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第十三章泡沫分离技术


第十三章 泡沫分离技术

一、概述
泡沫分离( Separation)技术, 泡沫分离(Foam Separation)技术,又称 泡沫吸附分离(Foam 泡沫吸附分离(Foam Separation Adsorbent) 技术,其应用经历了如下发展阶段: 技术,其应用经历了如下发展阶段:
1915年 1915年 20世纪50年代末 20

世纪50年代末 世纪50 应用于矿物浮选 应用于离子、分子、胶体及沉淀 应用于离子、分子、 的分离 20世纪60年代中期 20世纪60年代中期 世纪60 应用于分离污水中的表面活

性剂—直琏烷基磺酸盐和苯磺酸盐获得成功。 性剂 直琏烷基磺酸盐和苯磺酸盐获得成功。 直琏烷基磺酸盐和苯磺酸盐获得成功

20世纪70年代 20世纪70年代 世纪70

应用于染料等有机物与废水 泡沫之间的分离

1977年 1977年

阴离子表面活性剂泡沫分离DNA、 阴离子表面活性剂泡沫分离DNA、蛋白质 DNA 及液体卵磷脂等生物活性物质

到目前为止,利用泡沫分离技术已成功分离获得的蛋 到目前为止, 白质及酶有:溶菌酶、白蛋白、促性腺激素、 白质及酶有:溶菌酶、白蛋白、促性腺激素、胃蛋白 凝乳酶、血红蛋白、过氧化氢酶、卵磷脂、 酶、凝乳酶、血红蛋白、过氧化氢酶、卵磷脂、β-淀 粉酶、纤维素酶、 氨基酸氧化酶、 粉酶、纤维素酶、D-氨基酸氧化酶、苹果酸脱氢酶 等。

泡沫分离技术是根据表面吸附原理, 泡沫分离技术是根据表面吸附原理,以气泡为 是根据表面吸附原理 介质,籍鼓泡使溶液内的表面活性物质聚集在 介质,籍鼓泡使溶液内的表面活性物质聚集在 表面活性物质 气液界面(气泡表面),上浮至溶液主体上方 气液界面(气泡表面),上浮至溶液主体上方 ), 形成泡沫层,将泡沫层与液相主体分开, 形成泡沫层,将泡沫层与液相主体分开,从而 泡沫层 浓缩表面活性物质和 体的目的。 达到浓缩表面活性物质 净化液相体的目的 达到浓缩表面活性物质和净化液相体的目的。

分类

无泡沫分离:利用鼓泡进行分离, 无泡沫分离:利用鼓泡进行分离,但不一定形 鼓泡进行分离 成泡沫层,可分鼓泡分馏 溶媒浮选。 鼓泡分馏和 成泡沫层,可分鼓泡分馏和溶媒浮选。

鼓泡分离是从塔设备底部通气鼓泡,表面活性物质被 鼓泡分离是从塔设备底部通气鼓泡,表面活性物质被 是从塔设备底部通气鼓泡 气泡富集并上升至塔顶, 液相主体分离 分离, 气泡富集并上升至塔顶,和液相主体分离,使溶质得 富集 到浓缩,液相主体被净化。 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 溶媒浮选是在溶液顶部置有一种与其互不相溶的溶 萃取或富集由塔底鼓出的气泡所吸附的 用它来萃取或富集 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。 表面活性物质。

泡沫浮选:用于分离不溶解的物质, 泡沫浮选:用于分离不溶解的物质,根据被分离对象 是分子还是胶体,是大颗粒还是小颗粒,分为: 是分子还是胶体,是大颗粒还是小颗粒,分为: 1 矿物浮选 用于矿石和脉石离子的分离; 用于矿石和脉石离子的分离; 2 粗粒浮选和微粒浮选 用于共生矿中单质的分离, 用于共生矿中单质的分离,其中粗粒浮选粒子直径大 约为1 10mm 10mm内 微粒浮选对象为直径1 1mm的胶 约为1~10mm内,微粒浮选对象为直径1?m~1mm的胶 1mm 高分子物质或者矿浆; 体、高分子物质或者矿浆;

