殷 昊，趙艷麗，李雪良，吳兆亮

(河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130)

泡沫分離設(shè)備及工藝的研究進(jìn)展

殷 昊，趙艷麗，李雪良，吳兆亮

(河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津300130)

泡沫分離技術(shù)是近些年得到重視的分離技術(shù)之一。泡沫分離設(shè)備依據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作方式的不同分為簡(jiǎn)單泡沫塔和復(fù)雜泡沫塔。簡(jiǎn)單泡沫塔的操作方式包括批式操作、半批式操作、連續(xù)操作和半連續(xù)操作;復(fù)雜泡沫塔包括多級(jí)泡沫分離塔和帶有內(nèi)部構(gòu)件的泡沫塔。文章分別綜述了各自的作用機(jī)理和影響因素的研究進(jìn)展，提出了可能存在和需要解決的問(wèn)題。

泡沫分離塔，表面活性劑，吸附

Abstract:Foam fractionation technique is one of the important fractionation technologies which has interested more researchers in recent years.Foam fractionation devices are categorized as simple and complex foaming towers according to their different structures.The operation methods of simple foaming towers are categorized as batch operation，semi－ batch operation，continuous operation and semi－ continuous operation.The complex foaming towers are categorized as multistage foaming towers and foam fractionation devices with the inner components.The operation mechanism and influence factors of each type were reviewed.The existing and possible problems were also presented.

Key words:foam fractionation column;surfactants;adsorption

泡沫分離是吸附性氣泡分離技術(shù)中的一種［1－2］。由于氣泡能夠以極少量的液體提供極大的表面積，因此如果某種溶質(zhì)能夠選擇性地吸附在氣液界面，該溶質(zhì)在泡沫中的濃度將大于其在主體液相中的濃度。這種技術(shù)最初用于礦物浮選、污水處理等領(lǐng)域。近年來(lái)，基于其在生物醫(yī)藥和食品工業(yè)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，泡沫分離技術(shù)在生物分離［3－5］特別是分離稀溶液中蛋白質(zhì)［6－11］的過(guò)程中受到了越來(lái)越多的關(guān)注，因此泡沫分離技術(shù)是近些年得到重視的分離技術(shù)之一［12－14］。泡沫分離所使用的設(shè)備通常稱為泡沫塔(Foam Column)。關(guān)于泡沫分離技術(shù)應(yīng)用的綜述性文章很多，但是專門(mén)介紹各種泡沫分離設(shè)備的文章并不多見(jiàn)。文章根據(jù)泡沫塔中泡沫相和液相的運(yùn)動(dòng)方式以及設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的不同，將近年來(lái)文獻(xiàn)報(bào)道中出現(xiàn)過(guò)的泡沫分離設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)，并對(duì)不同泡沫塔的特性及近年來(lái)的研究進(jìn)展分別進(jìn)行介紹，提出其中存在的、可能存在的和需要解決的一些問(wèn)題。

1 簡(jiǎn)單泡沫塔

1.1 簡(jiǎn)單泡沫塔的特征和操作方式

液池(Liquid Pool)位于泡沫層下方，泡沫層連續(xù)并且沒(méi)有回流裝置的泡沫分離設(shè)備稱為簡(jiǎn)單泡沫塔。按照操作的連續(xù)性，簡(jiǎn)單泡沫塔可以在以下幾種模式下運(yùn)行。

1.1.1 批式操作(Batch Operation) 批式操作是一次性將待處理料液注入泡沫分離設(shè)備中，隨后通入壓縮氣體鼓泡;當(dāng)泡沫層達(dá)到所需高度后，立即切斷供氣，泡沫層在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行排液(Foam Drainage);泡沫層持液率(Liquid Holdup)降低到所需水平后，再次通入壓縮氣體，新產(chǎn)生的泡沫層將排液完成的泡沫推出;如此反復(fù)，直至達(dá)到所需的收率。

