CN117242037A - 分离方法 - Google Patents

Abstract

一种从被两亲性物质污染的水中分离微量该物质的方法，该方法包括以下步骤：允许一定量的包含初始浓度的该物质的水经由进入腔室的入口进入该腔室中；‑将气体流引入到腔室中，其中所述引入的气体引起该腔室中的水流动，并产生泡沫层，该泡沫层形成于所述流的界面处并上升到该界面上方；‑控制上升到界面上方的泡沫层的含水量以影响其中物质的浓度；和‑从腔室的上部部分去除至少一些泡沫层。

Description

分离方法

技术领域

本公开涉及一种用于从水中分离物质的装置以及使用该分离装置的方法。在一种形式中，该装置和方法可应用于去除存在于已从地体中提取的地下水中的稀污染有机材料。然而，该装置和方法还可以应用于从所有类型的污染水源中去除无机材料或污染物。

背景技术

全氟烷基或多氟烷基物质(PFAS)包括一系列多氟化烷基物质(包括但不限于不同碳链长度的羧酸、烷基磺酸盐、烷基磺酰胺基化合物和含氟调聚物化合物及其前体)。PFAS具有广泛的用途，包括作为专门的消防产品，或用于纺织品、皮革和地毯的浸渍或涂覆，或用于地毯清洁化合物，以及航空液压液、金属电镀、农业(用于某些类型蚂蚁的捕虫器)、照相成像、电子制造和不粘炊具应用。

较高等级的PFAS降解为特定终点PFAS化学品(包括但不限于全氟辛烷磺酸盐(PFOS)、全氟辛酸(PFOA)和全氟己烷磺酸盐(PFHxS)。这些优先关注的化合物能够抵抗生物或非生物降解，因此在环境中持久存在。它们难以分解，有生物累积性，并且被认为会污染土壤、地下水和饮用水源。

已知PFAS会污染地下水，包括饮用水源。PFOS、PFHxS和PFOA已经在大多数发达国家司法管辖区发布了人类健康和环境监管标准。由于新的研究毒理学数据表明潜在的风险关联，预计其他PFAS化合物将被确定为关注污染物。需要补救方法以处理优先的PFAS化合物。

通过使空气鼓泡通过地下水或在地下水井中鼓泡(也称为“空气剥离”)来去除挥发性有机化合物(VOC)的技术在许多出版物中已为人所知。然而，还已知此类技术无法处理受PFAS污染的地下水。在最近的研究中，呈现了来自美国一处受PFAS污染的地点的数据，在该地点先前曾使用空气剥离来去除VOC，但在该活动的超过25年后，所调查的地点仍然存在高的、持续的PFAS污染，需要进行修复(Environ.Sci.Pollut.Res(2013)20:1977-1992pp)。虽然它们是可溶的，但大多数长链PFAS(包括PFOS和PFOA)具有低到极低的蒸气压，这意味着它们不易挥发，因此空气剥离并不是无效的补救措施。

已证明，使用常规的圆柱形分馏柱可以从受遗留的消防泡沫制剂(例如3MLightwater)影响的地下水和地表水中去除PFAS，该PFAS的特征在于较高的长链/短链浓度比，进水总可检测平均PFAS浓度在3μg/l至9μg/l之间。

许多受地下水/地表水PFAS污染影响的环境场所通常通过0.1-1μg/l范围内的总可检测PFAS浓度来定义，这代表微量或超低水平污染。受超微量水平(<0.1μg/l)PFAS影响的水(例如，饮用水和垃圾填埋场渗滤液)以及受微量水平(<1μg/l)PFAS影响的水(例如，工业废水和场外环境地下水/地表水)需要能够处理和从曝气水柱去除足够PFAS质量以实现可收获泡沫的初级分馏过程，随后使用后续的二级/三级泡沫分馏过程进行再处理以进一步富集。

然而，已证明，当使用常规的圆柱形柱几何结构时，很难证明微量水平(<1μg/l)和超微量水平(<0.1μg/l)进水总可检测平均PFAS浓度的泡沫分馏能力。需要改进的初级分馏过程和装置以去除PFAS并产生稳定的泡沫产品。

