气浮分离法的研究现状和发展方向

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。气浮分离方法最早用于矿物浓集或选择性分离, 从20 世纪60 年代起, 气浮分离技术开始广泛应用于工业中, 如从工业水、海水、饮用水中去除有毒物质、悬浮固体、大分子有机物等领域, 因为该技术比传统分离方法( 如溶剂萃取、离子交换、共沉淀方法等) 使用更简单, 而且可处理大批量试样。在分析化学方面的应用开始于20 世纪70 年代中期, 对这方面的研究尚少。
在文献〔1〕～〔4〕中较全面地概述了气浮分离技术的分离理论、模型、离子和有机物的分离过程等。
M. Hiraide 等〔5〕则从分析化学的角度, 尤其是在有机物、无机离子的沉淀气浮和离子气浮方面进行了
介绍。笔者将简要叙述气浮分离技术机理、应用, 并指出该技术今后的发展方向。
1 技术的分类及描述
R. Lemlich〔1 〕首次提出气泡吸附分离技术这个名词(Adsubble technique) , 该技术是利用水中各种原有溶解、悬浮物质表面活性的差异, 或通过投加药剂而产生的表面活性的差异而进行分离的方法。B. L. Karger 等〔6〕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〔7〕则基于吸附机理将之分为粒子、离子和分子型气浮。
此种方法更合理, 但由于前一种方法较早提出而被广泛使用。其中泡沫分级方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表面活性剂。溶剂气浮技术最早是由F. Sebba〔2 〕作为离子浮选方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, 达到气浮柱顶时,遇到与水不混溶液体( 有机溶剂) , 这些不混溶液体收集达到界面的物质, 从而使物质分离。
泡沫分级方法是通过使表面活性物质吸附在水中上升的气泡上, 从而达到分离的方法。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, 分析物吸附在带电荷的胶体上, 通过加入表面活性剂而气浮分离。沉淀气浮指物质通过沉淀和气流而气浮。离子气浮需要离子先与表面活性剂形成沉淀, 再气浮分离; 离子吸附或与胶体共沉淀而气浮去除的方法被S. E. Pinfold 称为共沉淀气浮〔7〕, 它被广泛应用于分析化学。离子气浮是由F. Sebba 首次提出来的, 通过加入表面活性剂( 收集剂) 形成泡沫而分离溶液中的离子, 离子与表面活性剂在气- 水界面形成不溶沉淀或浮渣。
2 装置
气浮技术所需的装置一般根据目的而自行设计, 所有的装置均包括以下几个基本的部分〔7〕:
( 1) 气体源。一般用小压缩空气机或压缩气体钢瓶, 常用气体是空气, 也有见用氮、氦、氩气的报道。
( 2) 调节系统。用于控制气体压力与流速。
( 3) 滤气装置。先通过玻璃棉滤去固体颗粒, 再通过装有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。用于测量通过柱的气流速率, 常用皂膜流量计。
( 5) 气浮柱。通常使用材质为玻璃, 尺寸和形状依需要而定, 一般用烧结玻璃板(G3 或G4) 作为布气板, 气体通过有孔的玻璃板而产生上升小气泡。辅助设备一般包括蠕动泵( 用于连续气浮过程) 、磁子搅拌器、收集上层液的装置( 吸管等) 、侧阀( 用于监测溶剂气浮的动力学过程, 过程结束后, 放出液体) 、温度计、恒温槽等。
3 气泡产生的方法
气浮法技术很简单, 仅需产生微小气泡和使用合适的表面活性剂。因而气泡尺寸是气浮过程的主要影响因素〔8~12〕, 通常需小于100 μm。这与层流所要求的气泡尺寸( 13 μm) 相符。通常使用摄像技术来测量气浮过程中气泡尺寸〔13〕, 一般使用特殊的相机( 0.33 μm 长探针的透镜) , 其底端浸入气浮池中。大致气泡的产生方法有三种: 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, 利用高转速的叶轮, 将注入的空气切割成气泡。而较小池中, 则使用喷洒器( sparger) 而获得小气泡。喷洒器通常是用刚性材料( 如细孔陶瓷、玻璃、不锈钢或聚乙烯) 或软性材料( 过滤布、橡皮等) 制成,其形状可以不同( 平面或柱状) 。刚体喷洒器由于孔易堵塞而易坏, 它常用于泡沫气浮过程中〔14〕。
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异而产生气泡。水在较高压力下达到饱和, 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, 现在常用于净化系统, 如油污染的表面水体和废水的处理。
