泡沫分离技术及其发展现状概要

泡沫分离技术及其发展现状
摘要:探讨了泡沫分离技术的原理、泡沫分离设备及泡沫分离技术的研究进展。

泡沫分离过程的性能受很多因素的影响,例如,进料液浓度、气泡尺寸、气体流量、泡沫的排液、进料位置、聚并、温度等。

阐述了现有的几种新技术,如低重力条件操作、通过压力梯度而提高分离效率。

此外,还简要介绍了泡沫分离塔中传质单元数和传质单元高度的概念。

关键词:泡沫分离;表面活性剂;吸附,分离因子;聚并
泡沫分离技术 (Foam Fractionation,又称泡沫吸附分离技术 (Adsorptive bubble separation technique ,是 20世纪初发现的一种新型分离技术。

这种分离技术最初用于矿物的浮选,后来又被用于脱除废水中的表面活性物质 (如表面活性剂、蛋白质、酶等和洗涤剂;或提取可与表面活性剂络合或鳌合在一起的物质, 如金属离子; 也可作为一种浓缩过程, 对含有表面活性剂的废水进行处理; 在生化制品领域中, 还可以通过泡沫分离技术进行病毒分离以及蛋白质、酶的提炼。

为统一泡沫分离的概念, 1967年 Karger 、 Grieves 等人共同建议把泡沫分离技术方法按照图 1分类
图 1 泡沫分离技术方法分类
泡沫分离技术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。

目前有关泡沫分离技术, 很多学者从不同的角度对设计参数进行了深入的研究, 以期提高各种泡沫分离技术及分离设备的效率, 并希望将这一技术大规模、高效的应用于工业中。

在本文中,对泡沫分离技术的应用现状和设备进行了综述和分析。

1 泡沫分离技术的原理
泡沫分离的过程是通过在液相底部通入某种气体或使用某种装置产生泡沫, 收集泡沫就得到了某种产物的浓缩液。

泡沫分离技术是根据表面吸附原理,基于溶液中溶质 (或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。

表面活性剂具有亲水的极性和憎水的非极性基团, 在溶液中可以选择性的吸附在气——液界面上, 使表面活性物质在表面相中的浓度高于主体相, 并使该溶液的表面张力急剧下降。

当溶液中只存在一种表面活性剂, 且在一定的温度下达到吸附平衡, 此时, 气——液界面处表面活性剂的吸附可以用 Gibbs 吸附等温方程描述, 从理论上证实了表面活性剂在气一液界面上的富集作用。

当溶液中表面活性剂很少, 溶液的表面张力与溶剂相似, 几乎不发生吸附; 当溶液浓度介于 a,b 之间时, 溶液的表面张力随溶液浓度的增加而降低, 从而可以实现分离; 当溶液的浓度大于 b 时,曲线的斜率接近 0,在这一范围内,溶液的主体中形成一定形状的胶束 (micelle,此时溶液中表面活性剂的浓度称为临界胶束浓度 (CMC。

通常认为理想的溶液吸附发生在 a ~b 的范围内。

很多研究都证明低浓度物质的富集率比较大,因此泡沫分离方法更适合于低浓度表面活性物质的分离纯化。

对于非表面活性物质, 可以在溶液中添加一种合适的表面活性物质, 并且这种物质可以与溶液中原有的溶质结合在一起形成一种新的具
有表面活性的溶质,吸附在气泡表面上,从而使原有的溶质从溶液中分离出来。

泡沫分离必须具备两个基本条件。

首先, 目标溶质是表面活性物质, 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一液界面上; 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和特征是泡沫分离的基础。

泡沫分离方法有一系列优点。

它适合于对低浓度的产品进行分离。

如低浓度的酶溶液, 用常规的方法进行沉淀是行不通的,如果使用泡沫法
对产品先进行浓缩, 就可以用沉淀法进行提取。

它是根据分离物的表面活性而对产品进行分离的, 因此可以高选择性地浓缩某种成分。

由于此过程不使用无机盐或有机溶剂, 仅仅是有一些动力消耗,它的运行成本一般要比其它方法低。

2 泡沫分离技术的设备
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。

3 泡沫分离技术的影响因素
泡沫分离体系的影响因素很多, 其中包括系统的操作参数,如气体流速、回流比、泡沫高度、温度等,溶液的性质,如 pH 值、溶液表面活性剂初始浓度、离子强度,以及气泡尺寸等。

在泡沫分离设备的设计过程中,这些不同参数的相对重要性取决于具体的操作条件。

在这方面, 已经有很多学者从理论和实验的角度对各种参数的影响及影响程度进行了深入研究。

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4 泡沫分离技术的展望
泡沫分离技术是一种新型的分离技术。