发明内容

在第一方面，提供了一种从被物质污染的水中分离一定量该物质的方法，该方法包括以下步骤：使一定量的包含初始浓度的该物质的水经由进入腔室的入口进入该腔室中；将气体流引入到腔室中，其中所述引入的气体引起水在腔室中流动，并且产生泡沫层，该泡沫层形成于腔室中所述水流与引入的气体流的界面处并且上升到界面上方，该泡沫层包含一定量的水还有与其初始浓度相比富集量的该物质；控制上升到界面上方的泡沫层的含水量以影响其中的物质浓度；并且从腔室上部去除至少一些泡沫层。

在某些实施方案中，针对特定的处理情况，气体流和泡沫层的产生以分批模式进行。

在一些实施方案中，控制泡沫层的含水量的步骤通过来自包含以下各项的组的方式进行：控制引入的气体流的物理参数；和控制泡沫层的物理参数。

在一些实施方案中，控制引入的气体流的物理参数的步骤包括使用流量控制器和入口阀来控制所述引入的气体流进入腔室。

在一些实施方案中，控制引入的气体流的物理参数的步骤包括使用气泡发生器件，该气泡发生器件位于所述引入的气体进入位于腔室中的水中之前或之处。气泡发生器件可包括位于腔室内并与水接触的空气鼓泡器(或等同术语，比如起泡器、玻璃料、曝气器、曝气扩散器、空气石等)。另一种类型的气泡发生器件可涉及将空气引入到穿过例如文丘里膨胀器等的水流中，以在原位产生细小的空气泡，然后将该曝气的流通入腔室中。本发明人采用后一实施方案是因为其简单易行，并且是使进入腔室的空气输送最大化的方式。

在某些实施方案中，控制泡沫层的物理参数的步骤还包括使用用于将泡沫的横截面流动路径限制在腔室的上部部分中的器件，导致所述泡沫层的排水。成形为限制或挤压上升的泡沫层的装置可以导致额外的泡沫层排水，并且可能包括泡沫流的横截面开放面积的变化，例如，通过使用例如泡沫挤塞器、窄颈通道或通路或毛细管、圆锥形漏斗、堰式撇油器等。

在一些实施方案中，泡沫层在所述从腔室的上部部分去除的步骤期间并且在经历二次处理步骤之前塌陷。在一种形式的这种实施方案中，在所述从腔室的上部部分去除的步骤期间并且在经历二次处理步骤之前，泡沫层塌陷。

在一些示例中，通过使用来自包含泡沫消除器、真空抽取器件和泡沫抽取头的组的机械装置使泡沫层塌陷。

布置在腔室内固定位置处的泡沫深度调节器件需要不断调节界面的位置，这可以通过改变例如引入的气体流或通过改变流入水/流出水的相对速率(在连续过程系统中)而容易地改变。液位传感器可以发出水位是否过高或过低的信号，并控制引入的气体或流入水/流出水的流动以置换一定量的水，从而将水位的静态高度提高到理想的动态(操作)高度和被认为给出足够的泡沫排水特性的泡沫层深度。

在一些实施方案中，该方法还包括从腔室的上部部分去除至少一些泡沫层的步骤。该步骤可以间歇地完成，而不是连续地完成，例如以间歇式操作完成。

在一些实施方案中，用于处理包含富集的物质的塌陷泡沫层的二次处理步骤使用包括以下各项的组中的至少一种过程：吸附(使用活性炭、粘土或离子交换树脂)、过滤(使用反渗透膜)；真空蒸馏；滚筒干燥；以及将更多量的气体引入到单独的容纳装置中以产生包含进一步富集量的物质的另一泡沫层，这后一步骤基本上是在腔室中进行的富集步骤的重复，以便进一步减少需要从处理地点运输的富集物体积；或者以其他方式处理。

