泡沫分离法讲解

1泡沫分离法

泡沫分离(FoamSeparation)又称泡沫吸附分离(FoamSeparationAdsorbent)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。220世纪70年代进行了染料等有机物与废水泡沫分离的实验研究，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、β－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遍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。31.

泡沫分离法的分类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4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。泡沫分离按分离对象是溶液还是含有固体粒子的悬浮液、胶体溶液而分成泡沫分馏(FoamFractionation)和泡沫浮选(FoamFlotation)。5泡沫分馏用于分离溶解物质，它们可以是表面活性剂如洗涤剂，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精馏相类比，所以称它为泡沫分馏。6

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，用于矿石和脉石粒子的分离；

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1～10mm内，后者的粒子直径为1μm～1mm，处理的对象为胶体、高分子物质或矿浆；

3.粒子浮选和分子浮选，用于分离非表面活性粒子或分子，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；74.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。82.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。可见它的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。92.1表面活性剂及其界面特性

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；102.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。112.2

Gibbs(吉布斯)等温吸附方程Γ为吸附溶质的表面过剩量，即单位面积上吸附溶质的摩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σ(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；Γ/c为吸附分配因子。如果溶液中含离子型表面活性剂，则12n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n＝2；在电解质类型溶液中还添加过量无机盐时n＝1。

溶液中表面活性剂浓度c和表面过剩量Γ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，Γ成直线增加：Γ=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0.01～0.02mol/L左右，分离最好在低于CMC下进行。对于非离子型表面活性剂，上图曲线更接近于Langmuir等温方程：132.3

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。14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。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。15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。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。16

典型的三个气泡集合体的结构如图,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。17

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。18表面活性剂作用——在气泡表面定向排列●表面活性剂非极性一端向着气泡，极性一端向着水相●表面活性剂的极性端可与吸附水中的离子和极性分子

若待分离离子是亲水的，它们很难吸附在气泡上而被浮选分离。加入捕集剂覆盖在离子表面上，使它们由亲水性变成疏水性，便可附在气泡上分离出来。19浮选装置与操作

浮渣或泡沫层样品液气泡烧结板空气203.泡沫分离的操作方式及其影响因素3.1

泡沫分离的操作方式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；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。泡沫分离流程可分为间歇式、连续式两类。21

A.间歇式泡沫分离过程

气体从塔底连续鼓入，形成的泡沫液从塔顶连续排出．原料液因不断形成泡沫而减少，可在塔的下部补充适当表面活性剂，以弥补其在分离过程产的减少。间歇式操作可用于溶液的净化和有用组分的回收。见下图：

22B.连续式泡沫分离过程这种过程料液和表面活性剂连续加入塔内，泡沫液和残液连续从塔内排出。按照原料液引入塔的位置不同，可将连续泡沫分离分为浓缩塔(或称精馏塔)、提馏塔和两者叠加的复合塔．可分别得到不同的分离效果。见下图中(a)、(b)、(c)。2324

浓缩塔：表面活性剂的料液连续加入塔中的鼓泡区，在塔顶设置回流。将凝集的泡沫液部分引回塔顶，以提高泡沫液的浓度即塔顶产品浓度，故像精馏塔中的精馏段。除了外回流外，上升泡沫中气泡聚集所形成的内回流同样具有提高塔顶产品浓度的作用。但对残液的去污效果不好。提取塔：料液从泡沫塔顶加入，这样的操作可以达到很高的去污系数。故相当于提取塔。复合塔：料液和部分表面活性剂由泡沫段底部加入，塔顶也采用部分回流，故相当于复合塔。

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泡沫分离和其他分离过程一样，也可以把一组单级设备串联起来操作，以提高脱除率。泡沫可采用静止法、离心分离、声波、超声波、振动加热等方法。如果用加入表面活性剂来形成络合物的方法，脱除非表面活性物时，泡沫液中的络合物可通过化学反应使需脱除的非表面活性组分形成不溶解的化合物，然后用过滤将其从溶液中分出，再生的表面活性剂可循环使用。263.2影响泡沫分离的因素A.待分离物质的种类待分离物质可能是一种，也可能是几种溶质：(1)待分离的物质是一种溶剂和一种表面活性物质的二元体系，则可应用Gibbs吸附公式计算分配系数；(2)待分离物质是非表面活性物质，如金属离子，则可用两种方法分离：(a)加入表面活性剂，使其与待分离离子一起被气泡带到泡沫层加以分离；(b)把溶液调节至适当pH值，使待分离物质形成沉淀，并与表面活性剂一起被气泡带到泡沫层而分离。一般希望采用有机沉淀剂，因为它的选择性好，易于过滤。27B.溶液的pH值溶液的pH值对分离效果有很大的影响，对于天然表面活性物质，如蛋白质在泡沫分离时，在等电点时效率最高，因为这时表面张力-浓度曲线的斜率最大(吉布斯公式)；对于非表面活性物质，如金属离子，应控制在某pH值下使表面活性剂和溶液浓度的比值最大。这样可从离子混合物中分离出个别离子。

