13-3泡沫分離法 (Foam Fractionation)

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1 13-3泡沫分離法 (Foam Fractionation)
Aquacultural Engineering W

2 泡沫分離法 泡沫分離法為 吸附作用將溶質濃縮於氣泡表面，移除液體表面由氣泡所形成之泡沫，即可去除濃縮之溶質。 將一或多種溶質吸附於氣泡表面，
以分離或濃縮溶解性物質之程序。 吸附作用將溶質濃縮於氣泡表面，移除液體表面由氣泡所形成之泡沫，即可去除濃縮之溶質。 2019/8/25

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4 氣泡分離法 (bubble fractionation)
除不生成泡沫外與泡沫分離法相同。 溶液中含表面活性物質但不形成泡沫時， 加以打氣， 液體表面溶質濃度升高， 將表層液體緩緩移除， 可降低底層液體中溶質濃度。 2019/8/25

5 泡沫分離器於水產養殖系統中之應用 去除有機物 泡沫分離器可用以去除表面活性物質或加入適當界面活性劑、螯合劑或化合物後可具有表面活性之溶質。
其中含有機酸，因而有助於養殖水pH值之控制 在細菌分解之前將蛋白質成分予以去除可降低氨濃度 泡沫分離器可降低養殖水中BOD、COD及硝酸鹽之累積 泡沫分離器可用以去除表面活性物質或加入適當界面活性劑、螯合劑或化合物後可具有表面活性之溶質。 泡沫分離器之效率於低溶質濃度時最佳。 2019/8/25

6 泡沫浮除基本理論 物相邊界之吸附現象(Gibbs‘ equation) Γ = (- a/RT)(dγ/da) (13.43)
Γ= 表面濃縮量(g mole/cm2) a = 溶質活性(g mole/cm3) R = 氣体常數(8.48  106 g/s2 mole deg K) T = 絕對溫度(deg K) γ= 表面張力(g/s2) 2019/8/25

7 泡沫分離器常用以處理低濃度溶質，故其活性可以分析濃度表示： Γ = (- C/RT)(dγ/dC)
若溶質為非離子性界面活性物質，且其濃度低於critical micelle concentration，則更適用方程式為Γ = (- 1/RT)[dγ/d(lnC)] critical micelle concentration (臨界膠質粒子濃度)：為一濃度值，超過時，界面活性劑凝結成團而非分散之單一分子 2019/8/25

8 溶液中，低濃度界面活性劑於氣泡上之吸附為單層吸附，Γ之近似值為 3  10-10 g mole/cm2。
Γ = (- 1/RT)[dγ/d(lnC)] dγ= (- 1/RTΓ)/d(lnC)] γ= (1/RTΓ) (lnC) 由實驗數據可推求Γ值﹕ 表面張力γ 與 ln C 呈直線關係，其斜率為 1/RTΓ， R 及 T 已知，故可得知 Γ 值。 溶液中，低濃度界面活性劑於氣泡上之吸附為單層吸附，Γ之近似值為 3  g mole/cm2。 critical micelle concentration (C.M.C.) 亦可定義為表面張力與對數濃度關係曲線上斜率急劇變化時之濃度。 其物理意義為：相交界面上呈飽和狀態，再加入溶質時溶質分子將於溶液中結合成團 。 2019/8/25

9 操作模式 (Modes of Operation)
簡單式(Simple mode) 濃縮模式(Enriching mode) 脫除模式(Stripping mode) 結合模式(Combined operating mode) 2019/8/25

10 簡易式 (Simple mode) Co = Cb + (GSΓb/Qo) Co = 泡沫溶質濃度 (g mole/cm3)
Cb = 底流溶質濃度 (g mole/cm3) G = 氣流量 (cm3/s) Γb = 氣泡表面濃縮量 (g mole/cm2) Qo = 泡沫流量 (cm3/s) S = 氣泡表面積與氣泡體積比 (cm-1) 2019/8/25

11 處理水溶質濃度 Cb = Cf - (GSΓb/Qf) (13.47)
Cf = 進流水溶質濃度 (g mole/cm3) Qf = 進流水流量 (cm3/s) 若空氣入口浸水深度足夠 (大部分使用 cm已足夠)，而管柱中氣泡很少合併，則泡沫分離器之操作效率近似於13.46 及 式 (Lemlich, 1968)。 2019/8/25

