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1、第7章泡沫分离法,泡沫分离(Foam Separation)又称泡沫吸附分离(Foam Separation Adsorbent)技术，早在1915年就开始应用于矿物浮选。 但是对离子、分子、胶体及沉淀的泡沫吸附分离是在20世纪50年代末才引起人们的兴趣与重视，并逐渐作为一种单元操作加以研究。 首先是从溶液中回收金属离子的课题开始，前期研究了泡沫分离金属离子的可行性，然后建立了金属离子与表面活性剂离子之间相互作用的扩散双电层理论。,20世纪60年代中期采用泡沫分离法脱除洗涤剂工厂排放的一级污水和二级污水中的表面活性剂直链烷基磺酸盐和苯磺酸盐获得成功。 20世纪70年代进行了染料等有机物与废水泡
2、沫分离的实验研究。 1977年开始有报道用阴离子表面活性剂泡沫分离DNA、蛋白质及液体卵磷脂等生物活性物质。,到目前为止，用泡沫分离法获得的蛋白质及酶有溶菌酶、白蛋白、促性腺激素、胃蛋白酶、凝乳酶、血红蛋白、过氧化氢酶、卵磷脂、淀粉酶、纤维素酶、D氨基酸氧化酶、苹果酸脱氢酶等等。 随着工业的发展，特别是对环境保护的普通重视和资源综合利用的要求，泡沫分离的研究工作将不断扩大范围，其工业应用将越来越多。,泡沫分离法的分类,无泡沫分离是指用鼓泡进行分离，但不一定形成泡沫层，可分气泡分馏和溶液浮选。 气泡分离是从塔设备底部通气鼓泡，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
3、相主体被净化； 溶液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。,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。 由于它的操作和设计在许多方面可与
4、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110mm内，后者的粒子直径为1m 1mm ，处理的对象为胶体、高分子物质或矿浆； 3 离子浮选和分子浮选，用于分离非表面活性离子或分子，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
5、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，可以对泡沫分离技术有大体的了解。,7.2 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(如表面活性剂)或能与表面活性剂通过化学的、物理的力结合在一起(如金属离子、有机化合物、蛋白质和酶等)，在鼓泡塔中被吸附在气泡表面，得以富集，藉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。 其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。 其本质是各种物质在溶液中表面活性的差异。,7.2.1 表面活性剂及其界面特性,表
6、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。 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。,Gibbs(吉布斯)等温吸附方程,为吸附溶质的表面过剩量，即单位面积上吸附溶质的摩
7、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 (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；/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n2； 在电解质类型溶液中还添加过量无机盐时n1。,溶液中表面活性剂浓度c和表面过剩量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，成直线增加：,=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0.010.02mol/L左右，分离最好在低于CMC下进行。,=
8、K/K,对于非离子型表面活性剂，上图曲线更接近于 Langmuir等温方程：,K,K都是常数,7.2.2 泡沫的形成与性质,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，在此瞬时，溶液中表面活性剂分子立即在气泡表面排成单分于膜，亲油基指向气泡内部，亲水基指向溶液，该气泡会借浮力上升冲击溶液表面的单分子膜。,在某种情况下，气泡也可从表面跳出。此时，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
9、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。,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。,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。,
10、典型的为三个气泡集合体的结构见图。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。,若是三个以上，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结构，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，直至转变成上述的三泡结构的稳定形式。这也是泡沫层内排液的主要原因。,7.3 泡沫分离的操作方式,泡沫分离的操作是
11、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。,泡沫分离与精馏过程的比较,泡沫分离分离与精馏在原理上截然不同，但操作过程和设备却非常雷同。 精馏中的液相相当于泡沫分离中产生泡沫的液相主体; 精馏中的气相相当于泡沫分离中的泡沫; 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; 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,精馏过程于泡沫分离之间的定性比较,7.4 影响泡沫分离的因素,泡沫分离的应用,生物工程中的应用,A大肠杆菌的分离,B酵母细胞的分离,C.蛋白质和酶的分离浓缩 泡沫分离可应用于各种蛋白质和酶的分离。,