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，但也不能太低，使泡沫层不稳定，太高使分离效率下降。28D.温度温度首先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。也可通过变温泡沫分馏，把不同的表面活性物质分开。

E.气流速度气流速度上升，泡沫形成的速度上升量也上升，因而降低了塔顶泡沫液的浓度对提高操作效率会很不利。F.离子强度很多泡沫分离体系对离子强度很敏感，离子强度增加，效率很快下降。这是由相同电荷离子的竞争吸附引起的。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。29泡沫分离的应用

泡沫分离的应用可以分两大类：一类是本身为非表面活性剂，可通过络合或其它方法使其具有表面活性的．这类体系的分离被广泛地用于工业污水中各种金属离子铜、锌、铁、汞、银等的分离回收，以及海水中铀、铜等的富集和原子能工业中放射性元素钚的废水的处理。另一类是本身具有表面活性物质的分离以及各种天然或合成表面活性剂的分离，如全细胞、蛋白质、酶和胶体分子、合成洗涤剂等，下面着重介绍在生物,环境工程中的应用。30A.大肠杆菌的分离用月桂酸、硬脂酸胺或辛胺作表面活性剂，对初始细胞浓度为7.2×108个／cm3大肠杆菌进行泡沫分离，结果用1分钟的时间能去除90％的细胞，用10分钟时间就能去除99％的细胞。这个方法对于小球藻(Chlorella.SP)和衣藻(Chlomydomonas.SP)也是成功的。B.酵母细胞的分离酿成的啤酒，一般含有20～40g/L酵母。含水率达75％，进行酵母的分离，对于酵母浆的脱水，可使用许多方法：浮选，分离，蒸发和干燥。31

分离和浓缩酵母细胞的浮选法值得特别注意。但并不是所有的微生物培养物都具有足够的浮选能力，它在很大的程度上取决于酵母细胞的生理状态，为了获得浮选分离好的效果，必须有大的相接触表面(酵母细胞-空气)，要求空气的分散作用很小。浮选方法分离酵母较其它分离方法具有一系列的优点：可相当大地减少分离塔的数目、总投资经济等。酵母的浮选能力受酵母的种属、细胞大小、杂质的存在影响，单枝细胞的浮选要比枝密酵母困难。在微生物工业中使用的浮选设备在制造上有些变动。可分为卧式与立式两种，也可以有一级操作和二级操作。

32c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％。泡沫分离还可应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；从粗的人体胎盘均浆中分离蛋白酶：在pH值接近等电点时，约40％～50％的链激酶失活；但在pH＝6.5～7时，可回收80%的酶。也有报导用泡沫分离溶液中的牛血清白蛋白浓缩，或从它与DNA的混合物中把它分离出来。33由于泡沫分离具有高分离效率，低成本、操作维修费均很低，若与层析、超滤等方法联用，可从许多体系中(例如生物废液、发酵液、动物组织、器官匀浆、植物萃取液、果汁等)分离或浓缩蛋白质和酶。泡沫分离的主要缺点是表面活性剂大多是高分子化合物，消耗量较大，有时也难以回收；34

蛋白质分离器：又称为泡沫分离器。它是利用水中的气泡表面可以吸附混杂在水中的各种颗粒状的污垢以及可溶性的有机物的原理，采用充氧设备或旋涡泵产生大量的气泡，将蛋白质分离的水净化设备。这些气泡全部集中在水面形成泡沫，将泡沫收集在水面上的容器中，它就会变为黄色的液体后被排除。蛋白质分离器可以有效地清除水中的有机物颗粒、蛋白质、有害金属离子等，水质净化效果较好。如养鱼使用。35利用高速水流的强化涡流作用，使气/水充分混合，并在水中产生大量的细小气泡，由于气泡表面张力的作用，使水中的重金属、蛋白质、纤维、残饵及粪便的细小颗粒和粘液等有机质吸附于气泡表面，泡沫分离器再利用气、水比重之差，将带有污物的气泡浮选分离，从而达到净化水质的目的。36沉淀法只能分离颗粒较大、自由沉降较快的固体污染物，对于颗粒较小、比重较轻（比重接近1）的固体则往往不能奏效。此时可借助气浮法。气浮法是靠通入空气，以微小气泡作为载体，使水中的悬浮物微粒粘附于气泡上，借助气泡的浮力带动上浮，从而使杂物与水分离。采用气浮法可大大提高水中微粒上浮的速度。例如微小的油珠，自由上浮速度仅1μm/s左右，而粘附于气泡后，其速度可以上升到1mm/s，上浮速度提高1千倍。气浮法的布气方式有：射流布气、扩散板布气、叶轮布气、加压溶气（即加压下强制空气溶解于水中，然后突然减压，便产生众多微小气泡）等方法。37气浮法的优点是：

