泡沫吸附分离

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化学分离泡沫分离ppt

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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

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:

泡沫分离技术及其在蛋白分离中的应用

泡沫分离技术及其在蛋白分离中的应用

及发展大致可以看出,泡沫分离 的应用可以分为两大类。一类是 本身为非表面活性物质(如铜、 锌、银、镉、铁、汞等金属类物 质),需通过配位或其他方法使 其具有表面活性,这类体系被广 泛地下用面本于文工将业就泡污沫水分中离技各术种及金其在属离 子质的分离分蛋离白回质中收的,应以用作及一海个水简单中介铀、 钼绍、铜等的富集和原子能工业中
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含放射性元素锶的废水的处理; 另一类是本身具有表面活性的物
蛋白质和酶的分离浓缩
泡沫分离蛋白质主要是由于蛋白质具有一定 的表面活性能够吸附于气液界面,因此知道能够 利用泡沫分离技术分离提取的蛋白质首先应具有 一定的表面活性,但并非拥有表面活性的蛋白质 就能够用泡沫分离法进行分离。目前能够利用泡 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、大豆蛋白、卢一酪 蛋白、抗菌肽类等一系列蛋白质。
泡沫分离技术的操作方式
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分离技术的基本流程:间歇式和连 续式
连续式泡 沫分离装 置与间歇 式没有什 么本质区 别,只是 含表面活 性剂的料
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• 应用连续型泡沫分离装置,便于工业化、自动化生产。
• 三种不同的连续型泡沫分离装置分别为浓缩塔(精 馏塔)、提取塔(提馏塔)、复合塔(全馏塔),可 根据不同目的选择不同的塔。
泡沫分离的简介
泡沫分离,又称泡沫吸附分离技术,是一种用来分离金属离子、 胶体、分子及沉淀等物质的一种新型分离方法,并在发展过程中逐渐 作为一种单元操作加以研究。至今为止,泡沫分离技术不但在矿物浮 选的应用上已经相当成熟,并已成功应用于很多表面活性物质(诸如 蛋白质、酶、胶体、合成洗涤剂等)的分离。近年来,科学研究者们 仍在不断探索更高效、环保、适于工业化操作的泡沫分离操作方式, 并不断尝试分离新的活性物质以满足现代社会及工业的需求。继用泡 沫分离技术从溶液中回收微量金属离子的相关研究开始之后,随着对 整个分离过程的原理、机制、操作方式、分离条件的深入研究,泡沫 分离技术的应用范围逐渐扩大到蛋白质、DNA、酶等各种生物活性 物质以及合成洗涤剂的分离。其环保、温和、操作简单的特点无疑将 使其在有关生物、环境、食品、化工等工业中得到更加广泛的应用。

泡沫吸附分离技术

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.

泡沫分离技术

泡沫分离技术

应用
生物医学
回收废水中铜锌
环境保护 废纸脱墨 土壤清洗
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ点:一、可冷态下操作(热敏和不稳定物质有特殊意义)
二、低浓度下分离有效 三、1.泡沫分离设备简单,易于放大; 2.操作简单,能耗低; 3.可连续和间歇操作; 4.在生物下游加工过程的初期使用,处理体 积 庞大的稀料液; 5.可直接用于处理含有细胞或细胞碎片的料液; 6.只要操作条件设计合理,可获得很高的分离效率。
仍将占主导地位。为了适应越来越复杂的矿石 选别的要求,药剂间的组合使用势在必行,也 是一条挖掘传统药剂潜力的有效途径。由于不 同矿石对药剂的组合内容要求不同,导致目前 药剂的组合种类、组合方式种类繁多,做好各 种药及组合与各种矿物之间的对应统计工作, 将是一项有意义的工作。
(四)有机调整剂
在浮选过程中,常常也会添加一些有机调整剂来提 升浮选效果。这些有机调整剂通常为高分子化合物,能 够起到抑制和絮凝沉降的作用。例如淀粉和纤维素就可 以用做非极性矿物的抑制剂和赤铁矿的选择絮凝剂。
淀粉
纤维素
(一)浮选机
将复杂体系(通常为矿浆)装入浮选机内部,然后浮选 机会通过机械搅拌的抽吸作用或充气管道充入空气。空气与 矿浆在两相混合区迚行混合,机械叶片不断搅拌产生泡沫, 然后从泡沫区出口排出成为泡沫产物。
入选粒度:在泡沫浮选中,浮选物质的粒度过粗时,待分 离物质不易浮起,分离效果不好;浮选物质的粒度过细时, 待分离物质不易与气泡结合,同样不易于浮选分离。
体系组分(矿浆)浓度:矿浆浓度是指复杂体系中固体的 质量分数,对于浮选过程中药剂、溶剂、能量的损耗以及待 分离物质的回收率及品相都会有很大影响。
(一)捕收剂(collector)
捕收剂常常用来提升待分离物质的亲水性和可 浮性,在泡沫浮选分离中占据着重要的地位。捕收 剂含有亲水基以及疏水基。当捕收剂中的亲固离子 与待分离物质中的离子同名时,可以对它迚行捕收。

