第八章 泡沫浮选(3课时)

泡沫分离法泡沫分离(FoamSeparation)又称泡沫吸附分离(FoamSeparationAdsorbent)技术采用某种方式，通入水中大量微小气泡，在一定条件下使呈表面活性的物质吸附或粘附于上升的气泡表面而浮升到液面，从而使某组分得以分离的方法—浮选分离法或泡沫浮选分离法早在1915年就开始应用于矿物浮选对离子、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异进行分离的一种分离方法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泡沫分馏(FoamFractionation)：溶液泡沫浮选(FoamFlotation)：含有固体离子的悬浮液、胶体溶液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:矿物浮选，用于矿石和脉石离子的分离粗粒浮选和微粒浮选，常用于共生矿中单质的分离，前者粒子直径大致在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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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，使需脱除的溶质形成沉淀，再利用浮选法将沉淀脱除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异表面活性剂溶液能使水的表面张力明显降低的溶质称为表面活性物质。这种物质通常含有亲水的极性基团和憎水的非极性碳链或碳环有机化合物。亲水基团进入水中，憎水基团企图离开水而指向空气，在界面定向排列。表面活性物质的表面浓度大于本体浓度，增加单位面积所需的功较纯水小。非极性成分愈大，表面活性也愈大。1.表面活性剂分类表面活性剂通常采用按化学结构来分类，分为离子型和非离子型两大类，离子型中又可分为阳离子型、阴离子型和两性型表面活性剂。显然阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用，否则可能会发生沉淀而失去活性作用。1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两性型表面活性剂常用表面活性剂类型阴离子表面活性剂RCOONa羧酸盐R-OSO3Na硫酸酯盐R-SO3Na磺酸盐R-OPO3Na2磷酸酯盐常用表面活性剂类型阳离子表面活性剂R-NH2·HCl伯胺盐CH3|R-N-HCl仲胺盐|HCH3|R-N-HCl叔胺盐|CH3CH3|R-N+-CH3Cl-季胺盐|CH3常用表面活性剂类型两性表面活性剂R-NHCH2-CH2COOH氨基酸型CH3|R-N+-CH2COO-甜菜碱型|CH3常用表面活性剂类型R-(C6H4)-O(C2H4O)nH烷基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性剂R2N-(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)nH聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型R-O-(CH2CH2O)nH脂肪醇聚氧乙烯醚表面活性剂效率和有效值表面活性剂效率使水的表面张力明显降低所需要的表面活性剂的浓度。显然，所需浓度愈低，表面活性剂的性能愈好。表面活性剂有效值能够把水的表面张力降低到最低的最小值。显然，能把水的表面张力降得愈低，该表面活性剂愈有效。表面活性剂的效率与有效值在数值上常常是相反的。例如，当憎水基团的链长增加时，效率提高而有效值降低。2.胶束(micelle)表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体，使憎水基向里、亲水基向外，这种多分子聚集体称为胶束。随着亲水基不同和浓度不同，形成的胶束可呈现棒状、层状或球状等多种形状。胶束(micelle)胶束(micelle)胶束(micelle)胶束(micelle)临界胶束浓度(criticalmicelleconcentration)临界胶束浓度简称CMC表面活性剂在水中随着浓度增大，表面上聚集的活性剂分子形成定向排列的紧密单分子层，多余的分子在体相内部也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶束，这开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。这时溶液性质与理想性质发生偏离，在表面张力对浓度绘制的曲线上会出现转折。继续增加活性剂浓度，表面张力不再降低，而体相中的胶束不断增多、增大。临界胶束浓度(criticalmicelleconcentration)亲水亲油平衡(hydrophile-lipophilebalance)表面活性剂都是两亲分子，由于亲水和亲油基团的不同，很难用相同的单位来衡量，所以Griffin提出了用一个相对的值即HLB值来表示表面活性物质的亲水性。