Главная > Пена и пенные пленки > Пенное концентрирование индивидуальных ПАВ и смесей

Пенное концентрирование индивидуальных ПАВ и смесей

Эффективность адсорбционного концентрирования ПАВ в устойчивой пене, как видно из уравнений (10.12—10.15, 10 18 10.19), определяется величиной адсорбции, содержанием жид­кой фазы в пене и дисперсностью пены. Исследование пенной сепарации бутилдифенилсульфоната натрия в обычной низко­кратной пене показало, что коэффициент концентрирования действительно линейно увеличивается с ростом величин N/2R (см. формулу 10.19, рис. 10.2). При этом вследствие малой кратности пены коэффициент концентрирования (без дополнк-

Пенное концентрирование индивидуальных ПАВ и смесей

Рис. 10.2 Связь между коэффициентом концентрирования бутнлдифеннл- сульфоиата натрия в пене н величиной N/2R [589].

Начальная концентрация ПАВ о растворе (в моль/л); /—I.6T0-': 2 — 3.2 10—3 3

9.6-10-»

Рис. 10.3 Зависимость коэффициента концентрирования бутилдифенилсуль фоиата натрия в режиме внешней дефлегмации пены от доли возвращаемого

Пенного продукта

Условия концентрирования (начальная концентрация ПАВ в растворе С„ и скорость по дачи пены V: / — С„ =3-10-3 моль/л мм/с; 2 — C0=6-IO~3 моль/л, и=1( мм/с; 3

6-10 моль/л; р=2,5 мм/с

Тельного осушения пены не достигает больших значений и ос­тается меньше 10) [589].

Пенное концентрирование индивидуальных ПАВ и смесей

Как правило, в обычных разделительных колонках крат­ность пены не превышает 30—100 [7, 589]. В связи с этим большое число работ было посвящено исследованию возмож­ности повышения степени концентрирования ПАВ при непре­рывном режиме процесса за счет дефлегмации пены[31], т. е. час­тичного или полного возврата в процесс раствора, обогащенно­го ПАВ. Возврат жидкой фазы, выделяющейся нз разрушенной пены, называют внешней дефлегмацией, а возврат раствора, концентрация ПАВ в котором повышена в результате внутрен­него разрушения пены,— внутренней дефлегмацией.

Влияние внешней дефлегмации на степень концентрирова­ния иллюстрирует рнс. 10.3 [590]. При увеличении доли пенно­го продукта, отбираемого на дефлегмацию, коэффициент кон­центрирования возрастает приблизительно от 2 (без дефлегма­ции) до 4—10 в зависимости от скорости пенообразования и исходной концентрации ПАВ, но даже при полном возврате всего пенного продукта коэффициент концентрирования оста­ется невысоким. Дальнейшего существенного повышения ко-
эффицнента концентрирования можно достичь только путем специального осушения иены или при проведении процесса разделения в режиме флотации с образованием слоя неустой­чивой пены и гидрофобного осадка.

Концентрирование индивидуальных ПАВ и их смесей ПАВ в сухих пенах исследовано в [57, 355, 591, 592]. Ниже описаны результаты изучения процесса концентрирования растворов 20- оксиэтилированного нонилфенола и додецилбензолсульфоната натрия [57]. Пенообразование и осушение пены проводили на лабораторной установке, схема которой дана на рис. 1.4. Экс­перименты заключались в следующем. Из растворов ПАВ оп­ределенной концентрации получали пену; время генерации ие­ны 3,5 мин, высота слоя пены 2—3 см. Пену, полученную пз раствора оксиэтилпрованного нонилфенола, осушали в течение 10 мин, что достаточно для установления равновесного давле­ния в каналах Плато—Гиббса, а осушение пены из раствора сульфоната прекращали при достижении заданной кратности. Затем пену разрушали, разбавляя водой, и в полученном рас­творе определяли концентрацию ПАВ спектрофотометрическн (спектрофотометр СФ-16) при длине волны 224 нм.