在一些实施方案中，该物质是有机的，并且在一种形式中，该有机物质是全氟烷基物质或多氟烷基物质(PFAS)中的至少一种。更具体地，全氟烷基或多氟烷基物质(PFAS)包括包含以下各项的组中的一种或多种：全氟辛烷磺酸盐(PFOS)；全氟辛酸(PFOA)；全氟正己烷磺酸(PFHxS)；全氟壬酸(PFNA)；全氟癸酸(PFDA/Ndfda)；6:2-含氟调聚物磺酸盐化合物(6:2FTS)；8:2-含氟调聚物磺酸盐化合物(8:2FTS)；和全氟辛酸(PFHpA)；多氟羧酸、烷基磺酸盐和烷基磺酰胺基化合物；以及含氟调聚化合物，以上各种物质各自具有不同的碳链长度；并包括这些物质的前体。

在第二方面，提供了一种用于从被物质污染的水中分离一定量的该物质的装置，该装置包括：具有入口的腔室，其被布置为在使用中允许一定量的污染水进入其中，该污染水包含初始浓度的物质；气体引入器件，其在使用中允许气体进入腔室中，引入的气体用于引起水在腔室内流动，并且用于产生泡沫层，该泡沫层形成于腔室中所述水流与引入的气体的界面处并上升到该界面上方，泡沫层包含一定量的水还有与其初始浓度相比的富集量的物质；其中，该装置被布置为在使用中将泡沫层容纳在腔室的上部部分附近，并控制上升到界面上方的泡沫层的含水量，以影响其中的物质的浓度；以及用于从腔室的上部部分去除至少一些泡沫层的装置。

在一些实施方案中，气泡发生器件位于引入的气体流进入位于腔室中的水中之前或之处。

在一些实施方案中，所述气体引入器件包括一个或多个气体入口流管，这些气体入口流管围绕腔室的周向外周壁布置并且经由所述外周壁中的相应开口延伸到腔室的内部，用于允许气体进入腔室。

在一些实施方案中，用于提供对泡沫层的含水量的控制的装置包括用于以下至少一项的装置：控制引入的气体流的物理参数；以及控制泡沫层的物理参数。

在一些实施方案中，用于控制引入到腔室中的气体流的物理参数的装置包括，响应于包括以下各项的组中的一项的测量来使用流量控制器和气体输送管线上的入口阀：泡沫层的含水量；泡沫层的泡沫稳定性；腔室中界面的位置。

在一些实施方案中，泡沫深度调节器件布置用于限制在腔室中的泡沫的横截面流动路径，导致所述泡沫层的限制和排水。成形为限制或挤压上升的泡沫层的装置可以导致额外的泡沫层排水，并且可能包括泡沫流的横截面开放面积的变化，例如，通过使用例如泡沫挤塞器、窄颈通道或通路或毛细管、圆锥形漏斗、堰式撇油器等。

在一些实施方案中，该装置还包括泡沫层去除器件，其中至少一些泡沫层在从腔室的最上部区域去除至少一些泡沫层期间并且在二次处理步骤之前塌陷。

在一些实施方案中，该装置还包括用于在使用中处理塌陷的泡沫层以去除富集物质的二次处理器件，其中该处理器件包括包含以下各项的组中的至少一项：吸附(使用活性炭、粘土或离子交换树脂)、过滤(使用反渗透膜)；真空蒸馏；滚筒干燥；以及将更多量的气体引入到单独的容纳装置中以产生包含进一步富集量的物质的另一泡沫层，该后一步骤基本上是在第一级分离腔室中发生的富集步骤的重复，针对前面叙述的与该装置的使用方法相关的优点。

在一个实施方案中，用于控制泡沫层的含水量的装置被布置在腔室内的固定位置，并且界面的位置可响应于引入气体的流动而进行调节，使得泡沫深度可以相对于装置稳定定位。在一个具体实施方案中，用于控制泡沫层的含水量的装置包括流量控制器和气体输送管线上的入口阀，用于控制引入的气体流。在另一具体实施方案中，用于控制泡沫层的含水量的装置还包括气泡发生器件，该器件位于气体输送管线中引入的气体流进入位于腔室中的水中之前或之处。