在化工,生化、医药、污水处理等领域,它的应
用和发展前景都十分广阔。

因此, 对泡沫分离技术分离效率的影响因素及其影响程度的研究就显得十分重要。

此外, 分离设备的创新和改善对于泡沫分离技术的工业化应用也起到了重要作用。

为提高泡沫分离的效率, 改善泡沫分离设备的性能, 有关各种表面活性剂在气一液界面处发生分离的吸附机理以及吸附特性还有待于
继续研究, 尤其是吸附动力学、以及表面活性物质混合物的竞争吸附。

有关吸附
动力学和流体力学行为, 目前还没有统一的数学模型。

此外,由于吸附而引起的溶液粘度等物性的变化,也可能会影响到泡沫排液和泡沫稳定性。

聚并对分离效率有显著的作用, 所有会影响聚并的因素也应加以研究。

单级、半间歇及连续操作的泡
沫塔的分离能力已有较详细的论述, 而多级逆流或错流模型还需进一步考察。

有效的泡沫分离和破沫模型的放大,对于多级泡沫塔的操作也是非常重要的。

浮选机的工作原理:浮选机 (矿用浮选机由电动机三角代传动带动叶轮旋转,产
生离心作用形成负压, 一方面吸入充足的空气与矿浆混合, 一方面搅拌矿浆与药物
混合, 同时细化泡沫,使矿物粘合泡沫之上,浮到矿浆面再形成矿化泡沫。

调节闸板
高度,控制液面,使有用泡沫被刮板刮出。

Flotation works: flotation machine (mine flotation driven by the motor driving the impeller triangle on behalf of the rotation, a centrifugal vacuum formed, on the one hand inhalation of sufficient air and slurry mixture, while stirring the slurry with drug mixture while thinning foam, foam adhesive to mineral above the float to the surface and then form a slurry bubble mineralization. Control gate height, control surface, making a useful foam was scraped scraper
When the surfactant solution very little surface tension and solvent similar to the almost non-occurrence of adsorption; when the solution concentration is between a, b between, the surface tension increases with the lower concentration, which can achieve separation ; when the solution concentration is greater than b, the slope of the curve close
to 0, in this context, the main solution in the shape of the micelle formation of some (micelle, then the solution of surfactant concentration called critical micelle concentration (CMC. Generally considered the ideal solution adsorption occurs in a ~ b in the range.
Many studies have proved that low concentration of material enrichment rate is relatively large, so foam separation method is more suitable for low concentration of surfactant in the separation and purification.
3. 1 进料浓度 C 的影响
由于进料浓度变化可引起破沫相浓度的变化。

在一定的气液比下, 若进料浓度太低, 形成的泡沫不稳定, 易聚集并破碎而造成残留液浓度增高,分离效果下降。

但如果进水浓度过高,表面活性剂类废水处理系统的出水又难以达到排放标准。

当进料浓度较低时, 随进料浓度增加, 表面活性分子由溶液主体向表面扩散的推动力增加, 表面过剩浓度增大,相应溶液的动态表面张力降低,导致吸附量的增大;但当进料浓度达到一定高度后, 继续提高进料浓度, 只能导致残留液浓度残留液浓度的提高,分离因子急剧下降。

过高的进料浓度,还可能引起气泡尺寸的减小,气泡含液量的增大,导致分离效率的降低。

由此可见,在泡沫分离操作中存在一个最优的进料浓度,在这个浓度下,设备可以得到最大的分离效率。

3. 2 气泡尺寸的影响
足够的气一液界面面积是泡沫分离的前提, 要确定气一液相界面面积就必须先确定泡沫气泡的尺寸和分布。

从理论上来讲, 小泡沫比大泡沫具有更多的优势。

因为小泡沫的上升速度慢,有利于促进蛋白质的吸附; 小泡沫的夹带能力比大泡沫强。

小泡沫携带的液体量和表面积都较大,一般而言,这有助于提高分离率和回收率,但不利于提高富集率。

随着气泡尺寸的变大,泡沫的含液量将减小,气一液相界面积也要减小, 也使得回收率下降。

於兵等人在已建立的光电毛细探头技术测定气泡尺寸分布及压力校正方法的基础上, 对专门影响气泡尺寸以及泡沫分离塔鼓泡区的气含率进行了系统的实验研究, 并给出了
在所采用的实验条件下, 气含率与进料浓度和空塔气速之间的定量关系。

3. 3 气体流量的影响
气体流量是泡沫分离系统中一个重要参数, 对分离效率的高低起着重要作用。

气体流量的提高, 可以增大界面面积,从而有利于溶质的分离。

但是,低气体流量可以获得更高的分离因子,因为较小的气速可以降低泡沫的含液量,而且气速过高,产生泡沫的量就会增加,因而泡沫在分离设备中的停留时间就会减少, 停留时间减少导致泡沫中要分离表面活性剂的浓度下降。

