泡沫分离除去水溶液中微量硫酸铜

摘 要：文章对泡沫分离法去除水溶液中SO42-离子和Cu2+离子进行了研究，并以此为基础对氢型阴离子含有的表面活性剂C12H25（C6H4）SO4、羟型阳离子含有的表面活性剂C16H29（CH3）OHNH4去除废水中微量的CuSO4为研究体系，研究泡沫分离法除废水中阳离子和阴离子的工艺，为脱盐的新兴工艺提供进一步的依据。

关键词：泡沫分离；水溶液；除去硫酸铜

泡沫分离就是将表面吸附的原理作为根本理论，通过通气鼓泡在液相中产生气泡，将产生的气泡作为载体，对液相中的颗粒和溶质进行分离，也叫做泡沫吸附分离。泡沫分离法具有能耗低、设备简单以及污染较低而愈发受到人们的关注。

1 泡沫分离法

泡沫分离法能够对废水中的Cu、Zn、Cr、Cd等金属离子以及BF4-（四氟硼酸根）等酸根离子进行有效的分离，并实行去除，然而，在其去除的过程中也将新的阴离子和阳离子引入到体系当中，如何在有效去除废水中离子的过程中避免将新的离子引入，成为了当前需要研究的问题。分离中的脱盐就是对溶液中盐类离子成分中的酸根离子和金属离子进行去除，所以在使用泡沫分离法时，氢型阴离子对溶液中的阳离子（金属离子）能够通过其表面活性剂与氢离子产生交换，羟型阳离子对溶液中的阴离子（酸根离子）能够通过其表面活性剂与氢氧根离子产生交换。泡沫分离法的使用，在消泡液中，阴阳离子能够进行浓缩，溶液中剩余的氢氧根离子和氢离子能够进行化合反应生成水，进而完成脱盐。

2 实验过程

2.1 实验试剂

纯度大于99.0%的无水硫酸铜，无锡市亚泰联合化工有限公司；浓度为95%的乙醇，开封中天化工有限公司；C12H25（C6H4）SO4，化学纯，济南林海化工有限公司；C16H29（CH3）OHNH4，化学纯，北京易莱西诺生物科技有限公司。

2.2 设备与仪器

分光光度计（可见光-752紫外、可见光-紫外、荧光），精密pH计（PHS-3C型），转子流量计，空气压缩机（电磁式AC0-318）。

2.3 操作步骤

实验温度为25℃左右的常温，实验环境是泡沫分离塔，分离塔的主要构成材料为有机玻璃，塔高为120cm，内径4cm，在其底部设有孔板分布器，器孔直径为70μm，间距为8mm，按照等边三角形分布。实验采用的泡沫分离法是间歇式的，对水溶液中的CuSO4进行去除。在实验的初始阶段，要在分离塔内加入适量的CuSO4和C12H25（C6H4）SO4的混合溶液，使用空气压缩机对气体进行压缩，通过转子流量计将压缩后的气体打入塔内，气体通过塔底部的分布器在溶液中分散，假定在同样的表观气速条件下，气泡上升其自身大小不会发生改变。表面活性剂聚集了大量的气泡，形成泡沫，泡沫通过塔顶进入收集器中，直至不再鼓出泡沫，随后在残余的溶液中继续加入C16H29（CH3）OHNH4，对SO42-进行分离直到不再鼓出泡沫，将残余收集起来并进行吸光度的测量，对其去除率R、富集比β进行计算，计算公式为：