气浮分离法

气浮分离法

溶剂浮选(萃取浮选法) 溶剂浮选(萃取浮选法)
在浮选溶液的表面加有少量比水轻的有机溶 在浮选物浮出水相时, 剂,在浮选物浮出水相时,若该物质溶于有机 则可以直接测定; 相 , 则可以直接测定 ; 若该物质不溶于有机 相,则水相和有机相之间形成第三相,即为浓 则水相和有机相之间形成第三相, 缩相,从而达到浮选分离的目的。 缩相,从而达到浮选分离的目的。
浮选装置与操作
浮渣或泡沫层
样品液 气泡
烧结板
空气
浮选法类型 ● 离子浮选法 ● 沉淀浮选 溶剂浮选(浮选萃取法) ● 溶剂浮选(浮选萃取法)
ห้องสมุดไป่ตู้
离子浮选法原理
首先让溶液中欲分离富集离子或它与络合剂作用形 成络阳离子或络阴离子, 成络阳离子或络阴离子 , 与带相反电荷离子的表面活 性剂作用生成疏水性的离子缔合物。然后通气起泡, 性剂作用生成疏水性的离子缔合物 。 然后通气起泡 , 离子缔合物被吸附在气泡表面而上浮至溶液表面, 离子缔合物被吸附在气泡表面而上浮至溶液表面 , 将 其与母液分开后便可达到分离的目的。 其与母液分开后便可达到分离的目的 。 实现离子浮选 方式有两种: 方式有两种: 欲富集离子直接被浮选; ① 欲富集离子直接被浮选;“无机络阴离子或酸根 离子” 离子” ② 欲富集离子先与适当的络合剂作用形成络合物离 子缔合物,然后通过浮选此种络合物而达到浮选目的。 子缔合物 , 然后通过浮选此种络合物而达到浮选目的 。 有机试剂螯合离子” “有机试剂螯合离子”
回 收 率
表面 离子
剂 离子
pH
表面活性剂: 相反电荷” 表面活性剂 :带“ 相反电荷 ” ,其作用是将亲水 沉淀转为疏水沉淀便于浮选以及形成稳定的泡沫层。 沉淀转为疏水沉淀便于浮选以及形成稳定的泡沫层 。 气泡大小 2) 载体的选择 ① 对象元素的回收率 ② 从大量共存元素中分离的可能性 ③ 定量阶段载体元素的干扰情况 ④ 易得的高纯度载体元素等 3) 应用

