泡沫分离技术

泡沫分离技术主要内容概述1原理2设备及流程3应用4展望51.概述1915年用于矿物浮选；50年代用于分离金属离子的研究；60年代采用泡沫分离法脱除洗涤剂工厂污水中的表面活性剂获得成功；1977年报道泡沫分离法用于DNA、蛋白质及液体卵磷脂等生物活性物质的分离。1.1泡沫分离的发展1.概述1.2定义泡沫分离（FoamSeparation）是以气泡作分离介质来浓集表面活性物质的一种新型分离技术。可被分离的物质：本身具有表面活性的物质，例如蛋白质、酶本身为非表面活性剂,但它们具备和某一类型的表面活性物质络合或螯合的能力,例如工业污水中的金属离子。1.概述1.3泡沫分离的分类需要鼓泡，但不一定形成泡沫层1.概述1.3.1非泡沫分离鼓泡分离法从塔式设备底部鼓入气体,所形成的气泡富集了溶液中的表面活性物质,并上升至塔顶和液相主体分离，液相主体得以净化,溶质得以浓缩。溶剂消去法将一种与溶液不相互溶的溶剂置于溶液的顶部,用来萃取或富集溶液内的表面活性物质。该表面活性物质藉容器底部所设置的鼓泡装置中所鼓出的气泡吸附作用带到溶剂层。1.概述1.3.2泡沫分离泡沫分离法用于分离溶解的物质，它们可以是表面活性剂，或者可与表面活性剂结合的物质，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。泡沫浮选法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，又可分为矿物浮选、粗粒浮选、微粒浮选、粒子浮选、分子浮选、沉淀浮选和吸附胶体浮选。2.原理泡沫分离是根据表面吸附原理，借助鼓泡使溶液中的表面活性物质聚集在气-液界面，随气泡上浮至溶液主体上方，形成泡沫层，将泡沫和液相主体分开，从而达到浓缩表面活性物质（在泡沫层），净化液相主体的目的。2.原理泡沫分离必须具备两个基本条件•所需分离的溶质应该是表面活性物质，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。•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。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。2.原理（1）表面活性剂及其界面特性在水溶液中的溶解行为是很快地聚集在水面,使空气和水的接触面减少,从而使表面张力按比例急剧下降。超过临界胶束浓度后,溶液表面张力不再降低。2.1表面化学2.原理（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Γ/c为吸附分配因子2.原理如果溶液中含离子型表面活性剂，则有：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n＝2；在电解质类型溶液中还添加过量无机盐时n＝1。2.原理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，可表示为：Γ=Kcb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点的浓度称为临界胶束浓度(CMC)，此值一般为0.01～0.02mol/L左右，分离最好在低于CMC下进行。2.原理2.2.1泡沫的形成泡沫是由被极薄的液膜所隔开的许多气泡组成的。泡沫的形成主要有两个方式：气体通过连续相-液体时，采用搅打或通过细孔鼓泡的方法被分散，形成泡沫。气体先以分子或离子的形式溶解于溶体中，然后设法使这些溶解的气体从液体中析出而形成大量的泡沫。2.2泡沫本身的结构和特征2.原理气泡一旦在溶液中形成，溶液中的表面活性剂分子即在气泡表面形成如图所示的单分子层。气泡借助浮力上升，冲击溶液表面的单分子膜。