泡沫分离技术及其发展现状摘要:探讨了泡沫分离技术的原理、泡沫分离设备及泡沫分离技术的研究进展。泡沫分离过程的性能受很多因素的影响,例如,进料液浓度、气泡尺寸、气体流量、泡沫的排液、进料位置、聚并、温度等。阐述了现有的几种新技术,如低重力条件操作、通过压力梯度而提高分离效率。此外,还简要介绍了泡沫分离塔中传质单元数和传质单元高度的概念。关键词:泡沫分离;表面活性剂;吸附,分离因子;聚并泡沫分离技术(FoamFractionation,又称泡沫吸附分离技术(Adsorptivebubbleseparationtechnique,是20世纪初发现的一种新型分离技术。这种分离技术最初用于矿物的浮选,后来又被用于脱除废水中的表面活性物质(如表面活性剂、蛋白质、酶等和洗涤剂;或提取可与表面活性剂络合或鳌合在一起的物质,如金属离子;也可作为一种浓缩过程,对含有表面活性剂的废水进行处理;在生化制品领域中,还可以通过泡沫分离技术进行病毒分离以及蛋白质、酶的提炼。为统一泡沫分离的概念,1967年Karger、Grieves等人共同建议把泡沫分离技术方法按照图1分类图1泡沫分离技术方法分类泡沫分离技术在工业中成功应用的实例很多,还有一些应用尚处在实验室研究阶段。目前有关泡沫分离技术,很多学者从不同的角度对设计参数进行了深入的研究,以期提高各种泡沫分离技术及分离设备的效率,并希望将这一技术大规模、高效的应用于工业中。在本文中,对泡沫分离技术的应用现状和设备进行了综述和分析。1泡沫分离技术的原理泡沫分离的过程是通过在液相底部通入某种气体或使用某种装置产生泡沫,收集泡沫就得到了某种产物的浓缩液。泡沫分离技术是根据表面吸附原理,基于溶液中溶质(或颗粒间表面活性的差异,表面活性强的物质优先吸附于分散相与连续相的界面处,通过鼓泡使溶质选择性的聚集在气——液界面并借助浮力上升至溶液主体上方形成泡沫层,从而分离、浓缩溶质或净化液相主体的过程。表面活性剂具有亲水的极性和憎水的非极性基团,在溶液中可以选择性的吸附在气——液界面上,使表面活性物质在表面相中的浓度高于主体相,并使该溶液的表面张力急剧下降。当溶液中只存在一种表面活性剂,且在一定的温度下达到吸附平衡,此时,气——液界面处表面活性剂的吸附可以用Gibbs吸附等温方程描述,从理论上证实了表面活性剂在气一液界面上的富集作用。当溶液中表面活性剂很少,溶液的表面张力与溶剂相似,几乎不发生吸附;当溶液浓度介于a,b之间时,溶液的表面张力随溶液浓度的增加而降低,从而可以实现分离;当溶液的浓度大于b时,曲线的斜率接近0,在这一范围内,溶液的主体中形成一定形状的胶束(micelle,此时溶液中表面活性剂的浓度称为临界胶束浓度(CMC。通常认为理想的溶液吸附发生在a~b的范围内。很多研究都证明低浓度物质的富集率比较大,因此泡沫分离方法更适合于低浓度表面活性物质的分离纯化。对于非表面活性物质,可以在溶液中添加一种合适的表面活性物质,并且这种物质可以与溶液中原有的溶质结合在一起形成一种新的具有表面活性的溶质,吸附在气泡表面上,从而使原有的溶质从溶液中分离出来。泡沫分离必须具备两个基本条件。首先,目标溶质是表面活性物质,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一液界面上;其次,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。因此,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。泡沫分离方法有一系列优点。它适合于对低浓度的产品进行分离。如低浓度的酶溶液,用常规的方法进行沉淀是行不通的,如果使用泡沫法对产品先进行浓缩,就可以用沉淀法进行提取。它是根据分离物的表面活性而对产品进行分离的,因此可以高选择性地浓缩某种成分。由于此过程不使用无机盐或有机溶剂,仅仅是有一些动力消耗,它的运行成本一般要比其它方法低。2泡沫分离技术的设备在间歇泡沫分离操作系统中,泡沫连续从设备中输出,初始溶液中所含的发泡剂(通常为某种表面活性剂逐渐耗尽。设备的泡沫层中无料液引入,全塔近似为一个理论级。在连续操作的泡沫分离设备中,料液连续进入泡沫分离塔中,同时,泡沫相...