第六章泡沫分离法

第六章泡沫分离法

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

吸附泡沫分离

吸附泡沫分离
备的底部鼓入气体形成气泡,表面活性物质随气泡上升至塔顶部,从而与母液分 离;溶剂消去法是将一层与溶液不相混溶的溶剂置于溶液顶部,通过鼓出的气泡 将溶液中的表面活性物质带到顶部溶剂层,从而将溶液中表面活性剂除去或从溶 液中分离富集表面活性剂。
泡沫分离可进一步分为泡沫分馏和泡沫浮选。
泡沫分馏(也称泡沫精馏)类似精馏过程,用于分离在溶液中可溶解的物质,如 表面活性剂和能与表面活性剂结合的各种非表面活性物质。泡沫浮选主要用于分 离在溶液中不溶解的物质,根据颗粒大小还可将泡沫浮选细分为若干类。
凡是利用“泡”(泡沫、气泡)作介质的分离都统称为泡沫吸 附分离,它可以分为非泡沫分离和泡沫分离。
泡沫吸附分离
非泡沫分离
鼓泡分离法 溶剂消去法
泡沫分离
泡沫分馏 泡沫浮选
矿物浮选 粗粒浮选 细粒浮选 沉淀浮选 离子浮选 分子浮选 吸附富集浮选
非泡沫,泡沫吸附分离主要限于天然表面活性剂的分离,直到 20世纪中后期才发现溶液中的金属离子和某些表面活性剂所形成的 配合物也能吸附到泡沫上,这种场合的表面活性剂称作起泡剂。
泡沫吸附分离是以泡沫作分离介质,并利用各种类型对象
物质(离子、分子、胶体颗粒、固体颗粒、悬浮颗粒等)与泡沫表 面的吸附相互作用,实现表面活性物质或能与表面活性剂结合的物 质从溶液主体(母液)中的分离。
1
01
02
03
泡沫吸附分离的概念与类型
泡沫吸附分离机理 泡沫吸附分离实验流程与应用
01
概念与类型
泡沫分离技术早在20世纪初就广泛应用于矿物浮选分离。现在, 这种技术还可用于许多可溶的和不可溶的物质的分离或富集。例如, 溶液中的无机阴离子、金属阳离子、具有表面活性物质的有机物、 染料、蛋白质的分离富集。

《泡沫分离》幻灯片PPT

《泡沫分离》幻灯片PPT
⑤气流速度
气流速度上升,泡沫形成速度上升,那么单位 时间的去除率也上升,但泡沫中间歇液的含量 也上升,因而降低了塔顶泡沫液的浓度。气流 速度过大时,泡沫中气液别离那么易形成乳化 气体,对操作不利。
溶解物质的脱除,涉及它们在气—液相之间 的分布。随着气体流速的增加相界面也随之增加 ,因此单位时间内的脱除量就增加,但是低气速 一般对别离和提高增浓比是有利的,不过这有个 前提,即气速必须足以保持良好别离所需要的泡 沫层高度,最正确气流速度决定于外表活性剂的 浓度和泡沫的性质。
了泡沫别离金属离子的可行性,然后建立了金属离子
与外表活性剂离子之间相互作用的扩散-双电层理论。
20世纪60年代中期采用泡沫别离法脱除洗涤剂工厂排
放的一级污水和二级污水中的外表活性剂-直链烷基
磺酸盐和Байду номын сангаас磺酸盐获得成功。20世纪70年代进展了染
料等有机物与废水泡沫别离的实验研究,1977年开场
有报道用阴离子外表活性剂
•6
3 粒子浮选和分子浮选,用于别离非外表活性粒子 或
分子,需要向体系中参加浮选捕集剂与被别离组分 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值或参加某种 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。
柱体流动,从而使平壁逐渐变薄,最后在阻力的平衡下,
膜到达一定的厚度。当膜间夹角为120°时,压力差最
小,泡沫稳定。
•14
假设是三个以上,如四个气泡聚集在一起时,见图,
最初可能形成十字形或其他构造,但它是不稳定的,
在相邻气泡间的微小压力差作用下,膜会滑动,直至

气浮分离法

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。

3-1-2泡沫分离与膜分离技术

3-1-2泡沫分离与膜分离技术
以多孔细小薄膜为过滤介质,压力为推动力 ,使不溶性物质得以分离的操作。 可用于粒子粒径为0.1 μm ~ 10 μm的过滤。 可应用于消毒、澄清、细胞收集等。如培养基 液菌体分离与浓缩,产品消毒。
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3.2 膜分离技术的类型
2.超滤( Ultrafiltration, UF) :
反渗透:过程类似于超滤,只是纯溶剂通过膜,而低
分子量的化合物被截留。因此,操作压力比超滤大得多

