泡沫吸附分離

第5章泡沫吸附分離FoamAdsorptionSeparation本章目的及要求：（1）了解泡沫吸附分離法的分類(lèi)及其特點(diǎn)；（2）搞清物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別；（3）了解表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在泡沫吸附分離中的作用；（4）了解浮選藥劑的結(jié)構(gòu)與性能。重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：（1）泡沫吸附分離法的原理及其特點(diǎn)（2）吸附等溫線(xiàn)；離子浮選；溶劑浮選難點(diǎn)：吸附等溫線(xiàn)及表面活性劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與作用

表面活性劑是一類(lèi)具有雙親性結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物。

從廣義上講，能使體系表面張力降低的溶質(zhì)均可稱(chēng)為表面活性物質(zhì)；但習(xí)慣上只將顯著降低表面張力的這類(lèi)化合物稱(chēng)為表面活性劑。表面活性劑知識(shí)介紹（補(bǔ)充）1970年世界表面活性劑產(chǎn)量320萬(wàn)噸1996年世界表面活性劑產(chǎn)量1000多萬(wàn)噸其中>50%用于纖維工業(yè)

>20%用于洗滌劑工業(yè)其余用于其它行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)：用量小，收效大?！肮I(yè)味精”表面活性劑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分類(lèi)

表面活性劑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表面活性劑分類(lèi)1、表面活性劑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非極性基團(tuán)。

表面活性劑由結(jié)構(gòu)上不對(duì)稱(chēng)的兩部分組成，為雙親化合物。親水基:

親油基:極性基團(tuán)。常見(jiàn)的親水基有羧基、磺酸基、醚基和羥基等。一般為長(zhǎng)鏈烴基。易溶于水，具有親水性質(zhì)。易溶于油，具有親油性質(zhì)。(憎水基)親水基親油基2、表面活性劑分類(lèi)

按親水基團(tuán)的結(jié)構(gòu)分類(lèi)離子型陰離子

陽(yáng)離子兩性如肥皂、磺化油、如烷基三甲基氯化銨如十二烷基氨基丙酸鈉非離子型平平加、OP等特種表面活性劑氟碳表面活性劑、硅表面活性劑烷基二甲基甜菜堿性(1)陰離子表面活性劑①肥皂硬脂酸鈉CH3(CH2)16COONa溶于水后，起表面活性作用的是陰離子。一般，陰離子表面活性劑水溶液顯

中性或堿性。親水基親油基溶于水C17H35COONaC17H35COO-+Na+

主要成分:+3NaOHCH2OHCHOHCH2OHCH2OOCC17H35CHOOCC17H35CH2OOCC17H35+3C17H35COONa制造肥皂的反應(yīng)式油脂堿甘油肥皂缺點(diǎn):不能在硬水中使用2C17H35COO-+Ca2+[C17H35COO-]2Ca2C17H35COO-+Mg2+[C17H35COO-]2Mg金屬皂

蓖麻油制得的磺化油稱(chēng)為土耳其紅油或太古油，硫酸化程度高，親水性強(qiáng)，常用在皮革加脂中。②磺化油

含羥基和不飽和雙鍵的油脂經(jīng)硫酸酯化后再中和的產(chǎn)品被習(xí)慣稱(chēng)為磺化油。結(jié)構(gòu):R-SO3-Na+③烷基苯磺酸鈉如十二烷基苯磺酸鈉

十二烷基苯磺酸鈉是合成洗衣粉的主要成分，國(guó)家規(guī)定洗衣粉中其含量在10~35%。對(duì)水要求不高，可在硬水中應(yīng)用。C12H25C6H5SO3NaLAS結(jié)構(gòu)式:簡(jiǎn)寫(xiě):優(yōu)點(diǎn):④磷酸酯鹽

可以組成各種水溶性和油溶性的化合物，其應(yīng)用范圍也各有不同。

通過(guò)調(diào)節(jié)HLB值來(lái)控制這類(lèi)表面活性劑的性能。多用作防銹劑、抗靜電劑、乳化劑。a烷基醚磷酸酯b烷基磷酸酯NH3R-NH2R-NH-RRR-N-RR-N-RRR[]+

X-(2)陽(yáng)離子表面活性劑氨伯胺仲胺叔胺

季胺鹽陽(yáng)離子表面活性劑絕大部分是含氮的有機(jī)化合物，少數(shù)是含磷或硫的有機(jī)化合物，主要是季胺鹽。溶于水后，起表面活性作用的是陽(yáng)離子。一般，陽(yáng)離子表面活性劑水溶液顯酸性。