批式操作允許泡沫在設(shè)備內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留，排液可以充分進(jìn)行，因此能夠得到很低的持液率和很高的富集比。但是，由于鼓泡和排液都是間歇進(jìn)行，設(shè)備的有效運(yùn)行時(shí)間縮短，降低了設(shè)備的利用率和處理能力。因此這種操作方式主要是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用來(lái)研究靜態(tài)泡沫(Standing Foam)排液規(guī)律［15－16］，在實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中并不多見(jiàn)。

1.1.2 半批式操作(Semi－batch Operation) 半批式操作常與批式操作混淆。之所以稱之為“半批式”是因?yàn)檫@種操作方式料液的加入是一次性的，而鼓泡是連續(xù)的。排液是在泡沫向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行的，排液時(shí)間由鼓泡氣速和設(shè)備尺寸決定;持續(xù)鼓泡直至達(dá)到所需的收率后排放殘液，一次操作完成。

半批式泡沫分離［17］操作簡(jiǎn)單、設(shè)備利用率高、處理量大，是工業(yè)化生產(chǎn)中常用的操作方式。但該方式中鼓泡氣速對(duì)泡沫排液有直接的影響，因此對(duì)氣速要求比較苛刻。

1.1.3 連續(xù)操作(Continuous Operation) 在鼓泡過(guò)程中通過(guò)泵設(shè)備將料液連續(xù)注入分離設(shè)備內(nèi)，同時(shí)排放殘液。連續(xù)操作根據(jù)新鮮料液注入的位置不同又可以分為并流操作(Co－current Column)和逆流操作(Counter－current Column)。前者是將新鮮料液直接加入到液池中，而后者是將新鮮料液加入到泡沫層中［17－19］。

連續(xù)操作具有和半批式操作相似的特征，也是工業(yè)化生產(chǎn)中常用的操作方式。但是當(dāng)目標(biāo)物質(zhì)在氣泡表面吸附較慢時(shí)，進(jìn)料速度不可能很大，否則塔底排放的殘液中目標(biāo)物質(zhì)含量過(guò)高，影響收率;而如果進(jìn)料速度太低，則失去了連續(xù)操作的意義。因此，連續(xù)操作多用于污水處理等領(lǐng)域，而很少用于回收發(fā)酵液中昂貴的醫(yī)藥中間體等產(chǎn)物。

1.1.4 半連續(xù)操作(Semi－continuous Operation) 半連續(xù)操作處于半批式操作和連續(xù)操作之間。新鮮的料液不斷補(bǔ)充到液池中，連續(xù)鼓泡，但是塔底沒(méi)有殘液排出。半連續(xù)操作對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)沒(méi)有顯著的意義，但是它可以彌補(bǔ)由鼓泡造成的液池液面降低，維持恒定的泡沫層高度和液池深度，減緩液池中原料液濃度的下降，在一定時(shí)間內(nèi)提供穩(wěn)定的操作條件，適合實(shí)驗(yàn)室中研究泡沫分離機(jī)理使用。

1.2 簡(jiǎn)單泡沫塔分離效果的影響因素

與其他分離方法類(lèi)似，影響簡(jiǎn)單泡沫分離效果的因素可以分為溶液體系性質(zhì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作條件三類(lèi)。其中溶液體系性質(zhì)包括溶液的pH、黏度、密度、表面活性劑濃度以及離子強(qiáng)度等;設(shè)備結(jié)構(gòu)包括液池深度、泡沫層高度、氣體分布器孔徑、開(kāi)孔率等;操作參數(shù)主要是氣速、溫度等。關(guān)于各個(gè)因素對(duì)分離效果的影響，Lockwood、Bummer和Jay等人做過(guò)詳細(xì)的闡述［8］，在此不再贅述。需要指出的是，雖然普遍認(rèn)為溶液pH位于目標(biāo)蛋白質(zhì)等電點(diǎn)處時(shí)泡沫分離效果最好［20－21］，但是在很多情況下，位于等電點(diǎn)處的蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生不可逆的失活變性，并最終影響到實(shí)際收率。乳鏈菌肽就是一個(gè)典型的例子，它的等電點(diǎn)在pH11左右，而其最穩(wěn)定的pH卻在2～3，一旦pH達(dá)到7以上，其活性很快就會(huì)消失［22］。