pp p0 patm
因此,超滤和反渗透通常又被称之为“强 制膜分离过程”
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20
3.2 膜分离技术的类型
4.透析:用具有一定孔径大小的、高分子溶质不能透
过的亲水膜将溶质溶液与纯水分隔,在浓差的作用下 ,小分子溶质透向水侧,水透向溶液一侧。 ▪ 透析膜:孔径5-10nm,实验室中常用透析袋 ▪ 应用:脱盐,血液透析
渗透和渗透压:
渗透:膜(不能透过溶质)两 侧压力相等时,在浓度差作用 下,溶剂从溶质浓度低的一侧 向溶质浓度高的一侧透过的现 象。
渗透压:渗透现象中,促使水 分子透过的推动力。
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3.2 膜分离技术的类型
3.反渗透(Reverse osmosis,RO):
反渗透:
定义:在溶质浓度高 的一侧施加超过渗透 压的压力,使溶剂透 过膜的操作。
颗粒)间表面活性的差异,表面活性强的 物质优先吸附于分散相与连续相的界面处 ,通过鼓泡使溶质选择性的聚集在气-液界 面并借助浮力上升至溶液主体上方形成泡 沫层,从而分离、浓缩溶质或净化液相主 体的过程。
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2 泡沫分离
2.3 泡沫分离设备和过程 ①设备:泡沫柱和消泡器

泡沫处理技术

泡沫处理技术

泡沫分离技术处理水产养殖废水泡沫分离根据表面吸附的原理,利用通气鼓泡在液相中形成的气泡为载体对液相中的溶质或颗粒进行分离,因此又称泡沫吸附分离。

自20世纪70年代,泡沫分离技术已在工业废水处理中得到广泛应用。

其原理是向被处理水体中通入空气,使水中的表面活性物质被微小气泡吸着,并随气泡一起上浮到水面形成泡沫,然后分离水面泡沫,从而达到去除废水中溶解态和悬浮态污染物的目的。

由于泡沫分离技术不仅可以将蛋白质等有机物在未被矿化成氨化物和其他有毒物质前就已被去除,避免了有毒物质在水体中积累,而且可向养殖水体提供所必需的溶解氧,对维护养殖水体生态环境有良好作用。

泡沫分离技术是近十几年发展起来的新型分离技术之一。

泡沫分离是根据吸附的原理,向含表面活性物质的液体中鼓泡,使液体内的表面活性物质聚集在气液界面(气泡的表面)上,在液体主体上方形成泡沫层,将泡沫层和液相主体分开,就可以达到浓缩表面活性物质(在泡沫层)和净化液相主体的目的。

被浓缩的物质可以是表面活性物质,也可以是能与表面活性物质相络合的物质,但它们必须具备和某一类型的表面活性物质能够络合或鳌合的能力。

人们通常把凡是利用气体在溶液中鼓泡,以达到分离或浓缩目的的这类方法总称为泡沫吸附分离技术,简称泡沫分离技术。

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,1964 年Karger,Grieves[2]等人共同推荐并向IUPAC 提出一项建议,把泡沫分离技术方法分类如表1-1:表1-1 泡沫分离技术方法分类I 泡沫分离Foam separationA 泡沫分离法Foam fractionationB 泡沫浮选法Froth Flotation1. 矿物浮选Ore Flotation2. 粗离子浮选Macro Flotation3. 细粒子浮选Micro Flotation4. 沉淀浮选Precipitate Flotation5. 离子浮选Ion Flotation6. 分子浮选Molecular FlotationC 吸附胶体浮选Adsorbing FlotationⅡ非泡沫分离Nonfoaming adsorptive bubble separationsA 鼓泡分离法Bubble fractionationB 萃取浮选法Solvent sublation。

浮选分离和泡沫吸附

浮选分离和泡沫吸附

贵州矿业
贵州省矿产资源丰富,在贵州这仅占全国总面积 1.84%的地方,至今发现的矿产达110种以上,发现各 类矿床、矿点3000余处。其中76种已程度不同地探明 了储量,全省探明储量的产地达1338处,这些矿种中 “煤、磷、铝、锑、金、锰”构成贵州主要的矿产资 源优势。根据全国保有储量对比排序,贵州有40种矿 产排列全国前十位,其中29种矿产列第一至第五位, 22种列入第一至第三位。全省已探明矿产价值3亿万 元以上,人均8.2万元,居全国第八位,单位国土面 积的矿产潜在价值和人均占有量,高于全国平均水平 ,在西部12省区中居前列,发展矿业在贵州具有广阔 的前景。
泡沫吸附分离方法的分类
鼓泡分离法
非泡沫分离
溶剂消去法
矿物浮选 粗粒浮选
泡沫分馏 泡沫分离 泡沫浮选
细粒浮选 沉淀浮选 离子浮选 分子浮选 吸附富集浮选
泡沫的形成
首先在液体内部形成被包裹的气泡,该气泡会借浮力上升冲击溶液表面的 单分子膜,在该气泡表面的水膜外层上,形成与上述单分子膜的分子排列完全 相反的单分子膜,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 合体集聚在一起形成泡沫。
离子浮选由于其选择性较高,因此为分 离性质相近的元素提供了一条新途径。 沉淀浮选可克服经典沉淀分离过滤费时 的缺点,且能方便处理大体积溶液; 溶剂浮选与吸光光度法的直接结合,即溶 剂浮选光度法,具有分离量大、选择性及 灵敏度高的独特优点。
泡沫吸附分离
定义:泡沫吸附分离是以泡沫作分离介质,并 利用各种类型的对象物质(离子、分子、胶体 颗粒、固体颗粒、悬浮颗粒等)与泡沫表面的 吸附相互作用,实现表面活性物质或能与表面 活性剂结合的物质从溶液主体(母液)中的分 离。 凡是利用“泡”(泡沫、气泡)作介质的分离 都统称为泡沫吸附分离。