纖維、毛發(fā)、合成樹(shù)脂的柔軟劑、抗靜電劑和防水劑，也用于醫(yī)藥衛(wèi)生及建筑行業(yè)等。

如烷基三甲基氯化銨[R-N-CH3]+

Cl-CH3CH3溶于水R-N+-CH3CH3CH3+Cl-優(yōu)點(diǎn)：柔軟性好、抗靜電、殺菌力強(qiáng)等應(yīng)用：(3)兩性表面活性劑

兩性表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)中兼有陽(yáng)離子和陰離子基團(tuán)，在堿性溶液中呈陰離子活性，在酸性溶液中呈陽(yáng)離子活性，在中性溶液中呈兩性活性。a

氨基酸型：①羧酸鹽型陽(yáng)離子由仲胺鹽構(gòu)成

如十二烷基氨基丙酸鈉

C12H25NHCH2CH2COO-Na+

兩性表面活性劑的類(lèi)型：(強(qiáng)酸性)易溶于水，呈堿性C12H25NH(CH2)2COO-Na+C12H25NH(CH2)2COOH+NaClHCl有沉淀生成HClC12H25NH(CH2)2COOHHCl(弱酸性)沉淀溶解烷基二甲基甜菜堿性

在水中溶解性好，任何pH都適合，滲透力和抗靜電性比氨基酸型好。b甜菜堿型：②磺酸鹽型陽(yáng)離子由季胺鹽構(gòu)成

CH3

CH3結(jié)構(gòu)：R—N+—CH2COO-

(4)非離子表面活性劑如聚氧乙烯醚型非離子表面活性劑

非離子表面活性劑分子中含有聚氧乙烯基或羥基，能溶于水，但在水中不能解離成離子。其親水性是通過(guò)聚氧乙烯醚鏈或羥基鏈中的氧原子與水分子形成氫鍵而表現(xiàn)出來(lái)的。無(wú)水時(shí)有水時(shí)CH2OHCH2OCH2CH2CH2OCH2OCH2CH2CH2R-OHR-OCH2CH2CH2OCH2OCH2CH2CH2OCH2CH2OCH2OHOHHOHHOHHOHHOH

升高溫度，氫鍵斷裂，水分子脫落，導(dǎo)致親水性下降而不溶于水。缺點(diǎn):升高溫度，表面活性劑溶液由清晰變渾濁時(shí)的溫度為濁點(diǎn)。濁點(diǎn)：脂肪醇聚氧乙烯醚(商品名平平加)、烷基酚聚氧乙烯醚(商品名OP)、吐溫系列產(chǎn)品(如吐溫－80)、6501凈洗劑[C11H23CON(CH2CH2OH)2]都是常用的非離子表面活性劑。(5)特種表面活性劑CFFCFFCFFCFFCFFCFFCFF①氟碳表面活性劑氟碳表面活性劑有陰離子型、陽(yáng)離子型、兩性離子型、非離子型等。利用氟碳鏈或硅鏈為疏水基的表面活性劑以及含有金屬的表面活性劑的總稱(chēng)。specialsurfactant②硅表面活性劑

能降低水和其它有機(jī)溶劑的表面張力具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。能極好地降低水的表面張力,且耐腐蝕、耐高溫、無(wú)毒性。主要用作泡沫穩(wěn)定劑、消泡劑、紡織物柔軟劑和整理劑、原油破乳劑及防蠟劑以及各種潤(rùn)滑脫模劑等。

優(yōu)點(diǎn)：(CH3)3—Si—(O—Si—)4CH2(C2H4O)nCH3CH3CH3硅系產(chǎn)品降低表面張力值高于氟系產(chǎn)品，平滑性能也很好表面活性劑的基本性質(zhì)

表面張力

臨界膠束濃度(CMC)

膠束增溶1、表面張力氣相表面層液相物質(zhì)的表面具有特殊的性質(zhì)，這是由于表面層分子與內(nèi)部分子所處的力學(xué)狀態(tài)不同引起的。比表面吉布斯函數(shù)是系統(tǒng)單位表面積的吉布斯函數(shù)變，即表面張力(單位N/m)。σ