在一些实施方案中，用于控制泡沫层的含水量的装置可包括用于控制泡沫层的物理参数的其他器件。在该方案的一种形式中，所述器件控制在腔室中的泡沫的横截面流动路径，从而导致泡沫限制和排水。成形为限制或挤压上升的泡沫层的装置可以导致额外的泡沫层排水，并且可能包括泡沫流的横截面开放面积的变化，例如，通过使用例如泡沫挤塞器、窄颈通道或通路或毛细管、圆锥形漏斗、堰式撇油器等。

在第三方面，提供了一种从被物质污染的水中分离一定量该物质的方法，所述方法包括以下步骤：允许所述污染水经由进入腔室的入口引入到该腔室中；将气体流引入腔室的最下部区域，其中引入的气体引起腔室中的水向上流动，并产生泡沫层，该泡沫层上升到腔室的上部部分与水的界面上方，该泡沫层包含与首先被允许进入腔室的污染水中的浓度相比富集量的物质；收集足够量的所述泡沫层，并且在允许其塌陷回液体形式之后，将所述液体经由进入第二腔室中的入口通入该第二腔室；将气体流引入第二腔室的最下部区域，其中引入的气体引起所述腔室中的水向上流动，并产生泡沫层，该泡沫层上升到第二腔室的上部部分与水的界面上方，泡沫层包含进一步富集量的物质；以及在所述第二腔室中，调节以下各项中的至少一项：(i)使用泡沫层深度调节系统调节界面上方的泡沫层的深度，和(ii)调节腔室中的水的深度，所述调节响应于界面位置的移动；从而控制第二腔室最上部区域附近的泡沫层的含水量，以影响其中物质的浓度。

在一些实施方案中，对于所述第一腔室或所述第二腔室中的至少一个，气体的向上流动和泡沫层的产生以间歇操作方式发生。

在一些实施方案中，控制腔室上部区域中泡沫层的含水量的步骤通过包含以下各项的组中的至少一项进行：控制引入的气体流的物理参数；和控制泡沫层的物理参数。

在一些实施方案中，控制腔室中的水的深度的步骤通过包含以下各项的组中的至少一项进行：控制引入的气体流的物理参数；以及控制进入的额外水流。

在一些实施方案中，第三方面的方法的步骤另外如第一方面所定义。

在该方法的一些实施方案中，用于处理包含富集的物质的塌陷的泡沫层的二次处理步骤使用包括以下各项的组中的至少一种过程：吸附(使用活性炭、粘土或离子交换树脂)、过滤(使用反渗透膜)；以及将更多量的气体引入到单独的容纳装置中以产生包含进一步富集量的物质的另一个泡沫层。

当结合附图阅读时，其他方面、特征和优点将从下面的详细描述中变得更加明显，附图形成本公开的一部分并且通过示例的方式示出了所公开的发明的原理。

附图说明

附图有助于理解本公开的装置、系统和方法的实施方案。为了简化命名并便于更好地理解每个实施方案，应当注意的是，在每幅图中，与其他实施方案的附图中示出的那些功能部件相似的功能部件被赋予了相似的部件编号。然而，不同的实施方案通过类似部件编号后面的字母来区分，例如泡沫浮选池10、10A、10B、10C。

图1示出了根据本公开一个实施方案的用于从被物质污染的水中分离一定量该物质的泡沫浮选(或泡沫分馏)装置的示意性顶部透视图，该装置包括圆锥形浮选腔室和布置成有利于泡沫排水的第二腔室；

图2示出了图1的装置的俯视平面图；

图3示出了图1的装置的示意性侧视图；

图4示出了图1的泡沫浮选装置中的圆锥形浮选腔室和布置成有利于泡沫排水的第二腔室的示意性顶部透视图。

图5示出了图4的装置的俯视平面图，示出了竖直截面F-F和D-D；

图6示出了当沿竖直截面F-F的方向观察时图4和图5的装置的示意性截面侧视图；

图7示出了当沿竖直截面D-D的方向观察时图4和图5的装置的示意性截面侧视图；

图8示出了图7的装置的示意性详细截面侧视图，是圆圈E中所示部分的详细视图。

图9示出了根据本公开的另一个实施方案的圆锥形浮选腔室和布置成有利于泡沫排水的第二腔室的示意性截面侧视图，这些腔室各自形成用于从被物质污染的水中分离一定量该物质的装置的一部分；

