泡沫浮选分离技术

泡沫浮选分离技术

一、摘要 泡沫浮选分离法是在一定的条件下，向试液鼓入空气或氮气使之产生气泡，将溶液中存在的欲分离富集的微量组分(离子、分子、胶体或固体颗粒）吸着或吸附在其上面并随着气泡浮到液面，从而与母液分离，收集后即达到分离和富集的目的。泡沫浮选分离法是在矿物分离中一种常用的方法，在分析化学的分离富集物质中取得显著的成绩。随着分析技术的提高，及跟其它测试手段的使用。泡沫浮选技术必将在稀溶液的分离，有价物质的回收方面有更加广泛的使用。

二、基本概念

泡沫分离技术是近十几年发展起来的新型分离技术之一，在化工、生化、医药、污水处理等领域得到了广泛的应用。泡沫分离是根据吸附的原理，向含表面活性物质的液体中鼓泡，使液体内的表面活性物质聚集在气液界面（气泡的表面）上，在液体主体上方形成泡沫层，将泡沫层和液相主体分开，就可以达到浓缩表面活性物质（在泡沫层）和净化液相主体的目的。目前一般只能分离溶液中ppm量级的物质。高纯金属中微杂质的分离亦有采用此法的。被浓缩的物质可以是表面活性物质，也可以是能与表面活性物质相络合的物质，但它们必须具备和某一类型的表面活性物质能够络合或鳌合的能力。人们通常把凡是利用气体在溶液中鼓泡，以达到分离目的的这类方法总称为泡沫吸附分离技术，简称泡沫分离技术。按分离对象是溶液还是含有固体例子的悬浮液、胶体溶液，泡沫分离可以分成泡沫分馏和泡沫浮选两种分离方法。泡沫浮选分离就是利用某种物质(如离子、分子、胶体、固体颗粒、悬浮微粒)，表面活性的不同，可被吸附或粘附在从溶液中升起的泡沫表面上，从而与母液分离的技术。泡沫浮选分离技术用于分离不溶解的物质，它的优点是使用的分离装置简单并易于放大，可连续和间歇操作并能实现自动化和连续化操作。

三.原理

表面活性剂在水溶液中有富集（吸附）在气/液界、泡沫浮选的简单原面（溶液中气饱表面）的倾向，它在气泡表面是定向排列的，分子内带电的极性端 朝

向气-液界面的水的一边，这时表面活性剂将与一种或一类的离子由于物理的 (如静电引力)或化学的(如络合作用)原因相互作用而联结在一起，被气泡带至液 面，从而达到分离的目的。因此， 如果离子和表面活性剂之间形成络合物被浮选，这种分离方法跟离子交换分离有相似之处，区别在于离子交换法吸附是在静止的固一液界面上进行的，而离子浮选则是在可动的液-气界面上进行的。其实有关这方面涉及的理论要复杂得多，近几年来，一些文献从不同的角度对浮选分离进行了有关理论的研究。如 Wilson 等对胶体吸附浮选用电学和电化学的理论进行了一系列较系统的阐述， Ahmad 研究了泡沫形成的规律等等。 这对于有关这方面的理论研究仅是初步的, 还有待进一步深入。

泡沫分离必须具备两个基本条件。首先，目标溶质是表面活性物质，或者是可以和某些活性物质相络合的物质，它们都可以吸附在气-液界面上；其次，富集质在分离过程中借助气泡与液相主体分离，并在塔顶富集。因此，它的传质过程在鼓泡区中是在液相主体和气泡 表面之间进行，在泡沫区中是在气泡表面和间隙液之间进行。所以，表面化学和泡沫本身的结构和特征是泡沫分离的基础。 泡沫分离方法有一系列优点。它适合于对低浓度的产品进行分离。如低浓度的酶溶液， 用常规的方法进行沉淀是行不通的，如果使用泡沫法对产品先进行浓缩， 就可以用沉淀法进行提取。它是根据分离物的表面活性而对产品进行分 离的，因此可以高选择性地浓缩某种成分。由于此过程不使用无机盐或有机溶剂，仅仅是有 一些动力消耗，它的运行成本一般要比其它方法低。

