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氣泡吸附分離( adsorption bubble separation) 簡稱為氣浮分離( flotation) , 即溶液中的固體、沉淀、膠體等吸附在上升氣流上而與母液分離。在20 世紀80 年代, 氣浮分離技術被列入美國十大化工新技術之一。氣浮分離辦法最早用于礦物濃集或選擇性分離, 從20 世紀60 年代起, 氣浮分離技術開端普遍應用于工業(yè)中, 如從工業(yè)水、海水、飲用水中去除有毒物質(zhì)、懸浮固體、大分子有機物等范疇, 由于該技術比傳統(tǒng)分離辦法( 如溶劑萃取、離子交換、共沉淀辦法等) 運用更簡單, 而且可處置大批量試樣。在剖析化學方面的應用開端于20 世紀70 年代中期, 對這方面的研討尚少。

1 技術的分類及描繪

R. Lemlich初次提出氣泡吸附分離技術這個名詞(Adsubble technique) , 該技術是應用水中各種原有溶解、懸浮物質(zhì)外表活性的差別, 或經(jīng)過投加藥劑而產(chǎn)生的外表活性的差別而實行分離的辦法。B. L. Karger 等基于泡沫分離將氣浮分離技術分為兩類, 即非泡沫分離技術( 溶劑氣浮和氣泡分級分離) 和泡沫分離技術即泡沫分級分離和氣浮( 沉淀氣浮、大分子氣浮、小分子氣浮) 。S. E. Pinfold 等則基于吸附機理將之分為粒子、離子和分子型氣浮。

此種辦法更合理, 但由于前一種辦法較早提出而被普遍運用。其中泡沫分級辦法是最簡單和應用最少的氣浮技術, 主要用來濃集或分離低濃度的外表活性劑。溶劑氣浮技術最早是由F. Sebba作為離子浮選辦法的補充而提出來的。它與其他技術的主要區(qū)別在于物質(zhì)吸附在上升氣泡上, 到達氣浮柱頂時,遇到與水不混溶液體( 有機溶劑) , 這些不混溶液體搜集到達界面的物質(zhì), 從而使物質(zhì)分離。

泡沫分級辦法是經(jīng)過使外表活性物質(zhì)吸附在水中上升的氣泡上, 從而到達分離的辦法。大分子氣浮常用于礦物氣浮、礦物濃集或除雜。小分子氣浮則指膠體、小分子有機物氣浮, 剖析物吸附在帶電荷的膠體上, 經(jīng)過參加外表活性劑而氣浮分離。沉淀氣浮指物質(zhì)經(jīng)過沉淀和氣流而氣浮。離子氣浮需求離子先與外表活性劑構成沉淀, 再氣浮分離; 離子吸附或與膠體共沉淀而氣浮去除的辦法被S. E. Pinfold 稱為共沉淀氣浮, 它被普遍應用于剖析化學。離子氣浮是由F. Sebba 初次提出來的, 經(jīng)過參加外表活性劑( 搜集劑) 構成泡沫而分離溶液中的離子, 離子與外表活性劑在氣- 水界面構成不溶沉淀或浮渣。

2 設備

氣浮技術所需的安裝通常依據(jù)目的而自行設計, 一切的安裝均包括以下幾個根本的局部：

( 1) 氣體源。通常用小緊縮空氣機或緊縮氣體鋼瓶, 常用氣體是空氣, 也有見用氮、氦、氬氣的報道。

( 2) 調(diào)理系統(tǒng)。用于控制氣體壓力與流速。

( 3) 濾氣安裝。先經(jīng)過玻璃棉濾去固體顆粒, 再經(jīng)過裝有NaOH 溶液的試瓶去除CO2, 并可使氣體預先飽和, 從而使系統(tǒng)的體積不變。