图10示出了根据本公开的另一个实施方案的泡沫浮选腔室的底部以及在其下方延伸的排水管道的示意性底侧透视图，它们各自形成用于从被物质污染的水中分离一定量该物质的装置的一部分；

图11示出了根据本公开的另一个实施方案的用于从被物质污染的水中分离一定量该物质的泡沫浮选(或泡沫分馏)装置的示意性顶部透视图，该装置包括圆锥形浮选腔室和布置成有利于泡沫排水的第二腔室；

图12示出了图11的装置的俯视平面图；

图13示出了图11的装置的示意性侧视图；

图14示出了图11的泡沫浮选装置中的圆锥形浮选腔室和布置成有利于泡沫排水的第二腔室的示意性顶部透视图。

图15示出了图14的装置的俯视平面图，示出了竖直截面K-K和M-M；

图16示出了图14和15的装置的示意性侧视图，示出了水平截面N-N、O-O和P-P；

图17示出了当沿竖直截面K-K的方向观察时图14和15的装置的示意性截面侧视图；

图18示出了图17的装置的示意性、详细的截面侧视图，是圆圈L中所示的部分的详细视图；

图19示出了当沿竖直截面M-M的方向观察时图14和图15的装置的示意性截面侧视图；

图20示出了图14的装置的示意性侧视图；

图21示出了当沿水平截面P-P的方向观察时图14和图16的装置的示意性俯视平面图；

图22示出了当沿水平截面N-N的方向观察时图14和图16的装置的示意性俯视平面图；和

图23示出了当沿水平截面O-O的方向观察时图14和16的装置的示意性俯视平面图；

图24示出了根据本公开的另一个实施方案的用于从被物质污染的水中分离一定量该物质的泡沫浮选(或泡沫分馏)装置的示意性顶部透视图，该装置包括圆锥形浮选腔室和布置成有利于泡沫排水的第二腔室；

图25示出了图24的泡沫浮选装置中的圆锥形浮选腔室和布置成有利于泡沫排水的第二腔室的示意性顶部透视图。

图26示出了图25的装置的俯视平面图，示出了竖直截面K-K和M-M；

图27示出了图25和26的装置的示意性侧视图，示出了水平截面N-N、O-O和P-P；

图28示出了当沿竖直截面K-K的方向观察时图25和26的装置的示意性截面侧视图；

图29示出了图28的装置的示意性、详细的截面侧视图，是圆圈L中所示的部分的详细视图；

图30示出了当沿竖直截面M-M的方向观察时图25和图26的装置的示意性截面侧视图；

图31A示出了图25的装置的示意性侧视图；

图32A示出了当沿水平截面P-P的方向观察时图25和27的装置的示意性俯视平面图；

图33A示出了当沿水平截面N-N的方向观察时图25和27的装置的示意性俯视平面图；和

图34A示出了当沿水平截面O-O的方向观察时图25和27的装置的示意性俯视平面图；

图31示出了根据本公开的另一个实施方案的配备有最上面的垂直回流柱实验模型测试单元的平底锥形瓶的照片，以演示圆锥形浮选池的原理；

图32示出了根据现有技术的用于从被物质污染的水中分离一定量该物质的泡沫浮选(或泡沫分馏)装置的示意性顶部透视图，该装置包括常规的圆柱形柱浮选腔室和位于其上方的布置为捕获富集物并有利于泡沫排水的第二腔室；

图33示出了图32的装置的示意性截面侧视图；

图34示出了根据现有技术的泡沫浮选(或泡沫分馏)装置的示意性顶部透视图，该装置包括常规的圆柱形第二腔室，该腔室在使用中位于柱状浮选腔室上方并且布置成捕获和排水泡沫富集物；

