Пенофракционирование - Foam fractionation

Пенофракционирование это химический процесс в котором гидрофобный молекулы находятся предпочтительно разделенные из жидкий раствор используя восходящие колонны мыло. Он обычно используется, хотя и в небольших масштабах, для удаления органических отходов из аквариумы; эти единицы известны как "протеиновые скиммеры ". Однако он имеет гораздо более широкое применение в химической обрабатывающей промышленности и может использоваться для удаление поверхностно-активных загрязнений от потоков сточных вод в дополнение к обогащению биопродуктами.

История

Пока протеиновые скиммеры были обычным явлением в аквариумах в течение многих лет, и только в 1960-х годах Роберт Лемлих из лаборатории Университет Цинциннати[1][2] для характеристики модели процессов адсорбционного разделения пузырьков, одним из примеров которых является фракционирование пены. До середины 2000-х годов было очень мало дальнейшего развития фракционирования пены или попыток понять физику, лежащую в основе этого процесса. Многие исследователи были удовлетворены эмпирическим описанием конкретных систем, а не попыткой механистической модели процесса, и, возможно, по этой причине внедрение технологии было медленным, несмотря на ее огромный потенциал.

Фракционирование пены тесно связано с родственным процессом пенная флотация в котором гидрофобные частицы прикрепляются к поверхности пузырьков, которые поднимаются с образованием пневматической (т. е. поднимающейся) пены. Таким образом, относительно гидрофобные частицы могут быть отделены от относительно гидрофильных частиц. Пенная флотация обычно используется для отделения частиц угля от золы или частиц ценных минералов от порода материал. Это были исследования пенной фазы пенной флотации, проведенные на заводе Университет Ньюкасла, Австралия, в частности, в прогнозировании жидкой фракции и жидкого потока в пневматической пене, что позволило получить предварительное механистическое описание фракционирования пены.[3] Взаимодействие между фракционированием пены и пенной флотацией было исследовано в специальном выпуске 2009 г. Азиатско-Тихоокеанский журнал химической инженерии.

Соображения по дизайну

Роберт Лемлих показал, как колонны для фракционирования пены могут работать в режимах отгонки, обогащения или в комбинированном режиме (в зависимости от того, направляется ли сырье в верхнюю, нижнюю или среднюю часть колонны), и могут работать с внешним источником питания или без него. рефлюкс поток в верхней части столбца. Это помогает думать о процессе, как о газожидкостной абсорбционной колонне. Отличия заключаются в следующем:

  1. Целевые молекулы адсорбируются на поверхности, а не поглощаются, перемещаясь в объем одной фазы из другой, и
  2. Пена самовольно обеспечивает набивку в колонне.

Как и в случае газожидкостной абсорбции, использование флегмы в верхней части колонны может вызвать несколько ступеней равновесия внутри колонны. Однако, если можно контролировать скорость, с которой размер пузырьков изменяется с высотой в столбце, либо путем слияния, либо Оствальдское созревание, можно создать внутренний источник рефлюкса в колонне.

Как и во многих химических процессах, существуют конкурирующие соображения извлечения (то есть процентного содержания целевого поверхностно-активного вещества, которое сообщается с потоком пенообразователя из верхнего погона) и обогащения (т.е. отношения концентрации поверхностно-активного вещества в пенообразователе к концентрации в сырье). Грубый метод перехода к спектру обогащения-извлечения состоит в том, чтобы контролировать расход газа в колонну. Более высокая скорость газа будет означать более высокий выход, но меньшее обогащение.

Фракционирование пены происходит по двум механизмам:

  1. Целевая молекула адсорбируется на поверхности пузырька, и
  2. Пузырьки образуют пену, которая поднимается по колонне и выводится в поток пенообразователя при фракционировании пены.

Скорость, с которой определенные неионные молекулы могут адсорбироваться на поверхность пузырька, можно оценить, решив уравнение Уорда-Торда.[4] Обогащение и извлечение зависят от гидродинамического состояния поднимающейся пены, которая представляет собой сложную систему, зависящую от распределения пузырьков по размерам, напряженного состояния на границе раздела газ-жидкость, скорости слияния пузырьков, скорости газа. среди прочего. Гидродинамические условия описываются гидродинамической теорией поднимающейся пены.[5]

Приложения

  1. Обогащение растворов биомолекул в фармацевтических и пищевых технологиях.
  2. Удаление поверхностно-активных загрязнений из потоков сточных вод.
  3. Удаление неповерхностно-активных загрязняющих веществ из потоков сточных вод (таких как ионы металлов) с помощью одного или нескольких вспомогательных поверхностно-активных веществ.
  4. Удаление пенообразователя после операций пенной флотации (известное как удаление пенообразователя).

Примечания

  1. ^ Lemlich R, Lavi E 1961 Фракционирование пены с обратным холодильником, Наука 134, стр.191
  2. ^ Lemlich R 1968 Адсорбционные методы разделения пузырьков: фракционирование пены и родственные методы, Промышленная и инженерная химия 60 стр.16
  3. ^ Стивенсон П., Джеймсон Г.Дж. 2007 Моделирование непрерывного фракционирования пены с обратным холодильником, Химическая инженерия и обработка 39, стр.590
  4. ^ Ward AFH & Tordai L 1946 Зависимость граничного натяжения решений от времени I. Роль диффузии во временных эффектах. Журнал химической физики 14, с.453
  5. ^ Стивенсон П. 2007 Гидродинамическая теория поднимающейся пены, Минерал Инжиниринг 20, стр.282