( 4) 流量計。用于丈量經(jīng)過柱的氣流速率, 常用皂膜流量計。

( 5) 氣浮柱。通常運用材質(zhì)為玻璃, 尺寸和外形依需求而定, 通常用燒結玻璃板(G3 或G4) 作為布氣板, 氣體經(jīng)過有孔的玻璃板而產(chǎn)生上升小氣泡。輔助設備通常包括爬動泵( 用于連續(xù)氣浮過程) 、磁子攪拌器、搜集上層液的安裝( 吸管等) 、側閥( 用于監(jiān)測溶劑氣浮的動力學過程, 過程完畢后, 放出液體) 、溫度計、恒溫槽等。

3 氣泡產(chǎn)生的辦法

氣浮法技術很簡單, 僅需產(chǎn)生微小氣泡和運用適宜的外表活性劑。因此氣泡尺寸是氣浮過程的主要影響要素, 通常需小于100 μm。這與層流所請求的氣泡尺寸( 13 μm) 相符。通常運用攝像技術來丈量氣浮過程中氣泡尺寸, 通常運用特殊的相機( 0.33 μm 長探針的透鏡) , 其底端浸入氣浮池中。大致氣泡的產(chǎn)生辦法有三種: 布氣法、溶氣法、電解法。

3.1 布氣法

直接將空氣引入氣浮池中而產(chǎn)生氣泡。在較大的池中, 應用高轉速的葉輪, 將注入的空氣切割成氣泡。而較小池中, 則運用噴灑器( sparger) 而取得小氣泡。噴灑器通常是用剛性資料( 如細孔陶瓷、玻璃、不銹鋼或聚乙烯) 或軟性資料( 過濾布、橡皮等) 制成,其外形能夠不同( 平面或柱狀) 。剛體噴灑器由于孔易梗塞而易壞, 它常用于泡沫氣浮過程中。

3.2 溶氣法

溶氣法主要是基于不同的壓力下空氣在水中的溶解度的差別而產(chǎn)生氣泡。水在較高壓力下到達飽和, 而當水引入氣浮池時, 由于變成常壓而釋放出氣泡。這種技術在煤純化中有應用, 但后來少用, 如今常用于凈化系統(tǒng), 如油污染的外表水體和廢水的處置。

3.3 電解法

電解法是借助電解水而產(chǎn)生氣泡( 通常為H2 和O2) 。這種技術始于前蘇聯(lián), 在工業(yè)廢水處理上應用較為普遍。如經(jīng)過電解氣浮法從稀溶液中回收Cr。

電解法優(yōu)于其他氣泡產(chǎn)生辦法, 這是由于電極能給氣浮池外表提供良好的掩蓋度, 氣體產(chǎn)生、氣浮時間和其他操作條件都可疾速檢測且易于控制, 在操作上牢靠而且平安。

4 氣浮分離過程的影響參數(shù)

4.1 搜集劑濃度

在典型的離子氣浮及溶劑氣浮過程中請求投加一定量的搜集劑。由于假如搜集劑濃度太低則浮選離子未完整構成外表活性劑- 浮選離子( 離子對、絡合物、吸附產(chǎn)物等) , 水相中自在的離子無法吸附到氣泡上而到達分離; 另一方面, 若濃度太高, 則過量的外表活性劑將競爭氣泡外表的吸附點, 通常要按二者的計量比投加。而在沉淀氣浮中, 搜集劑濃度須足夠大, 以構成穩(wěn)定而耐久的泡沫從而確保沉淀的懸浮, 搜集劑濃度與計量比無關。

4.2 pH

溶液的pH 能夠影響氣浮離子存在的方式和外表電荷密度, 也能夠影響搜集離子的電荷及二者化學計量比。pH 還能夠影響離子氣浮及沉淀氣浮過程中構成泡沫的穩(wěn)定性。