2 復(fù)雜泡沫塔

簡(jiǎn)單泡沫塔的分離效果受到目標(biāo)物質(zhì)在氣泡表面吸附能力和泡沫排液能力的限制，而通過(guò)改變體系性質(zhì)來(lái)改善目標(biāo)物質(zhì)的吸附能力需要考慮目標(biāo)物質(zhì)的承受能力，因此調(diào)節(jié)范圍又受到限制。此外，許多操作條件對(duì)泡沫分離富集比和回收率的影響是相反的，優(yōu)化起來(lái)相當(dāng)困難。為了解決這些問(wèn)題，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的泡沫分離設(shè)備。我們將復(fù)雜泡沫塔分為多級(jí)操作泡沫塔和具有內(nèi)部構(gòu)件的泡沫塔兩種來(lái)進(jìn)行介紹。這里需要說(shuō)明一下，帶有回流操作的簡(jiǎn)單泡沫塔相當(dāng)于是兩級(jí)泡沫分離塔，不再單獨(dú)介紹。

2.1 多級(jí)泡沫分離

多級(jí)泡沫分離的根本特征是將收集到的泡沫液再次進(jìn)行鼓泡，其原理是通過(guò)提高主體液相中的吸附質(zhì)濃度來(lái)增加其在氣泡表面的吸附密度:按照Langmuir吸附等溫線，在主體液相濃度較低的情況下，吸附質(zhì)的表面吸附密度隨其在主體液相中的濃度增加而增加。這樣每經(jīng)過(guò)一次破泡－鼓泡操作，泡沫液的濃度就得到一次提高。

多級(jí)泡沫分離設(shè)備按其結(jié)構(gòu)可以分為結(jié)構(gòu)緊密型和結(jié)構(gòu)松散型兩類(lèi)。結(jié)構(gòu)緊密型多級(jí)泡沫分離設(shè)備的分離單元之間結(jié)合緊密，通常有共用的管道等。結(jié)構(gòu)松散型多級(jí)泡沫分離是將多個(gè)簡(jiǎn)單泡沫塔串聯(lián)起來(lái)操作，泡沫濃縮液在各個(gè)單元之間流動(dòng)。

2.1.1 結(jié)構(gòu)緊密型多級(jí)泡沫塔 早在1978年，Leonard和Blacyki［23］就設(shè)計(jì)了一種多級(jí)泡沫分離設(shè)備用來(lái)提高幾種顏料的分離效果。這個(gè)設(shè)備各單元的液池水平排列，用擋板隔開(kāi)，但是相鄰兩個(gè)單元之間的主體液相可以通過(guò)管道溝通。較低分離單元產(chǎn)生的泡沫在擋板的作用下直接混合到下一級(jí)的液相中去，運(yùn)動(dòng)方向總體上為水平。該設(shè)備沒(méi)有消泡裝置，只能用于泡沫穩(wěn)定性較差的體系，如果泡沫穩(wěn)定性太高，則會(huì)出現(xiàn)泡沫溢出現(xiàn)象。但這也是這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)之一:設(shè)備的泡沫層高度理論上為零，泡沫在各個(gè)單元的停留時(shí)間極短，即便是穩(wěn)定性很差的泡沫也可以正常運(yùn)行。該設(shè)備的另一個(gè)特點(diǎn)是可以允許大氣速操作，但是由于不同的分離單元之間共用同一個(gè)氣體分布器，因此不能單獨(dú)調(diào)節(jié)各個(gè)單元的氣速。