泡沫分离技

泡沫分离技


泡沫分离是在表面活性物质的存在下 进行的,是日常生活中的常见现象, 各种洗涤作用就是根据泡沫分离的原 理。在工业生产中,泡沫分离在矿石 浮选和废水处理等领域已有大规模的 应用。在生物物质中,蛋白质、细胞 和细胞碎片是天然的表面活性物质, 可用泡沫吸附进行分离和浓缩。
二、泡沫分离原理

(一)表面张力与表面吸附

四、泡沫分离的应用

1、应用范围:
泡沫分离可用于粒子、分子、胶体和 沉淀颗粒的分离,在选矿、废水处理 和环境保护领域广泛应用。在生物分 离领域,可以应用于蛋白质分离、细 胞收集以及天然产物中有效成分的提 取。



2、应用优势: 泡沫分离在生物下游加工过程中具有如下优 势: (1)设备简单,易于放大; (2)操作简便,能耗低; (3)可以连续或间歇操作; (4)在生物下游加工过程的初期使用,处 理体积庞大的稀料液; (5)可以直接用于处理含有细胞或细胞碎 片的料液; (6)只要操作条件设计合理,可获得很高 的分离效率。
(4)操作条件:气体流速和气液流速 比。 气体流速增大,会使泡沫在柱中的停 留时间缩短,不利于泡沫排液,影响 浓缩率和分离选择性;气速降低则使 泡沫在柱中的停留时间延长,容易引 起蛋白质的变性,因此必须设计合适 的气体流速。在连续操作中,还要设 计合适的液体流速,达到合适的气液 流速比。



3、影响泡沫稳定性的因素 (1)表面活性剂的浓度 在CMC以下,表面活性剂的浓度较 低,则泡沫不稳定。


(2)温度 温度升高会导致液相黏度降低,泡内 气体压力上升,气泡容易破裂。
三、泡沫分离设备与过程

泡沫分离设备主要由泡沫柱和消泡器 构成。

泡沫分离法

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)
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表面活性剂浓度稍大于CMC时,才能充分发挥其表 面活性作用。 当溶液浓度达到临界胶束浓度时,表面活性剂的一些 物理性质如电阻率、渗透压、冰点下降以及颜色变化 等就会发生改变。
(2) CMC值
CMC值 的大小主要决定于表面活性剂的分子结
构和在水中的强电解质的浓度,与强电解质的种类和
非电解质无关。

c d c ab RT dc RT 1 bc
当浓度达到饱和即c很大时,则1+bc= bc,则
a RT
-饱和吸附量
bc 1 bc
与Langmuir吸附等温式类似
c