对非离子型的表面活性剂，HLB的计算公式为：HLB值=亲水基质量亲水基质量+憎水基质量×100/5例如：石蜡无亲水基，所以HLB=0聚乙二醇，全部是亲水基，HLB=20。其余非离子型表面活性剂的HLB值介于0～20之间。亲水亲油平衡(hydrophile-lipophilebalance)根据需要，可根据HLB值选择合适的表面活性剂。例如：HLB值在2～6之间，可作油包水型的乳化剂；8～10之间作润湿剂；12～18之间作为水包油型乳化剂。HLB值02468101214161820||———||——||——||——||石蜡W/O乳化剂润湿剂洗涤剂增溶剂||————|聚乙二醇O/W乳化剂乳化作用两种互不相溶的液体，若将其中一种均匀地分散成极细的液滴于另一液体中，便形成乳状液。加入表面活性物质使形成稳定的乳状液的作用叫做乳化作用。若水为分散介质而油为分散相，即油分散在水中，称为水包油型乳状液，以符号O/W表示。例如，牛奶就是奶油分散在水中形成的O/W型乳状液。（a）O/W型乳状液表面活性物质稳定乳状液示意图若水分散在油中，则称为油包水型乳状液，以符号W/O表示。例如，新开采出来的含水原油就是细小水珠分散在石油中形成的W/O型乳状液。（b）W/O型乳状液表面活性物质稳定乳状液示意图乳化作用的应用切削油机械工业在高速切削时用乳化油作为冷却剂，具有导热性能好，润滑效果高且不沾工具等特点。乳化燃油内燃机应用含10%水的乳化燃油，燃烧效果不降低但能节省燃料。农用杀虫剂农业上用的杀虫剂一般都配制成O/W型乳状液,便于喷雾，可使少量农药均匀地分散在大面积的农作物上。同时由于表面活性剂对虫体的润湿和渗透作用也提高了杀虫效果。其他人体对油脂的消化作用就是因为胆汁(胆酸盐)可以使油形成O/W型乳状液面而加速消化。乳化作用的破坏在工业生产中也会遇到一些有害的乳状液。例如含水原油不仅可以促使石油设备腐蚀，而且不利于石油的蒸馏。因此必须设法破坏这种乳状液。思考：什么时候人们需要消除乳化现象？为要破坏有害的乳状液，可加入破乳剂。破乳剂也是一种表面活性物质，其特点是有高的表面活性，但弱的成膜能力。能强烈地吸附于油–水界面上，以取代原来在乳状液中形成保护膜的乳化剂，而生成一种新膜。这种新膜的强度低，较易被破坏。异戊醇、辛醇、乙醚等是优良的破乳剂。此外，还可用升高温度、加入电解质以及高速离心等方法来破乳。起泡作用泡沫是不溶性气体分散于液体或熔融固体中所形成的分散系统。如肥皂泡沫(气体分散在液体中)、泡沫塑料、泡沫玻璃(气体分散在固体中)等.机械搅拌液态水,这时进入水中的空气被水膜包围形成了气泡,但这些气泡不稳定。若对溶解了表面活性剂的水溶液进行搅拌使其产生气泡，就可以形成坚固的液膜,使泡沫能保持较长时间稳定地存在.这种能稳定泡沫作用的表面活性剂叫做起泡剂.常见的起泡剂有肥皂、十二烷基苯磺酸钠等.空气气泡的形成示意图起泡作用的应用灭火剂起泡剂常用于制造灭火器，由于大量的泡沫覆盖燃烧物的表面，使其与空气中的氧气隔绝，这样便可达到灭火的效果。泡沫选矿起泡剂也用于泡沫浮选法以提高矿石的品位。将矿石粉碎成粉末，加水、起泡剂，搅拌并吹入空气使产生气泡，用捕集剂使矿物变成憎水性。矿物由于疏水性而粘附气泡浮起，这样便可分离收集有效成分。其它啤酒、汽水、洗发和护发用品等都需用起泡剂，使产生大量的泡沫。消泡作用在另外一些情况下，则必须消除泡沫，例如，洗涤、蒸馏、萃取等过程中，大量的泡沫会带来不利。必须适当抑制发泡，往往加入一些短碳链(如C5~C8)的醇或醚，它们能将泡沫中的起泡剂分子替代出来；又由于碳链短，不能在气泡外围形成牢固的保护膜，从而降低气泡的强度而消除泡沫。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：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，造成各种界面作用表面活性剂-C.M.C.胶束的形成C.M.C.CriticalMicelleConcentration形成胶束所必需的最低浓度胶束增溶作用形成胶束后，难溶物水中溶解度显著增大。微环境不同含不溶性脂肪醇的烷基硫酸盐溶液稀释，变浑浊表面活性剂在气－液界面吸附的规律随着非极性链长的增加，疏水性增加，表面活性剂的界面富集也增加如果极性基、双键或三键的数目增加，吸附会降低如果主体溶液浓度相同，则表面活性剂的离子化程度越低，界面静电斥力越小，表面吸附越强pH值常常决定表面活性剂的离子化程度，对其界面富集有决定性的影响温度升高，长链表面活性剂的吸附会增加，而短链的会降低加入电解质有利于表面活性剂分离富集的提高电荷相反的离子的吸附中和了表面活性剂极性基的电荷，减少了界面表面活性剂分子间的静电斥力表面活性剂在低浓度时分配比大，富集率高，随着浓度增大，分配比逐渐降低，当高至一定值时，其分子将气－液界面占满，表面吸附量就不再随浓度的增加而增加，保持恒定，此时的吸附量称饱和吸附量饱和吸附量只与分子的截面积有关，同系物的饱和吸附量相同，非同系物则不同当表面活性剂作为捕集剂时，饱和吸附量即为其极限捕集能力不同的表面活性剂，临界胶束浓度不同。值越小，表面活性越大，吸附能力越强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