Skumfraktionering

Skumfraktionering är en kemisk process där hydrofoba molekyler företrädesvis separeras från en flytande lösning med hjälp av stigande kolonner av skum . Det används vanligen, om än i liten skala, för att avlägsna organiskt avfall från akvarier ; dessa enheter är kända som " proteinskummare ". Det har dock en mycket bredare tillämpning inom den kemiska processindustrin och kan användas för att avlägsna ytaktiva föroreningar från avloppsvattenströmmar utöver anrikningen av bioprodukter.

Historia

Även om proteinskummare har varit vanligt förekommande i akvarier i många år, var det inte förrän på 1960-talet som Robert Lemlich från University of Cincinnati gjorde en gemensam ansträngning för att karakterisera en modell av processer för adsorptiv bubble-separation, varav skumfraktionering är ett exempel. . Fram till mitten av 2000-talet fanns det mycket lite vidareutveckling av skumfraktionering eller försök att förstå processens underliggande fysik. Många arbetare var nöjda med empiriska beskrivningar av specifika system snarare än att försöka en mekanistisk modell av processen, och det är möjligen av denna anledning som antagandet av tekniken har gått långsamt trots dess enorma potential.

Skumfraktionering är nära besläktad med den allierade processen med skumflotation där hydrofoba partiklar fäster på ytan av bubblor som stiger för att bilda ett pneumatiskt (dvs stigande) skum. På detta sätt kan relativt hydrofoba partiklar separeras från relativt hydrofila partiklar. Skumflotation används vanligtvis för att separera kolpartiklar från aska eller partiklar av värdefulla mineraler från gångmaterial . Det var forskning om skumfasen av skumflotation utförd vid University of Newcastle, Australien , specifikt om förutsägelsen av flytande fraktioner och flytande flöde i ett pneumatiskt skum, som möjliggjorde en preliminär mekanistisk beskrivning av skumfraktionering. Synergierna mellan skumfraktionering och skumflotation har undersökts i ett specialnummer 2009 av Asia Pacific Journal of Chemical Engineering .

Designöverväganden

Robert Lemlich visade hur skumfraktioneringskolonner kan drivas i strippnings-, anriknings- eller kombinerade lägen (beroende på om inmatningen skickas till toppen, botten eller mitten av kolonnen), och kan drivas med eller utan en extern återflödesström vid toppen av kolumnen. Det hjälper att tänka på processen som liknar en gas-vätskeabsorptionskolonn. Skillnaderna är att:

1. Målmolekylerna adsorberar till en yta, snarare än absorberar genom att färdas in i huvuddelen av en fas från en annan, och
2. Skummet tillhandahåller autogent packningen i kolonnen.

Precis som vid gas-vätskeabsorption kan antagandet av återflöde i toppen av kolonnen skapa flera jämviktssteg i kolonnen. Men om man kan kontrollera hastigheten med vilken bubbelstorleken ändras med höjden i kolonnen, antingen genom koalescens eller Ostwald-mognad , kan man konstruera en intern källa för återflöde i kolonnen.

Liksom i många kemiska processer finns det konkurrerande överväganden om återvinning (dvs. procentandelen av målsurfaktant som rapporterar till den övre skummatströmmen) och anrikning (dvs förhållandet mellan koncentrationen av ytaktivt ämne i skummatet och koncentrationen i inmatningen). En rå metod för att förflytta sig på anriknings-återvinningsspektrumet är att styra gashastigheten till kolonnen. En högre gashastighet kommer att innebära högre utvinning men lägre anrikning.

Skumfraktionering sker via två mekanismer:

1. Målmolekylen adsorberas till en bubbelyta, och
2. Bubblorna bildar ett skum som färdas upp i en kolonn och släpps ut i skumfraktioneringsflödet.

Hastigheten med vilken vissa icke-joniska molekyler kan adsorbera till bubbelytan kan uppskattas genom att lösa Ward-Tordai-ekvationen. Anrikningen och återvinningen beror på det hydrodynamiska tillståndet hos det stigande skummet, vilket är ett komplext system som är beroende av bubbelstorleksfördelning, spänningstillstånd vid gränsytan mellan gas och vätska, hastighet av bubbelkoalescens, gashastighet bland annat . Det hydrodynamiska tillståndet beskrivs av Hydrodynamic Theory of Rising Foam.

Ansökningar

1. Anrikning av lösningar av biomolekyler inom läkemedels- och livsmedelsteknik.
2. Borttagning av ytaktiva föroreningar från strömmar av avloppsvatten.
3. Borttagning av icke-ytaktiva föroreningar från strömmar av avloppsvatten (som metalljoner) med hjälp av en eller flera assisterande ytaktiva ämnen.
4. Avlägsnande av skummare nedströms skumflotationsoperationer (känd som skumavdrivning).