泡沫分離技術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)的差別對其進行分離純化的技術。因為其具有低能耗、無污染、設備簡單等優(yōu)點，近些年來作為新型的分離技術得到迅速發(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，泡沫分離的兩個重要的過程是：表面吸附和泡沫排液，并且已有大量文獻對其機理以及過程強化進行研究。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，所以為了促進泡沫分離的應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，當達到吸附平衡時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)實驗數(shù)據(jù)利用動力學的觀點提出了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，因為蛋白質(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，從而實現(xiàn)消泡。

泡沫排液是一個復雜的流體力學過程，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參數(shù)，例如三個氣泡交匯處的普朗特邊界層的

形狀和大?。晃降谋砻婊钚苑肿拥姆N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管壓力增高，

從而導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

“

通道主導泡沫排液模型

”

[33]

，這個模型假設普朗

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)點處

的壓力損失可以忽略不計。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。

后來研究者認為普朗特邊界無限剛性的假設是不合理，

Koehler

等人

[34]

提出了

“

節(jié)

點主導泡沫排液模型

”

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

獻。實際上，在普朗特邊界層和節(jié)點處均存在壓力損失，

Stevenson

[35]

在此基礎上分析

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行關聯(lián)，得出了表

觀排液速率

j

d

(m/s)

的表達式：

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

備參數(shù)

[40,41]

如分布器孔徑可以影響泡沫排液。