某些情况下，气泡可以跳出液体表面，此时，该气泡表面的水膜外层上，形成与液体内部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。许多气泡聚集成大小不同的球状气泡集合体，更多的集合体聚集在一起形成泡沫层。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；二是泡与泡之间以及少量液体构成的隔膜（液膜），是泡沫的骨架。2.原理组分的化学性质和浓度一般来说，无机化合物水溶液中的泡沫稳定性比许多醇、有机酸、碱或盐的水溶液的稳定性差。在临界胶束浓度所形成的泡沫最稳定。温度泡沫的稳定性一般随温度上升而下降。这主要是由于随着温度的上升，气泡内气体的压力增加，形成气泡的液膜粘度下降。气泡的大小小的气泡具有较长的寿命。表面积大的膜稳定性比表面积小的膜稳定性小。2.2.2影响气泡稳定性的因素3.设备及流程泡沫分离的操作是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。3.1泡沫分离的操作方式3.设备及流程3.设备及流程蛋白质分离器3.设备及流程3.2评价泡沫分离程度的指标分配因子：Γ/X=吸附溶质在表面的浓度吸附溶质在主体溶液中的平衡浓度脱除率：脱除率=原料中金属离子（其他组分）的浓度它在残液中的浓度增浓比：增浓比=泡沫中被吸附物质的浓度主体溶液的浓度体积比：体积比=原料液的体积泡沫液的体积泡沫分离中可能达到的最大分离程度残液的脱除程度塔顶产品的增浓程度一般希望泡沫体积比尽可能小3.设备及流程3.3影响泡沫分离的因素操作参数影响因素溶液体系性质分离设备3.设备及流程3.3.1.1气流速度的影响一般而言，增加气流速度可以缩短分离时间，降低分离后溶液的浓度，提高回收率，但同时会增加泡沫中液体的含量，降低富集比，所以应根据不同需要调节气流速度。根据不同的需要，选择适当的气速；要得到比较干燥的泡沫相，可以在低气速下操作，若要得到液相中较多的组分，可以进行高气速操作；还可以选择变气速操作，即先低气速操作，后高气速操作，这样有助于分离因子和回收率的提高。3.3.1操作参数3.设备及流程3.3.1.2泡沫区高度的影响随泡沫区高度的增加，泡沫停留时间延长，增加了泡沫破碎排水，因此收集到的泡沫数量减少，泡沫含水量降低，泡沫就越干燥，所以富集比增大，但表面活性物质的回收率降低。3.3.1.3液相高度的影响对部分物质有影响，液体高度增大，泡沫在液体中的停留时间变长，富集比增大。3.3.1.4温度的影响升高液体温度，泡沫产生的数量将会增加，泡沫含水率降低，富集比增大。3.设备及流程3.3.2.1进料浓度的影响在进料浓度很低时，提高溶液浓度，溶液富集比增大；但浓度升至一定程度时，再增加溶液浓度，残留溶液浓度也增大，富集比就会降低，但回收率增加。3.3.2.2溶液pH值的影响溶液PH值对分离效果影响很大。对于天然表面活性物质，如蛋白质的泡沫分离，在等电点时效率最高；对于非表面活性物质，可控制在某一PH下使其Γ/c（吸附分配因子）最大，这样可从离子混合物中分离个别离子。3.3.2溶液体系性质的影响3.设备及流程3.3.2.3溶液离子强度的影响很多泡沫体系对离子强度很敏感，离子强度增加，效率很快下降，这是由于相同电荷离子的竞争吸附引起的。3.3.2.4表面活性剂的浓度表面活性剂的浓度不宜超过CMC，但也不能太低，使泡沫层不稳定，太高使分离效率下降。3.设备及流程采用环流泡沫塔和鼓泡塔两种设备进行对比实验。当采用连续操作时，可使环流塔中的气液环流始终处于最佳状态，能够得到良好的分离效果。气体分布器上的气孔孔径越小，产生的泡沫也就越小，泡沫含水量增加，降低了富集比，但产生的泡沫总体积增大，扩大了表面活性剂的接触面积，提高了回收率。因此，气体分布器的孔径越小，回收率越高。3.3.3分离设备的影响4.应用4.1分离细胞4.2分离固体粒子4.3矿物浮选4.4分离溶液中的离子、分子4.5分离富集蛋白质体系4.6分离皂苷有效成分4.