4.3 離子強度

離子強度的影響對不同的氣浮技術有差別。但通常分離效率隨離子強度的增加而降低, 這可能是由于氣浮離子與其他離子競爭搜集劑而造成的。但關于外表活性劑本身, 在氣液界面的吸附隨離子強度的增加而增加。離子強度對沉淀氣浮影響較大, 除了競爭搜集劑外, 離子強度增加還會使沉淀的溶解度變大而降低分離效率。在廢水中常含高濃度鹽, 通常需對其實行稀釋才可實行有效的氣浮。

4.4 氣流速率

氣流速率是氣浮過程中最重要的影響要素之一。在離子氣浮和溶劑氣浮中需用較小孔徑的布氣板, 在較低的氣流速率下, 分離效率隨速度的增加而增加, 但是在較高氣流速率下, 分離效率的增加與氣流速率并不成比例, 由于氣泡的直徑隨氣流速率增加而增大, 使單位體積的氣液界面面積降低,同時大氣泡具有更高的上浮速率而減少了氣泡在柱中的停留時間, 太高的氣流速率還可造成有機層的微擾, 故需在保證氣泡尺寸較小的狀況下, 提升氣流速率。

4.5 陳化

陳化關于沉淀氣浮過程有積極的影響。例如隨時間的延長, 氫氧化物漸漸沉淀, 多核前體隨時間的延長而構成, 因而延長時間粒子可變成更大沉淀顆?；虬l(fā)作共沉淀反響。但陳化不利于離子氣浮及溶劑氣浮過程, 假如外表活性劑超越CMC( 臨界膠束濃度) 則可構成膠束, 氣浮離子衰減, 中心陽離子與陰離子的絡合物構成, 故通常運用新配溶液。

4.6 溫度

溫度能影響體系的物化性質(zhì), 如溶解度、泡沫穩(wěn)定性、吸附等。在離子氣浮中, 溫度的增加對不同的體系有不同的影響。當物理吸附占優(yōu)勢時, 由于吸附過程放熱, 故吸附隨溫度升高而減少。但當化學吸附占優(yōu)勢時, 分離效率隨溫度升高而升高, 如在脂肪酸及其鹽的回收中。在溶劑氣浮中, 通常分離效率隨溫度升高而降低, 由于吸附是放熱過程, 當溫度降低時, 浮選物在氣泡上的吸附增加, 分離效率提升。另外, 水相的黏度隨溫度的升高而升高, 它對氣泡的速度影響也較大, 這些變化反過來影響氣泡穿越兩相界面的速率及它們在水相的停留時間。在沉淀氣浮中, 溫度的升高利于粒子的長大, 但另一方面卻增加沉淀的溶解度, 降低泡沫的穩(wěn)定性, 不利于沉淀氣浮過程。

4.7 醇的存在

少量醇的參加能夠防止膠束的構成, 降低氣泡尺寸而改善分離, 大量醇的參加可造成泡沫決裂或基本不構成泡沫。在溶劑氣浮過程中, 參加少量的烷醇就可使氣泡尺寸大大降低( 由于醇的參加降低了水的外表張力) , 從而使柱中氣- 水界面外表積增加, 也增加了氣泡在柱中的停留時間, 使分離效率提升, 另外, 少量的烷醇(<0.03) 可增強水的氫鍵構造,從而降低疏水物質(zhì)的溶解度, 也使分離效率增加。但是較高濃度的醇則使氫鍵毀壞, 使溶液相極性削弱,同時也增加了疏水物的溶解度, 從而使分離效率降低。

4.8 有機溶劑的影響

關于溶劑氣浮過程來說, 氣泡穿過水相- 有機相界面的動力是一個重要要素, 故水- 有機相界面張力是一個決議要素。

若氣泡遇到高外表張力, 它將會與其他氣泡聚合后穿越界面, 從而降低單位氣體體積的界面面積,故需選擇具較低外表張力的溶劑。同時有機溶劑還需具有低的溶解度, 而對浮選物有較高溶解度, 且無毒、揮發(fā)性小。溶劑氣浮中常用的有機溶劑為月桂醇、異戊醇、2 - 辛醇、礦物油( 因其價錢較低, 而更為常用) 。