表面活性剂具有亲水的极性基团和憎水的非极性基团，可以在溶液中有选择性的吸附在气-液相界面上，从而使表面活性物质在表面相中的浓度高于主体相使溶液的表面张力急剧下降。如果溶液中只有一种表面活性剂并且在一定温度下达到吸附平衡，此时气-液界面处表面活性剂的吸附作用可以用 Gibbs 吸附等温方程来描述：

Г—泡沫表面吸附溶质的浓度；c—平衡时原料液的浓度； σ—为溶液的表面张力；R—气体常数；T—绝对温度。

四.特点

泡沫浮选分离特别适用于大量的极稀溶液的分离富集。常规泡沫浮选：适于选别0.5mm 至 5μm 的矿粒，具体的粒限视矿种而定。由于分离效率高、设备简单、能耗低而引起越来越多的关注。对于共沉淀分离中不易过滤或离心分离的胶状、絮状沉淀可改用适当的浮选分离解决。它的突出特点是：样品处理量大，可达到 0.5-2L，而且富集倍数大，一般为 100-10000。此外这种方法回收率高达 90%以上，易于与其他方法联用而且在低浓度下分离特别有效，因此成为了现阶段矿物质浮选的首选技术之一。

五.分离过程及设备 泡沫浮选分离法是在一定的条件下，向试液鼓入空气或氮气使之产生气泡，将溶液中存在的欲分离富集的微量组分(离子、分子、胶体或固体颗粒）吸着或吸附在其上面并随着气泡浮到液面，从而与母液分离，收集后即达到分离和富集的目的。它是一种能处理大量试样的快速浓缩分离的方法。如图 1 所示，从装置底部通入大量空气，将样品液和气泡一并送入装置，溶质吸附在气泡上并随之上升，在装置顶形成浮渣或泡沫层。气泡不断产生并且上升，最后被迫进入泡沫收集器，待泡沫收集器装满后,，剩余的泡沫由排管流出，而经处理的基液或干净溶液由出水管排出，最后将分离后的料液进行回收。

常用的浮选剂分三大类：捕收剂，起泡剂和调整剂。 捕收剂的作用：加一种药剂能改变矿物颗粒的亲水性而产生疏水性使之可浮，这种药剂通常称之为捕收剂。捕收剂通常是极性捕收剂和非极性捕收剂。极

性捕收剂由能与矿物颗粒表面发生作用的极性基团和起疏水作用的非极性基团两部分组成。当这类捕收剂吸附于矿粒表面时，其分子或离子呈定向排列，极性基团朝向矿物颗粒表面，非极性基团朝外形成疏水膜，从而使矿位具有可浮性。浮选时常用有机硫代化合物作捕收剂，例如黄原酸盐等。

起泡剂的作用：有亲水基团和疏水基团的表面活性分子，定向吸附于水一空气界面，降低水溶液的表面张力，使充入水中的空气易于弥散成气泡和稳定气泡。起泡剂和捕收剂联合在一起吸附于矿物颗粒表面，使矿粒上浮。常用的起泡剂有：松树油，俗称二号油、酚酸混合脂肪醇，异构己醇或辛醉、醚醉类以及各种酯类等。

调整剂可分为五类：(1) pH 值调整剂。用它来调节矿浆的酸碱度，用以控制矿物表面特性、矿浆化学组成以及其他各种药剂的作用条件，从而改善浮选效果。常用的有石灰、碳酸钠、氢氧化钠和硫酸等。(2)活化剂。能增强矿物同捕收剂的作用能力，使难浮矿物受到活化而浮起。(3)抑制剂。提高矿物的亲水性和阻止矿物同捕收剂作用，使其可浮性受到抑制。(4)絮凝剂。使矿物细颗粒聚集成大颗粒，以加快其在水中的沉降速度，利用选择性絮凝进行絮凝一脱泥及絮凝一浮选。常用的絮凝剂有聚丙烯酰胺和淀粉等。(5)分散剂。阻止细矿粒聚集，处于单体状态，其作用与絮凝剂恰恰相反，用的有水玻璃、磷酸盐等。