Результаты исследования степени концентрирования ПАВ в зависимости от свойств иены представлены на рис. 10.4. Коэф­фициент концентрирования при постоянной дисперсности пены возрастает прямо пропорционально ее кратности и квадрату

Пенное концентрирование индивидуальных ПАВ и смесей

Капиллярного давления (см. рис. 10.4, а и б). Для проверки влияния дисперсности пены па коэффициент концентрирования получали иену на фильтрах различной пористости и продувани­ем воздуха в раствор через капилляр (г=0,3 мм). Установле­но, что при одинаковой кратности пены (п=1000) коэффициент концентрирования возрастает с увеличением ее дисперсности.

Максимальная степень концентрирования из раствора доде - цнлбепзолсульфоната натрия (0,3 г/л) с добавкой NaCI (0,4 моль/л), которую удалось достичь, составила 7^=1050 при Ар=1'102 кПа. Дальнейшее повышение перепада давления не эффективно, так как продолжительность установления рав­новесного капиллярного давления по всей высоте столба силь­но возрастает, а пена начинает сильно разрушаться, что ведет к потере концентрируемого вещества. Максимальному концент­рированию из раствора 20-оксиэтилированного нонилфенола (0,3 г/л) с добавкой NaCI (1 моль/л) соответствует ^2000 при Ар = 5 кПа. В конечном пенном продукте концентрация ПАВ составила: для Na-додецилбензолсульфоната 0,91 моль/л, для оксиэтилированиого нонилфенола 0,55 моль/л. Достижение более высокой степени концентрирования сульфоната объясня­ется тем, что пена из этого ПАВ более устойчива, чем из ок - снэтплироваиного нонилфенола.

Метод концентрирования с осушением пены путем созда­ния перепада давления в жидкой фазе пены при контакте с по­ристой пластинкой достаточно эффективен и для извлечения некоторых белков нз водных растворов. В [370, 450] были про­ведены исследования синерезиса и разрушения пен, получен­ных нз водных растворов глобулярных белков (сывороточный бычий альбумин, яичный альбумин, сывороточный альбумин человека, лизоцим и трипсин), под действием перепада давле­ния в жидкой фазе пены.

На рис. 10.5 приведены кинетические кривые изменения со­держания жидкой фазы VJVF в пенах, образующихся в раз­личных белковых системах. Сравнение зависимостей получен­ных при гравитационном синерезисе (высота столба пены 9 см) и под действием перепада давления показывает, что при действии Ар синерезис пен сильно ускоряется: в любой момент времени VLjVF значительно меньше, а скорость изменения. Vf выше, чем прн гравитационном синерезисе. Кроме того, установлено, что во всех исследованных системах содержание жидкой фазы перед разрушением пены под действием Ар Сильно уменьшается по сравнению с гравитационным синерези - сом. Отношение пдр/п изменяется от 25 до 60, а значения крат­ностн пены прн приложении Ар от 500 до 1000, тогда как в отсутствие давления п не превышает 30. Это означает, что та - i не сухче пены можно использовать для концентрирования (4.1-чОВ при извлечении из раствора.

Па рис 10.6 показана зависимость R1 для сывороточного бычье;: альбумина от исходной концентрации его в растворе

Vjvr,%

Пенное концентрирование индивидуальных ПАВ и смесей

Рис. 10.5. Изменение во времени содержания жидкой фазы в пеиах из раство­ров белков прн сииерезисе в гравитационном поле (/, 2, 3) и под действием

Перепада давления Др0=1'104 Па (/', 2', 3') Пенообразующая система: I. /'— лизоцич. рН = 1|,2; 2. 2 — яичный альбумин, piI = 5.о.

.4 — сывороточный бычий альбумин. ьН - Г).ft. концентрация белков 0.1% (мае с добавкой NaCI (0.1 моль л)

С добавкой NaCI 0,1 моль/л прн разных кратностях пены [592] С повышением кратности пены эффективность извлечения рас тст, но на всех кривых обнаруживается ясно выраженный мак­симум при концентрации альбумина Со = 10~2% (масс.), npi. которой достигается наиболее полное извлечение белка. Это" максимум связан с характером зависимости адсорбции от кон­центрации вещества: при С0~2- 10~г% на кривых R'(C0) на­блюдается горизонтальный участок (адсорбционное насыще­ние).

