Можно выделить следующие способы поверхностного флота­ционного разделения ионов и молекул [197].

1. Пенная сепарация. Для нее характерно образование большого слоя устойчивой пены, в которой концентрируется извлекаемый продукт. Избыток пены в разделительной колонне отделяют (обычно переливанием) и после ее разрушения выде­ляют обогащенный компонент.

2. Ионная флотация. В верхней части разделительной колон­ны образуется небольшой слой малоустойчивой пены, в котором концентрируется извлекаемый продукт.

3. Флотоэкстракция. При этом способе разделения подлежа­щий извлечению продукт адсорбируется на поверхности пуг- зырьков воздуха при прохождении ими водной фазы. В верх­нюю часть колонны подают органический растворитель, не сме­шивающийся с водой, который поглощает нужный продукт. В этом случае пенный слой отсутствует, так как пузырьки раз­рушаются при выходе на поверхность органической фазы.

4. Пузырьковое фракционирование. Функция пузырьков воз­духа заключается лишь в переносе концентрируемою вещества пз нижней части колонны в верхнюю. Пенный слой отсутствует.

Кроме рассмотренных вариантов флотационного процесса существуют такие, в которых концентрированию подвергаются

Частицы коллоидной степени дисперсности, а также флотация с носителем. В качестве носителя используют твердые сорбен­ты (уголь, ионообменные смолы) и осадки малорастворнмых соединений (гидроксиды, сульфиды, карбонаты и др.) или высо­комолекулярные вещества. Принципиальные схемы проведения процесса флотации ионов и молекул представлены на рис. 58.

Эффективность флотации ионов и молекул можно оценить с помощью критериев, рассмотренных выше. Однако некоторые нз них к данному процессу разделения неприменимы, например, степень минерализации. Для оценки эффективности разделения молекул (ионов) можно использовать отношение концентрации извлекаемого продукта в пенном верхнем слое св к концентра­ции этого продукта в нижнем слое с„:

К ■= Св/Са

Это отношение называется коэффициентом обогащения или .коэффициентом распределения.

Для оценки степени разделения двух компонентов, содержа­щихся в растворе, применимо отношение коэффициентов рас­пределения веществ I и /:

J. ____ JH_____ Clnc»j

IJ ~~ Kj ~ cKjcui

Существуют и другие подходы к оценке эффективности фло­тационного разделения молекул (ионов), описание которых можно найти в монографии [197].

А. И. Русанов и соавторы выделяют две группы факторов, -определяющих эффективность пенного разделения. К первой группе они относят факторы, обусловливающие равновесное распределение компонентов между раствором и поверхностным слоем (концентрацию компонентов, их поверхностную актив­ность, температуру раствора, концентрационную зависимость коэффициентов активности), вторую группу составляют факто­ры, которые влияют на скорость процесса распределения в ста­ционарных условиях (дисперсность пузырьков, объемная доля газа в жидкости, высота столба раствора и пены, степень воз­врата на повторное разделение). Таким образом, на эффектив­ность выделения ионов и молекул методом флотации сущест­венное влияние оказывают свойства пены, раствора и режим процесса [238]. Так, при пенной сепарации пена не должна быть сильно обводненной, поскольку в обводненных пенах под действием силы тяжести происходит интенсивное истечение внутрипленочной жидкости, содержащей извлекаемый компо­нент. Поэтому предпочтительны «сухие» пены, в которых исте­чение жидкости менее интенсивно, а степень концентрирования выше.

Истечение, называемое в этом случае внутренней дефлегма­цией, обеспечивает расслоение поверхностно-активных компо­нентов раствора по высоте разделительной колонны благодаря неоднократному повторению процессов адсорбции и десорбции. При проведении ионной флотации попу стабилизируют малорас - тнорнмымн 11А13, чтобы она имела минимальную устойчивость, необходимую для образования небольшого слоя пены.

С увеличением высоты слоя раствора растет время пребыва­ния в нем пузырька. Одновременно увеличивается и количест­во адсорбированного вещества в соответствии с уравнением [197].

Гт/Го~ 1—тар 1-(/<'с0-И")т]

Где ГЧ и Го—величина адсорбции ко времени т и равновесная адсорбция нрн исходной концентрации извлекаемого компонента с0; K' и к" — константы ско­рости адсорбции и десорбции.

Вместе с тем увеличивается и коэффициент разделения, по лишь до определенного предела, обусловленного скоростью ад­сорбции извлекаемых веществ на всплывающих пузырьках.