应用泡沫分离法可以从待分离基质中分离出全细胞。用月桂酸、硬脂酰胺或辛胺作为表而活性剂，对初始细胞浓度为7.2×108cfu／cm3的大肠杆菌进行细胞分离，结果lmin内能除去90％的细胞，用10min的时间能除去99％的细胞。此外，泡沫分离还可用于酵母细胞、小球藻、衣藻等的分离。4.1分离细胞4.应用4.2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，使它们获得疏水性。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。4.应用4.3矿物浮选大多数天然矿物的表面是亲水的，易为水所润湿。因而，必须加入表面活性剂作为捕收剂和起泡剂。有时还加入表面活性剂作为调节剂，对捕收剂起促进或抑制作用，以达到对混合矿物作选择性浮选的目的。表面活性剂可以选择性地改变矿物的疏水性，从而使浮选几乎可用于所有的矿石，同时它又有利于矿浆形成泡沫，以作为浮选的分离手段。泡沫浮选至今仍是大多数矿物的分选和煤净化的一种最有效的技术。泡沫浮选最古老、最广泛的应用领域是矿物浮选。浮选前处理：矿石矿浆泡沫和矿浆粉碎加水加浮选剂搅拌通入空气4.应用4.4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。Yun-HweiShen通过实验论证了从水溶液中分离TiO2的可行性,在适当的操作条件下，TiO2回收率可达100%。4.应用4.5分离富集蛋白质体系分离糖-蛋白质混合体系分离蛋白质二元及多元体系蛋白-酶体系的分离研究方向应用的原理：根据各物质表面活性的差异，但对于表面活性相近的蛋白质,在气液界面的吸附结构决定了蛋白质的吸附优势,因此蛋白质表面活性强弱的判定是断定泡沫分离效果的首要前提。4.应用4.5分离富集蛋白质体系对于分离糖-蛋白质混合体系，与geveg溶剂萃取方法相比,该法操作简单,处理量大,不需外加任何有机溶剂。目前能够利用泡沫分离技术成功分离出的蛋白质有:磷酸酶、链激酶、蛋白酶、血清白蛋白、溶菌酶、胃蛋白酶、尿素酶、过氧化氢酶、明胶、大豆蛋白、β-酪蛋白、抗菌肽类等一系列蛋白质。4.应用4.5分离富集蛋白质体系通过近年的研究总结出有两大类蛋白质适于泡沫分离,分别是和质膜结合的蛋白质与抗菌肽类,这两类蛋白质的共同点是都有很强的疏水性,具备了吸附于气液界面的表面活性,但有些蛋白质容易在吸附过程中变性并难于复性,如何保护易变性的蛋白质或使变性的蛋白质复性是泡沫分离蛋白质技术急需解决的重要问题。4.应用4.5分离皂苷有效成分皂苷是一种优良的天然非离子型表面活性成分,具有亲水性的糖体和疏水性的皂苷元,并且具有良好的起泡性,因此可用泡沫分离技术来从天然植物中提取皂苷。目前,人参皂苷和三七皂苷等中药皂苷类有效组分的富集分离都使用泡沫分离技术。王良贵等对三七粗提液进行泡沫分离,泡沫相三七皂苷收得率73.6%,液相三七多糖收得率为87.5%。5.展望（1）设备比较简单，可以连续进行（2）一般在冷态下操作，适用于热敏性及化学不稳定性物质的分离（3）在低浓度下分离特别有效，因此就特别适用于溶液中低浓度组分分离回收（4）能耗低。分离不涉及相变，对能量要求低，与蒸馏、结晶和蒸发相比有较大的差异5.1主要优点5.展望（1）对高浓度的溶液分离效率较低（2）当用于回收非表面活性剂时，需加入高分子的表面活性剂，消耗量大，同时伴随着二次回收的问题（3）在实际操作中，塔内的返混现象经常发生，影响分离效果（4）对泡沫本身的结构研究少，它是一个非稳定体系，无法直接测量，许多泡沫的性质还不清楚。5.2局限性5.展望随着现代工业的发展,在一种物质的分离过程中往往需要几种分离方法才能达到分离的要求,泡沫分离常常与萃取、沉降、生化等方法共同应用于化工、生化、食品、医药、污水处理等领域,用以达到更加好的效果及更加广泛的应用领