El fraccionamiento de espuma es un proceso químico en el que las moléculas hidrófobas se separan preferentemente de una solución líquida utilizando columnas ascendentes de espuma . Se utiliza comúnmente, aunque a pequeña escala, para la eliminación de desechos orgánicos de los acuarios ; estas unidades se conocen como " skimmers de proteínas ". Sin embargo, tiene una aplicación mucho más amplia en la industria de procesos químicos y se puede utilizar para la eliminación de contaminantes tensioactivos de corrientes de aguas residuales, además del enriquecimiento de bioproductos.
Historia
Si bien los skimmers de proteínas han sido un lugar común en los acuarios durante muchos años, no fue hasta la década de 1960 que Robert Lemlich de la Universidad de Cincinnati [1] [2] hizo un esfuerzo concertado para caracterizar un modelo de procesos de separación de burbujas adsortivas, de cuyo fraccionamiento de espuma es un ejemplo. Hasta mediados de la década de 2000, hubo muy poco desarrollo adicional del fraccionamiento de espuma o intentos de comprender la física subyacente del proceso. Muchos trabajadores se mostraron satisfechos con descripciones empíricas de sistemas específicos en lugar de intentar un modelo mecanicista del proceso, y es posiblemente por esta razón que la adopción de la tecnología ha sido lenta a pesar de su enorme potencial.
El fraccionamiento de la espuma está estrechamente relacionado con el proceso afín de la flotación por espuma en el que las partículas hidrófobas se adhieren a la superficie de las burbujas que se elevan para formar una espuma neumática (es decir, ascendente). De esta forma, las partículas relativamente hidrófobas se pueden separar de las partículas relativamente hidrófilas. La flotación por espuma se usa típicamente para separar partículas de carbón de cenizas o partículas de minerales valiosos del material de ganga . Fue una investigación sobre la fase de espuma de la flotación por espuma realizada en la Universidad de Newcastle, Australia , específicamente en la predicción de la fracción líquida y el flujo de líquido en una espuma neumática, lo que permitió una descripción mecanicista preliminar del fraccionamiento de la espuma. [3] Las sinergias entre el fraccionamiento de la espuma y la flotación por espuma se han explorado en un número especial de 2009 del Asia Pacific Journal of Chemical Engineering .
Consideraciones de diseño
Robert Lemlich mostró cómo las columnas de fraccionamiento de espuma se pueden operar en modos de extracción, enriquecimiento o combinados (dependiendo de si la alimentación se envía a la parte superior, inferior o central de la columna), y se pueden operar con o sin una corriente de reflujo externa en la parte superior de la columna. Ayuda pensar que el proceso es similar a una columna de absorción de gas-líquido. Las diferencias son que:
- Las moléculas objetivo se adsorben en una superficie, en lugar de absorber viajando hacia la mayor parte de una fase desde otra, y
- La espuma proporciona de forma autógena el relleno dentro de la columna.
Al igual que en la absorción de gas-líquido, la adopción de reflujo en la parte superior de la columna puede generar múltiples etapas de equilibrio dentro de la columna. Sin embargo, si se puede controlar la velocidad a la que cambia el tamaño de la burbuja con la altura en la columna, ya sea por coalescencia o por maduración de Ostwald , se puede diseñar una fuente interna de reflujo dentro de la columna.
Como en muchos procesos químicos, existen consideraciones competitivas de recuperación (es decir, el porcentaje de tensioactivo objetivo que informa a la corriente de espumado de cabeza) y enriquecimiento (es decir, la relación entre la concentración de tensioactivo en el foamato y la concentración en la alimentación). Un método burdo de avanzar en el espectro de enriquecimiento-recuperación es controlar la tasa de gas a la columna. Una tasa de gas más alta significará una mayor recuperación pero un menor enriquecimiento.
El fraccionamiento de la espuma se realiza mediante dos mecanismos:
- La molécula objetivo se adsorbe a la superficie de una burbuja y
- Las burbujas forman una espuma que asciende por una columna y se descarga en la corriente de espumado del fraccionamiento de la espuma.
La velocidad a la que ciertas moléculas no iónicas pueden adsorberse en la superficie de la burbuja se puede estimar resolviendo la ecuación de Ward-Tordai. [4] El enriquecimiento y la recuperación dependen de la condición hidrodinámica de la espuma ascendente, que es un sistema complejo que depende de la distribución del tamaño de las burbujas, el estado de tensión en la interfaz gas-líquido, la velocidad de coalescencia de las burbujas, la velocidad del gas, entre otros . La condición hidrodinámica está descrita por la teoría hidrodinámica de la espuma ascendente. [5]
Aplicaciones
- Enriquecimiento de las soluciones de biomoléculas en tecnologías farmacéuticas y alimentarias.
- Eliminación de contaminantes tensioactivos de corrientes de aguas residuales.
- Eliminación de contaminantes no tensioactivos de corrientes de aguas residuales (como iones metálicos) con la ayuda de uno o más tensioactivos auxiliares.
- La eliminación del vaporizador aguas abajo de las operaciones de flotación de espuma (conocida como extracción del vaporizador).
Notas
- ^ Lemlich R, Lavi E 1961 Fraccionamiento de espuma con reflujo, Science 134 , p.191
- ^ Lemlich R 1968 Técnicas de separación de burbujas adsortivas: Fraccionamiento de espuma y técnicas afines, Química industrial y de ingeniería 60 p.16
- ^ Stevenson P, Jameson GJ 2007 Modelado de fraccionamiento continuo de espuma con reflujo, Ingeniería química y procesamiento 39 , p.590
- ^ Ward AFH & Tordai L 1946 Dependencia del tiempo de la tensión límite de las soluciones I.el papel de la difusión en los efectos del tiempo, Journal of Chemical Physics 14 , p.453
- ^ Stevenson P 2007 Teoría hidrodinámica de la espuma ascendente, Minerals Engineering 20 , p.282