。 当气体在含表面活性剂的水 溶液中发泡时，首先在液体 内部形成被气裹的气泡，与 此瞬时，溶液表面活性剂分 子立即在气泡表面排成单分 子膜，亲油基指向气泡内部， 亲水基指向溶液。
泡沫分离技术的基本原理
气泡借助浮力上升，冲击溶液 表面的单分子膜。 许多气泡聚集成大小不同的球状气泡集合体，更多的 集合体聚集在一起形成泡沫。 形成泡沫的气泡集合体包括两个部分：一是泡，两个 某些情况下，气泡可以跳出液体表面， 或两个以上的气泡；二是泡与泡之间以及少量液体构成 的隔膜（液膜），是泡沫的骨架。 此时，该气泡表面的水膜外层上，形成 与液体内部单分子膜的分子排列完全相 反的单分子膜，从而构成了较为稳定的 双分子层气泡体，在气相空间形成接近 于球体的单个气泡。
泡沫分离法
概述
1915年用于矿物浮选； 50年代用于分离金属离子的研究； 60年代采用泡沫分离法脱除洗涤剂工 厂污水中的表面活性剂获得成功； 1977年报道泡沫分离法用于DNA、蛋白 质及液体卵磷脂等生物活性物质的分 离。
泡沫分离法的分类
泡沫分离是以气泡为介质，利用组分的表 面活性差进行分离的一种分离方法
泡沫分离操作方式
泡沫分离的操作是由 两个基本过程组成：1 待分离的溶质被吸附 到气－液界面上；2 对被泡沫吸附的物质 进行收集并用化学、 热或机械的方法破坏 泡沫，将溶质提取出 来。因此它的主要设 备为泡沫塔剂大多是高分子化合物，消耗量
大，有时难以回收； 泡沫分离塔中的返混严重影响分离的效率； 能维持稳定泡沫层的表面活性剂较少，且 难以控制其在溶液中的浓度。
泡沫分离法的分类
泡沫分离：按分离对象是溶液 还是含有固体离子的悬浮液、胶 体溶液，泡沫分离可分成： 泡沫分馏（Foam Fractionation） 泡沫浮选（Foam Flotation）
分离方法——泡沫分离法
许多气泡聚集成大小不同的球状气泡集合体，更多的集合体聚集在一起形 成泡沫。 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； 二是泡与泡之间以及少量液体构成的隔膜（液膜），是泡沫的骨架。 某些情况下，气泡可以跳出液体表面，此时，该气泡表面的水膜外 层上，形成与液体内部单分子膜的分子排列完全相反的单分子膜， 从而构成了较为稳定的双分子层气泡体，在气相空间形成接近于球 体的单个气泡。
泡沫分 离法
泡沫分离是以气泡为介质，利用组分的表面活差 进行分离的一种分离方法。
1915年用于矿物浮选； 50年代用于分离金属离子的研究； 60年代采用泡沫分离法脱除洗涤剂工厂污
水中的表面活性剂获得成功； 1977年报道泡沫分离法用于DNA、蛋白质及 液体卵磷脂等生物活性物质的分离。
泡沫分离是以气泡为介质，利用组分的表面活性差进行 分离的一种分离方法
（2）、Gibbs(吉布斯)等温吸附方程
Γ为吸附溶质的表面过剩量，即单位面积上吸附溶质的摩尔数 与主体溶液浓度之差,对于稀溶液即为溶质的表面浓度，可通 过 σ (溶液的表面张力)与浓度c(溶质在主体溶液中的平衡浓 度)来求得；Γ/c为吸附分配因子。 如果溶液中含离子 型表面活吸附方程
（1）泡沫分离的操作方式
泡沫分离的操作是由两个基 本过程组成：1 待分离的溶 质被吸附到气－液界面上； 2 对被泡沫吸附的物质进行 收集并用化学、热或机械的 方法破坏泡沫，将溶质提取 出来。因此它的主要设备为 泡沫塔和破沫器。
（2）影响泡沫分离的因素
①待分离物质的种类 例如对金属离子的分离：一种方法是加入表面活性剂， 使其与待分离离子一起被气泡带到液面予以分离；另 一种方法是把溶液调节至适当的PH值，使待分离物质 形成沉淀，并与表面活性剂一起被气泡带到泡沫层而 分离。
泡沫分离法
HLB 的范围
HLB值范围和应用
HLB值
1～3 3～6 7～9 8～18 13～15
应用
消泡剂 W/O乳化剂 润湿剂 O/W乳化剂 洗涤剂