Увеличение расхода раствора ухудшает эффективность раз­деления в связи с возрастанием концентрации продукта в ниж­нем слое. С ростом расхода воздуха степень извлечения ве­щества увеличивается. Эффективность процесса возрастает с уменьшением диаметра пузырьков, поэтому микрофлотацпя имеет определенные экономические и технологические преиму­щества по сравнению с флотацией крупными пузырьками.

Влиянне рН раствора на эффективность флотации определя­ется природой собирателя и извлекаемого вещества. Так, оп­тимум флотации белков и многих неорганических соединений (при использовании в качестве собирателей белковых веществ) наблюдается при рН, соответствующем изоэлектрическому со­стоянию этого белка. В данной точке проявляется их макси­мальная поверхностная активность и минимальная раствори­мость.

Авторами работы [156] предложен метод получения «сухих» пен путем создания значительных перепадов давлений в кана­лах Плато при разрежении зоны над(под) пеной, заключенной в сосуд. Этот метод может быть применен для непрерывного концентрирования ПАВ в движущейся пене. Максимальная сте­пень концентрирования, которую удалось получить авторам с использованием «ускоренного синерезиса» пен, составляла 1050 для раствора додецилбензолсульфоната натрия (0,3 г/л + + 0,4 М NaCl) и 2000 для раствора окснэтнлнроваппого поппл - фенола (0,3 г/л+1 М NaCl).

Следует отметить, что, несмотря на большое число работ по флотации ионов и молекул, практические аспекты, и в частно­сти изыскание оптимальных режимов проведения процесса, на­ходятся еще з стадии разработки [239, 240].

Теория физико-химических процессов поверхностного разделс. шя веществ разработана в основном в трудах отечественных исследователей, в частности А. П. Русановым и соавторами [241—2441. Теоретическое рассмотрение во­проса об изменении состава многокомпонентного раствора в ходе поверхност­кого разделения привело к системе дифференциальных уравнении [244]:

Dxi/d Inт = xi'— Xf (i = 1,2................... п) (7.5)

Где Xi и Xi — мольные доли данного компонента в растворе и в поверхност­ном слое соответственно; т — масса раствора.

Из всех уравнений (7.5) только (Ti — I) независимы. Эти уравнения опи­сывают общее изменение состава и массы системы в процессе поверхностного разделения, в частности, методом пенного сепарирования. Рели исключить массу т, получим:

Dxj Xj —Xi ... 0 . ... с.

= хк'-хк (, = 1-2............... к..... "> <7-6)

Уравнения (7.6) выведены без учета специфики процесса, и поэтому являются лишь отражением баланса массы в системе. С учетом термодина­мических особенностей поверхностного разделения многокомпонентной си­стемы процесс описывается уравнением [243]

Xi = х? (M/M0F'~' (7.7)

Где Xi"—мольная доля i-ro компонента в исходной системе; тс — начальная масса системы.

Показатель степени /с< характеризует поверхностно-активные сгойства компонентов раствора. При к<>1 данный компонент обладает поверх четной активностью, а при /с;<1 он является поверхностно-инактнвным веществом. Таким образом, если система содержит примесн, для которых к>1, то при уменьшении массы системы в ходе поверхностного разделения содержание каждой примеси уменьшается и может быть доведено до сколь угодно малого значения. Поэтому в ходе поверхностного разделения поверхностное натя­жение системы постоянно возрастает, так как (Da/D In т)р. т<0. Если для" каждого компонента к<1, процесс поверхностного разделения может приве­сти к концентрированию лишь примесей в исходной системе. В промежуточ­ном случае, когда в системе содержатся как поверхностно-активные, так и поверхпостно-ннактивные примеси, методом поверхностного разделения мож­но добиться снижения содержания поверхностно-активных примесей до опре­деленного предела. Эффективность процесса пенного разделения, таким образом, зависит от значения к: чем оно больше отличается от единицы, тем быстрее будет проходить процесс. При к— I фракционирование пеной не­возможно.