Darton等人設(shè)計(jì)了一種類(lèi)似于精餾塔的結(jié)構(gòu)緊密型多級(jí)泡沫分離塔［24］。該設(shè)備帶有機(jī)械消泡裝置，克服了前面提到的設(shè)備只能用于泡沫穩(wěn)定性較差體系的缺點(diǎn)。各個(gè)分離單元垂直排列，每一級(jí)都有獨(dú)立的鼓泡裝置，可以分別調(diào)節(jié)氣速。各級(jí)之間沒(méi)有返混，較高一級(jí)的主體液相完全來(lái)自于較低分離單元的泡沫液，因此效率較高。其缺點(diǎn)是需要額外的動(dòng)力輸入，并且機(jī)械消泡設(shè)備的效果在不同的體系下差別很大。同樣，對(duì)這種設(shè)備來(lái)說(shuō)，理論泡沫層高度為零，泡沫層排液作用沒(méi)有得到充分利用。

2.1.2 結(jié)構(gòu)松散型多級(jí)泡沫塔 上一級(jí)殘液作為下一級(jí)操作的料液。由于這種操作實(shí)際上是多個(gè)連續(xù)操作簡(jiǎn)單泡沫塔的串聯(lián)，每個(gè)單元都可以用作簡(jiǎn)單泡沫塔，并可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，靈活性很高。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)松散、體積大、能耗高。

還有一種和上述設(shè)備外觀類(lèi)似，但本質(zhì)完全不同的結(jié)構(gòu)松散型多級(jí)泡沫塔。在這種設(shè)備中，各個(gè)分離單元之間流動(dòng)的不是泡沫濃縮液，而是主體液相。較高單元的主體液相來(lái)自于上一級(jí)分離后的殘留液，隨著分離級(jí)別的升高，泡沫濃縮液中吸附質(zhì)的濃度非但不升高，反而降低。顯然這種設(shè)備有利于回收率的提高，而不利于提高富集比。Morgan和Wiesmann利用具有4個(gè)分離單元的該設(shè)備處理含有非離子表面活性劑的洗滌廢水，獲得了很高的去除率［24］。如果用來(lái)回收發(fā)酵液中的昂貴產(chǎn)物，也有望得到較高的收率。

2.2 帶有內(nèi)部構(gòu)件的泡沫塔

對(duì)于某些特定的體系，多級(jí)泡沫分離在一定程度上可以提高富集比和回收率。但是從Langmuir吸附等溫線可知，當(dāng)吸附接近飽和之后，吸附質(zhì)在氣液界面的吸附密度將不再隨主體液相濃度提高而升高，而且主體液相中表面活性劑濃度升高會(huì)帶來(lái)溶液流變特性的變化(如黏度增大)，使泡沫層的排液速率減慢，富集比降低［25］。對(duì)于蛋白質(zhì)體系來(lái)說(shuō)，多級(jí)泡沫分離涉及到多次的破泡和鼓泡，由于失活變性造成目標(biāo)物質(zhì)收率降低的可能性也增大［26－27］。鑒于這些問(wèn)題，一些研究者開(kāi)始研究通過(guò)在簡(jiǎn)單泡沫塔內(nèi)添加構(gòu)件來(lái)改善其性能。根據(jù)安裝位置和作用方式的不同，泡沫塔內(nèi)部構(gòu)件可以分為液層構(gòu)件和泡沫層構(gòu)件。前者可以改變泡沫塔液池連續(xù)的液相以及作為分散相的氣泡的流動(dòng)狀態(tài)，后者主要是通過(guò)改變泡沫層的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)泡沫排液，降低出口持液率。與多級(jí)泡沫分離通過(guò)提高氣泡表面吸附密度不同的是，泡沫塔內(nèi)部構(gòu)件主要是通過(guò)增強(qiáng)泡沫層排液，降低出口持液率來(lái)提高富集比的。