15～18
增溶剂
HLB值范围和状态
HLB值 在水中状态
1 ～4
3 ～6
不能分散（不溶）
粗粒子分散
6 ～8
8～10 10～13 ＞13
激烈搅拌可呈乳化态
呈稳定的乳化态 几乎透明的分散洗涤剂 完全透明分散
表面活性剂：
–
能使表面张力大幅度下降的物质
表面张力下降原理
–在液体表面上
气液接触面积急剧下降 使表面张力急剧下降 –非极性基团--亲油基--伸向气相 –极性基团---亲水基---伸向液相
表面 活性剂 的作用
气 泡 结 构(structure
of bubbles) （正五边形构成的正十二面体）
气 泡 结 构(structure)
多级逆流吸附计算
泡沫分离过程的设计计算
塔板效率估算或选取
塔径计算：
根据塔顶泡沫液排出流率与
气体流率的经验关联求取塔径
破沫器的选型和设计：
机械搅拌、液体喷雾、破碎、加热等
泡沫分离的研究和工业应用
1915年开始应用于矿物浮选 50年代末受到重视 60年代应用于污水处理
70年代应用于DNA、蛋白质等分离
表面活性螯合剂和鳌和平衡 (chelating)
表面活性螯合剂
– 能与被脱除金属离子形成具有表面活性的络合物
被脱除阴离子与 表面活性剂的阴离子交换
交换常数
螯合平衡
(chelate equilibrium) （KA为螯合物的生成常数）
分离方法——泡沫分离法27页PPT
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
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气泡借助浮力上升，冲击溶液 表面的单分子膜。
某些情况下，气泡可以跳出液体表面， 此时，该气泡表面的水膜外层上，形成 与液体内部单分子膜的分子排列完全相 反的单分子膜，从而构成了较为稳定的 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，更多的集合体聚集在一 起形成泡沫。
第六章 泡沫分离法
（Foam Separation）
泡沫分离技术（泡沫吸附分离技术）
➢ 1915年用于矿物浮选 ➢ 50年代用于分离金属离子的研究； ➢ 60年代采用泡沫分离法脱除洗涤剂工厂污水中
的表面活性剂获得成功； ➢ 1977年报道泡沫分离法用于DNA、蛋白质及
液体卵磷脂等生物活性物质的分离。
泡沫分馏用于分离溶解物质，它们可以 是表面活性剂，或者可与表面活性剂结合的 物质，当料液鼓泡时能进入液层上方的泡沫 层而与液相主体分离。
泡沫浮选用于分离不溶解的物质，按照 被分离对象是分子还是胶体，是大颗粒还是 小颗粒等，又可分为矿物浮选、粗粒浮选、 微粒浮选、离子浮选、分子浮选、沉淀浮选 和吸附胶体浮选。
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。
2．泡沫的稳定及层内排液
泡沫不是很稳定的体系，气泡与气 泡之间仅以薄膜隔开，此隔膜也会因彼 此压力不均或间隙流的流失等原因而发 生破裂，导致气泡间的合并现象；
由于小气泡的压力比大气泡高，因 此气体可以从小气泡通过液膜向大气泡 扩散，导致大气泡变大，小气泡消失。
表面活性剂的CMC一般在0.001～ 0.02mol/L左右，泡沫分离最好在低于CMC下 进行。
二．泡沫的形成与性质
1．泡沫的形成和组成部分
泡沫是由被极薄的液膜所隔开 的许多气泡所组成的。
当气体在含表面活性剂的水溶液 中发泡时，首先在液体内部形成被包 裹的气泡，与此瞬时，溶液中表面活 性剂分子立即在气泡表面排成单分子 膜，亲油基指向气泡内部，亲水基指 向溶液。
二．影响泡沫分离的因素
1．待分离物质的种类 例如对金属离子的分离：一种方