在完成分离后，测得表面活性剂在溶液总的残留浓度小于5mg/L，符合国家标准。

3 实验结果讨论

3.1 C12H25（C6H4）SO4浓度对去除率的影响

配制CuSO4浓度为0.05g/L和C12H25（C6H4）SO4浓度分别为0.15g/L、0.16g/L、0.18g/L、0.20g/L、0.22g/L的混合溶液，pH值为5.0，气速为22.3m/h，液面高度为80cm。实验至不再鼓出泡沫，Cu2+分离完成后，加入0.27gC16H29（CH3）OHNH4，保持固定的气速持续分离，收集残液并记录泡沫的体积，对SO42-和Cu2+的浓度进行检测，计算R和β。实验结果表明，表面活性剂的浓度加大，Cu2+的浓度会先升高后降低，其β也会先升高后降低。活性剂浓度较低会导致泡沫层失稳，在一定的低浓度范围内，β较高而R较低。当活性剂的浓度为0.18g/L时，Cu2+的去除率最高，其β继续增加，依据表面化学，活性剂的浓度若超出了胶束临界浓度，液相中就会出现胶束，一定量的分离组分会在主体液相中吸附，且活性剂过量还会与络合物进行有效气液表面的争夺，降低去除效果。活性剂的增加还会导致泡沫含有过多的水分，降低富集比。实验结果表明当C12H25（C6H4）SO4浓度为0.18g/L时R和β都较低，因此选择C12H25（C6H4）SO4浓度为0.20g/L。

3.2 表观气度对去除率的影响

配制CuSO4浓度为0.05g/L和C12H25（C6H4）SO4浓度分别为0.20g/L的混合溶液，pH值为5.0，液面盖度为80cm，气速为12.7～22.3m/h。实验至不再鼓出泡沫，加入0.27gC16H29（CH3）OHNH4，保持固定的气速持续分离，收集残液并测定SO42-和Cu2+的吸光度，计算R和β。实验表明，随着气速加大，气泡也会加大，Cu2+的去除率也升高，而富集比降低，R和β主要受到流体力学影响，当气速降低时，气泡会在溶液中停留较长时间，传质充分而夹液量较少，β较大；气速持续上升，尽管气泡形成容易，但是其停留时间较短，传质不充分且泡沫层加快上升，导致夹液量增大，β降低。综合分析，表观气速的最佳数值为19.1m/h。

3.3 pH值对去除率的影响

配制CuSO4浓度为0.05g/L和C12H25（C6H4）SO4浓度分别为0.20g/L的混合溶液，利用稀盐酸或氢氧化钠将pH调整为4.0～6.0，液面盖度为80cm，气速为19.1m/h。实验至不再鼓出泡沫，加入0.27gC16H29（CH3）OHNH4，保持固定的气速持续分离，收集残液并测定SO42-和Cu2+的吸光度，计算R和β。实验结果表明，pH较小时，泡沫夹液量小且丰富，β较高但R较低，是因为氢离子浓度较高。依据静电吸附，氢离子会与活性剂络合在气泡表面吸附，影响去除Cu2+的效果。pH增大，夹液量升高而β降低，pH大于5.0后，泡沫产生速度降低且体积变大，R降低。

4 结束语

泡沫分离技术是新兴的一种分离技术，依据吸附原理，在含有表面活性剂的液体中进行鼓泡，使其活性物质能够在气泡的表面进行聚集，形成泡沫层，使液相的主体与泡沫层分离，对表面活性剂进行浓缩，对液相主体进行净化。浓缩后的物质不仅是活性物质，也可以是能够络合活性剂的物质。一般情况下，人们都将通过气压在溶液中进行鼓泡而进行浓缩和分离的方法称为泡沫吸附分离技术。通过实验验证，C12H25（C6H4）SO4和C16H29（CH3）OHNH4作表面活性剂能够不在去除阴阳离子时引入其他离子，且具有较好的起泡性。

参考文献

[1]王静，时美玲，赵孝先，等.连续泡沫分离塔回收水溶液中钼（Ⅵ）的研究[J].化学世界，2013（4）.

[2]殷昊，赵艳丽，李雪良，等.泡沫分离设备及工艺的研究进展[J].食品工业科技，2010（8）.

[3]刘颖，木泰华，孙红男，等.泡沫分离技术在食品及化工业中的应用现状[J].食品工业科技，2013（13）.

[4]张艳霞，吴兆亮，武增江，等.温度对高浓度SDS水溶液泡沫稳定性及分离的影响[J].高校化学工程学报，2012（3）.

[5]张翰林，张永强，王静，等.泡沫分离法回收水溶液中微量钼（Ⅵ）的研究[J].无机盐工业，2012（6）.

[6]朱政，张银新，刘慧，等.离子交换法处理含硫酸铜废水的研究[J].辽宁化工，2010（8）.