浮选剂的种类和用量随矿石性质和浮选条件及流程特点而各异，在生产实践过程中也根据各种条件的变化而加以改变。

泡沫浮选过程中用到的主要设备有泡沫分离器和浮选机。泡沫分离器的基本装置可由一个简单的气泡圆柱体表示如图 2 所示，输入的废水被抽入塔中, 气体经由扩散器注入形成许多小气泡。

泡沫浮选分离法实验用的泡沫分离器材主要有玻璃和有机玻璃，形式多为柱状分离塔。气体分布形式有压力溶气方式和气体分散式。气体分散式分离塔底部装有气体分布器；塔顶有泡沫排出口；连续式分离器还有进料口，塔底排液口，分离塔的直径一般为3—8cm，塔高80—120cm，一般高径比大于10，以减少轴向返混并提供足够的气液接触时间，离子浮选、矿物浮选用的是选矿机。

所有的泡沫浮选装置均包括几个基本的部分：（1）气体发生源，它通常是一个小的空气压缩机或气体钢瓶，在这项分离技术中常用的是空气，然而有的工

作也使用N2、Hc或Ar气源。（2）控制气体压力和流量的调节系统。（3）气体净化装置，为了避免在体系中发生一些不必要的变化，通常要用水或是其他合适的溶液预先洗涤气体，在一些情况下为了避免不希望在塔中发生的反应，要把体系中的CO2出去。（4）气体流量计，为测量通过塔的气体流量，常采用皂泡流量计。（5）分离柱，常用玻璃柱，但也有塑料柱，尺寸和形状可根据实验需要，但在塔的底部通常有一个具有合适孔数的烧结玻璃板，通过这个多孔板，产生了形成泡沫的小的上升的气泡。 浮选设备主要是浮选机以及为实现浮选工艺的其他设备，矿浆经过搅拌充气，在各种浮选剂的作用下矿粒与气泡粘附，气泡上升、形成矿化泡沫层，被刮板刮出或溢出，这一系列浮选过程均是在浮选机中完成的。按搅拌和充气方式不同，浮选机可分为 5种： (1)机械搅拌式。搅拌器在浮选槽内高速旋转，驱使矿浆流动，在叶轮腔内产生负压而吸入空气。(2)充气机械搅拌式。除机械搅拌外，再补充向浮选糟内充入低压空气。(3)充气式。靠压入空气进行搅拌并产生气泡，如浮选柱和泡沫分离装置等。(4)气体析出式。用降低压力法或先加压后降至常压的万法，使矿浆中溶解的空气析出，形成微泡。（5）压力溶气式。利用高压将充入的空气预溶于水，然后再常压下在浮选槽内析出，形成大量微泡。

六.影响因素

影响泡沫浮选分离的效果及特性的因素很多，包括气体的流速，泡沫层的高度，温度，进料浓度，溶液 PH、溶液的离子强度等。

1、气流速度的影响。一般而言，增加气流速度，泡沫的吸附率表面积增加，可以缩短分离时间，降低分离后溶液的浓度，提高回收率。但同时也会增加泡沫中液体的含量, 降低富集比，以应根据不同需要调节气流速度。气体流速决定于表面活性剂在溶液中的浓度和泡沫的表面张力，适当的气体流速，可以使泡沫层的高度维持一定，有利于分离效果的提高。

2、沫层高度的影响。随泡沫层高度的增加，沫停留时间延长，增加了泡沫破碎排水, 因此收集到的泡沫数量减少，泡沫含水量降低，泡沫就越干燥，所以富集比增大，但表面活性物质的回收率降低。

3、温度的影响。升高液体温度，泡沫产生的数量将会增加，泡沫含水率降低，富集比增大。因为温度升高导致表面活性剂的粘度降低，减小了扩散阻力，使吸附阻力降低，因此可以提高分离效率。

4、进料浓度的影响。在进料浓度很低时，提高溶液浓度，富集比增大，但浓度升至一定程度时， 再增加溶液浓度，残留溶液浓度也增大，富集比就会降低，但回收率增加。这是因为低浓度时，料液在气-液界面的吸附量与浓度呈线性关系，并随浓度的增大而增大。当浓度较高时，表面吸附趋于饱和，表面吸附量随浓度增加缓慢，形成的泡沫比较稳定，表面浓度的增加量不及进料浓度的增加量，因此富集比下降。

