Frakcjonowanie piany

Frakcjonowanie piany to proces chemiczny , w którym cząsteczki hydrofobowe są preferencyjnie oddzielane od ciekłego roztworu za pomocą wznoszących się kolumn piany . Jest powszechnie stosowany, choć na niewielką skalę, do usuwania resztek organicznych z akwariów ; jednostki te są znane jako „ odpieniacze białek ”. Ma jednak znacznie szersze zastosowanie w przemyśle chemicznym i oprócz wzbogacania bioproduktów może być stosowany do usuwania zanieczyszczeń powierzchniowo czynnych ze strumieni ścieków.

Historia

Podczas gdy odpieniacze białek są powszechne w akwariach od wielu lat, dopiero w latach 60. XX wieku Robert Lemlich z University of Cincinnati podjął wspólny wysiłek, aby scharakteryzować model procesów adsorpcyjnej separacji pęcherzyków, których frakcjonowanie piany jest jednym z przykładów . Do połowy 2000 roku dalszy rozwój frakcjonowania pianki lub prób zrozumienia fizyki leżącej u podstaw tego procesu był bardzo niewielki. Wielu pracowników było zadowolonych z empirycznych opisów konkretnych systemów, zamiast próbować mechanistycznego modelu procesu, i prawdopodobnie z tego powodu przyjęcie technologii było powolne pomimo jej ogromnego potencjału.

Frakcjonowanie piany jest ściśle związane z pokrewnym procesem flotacji piany , w którym cząsteczki hydrofobowe przyczepiają się do powierzchni pęcherzyków, które unoszą się tworząc pneumatyczną (tj. wznoszącą się) pianę. W ten sposób cząstki względnie hydrofobowe można oddzielić od cząstek względnie hydrofilowych. Flotacja pianowa jest zwykle stosowana do oddzielania cząstek węgla od popiołu lub cząstek cennych minerałów z płonnego . Dopiero badania fazy piany flotacji piany przeprowadzone na Uniwersytecie w Newcastle w Australii , a konkretnie przewidywanie frakcji ciekłej i strumienia cieczy w pianie pneumatycznej, umożliwiły wstępny mechanistyczny opis frakcjonowania piany. Synergie między frakcjonowaniem piany a flotacją piany zostały zbadane w specjalnym wydaniu czasopisma Asia Pacific Journal of Chemical Engineering z 2009 roku .

Rozważania projektowe

Robert Lemlich pokazał, w jaki sposób kolumny do frakcjonowania piany mogą pracować w trybie odpędzania, wzbogacania lub mieszanym (w zależności od tego, czy wsad jest kierowany na górę, dół lub środek kolumny) i mogą pracować z zewnętrznym strumieniem zwrotnym lub bez niego przy szczyt kolumny. Pomaga myśleć o procesie jako podobnym do kolumny absorpcyjnej gaz-ciecz. Różnice polegają na tym, że:

1. Cząsteczki docelowe raczej adsorbują się na powierzchni niż absorbują, przemieszczając się do masy jednej fazy z drugiej i
2. Piana samoczynnie zapewnia wypełnienie w kolumnie.

Podobnie jak w absorpcji gaz-ciecz, przyjęcie refluksu na szczycie kolumny może wywołać wiele etapów równowagi w kolumnie. Jednakże, jeśli można kontrolować szybkość, z jaką rozmiar pęcherzyków zmienia się wraz z wysokością w kolumnie, albo przez koalescencję, albo przez dojrzewanie Ostwalda , można zaprojektować wewnętrzne źródło refluksu w kolumnie.

Podobnie jak w przypadku wielu procesów chemicznych, istnieją współzawodniczące względy odzysku (tj. procentu docelowego środka powierzchniowo czynnego, który trafia do górnego strumienia pianki) i wzbogacenia (tj. stosunku stężenia środka powierzchniowo czynnego w piance do stężenia we wsadzie). Prymitywną metodą poruszania się po widmie wzbogacania-odzysku jest kontrolowanie szybkości przepływu gazu do kolumny. Wyższa szybkość gazu będzie oznaczać wyższy odzysk, ale mniejsze wzbogacenie.

Frakcjonowanie piany przebiega poprzez dwa mechanizmy:

1. Docelowa cząsteczka adsorbuje się na powierzchni pęcherzyka i
2. Pęcherzyki tworzą pianę, która przemieszcza się w górę kolumny i jest odprowadzana do strumienia piany z frakcjonowania piany.

Szybkość, z jaką niektóre cząsteczki niejonowe mogą adsorbować się na powierzchni bąbelków, można oszacować, rozwiązując równanie Warda-Tordai. Wzbogacenie i odzyskiwanie zależą od warunków hydrodynamicznych wznoszącej się piany, która jest złożonym systemem zależnym między innymi od rozkładu wielkości pęcherzyków, stanu naprężenia na granicy faz gaz-ciecz, szybkości koalescencji pęcherzyków, szybkości gazu . Warunki hydrodynamiczne opisuje hydrodynamiczna teoria wznoszącej się piany.

Aplikacje

1. Wzbogacanie rozwiązań biomolekuł w technologiach farmaceutycznych i spożywczych.
2. Usuwanie zanieczyszczeń powierzchniowo czynnych ze strumieni ścieków.
3. Usuwanie zanieczyszczeń nieaktywnych powierzchniowo ze strumieni ścieków (takich jak jony metali) za pomocą jednego lub więcej pomocniczych środków powierzchniowo czynnych.
4. Usuwanie spieniacza po operacjach flotacji piany (znane jako usuwanie spieniacza).