c


1 b

c

~ c作图,由直线的斜率求 得 。
5.4.3 解吸功
吸附功:吸附为自发过程,吸附过程所做的功为吸附功。
表面活性剂知识介绍(补充)
从广义上讲,能使体系表面张力降低的溶质均
可称为表面活性物质;但习惯上只将显著降低表面
张力的这类化合物称为表面活性剂。 表面活性剂是一类具有双亲性结构的有机化合物。
1970年 1996年
世界表面活性剂产量 世界表面活性剂产量 >50% >20% 其余
320万吨 1000多万吨
解吸功:将吸附分子从表面解吸所需的功。
解吸功的计算:
cs L RT ln ci cs ci mol/L mol/L
5.4.4 固体表面的吸附
固气界面和固液界面的吸附对浮选很重要。
Va = k1P
当P>Pd时,Vr=k
Va=k2
Va = kP1/n
Pd
图5.7 溶解、化学反应和吸附的等温线 (a)溶解; (b)化学反应;(c)吸附
在水中溶解性好,任何pH都适合,渗透力和抗静
电性比氨基酸型好。
② 磺酸盐型
(4) 非离子表面活性剂
如聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂 非离子表面活性剂分子中含有聚氧乙烯基或羟基, 能溶于水,但在水中不能解离成离子。其亲水性是通 过聚氧乙烯醚链或羟基链中的氧原子与水分子形成氢
键而表现出来的。
无水时
R-O CH2 CH2 O 有水时 CH2 O CH2 CH2 O HOH CH2 OH
C12H25NH(CH2)2COO - Na+ HCl C12H25NH(CH2)2COOH + NaCl (弱 酸 性 ) 有沉淀生成 HCl C H NH(CH2)2COOH (强 酸 性) 12 25 HCl 沉淀溶解
b 甜菜碱型:
阳离子由季胺盐构成 CH3
CH3
烷基二甲基甜菜碱性 结构:R — N+ — CH2 COO-
少数是含磷或硫的有机化合物,主要是季胺盐。 NH3

R-NH2
伯胺
R-NH-R
仲胺
R R-N-R
叔胺
R
[ R-N-R ]+ XR
季胺盐
如烷基三甲基氯化铵 CH3
溶于水
[R - N - CH3]
CH3
+
Cl-
CH3 R - N+ - CH3 + ClCH3
优点: 柔软性好、抗静电、杀菌力强等
应用: 纤维、毛发、合成树脂的柔软剂 、抗静电剂 和防水剂,也用于医药卫生及建筑行业等。
局限性:
(1)当溶液中表面活性物质的浓度在临界浓度以上时,泡 沫分离塔虽然获得稳定的泡沫层,但分离效率低; (2)在临界胶束浓度以下, 难以维持稳定的泡沫层; (3)当用于去除富集质时,除去的总量和表面活性剂的用 量往往呈化学计量关系,而后者都是高分子物质,消耗量 较大,也会产生回收问题; (4)在泡沫分离设备的设计和操作中,塔中的返混严重影 响分离的效率,尤其是泡沫层不稳定的系统,只能实测,难 以预测.
图5.2 溶剂消去法流程示意图
5.2 流程设置及操作
泡沫分离的流程设置及处理方法和精馏很类似, 故有泡沫精馏之称。其流程可以分为间歇分离和连续 分离两类。
图5.3 间歇式分离塔
图5.4 连续式分离塔
5.3 特点及应用 优点:
(1)能在很低的浓度下十分有效地去除表面活性物质; (2)在表面活性剂的存在下,可以有效地去除非表面活性物 质如金属离子等; (3)当全塔都具有稳定的泡沫时,可利用回流尽可能增加单 塔的分离能力; (4)设备和操作十分简单,能耗低.
乙烯醚(商品名 OP) 、吐温系列产品(如吐温-80)、
6501净洗剂 [ C11H23CON(CH2CH2OH)2 ]都是常用的 非离子表面活性剂。
(5) 特种表面活性剂
special surfactant
利用氟碳链或硅链为疏水基的表面活性剂以及含有金属 的表面活性剂的总称。

氟碳表面活性剂 F C F F C F F C F F C F F C F F C F F C F
表面活性剂的分子结构
离子型表面活性剂的CMC决定于亲油基(憎水基)的 长短,一般碳原子数越大,CMC越小。但亲油基中若引
入双键或支链,则使CMC变大。 非离子型表面活性剂的CMC主要由亲水基的种类决
定,如聚氧乙烯链增长, CMC变大 。

