El fraccionamiento de espuma es un proceso químico en el que las moléculas hidrófobas se separan preferentemente de una solución líquida mediante columnas ascendentes de espuma . Se utiliza habitualmente, aunque a pequeña escala, para la eliminación de residuos orgánicos de los acuarios ; estas unidades se conocen como " desnatadoras de proteínas ". Sin embargo, tiene una aplicación mucho más amplia en la industria de procesos químicos y puede usarse para la eliminación de contaminantes tensioactivos de corrientes de aguas residuales, además del enriquecimiento de bioproductos.
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] realizó un esfuerzo concertado para caracterizar un modelo de procesos de separación de burbujas por adsorción, 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 quedaron satisfechos con descripciones empíricas de sistemas específicos en lugar de intentar un modelo mecanicista del proceso, y posiblemente sea 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 asociado de flotación de la 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 manera, se pueden separar partículas relativamente hidrófobas de partículas relativamente hidrófilas. La flotación por espuma se utiliza normalmente para separar partículas de carbón de las cenizas o partículas de minerales valiosos del material de ganga . Fue una investigación sobre la fase de espuma de la flotación de espuma realizada en la Universidad de Newcastle, Australia , específicamente sobre la predicción de la fracción líquida y el flujo de líquido en una espuma neumática, la que permitió una descripción mecanística preliminar del fraccionamiento de la espuma. [3] Las sinergias entre el fraccionamiento de espuma y la flotación de espuma se exploraron en un número especial de 2009 del Asia Pacific Journal of Chemical Engineering .
Robert Lemlich mostró cómo las columnas de fraccionamiento de espuma pueden operarse en modo de extracción, enriquecimiento o combinado (dependiendo de si la alimentación se envía a la parte superior, inferior o media de la columna) y pueden operarse con o sin una corriente de reflujo externa en la parte superior de la columna. Es útil pensar que el proceso es similar a una columna de absorción de gas-líquido. Las diferencias son que:
Al igual que en la absorción 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 el tamaño de la burbuja cambia con la altura en la columna, ya sea mediante coalescencia o maduración de Ostwald , se puede diseñar una fuente interna de reflujo dentro de la columna.
Como en muchos procesos químicos, existen consideraciones contrapuestas de recuperación (es decir, el porcentaje de surfactante objetivo que se reporta a la corriente de espumado de cabeza) y enriquecimiento (es decir, la relación entre la concentración de surfactante en el espumato y la concentración en la alimentación). Un método rudimentario para avanzar en el espectro de enriquecimiento-recuperación es controlar la velocidad del gas hacia la columna. Una tasa de gas más alta significará una mayor recuperación pero un menor enriquecimiento.
El fraccionamiento de la espuma se produce mediante dos mecanismos:
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 y la velocidad del gas, entre otros . La condición hidrodinámica se describe en la teoría hidrodinámica de la espuma ascendente. [5]