泡沫分离技术

泡沫分离技术利用泡沫中的气泡作为分离介质，根据表面活性剂在气液界面吸附性质的差别对其进行分离纯化的技术。因为其具有低能耗、无污染、设备简单等优点，近些年来作为新型的分离技术得到迅速发展，并广泛用于表面活性剂、金属离子以及染料等的分离和纯化。众所周知，泡沫分离的两个重要的过程是：表面吸附和泡沫排液，并且已有大量文献对其机理以及过程强化进行研究。在泡沫分离过程中，泡沫经液相吸附和泡沫相排液后，一旦从泡沫分离塔顶排出就需要消泡得到分离浓缩液，所以为了促进泡沫分离的应用研究一种适合泡沫分离的消泡方法很重要，而消泡的难易程度又取决于表面吸附和泡沫排液两个过程。

一、表面吸附

表面活性分子由极性头和非极性尾组成，当表面活性剂溶于水中，极性头部深入水中而非极性尾部深入空气中，使空气和水的接触面减少，从而降低溶液的表面张力。当表面活性溶液中形成泡沫后，泡沫的液膜上吸附着双层表面活性分子来维持液膜的稳定，表面活性分子的吸附密度越大液膜越稳定，消泡越困难。

根据热力学理论，在气液两相界面处的表面活性分子的浓度一般高于液相主体浓度，这种现象称为表面过剩。如果溶液中只存在一种表面活性分子，当达到吸附平衡时在气液界面上可以用Gibbs吸附等温方程描述：

其中Γ(mol/cm2)为表面活性分子的表面过剩吸附量；σ(N/ cm)为溶液的表面张力；C (mol/cm3)为主体溶液的平衡浓度；R为摩尔气体常数，其值为8.314 J/(mol·K)；T(0C)绝对温度。Langmuir依据实验数据利用动力学的观点提出了Langmuir吸附等温式，并总结出了单分子层吸附理论。Langmuir吸附等温式如公式(1.6)所示：

其中Γ、Γm(kg/m2)分别为表面浓度和最大表面浓度；kL(m3/kg)为吸附平衡常数。小分子的表面活性物质(如十二烷基硫酸钠)在气液界面上的吸附现象满足Langmuir吸附等温式，其吸附等温线如图1.3所示[29]。但对于分子量较大的表面活性物质(如蛋白质)在气液界面上的吸附现象与Langmuir吸附等温式有较大的偏差，因为蛋白质在气液界面上的吸附是遵循多分子层吸附理论的，牛血清蛋白(BSA)的吸附等温线如图1.4所示。

二、泡沫排液

影响泡沫稳定性的另一个重要的因素是液膜厚度，消泡就是使泡沫的全部或部分液膜的厚度降低到其临界值而实现的。泡沫排液使泡沫的持液量降低，液膜厚度变薄，有利于泡沫稳定性降低，从而实现消泡。

泡沫排液是一个复杂的流体力学过程，受多种因素共同控制。泡沫排液的速率取

决于以下各方面：泡沫体系的流体力学参数，例如三个气泡交汇处的普朗特边界层的

形状和大小；吸附的表面活性分子的种类不同造成的气液界面性质的变化；气泡间聚

并引起的内部泡沫的破坏速率；泡沫中的液体沿普朗特边界的排液使毛细管压力增高，

从而导致气泡间聚并加快并使得泡沫主体内部形成空洞。

最早

Leonard

和

Lemlich

建立了

“

通道主导泡沫排液模型

”

[33]

，这个模型假设普朗

特边界管道的管壁是无限刚性的，所有的压力损失均发生在普朗特边界中，在节点处

的压力损失可以忽略不计。根据模型得到泡沫排液速度

u (m/s)如公式

(1.7)

所示

其中

Cr (m

2

)

为

Plateau

边界层的横截面积；

ρ

L

(kg/m

3

)

为液体的密度；

μ

(Pa·s)

为液体的

粘度；

g (m/s

2

)

为重力加速度。

后来研究者认为普朗特边界无限刚性的假设是不合理，

Koehler

等人

[34]

提出了

“

节

点主导泡沫排液模型

”

，放松了对管壁无限刚性的假定，并强调节点对压力损失的贡

献。实际上，在普朗特边界层和节点处均存在压力损失，

Stevenson

[35]

在此基础上分析

影响泡沫排液速率的因素，利用无因次量纲分析方法将这些因素进行关联，得出了表

观排液速率

j

d

(m/s)

的表达式：

其中

r

b

(mm)

为气泡的半径；

ε

(%)

为泡沫的持液量；

m

、

n

为表征泡沫流动特性的无量

纲系数。由此可知，改变物系性质参数

[36,37]

如液体粘度、操作条件

[38,39]

如气速以及设

备参数

[40,41]

如分布器孔径可以影响泡沫排液。