5、溶液 pH 值的影响。溶液酸度主要影响表面活性剂与欲分离富集成分在溶液中的存在状态及所带电荷的情况，当表面活性剂处于等电点时，分子间的斥力减小，溶解降低，有利于气-液界面的吸附。同时，表面活性物质在等电点的表面活性增强，在溶液中表现出较好的发泡能力，有助于料液的富集分离。

6、溶液离子强度的影响。增大离子强度，可以改善料液在气-液界面处的吸附，提高排液，增加泡沫的稳定性，加大泡沫产量；可以强化分离过程，提高回收率。同时增强离子浓度，会增加泡沫含水量，降低富集比。

7、乙醇。在分离体系中可加入少量的乙醇，这样可避免生成胶束，也可缩小气泡的体积，这样可以提高分离效果。

8、诱导时间。诱导时间过长，易形成大的粒子，建议不要诱导时间或短一些。在开始就收集或浮选过程中逐步收集。

9、烧结玻璃板的孔隙率及气泡大小。它们和气体流速密切相关。通常情况下，产生小而均匀的气泡较好，因为气液界面增加。

10、柱形及体积。柱的形状、体积及结构排布影响分离物的重现性，从而影响分离效率。

七．应用

1、对固体离子的分离。

由于分离对象是带有固体粒子的悬浮液、胶体液，所以通过选择合适的捕获剂使矿物获得疏水性，再加入适量起泡剂，采用空气鼓泡，利用矿石粒子和脉石粒子性质上的差异，使脉石下沉，矿石随气泡浮出而得已分离。其最终产物是固体粒子。近期,N.SHEHU，TianXueda和A.XEHIA对矿石浮选分离做了一定的研究工作，这种方法在工业中应用较广，是比较成熟的分离技术。

2、对溶液中离子、分子的分离。

分离对象是真溶液，是一种通过鼓泡将具有表面活性的物质，或不具有表面活性但具有能与表面活性物质相结合的物质带出，从而实现分离的方法。不具有表面活性的物质可以以离子对或分子的形式被泡沫带出。泡沫浮选分离法不仅对具有表面活性的物质有效，对非表面活性的物质也可能。只要复合物是疏水的。因为泡沫存在双电层结构(其结构类似胶体)，复合物就会被静电力吸附在泡沫上。待分离溶液与表面活性剂亲水基团的亲和受到溶剂水的水化作用及各种离子干扰竞争作用的影响，只有能与表面活性剂有较强亲合力的溶质才能被较好地分离。另外在引用文献中报导了对聚乙烯醇、聚丙烯二元醇等非离子型表面活性剂的一些工作。

3、 对蛋白质、细胞等生物产品的分离。

这项工作最早开展于1937年。Ostwald和Sierh从马铃薯和甜菜汁中分离蛋白，随后的几十年人们开展了许多工作。对生物物质的分离与矿石、离子、分子有很大的差别，生物物质(如细胞等)受培养基成份及外界条件影响很大，同种细胞在不同培养条件下，浮选条件和效率也不一样。浮选效率受静电力的影响很大。

而这种力又受细胞和气泡的ζ电位控制，当颗粒和气泡的ζ电位最小时，浮选有最高效率。

矿物浮选在泡沫浮选中是最成熟的技术。矿物颗粒自身表面具有疏水性或经浮选药剂作用产生或增强疏水性。疏水就是亲油和亲气体，可在液、气或水—油的界面发生聚集。矿物浮选是利用矿石粒子与表面活性物质相互作用，经过一系列工艺处理后，密度大的矿物颗粒能与气泡和浮选剂亲合而被浮于浮选机的矿液表面，用泡沫使矿石粒子上升，脉石粒子下沉，从而达到得以分离富集矿石的目的，是用于矿石粒子与脉石粒子的一种分离过程。

