泡沫浮选分离技术

泡沫浮选分离技术

一、摘要

泡沫浮选分离法是在一定的条件下，向试液鼓入空气或氮气使之产生气泡，将溶液中存在的欲分离富集的微量组分(离子、分子、胶体或固体颗粒）吸着或吸附在其上面并随着气泡浮到液面，从而与母液分离，收集后即达到分离和富集的目的。泡沫浮选分离法是在矿物分离中一种常用的方法，在分析化学的分离富集物质中取得显著的成绩。随着分析技术的提高，及跟其它测试手段的使用。泡沫浮选技术必将在稀溶液的分离，有价物质的回收方面有更加广泛的使用。

二、基本概念

泡沫分离技术是近十几年发展起来的新型分离技术之一，在化工、生化、医药、污水处理等领域得到了广泛的应用。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。目前一般只能分离溶液中ppm 量级的物质。高纯金属中微杂质的分离亦有采用此法的。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。按分离对象是溶液还是含有固体例子的悬浮液、胶体溶液，泡沫分离可以分成泡沫分馏和泡沫浮选两种分离方法。泡沫浮选分离就是利用某种物质(如离子、分子、胶体、固体颗粒、悬浮微粒)，表面活性的不同，可被吸附或粘附在从溶液中升起的泡沫表面上，从而与母液分离的技术。泡沫浮选分离技术用于分离不溶解的物质，它的优点是使用的分离装置简单并易于放大，可连续和间歇操作并能实现自动化和连续化操作。

三.原理

表面活性剂在水溶液中有富集（吸附）在气/液界、泡沫浮选的简单原面（溶液中气饱表面）的倾向，它在气泡表面是定向排列的，分子内带电的极性端朝

向气-液界面的水的一边，这时表面活性剂将与一种或一类的离子由于物理的 (如静电引力)或化学的(如络合作用)原因相互作用而联结在一起，被气泡带至液面，从而达到分离的目的。因此，如果离子和表面活性剂之间形成络合物被浮选，这种分离方法跟离子交换分离有相似之处，区别在于离子交换法吸附是在静止的固一液界面上进行的，而离子浮选则是在可动的液-气界面上进行的。其实有关这方面涉及的理论要复杂得多，近几年来，一些文献从不同的角度对浮选分离进行了有关理论的研究。如 Wilson 等对胶体吸附浮选用电学和电化学的理论进行了一系列较系统的阐述， Ahmad 研究了泡沫形成的规律等等。这对于有关这方面的理论研究仅是初步的, 还有待进一步深入。

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-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。

表面活性剂具有亲水的极性基团和憎水的非极性基团，可以在溶液中有选择性的吸附在气-液相界面上，从而使表面活性物质在表面相中的浓度高于主体相 使溶液的表面张力急剧下降。如果溶液中只有一种表面活性剂并且在一定温度下达到吸附平衡，此时气-液界面处表面活性剂的吸附作用可以用Gibbs 吸附等温方程来描述：

Г—泡沫表面吸附溶质的浓度；c—平衡时原料液的浓度；σ—为溶液的表面张力；R—气体常数；T—绝对温度。

四.特点

泡沫浮选分离特别适用于大量的极稀溶液的分离富集。常规泡沫浮选：适于选别0.5mm 至5μm 的矿粒，具体的粒限视矿种而定。由于分离效率高、设备简单、能耗低而引起越来越多的关注。对于共沉淀分离中不易过滤或离心分离的胶状、絮状沉淀可改用适当的浮选分离解决。它的突出特点是：样品处理量大，可达到0.5-2L，而且富集倍数大，一般为100-10000。此外这种方法回收率高达90%以上，易于与其他方法联用而且在低浓度下分离特别有效，因此成为了现阶段矿物质浮选的首选技术之一。

五.分离过程及设备

泡沫浮选分离法是在一定的条件下，向试液鼓入空气或氮气使之产生气泡，将溶液中存在的欲分离富集的微量组分(离子、分子、胶体或固体颗粒）吸着或吸附在其上面并随着气泡浮到液面，从而与母液分离，收集后即达到分离和富集的目的。它是一种能处理大量试样的快速浓缩分离的方法。如图 1 所示，从装置底部通入大量空气，将样品液和气泡一并送入装置，溶质吸附在气泡上并随之上升，在装置顶形成浮渣或泡沫层。气泡不断产生并且上升，最后被迫进入泡沫收集器，待泡沫收集器装满后,，剩余的泡沫由排管流出，而经处理的基液或干净溶液由出水管排出，最后将分离后的料液进行回收。

常用的浮选剂分三大类：捕收剂，起泡剂和调整剂。

捕收剂的作用：加一种药剂能改变矿物颗粒的亲水性而产生疏水性使之可浮，这种药剂通常称之为捕收剂。捕收剂通常是极性捕收剂和非极性捕收剂。极

性捕收剂由能与矿物颗粒表面发生作用的极性基团和起疏水作用的非极性基团两部分组成。当这类捕收剂吸附于矿粒表面时，其分子或离子呈定向排列，极性基团朝向矿物颗粒表面，非极性基团朝外形成疏水膜，从而使矿位具有可浮性。浮选时常用有机硫代化合物作捕收剂，例如黄原酸盐等。

起泡剂的作用：有亲水基团和疏水基团的表面活性分子，定向吸附于水一空气界面，降低水溶液的表面张力，使充入水中的空气易于弥散成气泡和稳定气泡。起泡剂和捕收剂联合在一起吸附于矿物颗粒表面，使矿粒上浮。常用的起泡剂有：松树油，俗称二号油、酚酸混合脂肪醇，异构己醇或辛醉、醚醉类以及各种酯类等。

调整剂可分为五类：(1) pH 值调整剂。用它来调节矿浆的酸碱度，用以控制矿物表面特性、矿浆化学组成以及其他各种药剂的作用条件，从而改善浮选效果。常用的有石灰、碳酸钠、氢氧化钠和硫酸等。(2)活化剂。能增强矿物同捕收剂的作用能力，使难浮矿物受到活化而浮起。(3)抑制剂。提高矿物的亲水性和阻止矿物同捕收剂作用，使其可浮性受到抑制。(4)絮凝剂。使矿物细颗粒聚集成大颗粒，以加快其在水中的沉降速度，利用选择性絮凝进行絮凝一脱泥及絮凝一浮选。常用的絮凝剂有聚丙烯酰胺和淀粉等。(5)分散剂。阻止细矿粒聚集，处于单体状态，其作用与絮凝剂恰恰相反，用的有水玻璃、磷酸盐等。

浮选剂的种类和用量随矿石性质和浮选条件及流程特点而各异，在生产实践过程中也根据各种条件的变化而加以改变。

泡沫浮选过程中用到的主要设备有泡沫分离器和浮选机。泡沫分离器的基本装置可由一个简单的气泡圆柱体表示如图 2 所示，输入的废水被抽入塔中, 气体经由扩散器注入形成许多小气泡。

泡沫浮选分离法实验用的泡沫分离器材主要有玻璃和有机玻璃，形式多为柱状分离塔。气体分布形式有压力溶气方式和气体分散式。气体分散式分离塔底部装有气体分布器；塔顶有泡沫排出口；连续式分离器还有进料口，塔底排液口，分离塔的直径一般为3—8cm，塔高80—120cm，一般高径比大于10，以减少轴向返混并提供足够的气液接触时间，离子浮选、矿物浮选用的是选矿机。

所有的泡沫浮选装置均包括几个基本的部分：（1）气体发生源，它通常是一个小的空气压缩机或气体钢瓶，在这项分离技术中常用的是空气，然而有的工