当然,为了保持一个必要的泡沫高度, 泡沫分离塔操作时气体流量不能低于一个临界值。

值得注意的是, 蛋白质在泡沫表面吸附的时候,蛋白质的空间结构往往发生一些改变, 如果要分离的蛋白质是一种酪或其它生物活性蛋白的话, 就必须要考虑到这一点, 尽管适当降低气速可以增加蛋白质的富集率, 但蛋白质在气液界面吸附时间的延长必然也会延长蛋白质所受变性因素的影响。

3. 4 泡沫排液的影响
泡沫含液量对于分离因子的影响显而易见。

泡沫是由相邻的不规则十二面体气泡组成的,相邻气泡面之间形成液膜,每 3个液膜以一定的角度 (117~120~之间相交, 构成一个液体通道, 即 Plateau 边界。

液膜与 Plateau 边界之间液体流动的推动力主要来自不同的气一液表面曲率所产生的毛细压差; 而 Plateau 边界之间的液体流动则主要由重力决定。

泡沫分离塔的逆流泡沫区中, 总含液量由随泡沫相上升的液体和
Plateau边界中下降的含液量两部分组成。

泡沫塔中分离现象主要是由于上升的气泡的表面与气泡间隙中下降的液体之间不断进行着质量传递，而且不论泡沫分离设备是否具有外部回流装置，由于重力和表面力而产生的间隙液体的流动都将起到内部回流的作用，从而实现分离。

所以，泡沫排液状况对于泡沫分离设备的效率是非常重要的。

同时，间隙液体的排放还可以减少破沫液中所含主体溶液的量，从而提高分离塔的效率。

实验结果显示提高泡沫的高度，或改进排液装置，从而促进泡沫排液，得到更“干”的泡沫相，将有利于提高泡沫分离塔的效
率。

关于泡沫排液模型，於兵等人根据Hass和Johnson的经验排液模型以及Leonard和Lemlieh的理论排液模型，提出了如下排液模型L19 3： 3．5 温度的影响若具有表面活性的化合物在不同的温度下具有不同的泡沫稳定性，在分离设备的设计过程中，温度就应被作为一个操作变量考虑。

此外，溶液温度的升高，溶液的动态表面张力将随之减小。

这一现象可能是因为温度的升高导致了表面活性剂溶液粘度的降低，减小了扩散阻力，使吸附阻力降低；另一方面，也可能是因为温度的升高使吸附平衡常数k增加，吸附阻力降低，吸附量增大。

这两方面的因素都可以提高泡沫分离设备的效率。

Uraizee等人的实验也证明温度的升高可以提高泡沫相中蛋白质的浓度，从而提高分离效率。

3．6 pH值的影响通常溶液中的表面活性物质是一种两性电解质，当处于等电点时，分
子所带的电荷为零，此时，分子表现出一些特殊的理化性质，如分子间斥力减小，溶解度降低，这有助于在气液界面处吸附，而且，一般而言，当表面活性物质处于等电点时，表面活性物质的表面活性增强，在溶液中表现出较好的发泡能力，这也有助于蛋白质在泡沫中的富集。

谢继宏等的研究中都验证pH值对泡沫分离有明显的影响。

刘志红等人采用间歇系统考察了溶液体系的pH值对分离过程的影响，得出间歇设备最适宜的操作点不在溶质的等电点处，而且pH对于体系的表面张力及溶质在气一液界面处的吸附、泡沫的排液和泡沫的稳定性都有显著的影响 J，通过选择合适的pH，可以强化分离过程。

这方面的工作还有待继续研究。

3．9 溶质种类的影响在实际生产中，料液中溶解的溶质(如蛋白质往往不是唯一的，而且由于不同的溶质都具有表面活性，互相争夺气泡表面积。

由于上述原因，溶质真正的平衡曲线很难得到，同时多种溶质同时存在还会影响物质的分离效果。

对于多组分分离系统，可以采用相对分离因子加以描述：刘志红等人通过单一蛋白质的分离过程规律预测蛋白质混合物的分离效果。

他们认为可以通过对单一组分进行研究，选择合适的操作参数，使各组分的分离因子的差值达到最大，目标组分在气一液界面处产生优势吸附。

但是，对于蛋白质混合物而言，蛋白质的相互作用还将直接影响溶液的粘度和弹性，这部分工作还有待于继续研究。

在设计处理多组分溶液的泡沫分离设备的过程中，Bhattacharya等人认为计算传质单元数的积分时，不能假定线性平衡等温线，原因是泡
沫相和残留液相溶质浓度的平衡关系无法获得。

同时，因为溶液中同时存在多种组分，也不可能得到溶液真正的平衡数据。