Рис. 10.6. Зависимость коэффициента концентрирования сывороточного бычьего альбумина от начальной кон­центрации его в пенообразующей си­стеме прн разных кратиостях пеиы: /—« = 150; 2 — л=300; 3 —п = 500

Пенное концентрирование индивидуальных ПАВ и смесей

В производственных условиях процесс концентрирования ьс щества из раствора удобнее проводить в непрерывном режиме. В работах [57, 355] с целью выявления оптимальных услоз - • проведения концентрирования таким способом было проведе - измерение степени концентрирования, достигаемой в непрерыв­но генерируемой пене н осушаемой во время движения. Пен. получали из раствора додецилбензолсульфоната натрия про" ванием воздуха через фильтр в сосуд (диаметр 4 см, вы 20 см, фильтр G-2), который заполняли раствором прнбл, тельно на 'Д его емкости. Движущуюся пену осушали

Ар = 3 кПа с помощью бактериального керамического фильтра (диаметр 25 мм, длина 200 мм). Осушенная пена поступала в нрпемннк, который представляет собой стеклянный цилиндр (диаметр 50 мм, длина 240 мм) с припаянной к нему градуи­рованной пробиркой. По окончании опыта приемник герметич­но закрывали и после полного разрушения пены определяли объем полученного раствора и концентрацию ПАВ в нем. Осу­шение проводили в течение 30—40 мин для получения доста­точного количества пенного продукта, необходимого для ана­лиза. Расход воздуха составлял 70—80 см3/мнн.

Максимальная степень концентрирования прн данном ре­жиме составляла R' = 600—680 для раствора додецилбензол - сульфоната натрия прн концентрации 0,6 г/л с добавкой NaCI (0.4 моль/л).

Таким образом, способ осушения пены созданием больших перепадов давления в жидкой фазе пены позволяет достичь очень высоких степеней концентрирования вещества в пене, причем процесс концентрирования можно вести непрерывно.

Однако такой способ концентрирования становится непри­годным, если ПАВ не является хорошим пенообразователем (например, для высших жирных спиртов, кислот и т. д.) или если концентрация недостаточна для образования устойчивой пены. Кроме того, по этому способу не удается добиться высо­ких степеней осушения пены и соответственно высоких коэффи­циентов концентрирования для некоторых ПАВ, склонных к структурообразованию в адсорбционных слоях и пенных плен­ках.

В этих случаях концентрирование ПАВ можно проводить, если в его раствор ввести хороший пенообразователь, который затем отделяют от данного ПАВ или применяют вместе с ним. Например, извлечение из культуральной жидкости низкомоле­кулярного антибиотика низина, являющегося консервантом, ве­дут с использованием пенообразователя Твин-80 [593]. Для проверки возможности достижения больших степеней концент­рирования некоторых ПАВ (сапонина, валериановой кислоты и белка а-химотрипсина) из их растворов было проведено изу­чение пенной сепарации их в смеси с додецилбензолсульфона - том натрня при различных соотношениях компонентов [591]. Процесс проводили под действием перепада давления Ар= = 5-103 Па, время осушения задавалось в зависимости от ус­тойчивости пены (минимальное время составляло 3—5 мин).

На рис. 10.7 приведены результаты определения кратности и времени жизни пей нз смесей валериановой кислоты и сапо­нина с додецилбензолсульфонатом натрия. Концентрация суль- фоната во всех опытах составляла 8,63-Ю-4 моль/л (0,3 г/л). Для смесн из валериановой кислоты и Na-додецилбензолсуль- фоната с увеличением содержания кислоты устойчивость пены монотонно снижается, а кратность при соотношении компонен­тов 20 : 1 проходит через максимум, а затем снова уменыпает-

Пенное концентрирование индивидуальных ПАВ и смесей

-10000

Пенное концентрирование индивидуальных ПАВ и смесей

Ip, мин

-5000

Свк/сддбс

Сс/(ддг>с


Рис. 10.7. Зависимость кратности и времени жизни пеиы прн действии пере­пада давления от соотношения концентраций компоиеитов-пеиообразова-

Телей:

А — валериановая кислота (ВК)/Додецил€ензолсульфонат натрия (ДДБС), концентрации компонентов выражены в моль/л, длина оси абсцисс соответствует интервалу 0—100 зна чеиий ^вк^ДДБС' ^ — сапокии (С)/додецилбензолсульфокат натрия (ДДБС), концентра­ции компонентов выражены в % (масс.)