12 Col = Cb + (GSΓb/Qol) (13-48)
濃縮模式 Col = Cb + (GSΓb/Qol) (13-48) Qol = 不回流管柱之泡沫流量 (cm3/s) Cb = Cf - (GSΓb/Qf) 濃縮模式 可增加泡沫中溶質濃度， 但對底部之溶質濃度無影響。 2019/8/25

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14 脫除模式 Co = Cf + (GSΓf/Qo) (13.50) Cb = Cf - (GSΓf/Q) (13.51)
Cb = 底流溶質濃度 (g mole/cm3) Γf = 平衡時泡沫表面溶質濃縮量 (g mole/cm2) Q = 底流流量 (cm3/s) 脫除模式底部流體之溶質濃度降低。 2019/8/25

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16 Col = Cf + (GSΓf/Qol) (13-52)
結合模式 Col = Cf + (GSΓf/Qol) (13-52) Cb = Cf - (GSΓf/Q) (13.53) 使泡沫中溶質濃度最高而底部液體中溶質濃度最低 2019/8/25

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19 影響泡沫分離器操作之變數 基本變數 第二變數 (1) 溶劑、氣體及溶質之本質; (2) 溶質濃度
(3) 氣體流量; (4) pH 值; (5)溫度及 (6) 管柱變數 (管柱高與直徑、進水口浸水深、操作模式、進氣方式) 第二變數 溶質之溶解度 (2) 表面張力 (3) 黏滯性 (4) 平衡關係 (5) 吸附動力 (6) 泡沫性質： 結構、穩定性、乾燥度、密度等 (7) 氣泡變數：分佈、數目及相關性質。 2019/8/25

20 溶劑、氣體及溶質之本質 養殖系統中 可以為泡沫分離器去除之物質必須 溶劑為水、氣體為空氣，溶質為蛋白質、乙醇、有機酸及類似物質，
亦包括無機物：氨、磷酸鹽、硫酸鹽及鈣等化合物。 可以為泡沫分離器去除之物質必須 為表面活性物質 非表面活性物質需能起化學反應以產生表面活性化合物或可因靜電吸附於界面活性劑上 2019/8/25

21 表面張力與溶質濃度呈對數關係 2019/8/25

22 表面濃縮量與濃度關係 2019/8/25

23 濃縮比 (Enrichment ratio)：
泡沫分離器 於低濃度時操作效率最佳，尤其是濃度低於C.M.C.時 於等電點pH值時，蛋白質之抽出率最佳 氣體流量影響可用以吸附之表面積， 提高氣體流量可增加氣體表面積直至產生氣泡結合現象。 增加氣體流量，將增加泡沫流量，及降低泡沫排除時間，因含水量較高，所以泡沫密度升高 濃縮比 (Enrichment ratio)： 泡沫中溶質濃度/進流水溶質濃度。 濃縮比隨氣體流量增加而降低。 2019/8/25

24 進氣口條件 溫度影響液體之粘滯性及表面張力， 分離器之物理性變數亦影響其操作， 影響氣體需求量， 氣泡越小，表面/體積比越大；
氣泡大小視進氣孔口大小、溶液性質及氣體結合量而定。 溫度影響液體之粘滯性及表面張力， 粘性增加將降低泡沫排水率，使泡沫較溼 分離器之物理性變數亦影響其操作， 增加管柱高度可產生高溶質濃度之較乾燥泡沫， 管柱直徑增加將降低總去除量、表面濃縮率及濃縮比， 均勻地注入空氣可提高效率 2019/8/25

25 第二類變數 降低溶質溶解度， 分離效率影響因素 將增加泡沫分離效率； 溶質之可溶性越小，往相界面移動速度越快，亦越完整，
此使界面之表面活性物質濃度較高，因而增加抽出率。 分離效率影響因素 (1) 溶質間及溶劑溶質間之化學平衡 (2) 溶液與泡沫液體中溶質濃度之平衡 2019/8/25

26 N = NI exp -[0.48 Ni]9.25 x 10exp(–2t) (13.57)
泡沫分離器在水產養殖上之應用 處理人工海水養殖系統中氮化合物之效率 N = NI exp -[0.48 Ni]9.25 x 10exp(–2t) (13.57) N = 分餾處理t時間後，水中殘留總氮濃度 (ppm) Ni = 開始處理時，水中總氮濃度 (ppm) exp = 指數函數 t = 時間 (h) 系統可去除之最低限度為6 ppm total-N 及 10 ppm of COD or BOD 使用分離器之系統pH值較高、氨濃度低、細菌密度低 2019/8/25