法是加入表面活性剂，使其与待分 离离子一起被气泡带到液面予以分 离；另一种方法是把溶液调节至适 当的pH值，使待分离物质形成沉淀， 并与表面活性剂一起被气泡带到泡 沫层而分离。
2．溶液的pH值
溶液的pH值对分离效果影响很大。 对于天然表面活性物质，如蛋白质的 泡沫分离，在等电点时效率最高； 对于非表面活性物质，可控制在某一 pH下使其Г/c（吸附分配因子）最大，这 样可从离子混合物中分离个别离子。
泡沫的稳定性一般与溶质的化学 性质和浓度，系统温度和泡沫单体大 小、压力、溶液pH值有关。
表面活性剂的浓度愈是接近临界 浓度，气泡愈小，气泡的寿命愈长。
泡沫层排液是泡沫中液体的流体 学行为，它是研究泡沫塔特性、气 液表面吸附机理以及泡沫分离塔设 计的基础。
6.3 泡沫分离的操作方式 及其影响因素
6.1 泡沫分离法的分类
泡沫分离是以气泡为介质，利用 组分的表面活性差进行分离的一种分 离方法。
泡沫吸附分离
泡沫分离
泡泡 沫沫 分浮 馏选
无泡沫吸附分离
鼓
溶
泡
媒
பைடு நூலகம்
分
浮
馏
选
泡沫分离
按分离对象是溶液还是含有固体 离子的悬浮液、胶体溶液，泡沫分 离可分成：
泡沫分馏(Foam Fractionation) 泡沫浮选(Foam Flotation)
6.2 泡沫分离技术的基本原理
泡沫分离过程是利用待分离物质 本身具有表面活性或能与表面活性剂 结合在一起，在鼓泡塔中被吸附在气 泡表面，得以富集，籍气泡上升带出 溶剂主体，达到净化主体液、浓缩待 分离物质的目的。
泡沫分离作用主要取决于组 分在气－液界面上吸附的选择性 和程度，本质是各种物质在溶液 中的表面活性的差异。
一. Gibbs等温吸附方程
当一种非离子型表面活性剂以非常低 的浓度溶解于纯溶剂中时，根据Gibbs等 温吸附方程，可得
1 d
RT d ln c
（6－1）
Г为吸附溶质的表面过剩量，即单位面积上 吸附溶质的摩尔数与主体溶液浓度之差（Г/c为
吸附分配因子）；σ为溶液的表面张力，c为溶
质在主体溶液中的平衡浓度。
2．连续式泡沫分离过程
料液和表面活性剂连续加入 塔内，泡沫液和残液连续从塔 内排出。
破沫可采用静止法、离心分离、声 波、超声波、震动加热等方法。
如果使用的是加入表面活性剂来形 成络合物的方法，在脱除非表面活性剂 时，泡沫液中的络合物可通过化学反应 使需脱除的非表面活性组分形成不溶解 的化合物，然后过滤分离，再生的表面 活性剂可以循环使用。
无泡沫分离
无泡沫分离是指用鼓泡进行分离，但 不一定形成泡沫层，可分鼓泡分馏和溶媒 浮选。
鼓泡分馏是从它设备底部通气鼓泡，表面 活性物质被气泡富集并上升至塔顶，和液相主 体分离，使溶质得到浓缩，液相主体被净化；
溶媒浮选是在溶液顶部置有一种与其互不 相溶的溶剂，用它来萃取或富集由塔底鼓出的 气泡所吸附的表面活性物质。
3．表面活性剂的浓度
表面活性剂的浓度不宜超过 CMC ， 但 也 不 能 太 低 ， 使 泡 沫 层 不稳定，太高则使分离效率下降。
一. 泡沫分离的操作方式
泡沫分离的操作有两个基本过程：
1）待分离的溶质被吸附到气液界面；
2）对被泡沫吸附的物质进行收集并破 坏泡沫，将溶质提取出来。
主要设备为泡沫塔和破沫器。
泡沫分离流程可分为间歇式、连续式两类
1．间歇式泡沫分离过程
气体从塔底连续鼓入， 形成的泡沫从塔顶连续 排除，原料液因不断形 成泡沫而减少，可在塔 的下部适当补充表面活 性剂，以弥补其在分离 过程中的减少。
如果溶液中含离子型表面活性剂， 则(6-1)式可修正为
1 d
nRT d ln c
（6－2）
n为与离子型表面活性剂类型有关的常 数：对完全解离型电解质，n＝2；在电解 质溶液中还添加过量无机盐时，n＝1。
在低浓度时，Г随溶液中 表面活性剂浓度的增大而线 性增大；
当表面活性剂的浓度高 于CMC时，多余的表面活 性剂开始在溶液内部形成胶 束，这时Г便不随表面活性 剂浓度的增大而变化。