3 粒子浮选和分子浮选
用于分离非表面活性粒子或分子, 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 浮选捕集剂, 加入浮选捕集剂,与被分离组分形成难溶或不溶 然后以浮渣形式将其脱除; 浮渣形式将其脱除 物,然后以浮渣形式将其脱除;

4 沉淀浮选
通过改变溶液的pH或加入某种絮凝剂等方法, 通过改变溶液的pH或加入某种絮凝剂等方法, pH或加入某种絮凝剂等方法 使需脱除的粒子形成沉淀, 使需脱除的粒子形成沉淀,再利用浮选法将沉淀 脱除; 脱除;

5 吸附胶体浮选 以胶体粒子为捕集剂,选择性吸附所需的溶质, 胶体粒子为捕集剂,选择性吸附所需的溶质, 为捕集剂 再用浮选法除去。 再用浮选法除去。

二、泡沫分离技术的基本原理
利用待分离物质本身具有表面活性( 利用待分离物质本身具有表面活性(如表面活性 或能与表面活性剂通过化学的、 剂)或能与表面活性剂通过化学的、物理的力结合 在一起,在鼓泡塔中被吸附在气泡表面,得以富集, 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 籍气泡上升带出溶剂主体,达到净化主体液、 分离物质的目的。 分离物质的目的。 分离作用:主要取决于组分在气 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表面活性的差 择性和程度,本质是各种物质在溶液中表面活性的差 异。

表面活性剂表现出表面活性和界面性质

表面活性剂溶于水中

表面张力下降

多余的分子形成胶束 溶于溶液中

表面张力稳定

界面作用

点之前, 在b点之前,随着溶液中表面活性剂 点之前 浓度c增加, 成直线增加 成直线增加: 浓度 增加,Γ成直线增加: 增加

Γ=Kc
b点后溶液饱和,多余的表面活 点后溶液饱和, 点后溶液饱和 性剂分子开始在溶液内部形成“胶束” 性剂分子开始在溶液内部形成“胶束”,b点的浓度 点的浓度 称为临界浓度( 称为临界浓度(CMC),此值一般为 ) 此值一般为0.01~0.02mol/L ~ 左右,分离最好在低于CMC下进行。 下进行。 左右,分离最好在低于 下进行

泡沫的形成

泡沫的稳定性一般与溶质的化学性质和浓度, 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 值有关。 和泡沫单体大小、压力、溶液 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。 的浓度愈是接近临界浓度,气泡愈小,气泡的寿命愈长。

(三)泡沫分离的操作方式及其影响因素

泡沫分离的操作是由两个基本过程组成: 泡沫分离的操作是由两个基本过程组成: 待分离的溶质被吸附到气-液界面上; 1 待分离的溶质被吸附到气-液界面上; 对被泡沫吸附的物质进行收集并用化学、 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。 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。 因此它的主要设备为泡沫塔和破沫器。

影响泡沫分离的因素
A.待分离物质的种类 pH值对分离效果有很大的影响 B.溶液的pH值 溶液的pH值对分离效果有很大的影响。 溶液的pH值 溶液的pH值对分离效果有很大的影响。 pH C .表面活性剂浓度 表面活性剂的浓度不宜超过临界胶束浓度, .表面活性剂浓度 表面活性剂的浓度不宜超过临界胶束浓度, 但也不能太低,使泡沫层不稳定,太高则使分离效率下降。 但也不能太低,使泡沫层不稳定,太高则使分离效率下降。 首先温度应达到表面活性剂的起泡温度, D.温度 首先温度应达到表面活性剂的起泡温度,保持泡沫 的稳定性,其次根据吸附平衡的类型来选择温度的高低。 的稳定性,其次根据吸附平衡的类型来选择温度的高低。 E.气流速度 F.离子强度 此外,泡沫的性质、层高、排沫方式、 此外,泡沫的性质、层高、排沫方式、搅拌等也是影响泡沫 分离的因素

(四)泡沫分离的应用
A.蛋白质和酶的分离浓缩 泡沫分离可应用 蛋白质和酶的分离浓缩 于各种蛋白质和酶的分离。 于各种蛋白质和酶的分离。 B 皂苷的富集和浓缩


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