泡沫分離設備及工藝的研究進展

殷 昊，趙艷麗，李雪良，吳兆亮

(河北工業(yè)大學化工學院，天津300130)

泡沫分離設備及工藝的研究進展

殷 昊，趙艷麗，李雪良，吳兆亮

(河北工業(yè)大學化工學院，天津300130)

泡沫分離技術是近些年得到重視的分離技術之一。泡沫分離設備依據(jù)設備結構和操作方式的不同分為簡單泡沫塔和復雜泡沫塔。簡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;復雜泡沫塔包括多級泡沫分離塔和帶有內部構件的泡沫塔。文章分別綜述了各自的作用機理和影響因素的研究進展，提出了可能存在和需要解決的問題。

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，因此如果某種溶質能夠選擇性地吸附在氣液界面，該溶質在泡沫中的濃度將大于其在主體液相中的濃度。這種技術最初用于礦物浮選、污水處理等領域。近年來，基于其在生物醫(yī)藥和食品工業(yè)領域的巨大應用潛力，泡沫分離技術在生物分離［3－5］特別是分離稀溶液中蛋白質［6－11］的過程中受到了越來越多的關注，因此泡沫分離技術是近些年得到重視的分離技術之一［12－14］。泡沫分離所使用的設備通常稱為泡沫塔(Foam Column)。關于泡沫分離技術應用的綜述性文章很多，但是專門介紹各種泡沫分離設備的文章并不多見。文章根據(jù)泡沫塔中泡沫相和液相的運動方式以及設備結構復雜程度的不同，將近年來文獻報道中出現(xiàn)過的泡沫分離設備進行分類，并對不同泡沫塔的特性及近年來的研究進展分別進行介紹，提出其中存在的、可能存在的和需要解決的一些問題。

1 簡單泡沫塔

1.1 簡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)并且沒有回流裝置的泡沫分離設備稱為簡單泡沫塔。按照操作的連續(xù)性，簡單泡沫塔可以在以下幾種模式下運行。

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備中，隨后通入壓縮氣體鼓泡;當泡沫層達到所需高度后，立即切斷供氣，泡沫層在靜止狀態(tài)下進行排液(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，直至達到所需的收率。

批式操作允許泡沫在設備內長時間停留，排液可以充分進行，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行，設備的有效運行時間縮短，降低了設備的利用率和處理能力。因此這種操作方式主要是實驗室內用來研究靜態(tài)泡沫(Standing Foam)排液規(guī)律［15－16］，在實際工業(yè)化生產(chǎn)中并不多見。

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”是因為這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動過程中同時進行的，排液時間由鼓泡氣速和設備尺寸決定;持續(xù)鼓泡直至達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］操作簡單、設備利用率高、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泡沫排液有直接的影響，因此對氣速要求比較苛刻。

1.1.3 連續(xù)操作(Continuous Operation) 在鼓泡過程中通過泵設備將料液連續(xù)注入分離設備內，同時排放殘液。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。但是當目標物質在氣泡表面吸附較慢時，進料速度不可能很大，否則塔底排放的殘液中目標物質含量過高，影響收率;而如果進料速度太低，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。新鮮的料液不斷補充到液池中，連續(xù)鼓泡，但是塔底沒有殘液排出。半連續(xù)操作對工業(yè)化生產(chǎn)沒有顯著的意義，但是它可以彌補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，在一定時間內提供穩(wěn)定的操作條件，適合實驗室中研究泡沫分離機理使用。