Ся. Кратность и устойчивость пены из смеси сапонина и суль - фоната до массового соотношения 10:1 монотонно снижаются. В то же время, как показали исследования, устойчивость пены, полученной из чистого сапонина, значительно выше, чем пены из смесей сапонина с сульфонатом, а кратность, наоборот, су­щественно ниже кратности пены из одного додецилбензолсуль - фоната и смесей, обогащенных сульфонатом.

Поскольку в описываемых экспериментах для осушения пе­ны требовалось не менее 3—5 мин, то по условию сохранения контакта пены с фильтром концентрирование можно было про­вести прн соотношении концентрации компонентов до *=50 : 1 для смеси валериановая кислота/додецилбензолсульфонат и до 8:1 для смеси сапонин/ сульфонат (рис. 10.8). Наибольший коэффициент концентрирования валериановой кислоты, равный 60, достигается при соотношении компонентов 30: 1; концентра­ция извлеченной кислоты в пене составляет 1,5 моль/л. Следу­ет отметить, степень концентрирования валериановой кислоты в пене, осушаемой в гравитационном поле, очень низка [594].

Максимальная степень концентрирования сапонина из сме­си с Na додецилбензолсульфонатом составляла 70 при соотно­шении 1 : 2. Такой же коэффициент концентрирования достига­ется при извлечении сапонина из его растворов без добаво других ПАВ. Исследование процесса концентрирования сапони­на в потоке, а также с использованием большой ячейки, изго­товленной целиком из пористого стекла, показало, что в завн-

377


Пенное концентрирование индивидуальных ПАВ и смесей

Рис 10.8. Зависимость коэффициента концентрирования сапонина (С) (/) и валериановой кислоты (ВК) (2) нз их смесей с додецнлбензолсульфонатом

Натрия (ДДБС).

Концентрации компонентов в смесях для / указаны в % (масс ), для 2 — в моль/л

Симости от кратности пены степень концентрирования может быть повышена до 300—350.

Проведено также изучение процесса извлечения белка а - хнмотрипснна из его растворов с добавлением более эффектив­ных пенообразователей. Так, был достигнут высокий коэффици­ент концентрирования, равный 90, из системы, содержащей 2-Ю-5 моль/л этого белка, I - Ю~4 моль/л додецилсульфата натрия и 0,4 моль/л NaCI (рН=7,8). Пена, получаемая при данном соотношении компонентов, довольно устойчива, но крат­ность не превышала 1500 в отличие от пены из чистого доде­цилсульфата или додецилбензолсульфоната (п—Ю4) [57, 355J.

Из рис. 10.8 следует, что для обеих систем валериановая кислота/сульфонат и сапонин/сульфонат, несмотря на сильное различие в адсорбционных и пенообразующих свойствах пер­вого компонента, существует некоторое оптимальное соотноше­ние компонентов в смеси, при котором достигается максималь­ное концентрирование одного из компонентов. Это объясняется тем, что при малых концентрациях первого компонента (менее эффективного пенообразователя), когда влияние его на устой­чивость пены еще незначительно, коэффициент концентрирова­ния этого компонента повышается в результате увеличения его адсорбции и коэффициента разделения. При больших концент­рацнях этого компонента устойчивость пены сильно снижается, и получить высокократную сухую пену становится. невозмож­ным, поэтому коэффициент концентрирования обоих компоиеи тов резко уменьшается.

Таким образом, приведенные результаты позволяют заклю­чить, что метод осушения пены путем создания в ней высокого капиллярного давления может быть с успехом использован ие только для концентрирования ПАВ, являющихся хорошими пенообразователями, но и для концентрирования мало эффек тнвных стабилизаторов пены и ПАВ, образующих плохо осуша­емую иену со структурированным» пленками и адсорбционны­ми слоями.

Другие факторы (рН, температура, дисперсность пены, вы­сота столба пеиы, скорость подачи газа и жидкости и т. д.) влияют на эффективность концентрирования (величину R1) че­рез изменение адсорбции (влияние рН, температуры, типа и концентрации собирателя), а также через изменение скорости синерезиса, определяющего кратность и устойчивость пены (влияние дисперсности и высоты пенного столба). Результаты исследований влияния разнообразных факторов на пенное кон­центрирование ПАВ систематизированы в монографии [10J.

Пена и пенные пленки

  1. Пока что нет комментариев.