Рассмотрим подробнее процесс пенной сепарации. Все воз­можные варианты принципиальных схем для проведения пен­ной сепарации, обсужденные в работах [239, 242], можно пред­ставить в виде единой схемы (рис. 59). Разделительная колон­на А имеет в нижней части диспергатор Б, через который пода­ют сжатый воздух по линии 1 (с помощью компрессора, возду­ходувки или из баллона), очищенный от механических и хими­ческих загрязнений. Расход воздуха измеряют п регулируют обычными методами. Собиратель по липни 2 и исходный про­дукт по линии 3 подают совместно или раздельно под пену или в пену. Нижний продукт отводят по линии 8, а верхний — по линии 4 через пеноразрушитель В, который устанавливают, ес­ли необходимо осуществлять внешнюю дефлегмацию устойчи­вой пены. Жидкость, образующуюся в разрушителе пены, мож­но подавать снова в разделительную колонну полностью или частично. При этом продукт поступает на пену по линии 5 или под пену по линии 6. Для частичного или полного сбора верх­него продукта используют линию 7.

Рис. 59. Варианты пенной сепарации:

Л — ра 1л<'лппн1ыи»н килинна; /» — днспергатор; В— неио-

Разрушитсль. Линии движения продуктов: / воздух; 2 н 3 — собиратель и исходный продукт; 4 И 8 —■ верхний (обогащенный) и нижний продукт после разделения; 5 и 6 — продукты, поступающие на повтор­ное разделение; 7 — обогащенный продукт.

Разделительные колонны могут быть непрерывного и циклического действия. В колоннах последнего типа система для выделения нижнего продукта не требу­ется. Устройство для разрушения пепы

Можег быть механического или физического типа. Чаще всего используют механические устройства, принцип работы которых рассмотрен в гл. 14.

Необходимые для расчета установок количественные соот­ношения, связывающие концентрации и расходы исходного, верхнего н нижнего продуктов для возможных вариантов про­ведения флотации, различны.

В качестве примера приведем основные уравнения для расчета одного из простых вариантов: непрерывная пенная сепарация с подачей исходного про­дукта под пену. Примем допущения: адсорбция на поверхности пузырьков при данной концентрации выделяемого компонента достигает равновесия; перемешивание раствора идеальное; удельная поверхность раздела в пене носюянна.

Уравнение материального баланса для аппарата:

<?IA, = <7всн + SyaQTH или Q0 = QB -F Qn и Q0C0 =■ Qnctl + Qlscu

Где </o, 'Iи и iju — объемные расходы исходного, верхнего и нижнего продук­тов; г0. Си, с„ — концентрация извлекаемого компонента в тех же продуктах; Sya — удельная поверхность раздела в пене; Q — расход газа; Г„ — величина равновесной адсорбции при с„.

Учитывая, что Г„/с„ — коэффициент распределения /г„, после простейших преобразований получим:

Св/си = I + SyAQV<7B

Метод поверхностного разделения посредством вспенивания используют в основном для очистки сточных вод, извлечения веществ нз разбавленных растворов [245]. Этот метод исполь­зуют также для концентрирования детергентов и очистки сточ­ных вод от ПАВ, не поддающихся бноразрушепию. Основным достоинством метода является небольшой объем верхнего про­дукта, а также высокая эффективность отделения ПАВ и одно­временное удаление примесей. Решая проблему очистки сточ­ных вод от нефтепродуктов, изыскивают пути увеличения эф­фективности наложением электрического поля [246], установ­лением оптимальных условий барботирования [247] или опти­мальной поверхности раздела [2481.

Одно нз важных направлений использования пенной сепа­рации — очистка сточных вод научно-исследовательских лабо­раторий и предприятий от радиоактивных элементов, в особен­ности имеющих большой период полураспада и обладающих
значительной токсичностью (90Sr, 137Cs, l03,106Ru и др.). Обычно применяемые методы (соосаждение, ионный обмен) не всегда дают желаемый эффект. Эти и другие изотопы быстрее и пол­нее извлекаются из растворов с помощью пенной флотации.

Методы сепарирования пеной применяют для извлечения из растворов ионов тяжелых металлов [249], фосфатов, иода, се­роводорода и др. Интересны исследования по извлечению этим методом из растворов одноклеточных водорослей [250] и кон­центрирования микроорганизмов [251].

Следует отметить способ флотационной очистки жидко­стей — электрофлотацию. Особенность его состоит в том, что перенос вещества из жидкости на ее поверхность осуществля­ется пузырьками газа, образующимися в результате электроли­за. На катоде, располагающемся у дна аппарата, выделяются пузырьки водорода, которые увлекают взвешенные частицы. В электрофлотационном процессе принимают участие также пу­зырьки, возникающие из растворенного газа [252].

Электрофлотацию применяют для очистки соков и вин, сточ­ных вод различных предприятий, производственных растворов и т. д. При обработке сточных вод флотационный процесс уси­ливается обеззараживающим действием выделяющихся газов — кислорода и хлора.