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气泡吸附分离( adsorption bubble separation) 简称为气浮分离( flotation) , 即溶液中的固体、沉淀、胶体等吸附在上升气流上而与母液分离。在20 世纪80 年代, 气浮分离技术被列入美国十大化工新技术之一。气浮分离办法最早用于矿物浓集或选择性分离, 从20 世纪60 年代起, 气浮分离技术开端普遍应用于工业中, 如从工业水、海水、饮用水中去除有毒物质、悬浮固体、大分子有机物等范畴, 由于该技术比传统分离办法( 如溶剂萃取、离子交换、共沉淀办法等) 运用更简单, 而且可处置大批量试样。在剖析化学方面的应用开端于20 世纪70 年代中期, 对这方面的研讨尚少。
1 技术的分类及描绘
R. Lemlich初次提出气泡吸附分离技术这个名词(Adsubble technique) , 该技术是应用水中各种原有溶解、悬浮物质外表活性的差别, 或经过投加药剂而产生的外表活性的差别而实行分离的办法。B. L. Karger 等基于泡沫分离将气浮分离技术分为两类, 即非泡沫分离技术( 溶剂气浮和气泡分级分离) 和泡沫分离技术即泡沫分级分离和气浮( 沉淀气浮、大分子气浮、小分子气浮) 。S. E. Pinfold 等则基于吸附机理将之分为粒子、离子和分子型气浮。
此种办法更合理, 但由于前一种办法较早提出而被普遍运用。其中泡沫分级办法是最简单和应用最少的气浮技术, 主要用来浓集或分离低浓度的外表活性剂。溶剂气浮技术最早是由F. Sebba作为离子浮选办法的补充而提出来的。它与其他技术的主要区别在于物质吸附在上升气泡上, 到达气浮柱顶时,遇到与水不混溶液体( 有机溶剂) , 这些不混溶液体搜集到达界面的物质, 从而使物质分离。
泡沫分级办法是经过使外表活性物质吸附在水中上升的气泡上, 从而到达分离的办法。大分子气浮常用于矿物气浮、矿物浓集或除杂。小分子气浮则指胶体、小分子有机物气浮, 剖析物吸附在带电荷的胶体上, 经过参加外表活性剂而气浮分离。沉淀气浮指物质经过沉淀和气流而气浮。离子气浮需求离子先与外表活性剂构成沉淀, 再气浮分离; 离子吸附或与胶体共沉淀而气浮去除的办法被S. E. Pinfold 称为共沉淀气浮, 它被普遍应用于剖析化学。离子气浮是由F. Sebba 初次提出来的, 经过参加外表活性剂( 搜集剂) 构成泡沫而分离溶液中的离子, 离子与外表活性剂在气- 水界面构成不溶沉淀或浮渣。
2 设备
气浮技术所需的安装通常依据目的而自行设计, 一切的安装均包括以下几个根本的局部：
( 1) 气体源。通常用小紧缩空气机或紧缩气体钢瓶, 常用气体是空气, 也有见用氮、氦、氩气的报道。
( 2) 调理系统。用于控制气体压力与流速。
( 3) 滤气安装。先经过玻璃棉滤去固体颗粒, 再经过装有NaOH 溶液的试瓶去除CO2, 并可使气体预先饱和, 从而使系统的体积不变。
( 4) 流量计。用于丈量经过柱的气流速率, 常用皂膜流量计。
( 5) 气浮柱。通常运用材质为玻璃, 尺寸和外形依需求而定, 通常用烧结玻璃板(G3 或G4) 作为布气板, 气体经过有孔的玻璃板而产生上升小气泡。辅助设备通常包括爬动泵( 用于连续气浮过程) 、磁子搅拌器、搜集上层液的安装( 吸管等) 、侧阀( 用于监测溶剂气浮的动力学过程, 过程完毕后, 放出液体) 、温度计、恒温槽等。
3 气泡产生的办法
气浮法技术很简单, 仅需产生微小气泡和运用适宜的外表活性剂。因此气泡尺寸是气浮过程的主要影响要素, 通常需小于100 μm。这与层流所请求的气泡尺寸( 13 μm) 相符。通常运用摄像技术来丈量气浮过程中气泡尺寸, 通常运用特殊的相机( 0.33 μm 长探针的透镜) , 其底端浸入气浮池中。大致气泡的产生办法有三种: 布气法、溶气法、电解法。
3.1 布气法
直接将空气引入气浮池中而产生气泡。在较大的池中, 应用高转速的叶轮, 将注入的空气切割成气泡。而较小池中, 则运用喷洒器( sparger) 而取得小气泡。喷洒器通常是用刚性资料( 如细孔陶瓷、玻璃、不锈钢或聚乙烯) 或软性资料( 过滤布、橡皮等) 制成,其外形能够不同( 平面或柱状) 。刚体喷洒器由于孔易梗塞而易坏, 它常用于泡沫气浮过程中。
3.2 溶气法
溶气法主要是基于不同的压力下空气在水中的溶解度的差别而产生气泡。水在较高压力下到达饱和, 而当水引入气浮池时, 由于变成常压而释放出气泡。这种技术在煤纯化中有应用, 但后来少用, 如今常用于净化系统, 如油污染的外表水体和废水的处置。