1.2 簡單泡沫塔分離效果的影響因素

與其他分離方法類似，影響簡單泡沫分離效果的因素可以分為溶液體系性質、設備結構和操作條件三類。其中溶液體系性質包括溶液的pH、黏度、密度、表面活性劑濃度以及離子強度等;設備結構包括液池深度、泡沫層高度、氣體分布器孔徑、開孔率等;操作參數(shù)主要是氣速、溫度等。關于各個因素對分離效果的影響，Lockwood、Bummer和Jay等人做過詳細的闡述［8］，在此不再贅述。需要指出的是，雖然普遍認為溶液pH位于目標蛋白質等電點處時泡沫分離效果最好［20－21］，但是在很多情況下，位于等電點處的蛋白質會發(fā)生不可逆的失活變性，并最終影響到實際收率。乳鏈菌肽就是一個典型的例子，它的等電點在pH11左右，而其最穩(wěn)定的pH卻在2～3，一旦pH達到7以上，其活性很快就會消失［22］。

2 復雜泡沫塔

簡單泡沫塔的分離效果受到目標物質在氣泡表面吸附能力和泡沫排液能力的限制，而通過改變體系性質來改善目標物質的吸附能力需要考慮目標物質的承受能力，因此調節(jié)范圍又受到限制。此外，許多操作條件對泡沫分離富集比和回收率的影響是相反的，優(yōu)化起來相當困難。為了解決這些問題，人們設計了各種具有復雜結構的泡沫分離設備。我們將復雜泡沫塔分為多級操作泡沫塔和具有內部構件的泡沫塔兩種來進行介紹。這里需要說明一下，帶有回流操作的簡單泡沫塔相當于是兩級泡沫分離塔，不再單獨介紹。

2.1 多級泡沫分離

多級泡沫分離的根本特征是將收集到的泡沫液再次進行鼓泡，其原理是通過提高主體液相中的吸附質濃度來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)過一次破泡－鼓泡操作，泡沫液的濃度就得到一次提高。

多級泡沫分離設備按其結構可以分為結構緊密型和結構松散型兩類。結構緊密型多級泡沫分離設備的分離單元之間結合緊密，通常有共用的管道等。結構松散型多級泡沫分離是將多個簡單泡沫塔串聯(lián)起來操作，泡沫濃縮液在各個單元之間流動。

2.1.1 結構緊密型多級泡沫塔 早在1978年，Leonard和Blacyki［23］就設計了一種多級泡沫分離設備用來提高幾種顏料的分離效果。這個設備各單元的液池水平排列，用擋板隔開，但是相鄰兩個單元之間的主體液相可以通過管道溝通。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的液相中去，運動方向總體上為水平。該設備沒有消泡裝置，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，則會出現(xiàn)泡沫溢出現(xiàn)象。但這也是這種設備的優(yōu)點之一:設備的泡沫層高度理論上為零，泡沫在各個單元的停留時間極短，即便是穩(wěn)定性很差的泡沫也可以正常運行。該設備的另一個特點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氣體分布器，因此不能單獨調節(jié)各個單元的氣速。

Darton等人設計了一種類似于精餾塔的結構緊密型多級泡沫分離塔［24］。該設備帶有機械消泡裝置，克服了前面提到的設備只能用于泡沫穩(wěn)定性較差體系的缺點。各個分離單元垂直排列，每一級都有獨立的鼓泡裝置，可以分別調節(jié)氣速。各級之間沒有返混，較高一級的主體液相完全來自于較低分離單元的泡沫液，因此效率較高。其缺點是需要額外的動力輸入，并且機械消泡設備的效果在不同的體系下差別很大。同樣，對這種設備來說，理論泡沫層高度為零，泡沫層排液作用沒有得到充分利用。

2.1.2 結構松散型多級泡沫塔 上一級殘液作為下一級操作的料液。由于這種操作實際上是多個連續(xù)操作簡單泡沫塔的串聯(lián)，每個單元都可以用作簡單泡沫塔，并可以獨立調節(jié)，靈活性很高。其缺點是結構松散、體積大、能耗高。