1．气浮设备的运行能力比沉淀池高。一般只需15～20分钟，即可完成固液分离，其占地面积小，效率高。

2．采用气浮法可以消除污泥膨胀问题。这对后续水处理装置——过滤曝气池的正常运转十分有利。

3．气浮时向水中曝气，增加了水中的溶解氧，同时又去除了水中的表面活性物质及臭味，为后处理，特别是好氧性微生物的处理创造了良好条件。

4．对低温、低浊、含有藻类较多的水源，采用气浮法比沉淀法可取得更好的净化效果。38气浮法的缺点是：

1．设备的电耗较大，每吨水需耗电0.02度～0.04度。

2．设备维修管理工作量增加，特别是释放器或减压阀容易被堵塞。

3．气水分离出的浮渣怕大风、大雨袭击，因此气浮设施必须安置在室内。

4．气浮法只适用于去除水中疏水性固体物质（即与水的润湿度较小，如油珠等），而对亲水性固体微粒则需要加投浮选剂、混凝剂。39泡沫分离技术的工业应用1.分离固体粒子由于分离的对象是含有固体粒子的悬浮液，可以加入合适的表面活性剂，捕收固体颗粒，使他们获得疏水性，然后再加入适当起泡剂，利用空气鼓泡，根据矿石粒子和脉石粒子性质的差异，使脉石下沉，矿石随气泡上浮，从而达到分离目的。这种技术较为成熟，已经广泛应用于工业生产中。401、叶轮机械搅拌式浮选机为例。

2、本机主要由承浆槽、搅拌装置、充气装置、排出矿化气泡装置、电动机等组成。

（1）承浆槽：它有进浆口，以及调节矿浆面的闸门装置，它主要由用钢板焊成的槽体和钢板与园钢焊成的闸门组成。

（2）搅拌装置：它用于搅拌矿浆，防止矿砂在槽体沉淀，它主要由皮带轮、叶轮、垂直轴等组成，叶轮是由耐磨橡胶制成的。

（3）充气装置：它由导管进气管组成，当叶轮旋转时，叶轮腔中产生负压，将空气通过中空的泵管吸入，并弥散在矿浆中形成气泡群，这种带有大量气泡的矿浆由叶轮的旋转力而被很快的抛向定子，进一步使矿浆中的气泡细化，及消除浮选槽中矿浆流的旋转运动，造成大量垂直上升的微泡，为浮选过程提供必要的条件。

（4）排除矿化气泡装置：它是将浮在槽面上的泡沫刮出，主要由电机带动减速器，减速器带动刮板组成。

3、本机工作原理：

将磨碎的矿石，在磨碎时或磨碎后加水及必要的药剂经搅拌槽调成矿浆后，注入开始搅拌的矿浆槽，向矿浆中导入空气，使其形成大量气泡，一些不易被水湿润的，即一般称作疏水性的矿物粒子附着于气泡上，并与气泡一起浮到矿浆表面，形成矿化气泡层，另一些容易被水湿润的，即一般称做亲水性的矿物粒子不附着于气泡上，而留在矿浆中，将含有特定矿物的矿化气泡排出，从而达到选矿的目的。41浮选工艺流程

42432.分离溶液中的离子、分子，处理工业废水分离的对象是真溶液，通过向溶液中加入表面活性物质，吸附溶液中的离子或分子，通过鼓泡将其带出，从而实现分离。一般认为，吸附在泡沫表面的表面活性剂与溶质的作用力有两种，一种是表面活性剂与溶质间的离子－离子作用力，它具有良好的选择性和高的提浓率，另一种是离子－偶极间的作用力。但常志东等却利用偶极－偶极的作用，以吐温系列非离子表面活性剂从水中回收低浓度的磷酸三丁酯，取得较好的分离效果。44

污水中微量铬的分离和富集

污水中微量Cr(Ⅵ)在0.1mol/LH2SO4溶液中，可与二苯卡巴肼(DPCI)发生氧化还原反应，络合生成Cr3+与二苯卡腙（DPCO）的络阳离子，加入阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)，形成疏水性离子缔合物而被浮选。45

高纯锌中痕量铁和铅的富集将试样溶于硝酸，加水稀释定容，加入载体Bi3+,再加入大量氨水使Zn(OH)2全部溶解，产生的Bi(OH)3共沉淀捕集痕量组分Fe和Pb。加入油酸钠的乙醇溶液进行浮选。

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自来水中痕量Zn2+的富集取水样使Zn2+与SCN-络合生成络阴离子Zn(SCN)-3,再加入碱性染料孔雀绿（MG+）,它与络阴离子生成疏水性的离子缔合物MG[Zn(S