泡沫分離技術(shù)利用泡沫中的氣泡作為分離介質(zhì)，根據(jù)表面活性劑在氣液界面吸附性質(zhì)的差別對其進(jìn)行分離純化的技術(shù)。因?yàn)槠渚哂械湍芎?、無污染、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，近些年來作為新型的分離技術(shù)得到迅速發(fā)展，并廣泛用于表面活性劑、金屬離子以及染料等的分離和純化。眾所周知，泡沫分離的兩個(gè)重要的過程是：表面吸附和泡沫排液，并且已有大量文獻(xiàn)對其機(jī)理以及過程強(qiáng)化進(jìn)行研究。在泡沫分離過程中，泡沫經(jīng)液相吸附和泡沫相排液后，一旦從泡沫分離塔頂排出就需要消泡得到分離濃縮液，所以為了促進(jìn)泡沫分離的應(yīng)用研究一種適合泡沫分離的消泡方法很重要，而消泡的難易程度又取決于表面吸附和泡沫排液兩個(gè)過程。

一、表面吸附

表面活性分子由極性頭和非極性尾組成，當(dāng)表面活性劑溶于水中，極性頭部深入水中而非極性尾部深入空氣中，使空氣和水的接觸面減少，從而降低溶液的表面張力。當(dāng)表面活性溶液中形成泡沫后，泡沫的液膜上吸附著雙層表面活性分子來維持液膜的穩(wěn)定，表面活性分子的吸附密度越大液膜越穩(wěn)定，消泡越困難。

根據(jù)熱力學(xué)理論，在氣液兩相界面處的表面活性分子的濃度一般高于液相主體濃度，這種現(xiàn)象稱為表面過剩。如果溶液中只存在一種表面活性分子，當(dāng)達(dá)到吸附平衡時(shí)在氣液界面上可以用Gibbs吸附等溫方程描述：

其中Γ(mol/cm2)為表面活性分子的表面過剩吸附量；σ(N/ cm)為溶液的表面張力；C (mol/cm3)為主體溶液的平衡濃度；R為摩爾氣體常數(shù)，其值為8.314 J/(mol·K)；T(0C)絕對溫度。Langmuir依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)提出了Langmuir吸附等溫式，并總結(jié)出了單分子層吸附理論。Langmuir吸附等溫式如公式(1.6)所示：

其中Γ、Γm(kg/m2)分別為表面濃度和最大表面濃度；kL(m3/kg)為吸附平衡常數(shù)。小分子的表面活性物質(zhì)(如十二烷基硫酸鈉)在氣液界面上的吸附現(xiàn)象滿足Langmuir吸附等溫式，其吸附等溫線如圖1.3所示[29]。但對于分子量較大的表面活性物質(zhì)(如蛋白質(zhì))在氣液界面上的吸附現(xiàn)象與Langmuir吸附等溫式有較大的偏差，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)在氣液界面上的吸附是遵循多分子層吸附理論的，牛血清蛋白(BSA)的吸附等溫線如圖1.4所示。

二、泡沫排液

影響泡沫穩(wěn)定性的另一個(gè)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臨界值而實(shí)現(xiàn)的。泡沫排液使泡沫的持液量降低，液膜厚度變薄，有利于泡沫穩(wěn)定性降低，從而實(shí)現(xiàn)消泡。

泡沫排液是一個(gè)復(fù)雜的流體力學(xué)過程，受多種因素共同控制。泡沫排液的速率取

決于以下各方面：泡沫體系的流體力學(xué)參數(shù)，例如三個(gè)氣泡交匯處的普朗特邊界層的

形狀和大??；吸附的表面活性分子的種類不同造成的氣液界面性質(zhì)的變化；氣泡間聚

并引起的內(nèi)部泡沫的破壞速率；泡沫中的液體沿普朗特邊界的排液使毛細(xì)管壓力增高，

從而導(dǎo)致氣泡間聚并加快并使得泡沫主體內(nèi)部形成空洞。

最早

Leonard

和

Lemlich

建立了

“

通道主導(dǎo)泡沫排液模型

”

[33]

，這個(gè)模型假設(shè)普朗

特邊界管道的管壁是無限剛性的，所有的壓力損失均發(fā)生在普朗特邊界中，在節(jié)點(diǎn)處

的壓力損失可以忽略不計(jì)。根據(jù)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

)

為

Plateau

邊界層的橫截面積；

ρ

L

(kg/m

3

)

為液體的密度；

μ

(Pa·s)

為液體的

粘度；

g (m/s

2

)

為重力加速度。

后來研究者認(rèn)為普朗特邊界無限剛性的假設(shè)是不合理，

Koehler

等人

[34]

提出了

“

節(jié)

點(diǎn)主導(dǎo)泡沫排液模型

”

，放松了對管壁無限剛性的假定，并強(qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)對壓力損失的貢

獻(xiàn)。實(shí)際上，在普朗特邊界層和節(jié)點(diǎn)處均存在壓力損失，

Stevenson

[35]

在此基礎(chǔ)上分析

影響泡沫排液速率的因素，利用無因次量綱分析方法將這些因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得出了表

觀排液速率

j

d

(m/s)

的表達(dá)式：

其中

r

b

(mm)

為氣泡的半徑；

ε

(%)

為泡沫的持液量；

m

、

n

為表征泡沫流動(dòng)特性的無量

綱系數(shù)。由此可知，改變物系性質(zhì)參數(shù)

[36,37]

如液體粘度、操作條件

[38,39]

如氣速以及設(shè)

備參數(shù)

[40,41]

如分布器孔徑可以影響泡沫排液。