—

比表面吉布斯函數(shù)表面功：

表面張力與物質(zhì)的組成、所處溫度壓力以及共存相的性質(zhì)有關(guān)。σdS=dGσ=dG/dS表面張力就是表面分子作用于單位長(zhǎng)度上的收縮力。2、臨界膠束濃度(CMC)(1)定義a極稀溶液b稀溶液cCMC的溶液d大于CMC的溶液cб表面活性劑在溶液中形成膠束的最低濃度。臨界膠束濃度(CMC):

<CMC以單分子方式或離子形式存在于溶液中。

=CMC再加入表面活性劑，單分子濃度不再增加，只增加膠束的數(shù)量。

>CMC以單分子和膠束的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)存在于溶液。當(dāng)溶液濃度達(dá)到臨界膠束濃度時(shí)，表面活性劑的一些物理性質(zhì)如電阻率、滲透壓、冰點(diǎn)下降以及顏色變化等就會(huì)發(fā)生改變。表面活性劑濃度稍大于CMC時(shí)，才能充分發(fā)揮其表面活性作用。CMC值的大小主要決定于表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)和在水中的強(qiáng)電解質(zhì)的濃度，與強(qiáng)電解質(zhì)的種類(lèi)和非電解質(zhì)無(wú)關(guān)。(2)CMC值①表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)

離子型表面活性劑的CMC決定于親油基(憎水基)的長(zhǎng)短，一般碳原子數(shù)越大，CMC越小。但親油基中若引入雙鍵或支鏈，則使CMC變大。非離子型表面活性劑的CMC主要由親水基的種類(lèi)決定，如聚氧乙烯鏈增長(zhǎng),CMC變大。表面活性劑隨著無(wú)機(jī)鹽類(lèi)強(qiáng)電解質(zhì)的加入而使CMC值降低。②無(wú)機(jī)鹽類(lèi)強(qiáng)電解質(zhì)的影響A－月桂酸鉀

B-十二烷基硫酸鈉A的CMC×103/moldm-3B的CMC×103/moldm-3B8642020161284NaClNa2SO400.10.20.30.40.50.6

A3、膠束增溶

在臨界膠束濃度以上的表面活性劑溶液中加入少量不溶于水的有機(jī)物質(zhì)時(shí)，可得到透明水溶液，這種現(xiàn)象稱(chēng)為增溶。此有機(jī)物質(zhì)叫被增溶物質(zhì)。（1）增溶（2）原因

不溶于水的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入膠束內(nèi)部，呈現(xiàn)熱力學(xué)上各向同性溶液的緣故。（3）增溶量

在一定濃度表面活性劑溶液中，所溶解的被增溶物質(zhì)的飽和濃度稱(chēng)為增溶量。隨著濃度的增加，增溶量一般呈線(xiàn)性增大，而且斜率越大，增溶能力越強(qiáng)。強(qiáng)烈振蕩油水水包油型(O/W)油包水型(W/O)5.1泡沫吸附分離技術(shù)的分類(lèi)殘液出口鼓泡溶劑層圖5.2溶劑消去法流程示意圖5.2流程設(shè)置及操作