2.2.1 液層內(nèi)部構(gòu)件 Bando，Kuze，Sugimoto等人將一個(gè)套筒插入到簡(jiǎn)單泡沫塔的液池中，構(gòu)造了一個(gè)類(lèi)似于氣升式反應(yīng)器的設(shè)備來(lái)除去廢水中的金屬離子［28］。在這種設(shè)備的套筒和塔壁之間的空隙可以形成環(huán)流，使小氣泡不能離開(kāi)液面到達(dá)泡沫層。這樣，構(gòu)成泡沫層的氣泡都是持液能力較低的大氣泡。這個(gè)設(shè)計(jì)考慮到了氣泡大小對(duì)泡沫持液率的影響，卻存在很多問(wèn)題。首先，導(dǎo)筒內(nèi)向上的液流會(huì)縮短氣泡與主體液相的接觸時(shí)間，不利于表面吸附的進(jìn)行。其次，沒(méi)有必要使用間接的方式來(lái)控制小氣泡，通過(guò)增大氣體分布器的孔徑可以直接產(chǎn)生大氣泡。

2.2.2 泡沫層內(nèi)部構(gòu)件 與液層構(gòu)件相比，泡沫層內(nèi)構(gòu)件能夠直接作用于泡沫本身。Krugluakov和Khaskova［29］在泡沫層中使用了一個(gè)覆蓋有60m金屬絲網(wǎng)的筒式過(guò)濾器，通過(guò)抽真空在絲網(wǎng)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生負(fù)壓，將泡沫中含有的間隙液吸出，進(jìn)而降低泡沫的持液率。這種設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作都較復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)室中作為研究使用具有一定的意義，但是沒(méi)有太多的實(shí)用價(jià)值。并且，作者并未說(shuō)明該構(gòu)件運(yùn)行時(shí)，鄰近絲網(wǎng)表面的氣泡液膜會(huì)不會(huì)被破壞。

Tsubomizu、Horikoshi、Yamagiwa 等人［30］在帶回流泡沫分離塔的泡沫層內(nèi)插入了四個(gè)篩板，稱氣泡經(jīng)過(guò)篩板的小孔時(shí)其夾帶的一部分間隙液會(huì)被刮蹭下來(lái)，使得通過(guò)篩板后的泡沫持液率降低，最終富集比提高。理論上講，通過(guò)較高一層篩板向上的泡沫流量應(yīng)該小于通過(guò)其下方篩板的泡沫流量。對(duì)進(jìn)出這兩層篩板之間空間的液體進(jìn)行物料衡算可知，這個(gè)空間內(nèi)必然有液體積累。但是這篇文章的作者稱，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后篩板之上沒(méi)有液體積累。這個(gè)問(wèn)題還有待于進(jìn)一步研究。此外，小孔的刮蹭作用是否對(duì)泡沫的持液率有影響并未得到理論上的證實(shí)。

除了上述具有內(nèi)部構(gòu)件的泡沫分離設(shè)備外，文獻(xiàn)中還可以見(jiàn)到少量其他結(jié)構(gòu)的泡沫分離設(shè)備，如Ito和Bethesda發(fā)明的對(duì)流螺旋泡沫分離塔［31］，因其不具有普遍性意義，在此不再詳細(xì)介紹。

3 結(jié)語(yǔ)

與簡(jiǎn)單泡沫塔相比，復(fù)雜泡沫塔在一定程度上突破了簡(jiǎn)單泡沫塔的局限性，是泡沫分離技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。其中多級(jí)泡沫分離因作用原理與簡(jiǎn)單泡沫塔相近，研究和應(yīng)用均較帶有內(nèi)部構(gòu)件的泡沫分離設(shè)備廣泛。相比之下，由于內(nèi)部構(gòu)件作用機(jī)理復(fù)雜，某些現(xiàn)象無(wú)法做出合理的解釋，效果也難以保證。這些問(wèn)題的解決，有待相關(guān)流體力學(xué)理論的進(jìn)一步發(fā)展。

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Advance in research and development of foam fractionation devices and technologies

YIN Hao，ZHAO Yan－li，LI Xue－liang，WU Zhao－liang
(School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)

TS201.1

A

1002－0306(2010)08－0360－04

2009－11－20

殷昊(1979－)，女，碩士在讀，講師，研究方向:生物化工。

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿科技研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(08JCZDJC25200)。