无机盐类强电解质的影响
表面活性剂随着无机盐类强电解质的加入而使CMC 值降低。


表面层 液 相
表面功:
σdS = dG σ= dG / dS σ — 比表面吉布斯函数
比表面吉布斯函数是系统单位表面积的吉布斯函数 变,即表面张力 ( 单位 N/m ) 。 表面张力就是 表面分子作用于单位长度上的收缩力。 表面张力与物质的组成、所处温度压力以及共存相
的性质有关。
2、临界胶束浓度(CMC)
其中
用于纤维工业 用于洗涤剂工业 用于其它行业 用量小,收效大。
应用特点:
“工业味精 ”
表面活性剂结构特点和分类
表面活性剂结构特点 表面活性剂分类
1、表面活性剂结构特点
表面活性剂由结构上不对称的 两部分组成, 为双亲化合物。
亲油基
亲水基
亲水基:
极性基团。 易溶于水,具有亲水性质。
常见的亲水基有羧基、磺酸基、醚基和羟基等。
CH2 CH2
CH2
R-O
O
CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 H
O
HOH
HOH
O HOH
O
O HOH
缺点: 升高温度 ,氢键断裂,水分子脱落,导致亲水性 下降而不溶于水。 浊点: 升高温度 ,表面活性剂溶液由清晰变浑浊时 的温度为浊点。 脂肪醇聚氧乙烯醚(商品名平平加)、烷基酚聚氧
(1) 定义
a 极稀溶液
b 稀溶液
d c CMC的溶液 大于 CMC的溶液
б
c
临界胶束浓度(CMC):
表面活性剂在溶液中形成胶束的最低浓度。
<CMC =CMC >CMC
以单分子方式或离子形式存在于溶液中。 再加入表面活性剂,单分子浓度不再增加,
只增加胶束的数量。
以单分子和胶束的动态平衡状态存在于溶液。
5.4 湿法冶金中的矿石浮选
5.4.1 物理吸附和化学吸附 物理吸附:以分子间作用力为主 化学吸附:以化学键力为主 物理吸附与化学吸附的区别: (1)吸附热 (2)选择性 (3)活化能 (4)可逆性
(5)吸附层
5.4.2 液气界面的吸附
图5.5起泡剂分子在液气界面的排列
(a)浓度很小;(b)浓度中等;(c)浓度很大
溶于水后,起表面活性作用的是阴离子。 一般,阴离子表面活性剂水溶液显 中性或碱性。

肥皂
CH3(CH2)16COONa
主要成分: 硬脂酸钠
C17H35COONa
ห้องสมุดไป่ตู้
溶于水
C17H35 COO- + Na+
亲油基 亲水基
制造肥皂的反应式
CH2OOCC17H35 CH OOCC17H35 + 3NaOH CH2OOCC17H35 油脂 碱 CH2OH
磷酸酯盐
烷基醚磷酸酯 通过调节 HLB值来控制这类表面活性剂的性能。
多用作防锈剂、抗静电剂、乳化剂。 b 烷基磷酸酯
可以组成各种水溶性和油溶性的化合物,其应用
范围也各有不同。
(2) 阳离子表面活性剂
溶于水后,起表面活性作用的是阳离子。 一般,阳离子表面活性剂水溶液显 酸性。
阳离子表面活性剂绝大部分是含氮的有机化合物,
亲油基: 非极性基团。 易溶于油,具有亲油性质。
(憎水基) 一般为长链烃基。
2、表面活性剂分类
按亲水基团的结构分类
阴离子 如 肥皂、磺化油、



阳离子
两 性
如 烷基三甲基氯化铵
如 十二烷基氨基丙酸钠 烷基二甲基甜菜碱性
非 离 子 型
平平加、OP等
特种表面活性剂
氟碳表面活性剂、硅表面活性剂
(1) 阴离子表面活性剂
吸附量 Г=ac1/n
5.4.6 矿物表面吸附类型
(1)与晶格同名离子的吸附,有时称“定位离子”的吸附; (2)表面上的晶格离子与溶液中的离子交换吸附;
(3)原吸附的配衡离与溶液离子的二次交换吸附;
(4)分子吸附 (5)活性吸附 (6)胶粒吸附
5.5 浮选药剂
第5 章 泡沫吸附分离
Foam Adsorption Separation
本章目的及要求: (1)了解泡沫吸附分离法的分类及其特点;
(2)搞清物理吸附与化学吸附的区别;
(3)了解表面活性剂的结构特点及其在泡沫吸附分离中的 作用; (4)了解浮选药剂的结构与性能。 重点和难点: 重点:(1)泡沫吸附分离法的原理及其特点 (2)吸附等温线;离子浮选;溶剂浮选 难点:吸附等温线及表面活性剂的结构特点与作用
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