泡沫分離的流程設(shè)置及處理方法和精餾很類(lèi)似，故有泡沫精餾之稱(chēng)。其流程可以分為間歇分離和連續(xù)分離兩類(lèi)。圖5.3間歇式分離塔圖5.4連續(xù)式分離塔5.3特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)點(diǎn):(1)能在很低的濃度下十分有效地去除表面活性物質(zhì);(2)在表面活性劑的存在下,可以有效地去除非表面活性物質(zhì)如金屬離子等;(3)當(dāng)全塔都具有穩(wěn)定的泡沫時(shí),可利用回流盡可能增加單塔的分離能力;(4)設(shè)備和操作十分簡(jiǎn)單,能耗低.局限性:(1)當(dāng)溶液中表面活性物質(zhì)的濃度在臨界濃度以上時(shí),泡沫分離塔雖然獲得穩(wěn)定的泡沫層,但分離效率低;(2)在臨界膠束濃度以下,難以維持穩(wěn)定的泡沫層;(3)當(dāng)用于去除富集質(zhì)時(shí),除去的總量和表面活性劑的用量往往呈化學(xué)計(jì)量關(guān)系,而后者都是高分子物質(zhì),消耗量較大,也會(huì)產(chǎn)生回收問(wèn)題;(4)在泡沫分離設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作中,塔中的返混嚴(yán)重影響分離的效率,尤其是泡沫層不穩(wěn)定的系統(tǒng),只能實(shí)測(cè),難以預(yù)測(cè).5.4濕法冶金中的礦石浮選5.4.1物理吸附和化學(xué)吸附物理吸附:以分子間作用力為主化學(xué)吸附:以化學(xué)鍵力為主物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別:(1)吸附熱(2)選擇性(3)活化能(4)可逆性(5)吸附層5.4.2液氣界面的吸附圖5.5起泡劑分子在液氣界面的排列(a)濃度很?。唬╞）濃度中等；（c）濃度很大圖5.6吉布斯吸附等溫線(xiàn)SO32-CH3CH2CH2CH2·····CH2吉布斯吸附等溫方程：關(guān)鍵是求出dσ/dc！在溫度不高時(shí)，σ與c的關(guān)系可用希士可夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式表示：當(dāng)濃度達(dá)到飽和即c很大時(shí)，則1+bc=bc，則與Langmuir吸附等溫式類(lèi)似5.4.3解吸功吸附功：吸附為自發(fā)過(guò)程，吸附過(guò)程所做的功為吸附功。解吸功：將吸附分子從表面解吸所需的功。解吸功的計(jì)算：5.4.4固體表面的吸附固氣界面和固液界面的吸附對(duì)浮選很重要。圖5.7溶解、化學(xué)反應(yīng)和吸附的等溫線(xiàn)（a）溶解；（b）化學(xué)反應(yīng)；（c）吸附Pd當(dāng)P>Pd時(shí)，Vr=kVa=k1PVa=k2Va=kP1/nLangmuir單分子層吸附理論：5.4.5浮選劑吸附方程式Freundlich吸附等溫方程：吸附量Г＝ac1/n5.4.6礦物表面吸附類(lèi)型（1）與晶格同名離子的吸附,有時(shí)稱(chēng)“定位離子”的吸附；（2）表面上的晶格離子與溶液中的離子交換吸附；（3）原吸附的配衡離與溶液離子的二次交換吸附；（4）分子吸附（5）活性吸附（6）膠粒吸附5.5浮選藥劑5.5.1浮選藥劑的分類(lèi)請(qǐng)看表5.2浮選劑的分類(lèi)5.5.2浮選藥劑的結(jié)構(gòu)與性能（1）臨界膠束濃度的概念及算法lgCMC=A－nBA－與極性基性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；B－與非極性性質(zhì)及溫度有關(guān)的常數(shù)；n－非極性基為直鏈烷基時(shí)-CH2-的數(shù)目（2）CMC值與藥劑性能的關(guān)系①非極性烴鏈長(zhǎng)度；②極性基數(shù)目；③非極性基數(shù)目；④極性基在烴鏈的位置；⑤非極性劑中有苯環(huán)；⑥不飽和度對(duì)CMC的影響（3）CMC算法在推測(cè)藥劑浮選方面的應(yīng)用①藥劑的類(lèi)別和能力大小CMC越小，藥劑的疏水性能越大，表明藥劑分子中非極性基比例較大，表示其捕收性較強(qiáng)，有可能作為捕收劑使用；CMC較大，說(shuō)明藥劑的親水性強(qiáng)，極性基比例大，有可能作為抑制劑使用；當(dāng)CMC處于一中間值時(shí)，則可能成為起泡劑。②估計(jì)藥劑的用量范圍半膠束濃度HMC？CDC？③分析兩種基團(tuán)的配比關(guān)系5.6浮選分離在分析化學(xué)中的應(yīng)用5.6.1表面活性劑在氣液界面吸附的規(guī)律5.6.2沉淀或共沉淀浮選和膠體吸附浮選何謂沉淀或共沉淀浮選？第一類(lèi)沉淀或共沉淀浮選：需加表面活性捕收劑第二類(lèi)沉淀或共沉淀浮選：不需要表面活性捕收劑5.6.3離子浮選法無(wú)論是在氣流發(fā)生前的主體溶液中，還是在氣流開(kāi)始后的氣泡界面上，如果痕量組分被表面活性劑所沉淀，沉淀微粒被氣泡載入泡沫中，則該過(guò)程稱(chēng)為離子浮選。表5.9離子浮選法的應(yīng)用微量組分絡(luò)合劑捕集劑Zn(II),Sb(III),Bi(III),TI(III),Ga(III),Hg(II),Sn(IV),Cd(II),Fe(III)等Cl-氯化十六烷基吡啶Ir(IV)，Rh(III)Cl-溴化十六烷基三烷基銨Pt(IV),Ir(III)Cl-同上Au(II