在浮选前，首先将矿石粉碎至一定大小，以利于随气泡漂浮，加水制成矿浆，再加人浮选剂，搅拌或通人空气，形成泡沫进行浮选。大多数天然矿物的表面是亲水的，易为水所润湿。因而，必须加人表面活性剂作为捕集剂和起泡剂。有时还加人表面活性剂作为调节剂，对捕集剂起促进或抑制作用，以达到对混合矿物作选择性浮选的目的。表面活性剂可以选择性地改变矿物的疏水性，从而使浮选几乎可用于所有的矿石，同时它又有利于矿浆形成泡沫。泡沫浮选至今仍是大多数矿物的分选的一种最有效的技术。

1、在非极性非金属矿物浮选中的应用 该类矿石主要有石墨、滑石、高岭土和煤等，具有非极性表面，自然疏水性强，密度小，硬度低，可浮性好，选用非极性油类作为捕收剂。

以石墨浮选为例，石墨浮选时选用煤油或柴油作为捕收剂，松油作为起泡剂，采用多段磨选流程。如图 3，为两段精矿再磨再选流程。

2、在多金属硫化矿浮选中的应用

金属硫化矿主要是铜、铅、锌等和硫的共生矿，以铜-铅-锌-硫矿为例，采用混合浮选流程，先将几种有用矿物一起浮出得到精矿后再对混合精矿进行分离。如图 4 所示，为铜-铅-锌-硫矿混合浮选流程图。

3、在有色金属氧化矿浮选中的应用

有色金属氧化矿的主要矿物油氧化铜、氧化锌以及氧化铅，该类型的矿物组成复杂，细 磨时易泥化。以氧化铅矿物为例，采用硫化浮选法，选用硫化钠为硫化剂，经硫化后用黄药作为捕收剂，硫化前经脱水处理脱出粘土、氢氧化铁等物质。

4、在氧化物及硅酸盐矿物浮选中的应用

这类矿物含铁高，具有很强的亲水性，不能被硫化。以弱磁性铁的氧化物和氢氧化物矿石为例，工业浮选方案有：阴离子捕收剂正浮选方案，即在苏打介质中以脂肪酸及皂类为捕收剂浮选铁矿物；选择性絮凝-脱泥-阳离子反浮选方案，即以苛性钠为调整剂，在强碱介质中以水玻璃为分散剂，以淀粉为选择性絮凝剂，用阳离子捕收剂浮选石英。

5、在可溶性盐的浮选中的应用

可溶性盐主要有 KCL、NaCl 和硼酸盐等。这类矿物在水中溶解度很大，

浮选必须在其饱和的水溶液中进行。以钾盐为例，浮选时以胺盐为捕收剂，粘土可用脱泥除去。

七．总结

由于浮选领域不断扩大，需浮选处理的矿石中的有用成分含量越来越低。 泡沫浮选分离技术是一种新型的分离技术。在化工，生化、医药、污水处理等领域，它的应用和发展前景都十分广阔。因此，对泡沫浮选分离技术分离效率的影响因素及其影响程度的研究就显得十分重要。为提高泡沫分离的效率，改善泡沫分离设备的性能，今后应该继续发展新的浮选工艺和大型高效的浮选设备，研究作用力强，选择性好，用量少，无毒或毒性小的浮选药剂；研究浮选数学模型以及过程的自动控制，使过程最佳化，达到最好的分选效果，以提高经济效益。为提高泡沫分离的效率，改善泡沫分离设备的性能，有关各种表面活性剂在气-液 界面处发生分离的吸附机理以及吸附特性还有待于继续研究，尤其是吸附动力学、 以及表面活性物质混合物的竞争吸附。

参考文献：

1. 常志东，泡沫分离法的应用发展[J].化工进展，1999

2. 汪德进，沈文豪，沈建平，泡沫分离法处理含 Cr(Ⅲ)废水的实验[J].山东化工，2003

3. 齐荣，余兆祥，李佟茗等，泡沫分离技术及其发展现状[J].辽宁化工，2004

4. 朱锡海，泡沫分离技术[J].分析化学，1978

5. 戴强，强化微细粒矿物浮选的措施分析[J] .国外金属矿选矿

6. 刘艳玲，李奴英，泡沫浮选分离法的应用进展

7. 朱锡海，泡沫分离技术，中山大学化学学报