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广泛〔15〕。如通过电解气浮法从稀溶液中回收Cr〔16〕。
电解法优于其他气泡产生方法, 这是由于电极能给气浮池表面提供良好的覆盖度, 气体产生、气浮时间和其他操作条件都可迅速检测且易于控制, 在操作上可靠而且安全。
4 气浮分离过程的影响参数
4.1 收集剂浓度
在典型的离子气浮及溶剂气浮过程中要求投加一定量的收集剂。因为如果收集剂浓度太低则浮选离子未完全形成表面活性剂- 浮选离子( 离子对、络合物、吸附产物等) , 水相中自由的离子无法吸附到气泡上而达到分离; 另一方面, 若浓度太高, 则过量的表面活性剂将竞争气泡表面的吸附点, 一般要按二者的计量比投加。而在沉淀气浮中, 收集剂浓度须足够大, 以形成稳定而持久的泡沫从而确保沉淀的悬浮, 收集剂浓度与计量比无关。
4.2 pH
溶液的pH 可以影响气浮离子存在的形式和表面电荷密度, 也可以影响收集离子的电荷及二者化学计量比。pH 还可以影响离子气浮及沉淀气浮过程中形成泡沫的稳定性。
4.3 离子强度
离子强度的影响对不同的气浮技术有差异。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收集剂而引起的。但对于表面活性剂自身, 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, 除了竞争收集剂外, 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, 一般需对其进行稀释才可进行有效的气浮。
4.4 气流速率
气流速率是气浮过程中最重要的影响因素之一。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, 因为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引起有机层的微扰, 故需在保证气泡尺寸较小的情况下, 提高
气流速率〔17〕。
4.5 陈化
陈化对于沉淀气浮过程有积极的影响。例如随时间的延长, 氢氧化物慢慢沉淀, 多核前体随时间的延长而形成, 因此延长时间粒子可变成更大沉淀颗粒或发生共沉淀反应。但陈化不利于离子气浮及溶剂气浮过程, 如果表面活性剂超过CMC( 临界胶束浓度) 则可形成胶束, 气浮离子衰减, 中心阳离子与阴离子的络合物形成, 故一般使用新配溶液。
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〔1〕, 因为吸附过程放热, 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〔18〕。在溶剂气浮中, 一般分离效率随温度升高而降低, 因为吸附是放热过程, 当温度降低时, 浮选物在气泡上的吸附增加, 分离效率提高。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〔8〕。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
少量醇的加入可以避免胶束的形成, 降低气泡尺寸而改善分离, 大量醇的加入可引起泡沫破裂或根本不形成泡沫。在溶剂气浮过程中, 加入少量的烷醇就可使气泡尺寸大大降低( 由于醇的加入降低了水的表面张力〔19, 20〕) , 从而使柱中气- 水界面表面积增加, 也增加了气泡在柱中的停留时间, 使分离效率提高, 另外, 少量的烷醇(<0.03) 可加强水的氢键结构〔21〕,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破坏, 使溶液相极性减弱,同时也增加了疏水物的溶解度, 从而使分离效率降低〔22〕。4.8 有机溶剂的影响
对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因素, 故水- 有机相界面张力是一个决定因素。
若气泡遇到高表面张力, 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,故需选择具较低表面张力的溶剂。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( 因其价格较低, 而更为常用) 。
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[ 作者简介] 吕玉娟(1971— ) , 2001 年毕业于中山大学, 博士学位,
副教授, E-mail: yjlv#szu.edu.cn,将#换成@