還有一種和上述設備外觀類似，但本質完全不同的結構松散型多級泡沫塔。在這種設備中，各個分離單元之間流動的不是泡沫濃縮液，而是主體液相。較高單元的主體液相來自于上一級分離后的殘留液，隨著分離級別的升高，泡沫濃縮液中吸附質的濃度非但不升高，反而降低。顯然這種設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個分離單元的該設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 帶有內部構件的泡沫塔

對于某些特定的體系，多級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，當吸附接近飽和之后，吸附質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帶來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］。對于蛋白質體系來說，多級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物質收率降低的可能性也增大［26－27］。鑒于這些問題，一些研究者開始研究通過在簡單泡沫塔內添加構件來改善其性能。根據(jù)安裝位置和作用方式的不同，泡沫塔內部構件可以分為液層構件和泡沫層構件。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狀態(tài)，后者主要是通過改變泡沫層的幾何結構來增強泡沫排液，降低出口持液率。與多級泡沫分離通過提高氣泡表面吸附密度不同的是，泡沫塔內部構件主要是通過增強泡沫層排液，降低出口持液率來提高富集比的。

2.2.1 液層內部構件 Bando，Kuze，Sugimoto等人將一個套筒插入到簡單泡沫塔的液池中，構造了一個類似于氣升式反應器的設備來除去廢水中的金屬離子［28］。在這種設備的套筒和塔壁之間的空隙可以形成環(huán)流，使小氣泡不能離開液面到達泡沫層。這樣，構成泡沫層的氣泡都是持液能力較低的大氣泡。這個設計考慮到了氣泡大小對泡沫持液率的影響，卻存在很多問題。首先，導筒內向上的液流會縮短氣泡與主體液相的接觸時間，不利于表面吸附的進行。其次，沒有必要使用間接的方式來控制小氣泡，通過增大氣體分布器的孔徑可以直接產(chǎn)生大氣泡。

2.2.2 泡沫層內部構件 與液層構件相比，泡沫層內構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覆蓋有60m金屬絲網(wǎng)的筒式過濾器，通過抽真空在絲網(wǎng)內側產(chǎn)生負壓，將泡沫中含有的間隙液吸出，進而降低泡沫的持液率。這種設備結構和操作都較復雜，在實驗室中作為研究使用具有一定的意義，但是沒有太多的實用價值。并且，作者并未說明該構件運行時，鄰近絲網(wǎng)表面的氣泡液膜會不會被破壞。

Tsubomizu、Horikoshi、Yamagiwa 等人［30］在帶回流泡沫分離塔的泡沫層內插入了四個篩板，稱氣泡經(jīng)過篩板的小孔時其夾帶的一部分間隙液會被刮蹭下來，使得通過篩板后的泡沫持液率降低，最終富集比提高。理論上講，通過較高一層篩板向上的泡沫流量應該小于通過其下方篩板的泡沫流量。對進出這兩層篩板之間空間的液體進行物料衡算可知，這個空間內必然有液體積累。但是這篇文章的作者稱，系統(tǒng)達到穩(wěn)定后篩板之上沒有液體積累。這個問題還有待于進一步研究。此外，小孔的刮蹭作用是否對泡沫的持液率有影響并未得到理論上的證實。

除了上述具有內部構件的泡沫分離設備外，文獻中還可以見到少量其他結構的泡沫分離設備，如Ito和Bethesda發(fā)明的對流螺旋泡沫分離塔［31］，因其不具有普遍性意義，在此不再詳細介紹。

3 結語

與簡單泡沫塔相比，復雜泡沫塔在一定程度上突破了簡單泡沫塔的局限性，是泡沫分離技術的發(fā)展趨勢。其中多級泡沫分離因作用原理與簡單泡沫塔相近，研究和應用均較帶有內部構件的泡沫分離設備廣泛。相比之下，由于內部構件作用機理復雜，某些現(xiàn)象無法做出合理的解釋，效果也難以保證。這些問題的解決，有待相關流體力學理論的進一步發(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。

天津市應用基礎及前沿科技研究計劃重點項目(08JCZDJC25200)。