3.3 电解法
电解法是借助电解水而产生气泡( 通常为H2 和O2) 。这种技术始于前苏联, 在工业废水处理上应用较为普遍。如经过电解气浮法从稀溶液中回收Cr。
电解法优于其他气泡产生办法, 这是由于电极能给气浮池外表提供良好的掩盖度, 气体产生、气浮时间和其他操作条件都可疾速检测且易于控制, 在操作上牢靠而且平安。
4 气浮分离过程的影响参数
4.1 搜集剂浓度
在典型的离子气浮及溶剂气浮过程中请求投加一定量的搜集剂。由于假如搜集剂浓度太低则浮选离子未完整构成外表活性剂- 浮选离子( 离子对、络合物、吸附产物等) , 水相中自在的离子无法吸附到气泡上而到达分离; 另一方面, 若浓度太高, 则过量的外表活性剂将竞争气泡外表的吸附点, 通常要按二者的计量比投加。而在沉淀气浮中, 搜集剂浓度须足够大, 以构成稳定而耐久的泡沫从而确保沉淀的悬浮, 搜集剂浓度与计量比无关。
4.2 pH
溶液的pH 能够影响气浮离子存在的方式和外表电荷密度, 也能够影响搜集离子的电荷及二者化学计量比。pH 还能够影响离子气浮及沉淀气浮过程中构成泡沫的稳定性。
4.3 离子强度
离子强度的影响对不同的气浮技术有差别。但通常分离效率随离子强度的增加而降低, 这可能是由于气浮离子与其他离子竞争搜集剂而造成的。但关于外表活性剂本身, 在气液界面的吸附随离子强度的增加而增加。离子强度对沉淀气浮影响较大, 除了竞争搜集剂外, 离子强度增加还会使沉淀的溶解度变大而降低分离效率。在废水中常含高浓度盐, 通常需对其实行稀释才可实行有效的气浮。
4.4 气流速率
气流速率是气浮过程中最重要的影响要素之一。在离子气浮和溶剂气浮中需用较小孔径的布气板, 在较低的气流速率下, 分离效率随速度的增加而增加, 但是在较高气流速率下, 分离效率的增加与气流速率并不成比例, 由于气泡的直径随气流速率增加而增大, 使单位体积的气液界面面积降低,同时大气泡具有更高的上浮速率而减少了气泡在柱中的停留时间, 太高的气流速率还可造成有机层的微扰, 故需在保证气泡尺寸较小的状况下, 提升气流速率。
4.5 陈化
陈化关于沉淀气浮过程有积极的影响。例如随时间的延长, 氢氧化物渐渐沉淀, 多核前体随时间的延长而构成, 因而延长时间粒子可变成更大沉淀颗粒或发作共沉淀反响。但陈化不利于离子气浮及溶剂气浮过程, 假如外表活性剂超越CMC( 临界胶束浓度) 则可构成胶束, 气浮离子衰减, 中心阳离子与阴离子的络合物构成, 故通常运用新配溶液。
4.6 温度
温度能影响体系的物化性质, 如溶解度、泡沫稳定性、吸附等。在离子气浮中, 温度的增加对不同的体系有不同的影响。当物理吸附占优势时, 由于吸附过程放热, 故吸附随温度升高而减少。但当化学吸附占优势时, 分离效率随温度升高而升高, 如在脂肪酸及其盐的回收中。在溶剂气浮中, 通常分离效率随温度升高而降低, 由于吸附是放热过程, 当温度降低时, 浮选物在气泡上的吸附增加, 分离效率提升。另外, 水相的黏度随温度的升高而升高, 它对气泡的速度影响也较大, 这些变化反过来影响气泡穿越两相界面的速率及它们在水相的停留时间。在沉淀气浮中, 温度的升高利于粒子的长大, 但另一方面却增加沉淀的溶解度, 降低泡沫的稳定性, 不利于沉淀气浮过程。
4.7 醇的存在
少量醇的参加能够防止胶束的构成, 降低气泡尺寸而改善分离, 大量醇的参加可造成泡沫决裂或基本不构成泡沫。在溶剂气浮过程中, 参加少量的烷醇就可使气泡尺寸大大降低( 由于醇的参加降低了水的外表张力) , 从而使柱中气- 水界面外表积增加, 也增加了气泡在柱中的停留时间, 使分离效率提升, 另外, 少量的烷醇(<0.03) 可增强水的氢键构造,从而降低疏水物质的溶解度, 也使分离效率增加。但是较高浓度的醇则使氢键毁坏, 使溶液相极性削弱,同时也增加了疏水物的溶解度, 从而使分离效率降低。
4.8 有机溶剂的影响
关于溶剂气浮过程来说, 气泡穿过水相- 有机相界面的动力是一个重要要素, 故水- 有机相界面张力是一个决议要素。
若气泡遇到高外表张力, 它将会与其他气泡聚合后穿越界面, 从而降低单位气体体积的界面面积,故需选择具较低外表张力的溶剂。同时有机溶剂还需具有低的溶解度, 而对浮选物有较高溶解度, 且无毒、挥发性小。溶剂气浮中常用的有机溶剂为月桂醇、异戊醇、2 - 辛醇、矿物油( 因其价钱较低, 而更为常用) 。