图35示出了图34的装置的示意性截面侧视图；

图36示出了根据本公开的另一实施方案的用于从被物质污染的水中分离一定量的物质的泡沫浮选(或泡沫分馏)装置的示意性俯视透视图，该装置包括部分圆柱形和部分圆锥形的浮选腔室，以及布置成有利于泡沫排水的第二腔室；

图37示出了图36的装置的示意性截面侧视图；

图38示出了根据本公开的另一实施方案的泡沫浮选(或泡沫分馏)装置的示意性俯视透视图，该装置包括常规的圆柱形第二腔室，其在使用中位于圆锥形和柱状浮选腔室上方并且布置成捕获和排水离开第二腔室的泡沫富集物；

图39示出了图34的装置的示意性截面侧视图；

图40示出了根据现有技术的用于从被物质污染的水中分离一定量该物质的泡沫浮选(或泡沫分馏)装置的示意性俯视透视图，该装置包括常规的圆柱形柱浮选腔室和布置成捕获富集物并有利于泡沫排水的抽吸罩；

图41示出了图40的装置的示意性截面侧视图；

图42示出了图43的装置的示意性截面侧视图；

图43示出了根据现有技术的抽吸罩的示意性底侧透视图，该抽吸罩布置成捕获富集物并有利于泡沫排水；

图42示出了根据现有技术的泡沫浮选(或泡沫分馏)装置的示意性顶部透视图，该装置包括常规的圆柱形第二腔室，该腔室在使用中位于柱状浮选腔室上方并且布置成捕获和排水泡沫富集物；

图43示出了图42的装置的示意性截面侧视图；

图44示出了根据现有技术的泡沫浮选(或泡沫分馏)第二腔室的示意性俯视透视图，该第二腔室布置成从柱状浮选腔室捕获富集物并有利于泡沫排水；

图45示出了图44的装置的示意性截面侧视图。

具体实施方式

本公开涉及泡沫浮选池10、10A、10B、10C的特征及其使用方法，用于从被放置于该浮选池进行处理的水体中去除有机污染物。通常，此类污染水是通过从附近的含水层或地下水井或一些其他蓄水容器中用泵抽取来获得的。

适合于通过本说明书中公开的装置和方法处理的水可以具有极低、甚至微量水平的溶解或分散在其中的有机污染物，并且特别感兴趣的是两亲性分子化合物。两亲性物质由具有连接到水不溶性烃链上的极性水溶性基团的分子组成，例如常见的表面活性剂(例如阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB))、肥皂、洗涤剂和脂蛋白等。两亲性物质还可以包括危险污染物，如全氟烷基物质或多氟烷基物质(PFAS)等。

由于同时具有亲脂性和亲水性部分，许多两亲性化合物在一定程度上溶解在水中。疏水部分和亲水部分的程度决定了分配的程度。肥皂是一种常见的家用两亲表面活性剂化合物。与水(极性、亲水性)混合的肥皂可用于清洁厨房用具、餐具、皮肤、衣服等上的油脂(非极性、亲脂性)。当暴露于流体混合和添加气泡(例如空气)时，碳链越长，两亲性化合物越有可能优先从水溶液中析出，并附着在上升的气泡上，形成可能携带疏水性材料的泡沫。

当在本说明书中使用术语“泡沫浮选”时，它可以与术语“泡沫分馏”和“气泡分馏”互换使用，因为当在两相混合物(即液体和气体的混合物)中操作时，在每种情况下采用的装置和方法本质上是相同的。这是因为当水中仅存在少量悬浮固体且浊度相对低时，本方法的操作最佳。

在本说明书中呈现的示例中，稳定的湿泡沫可以通过泡沫浮选(或泡沫分馏)装置产生，其中被足够(高于最小值)浓度的两亲性化合物污染的水被搅动，气泡被引入到污染水中或者通过某种方式在污染水中产生。结果是稳定的湿泡沫，其上升到空气/水混合物的上表面水平的空气/水界面上方，并且将大部分两亲性化合物携带出溶液。当泡沫塌陷时，与污染水中的初始浓度相比，浮选过程会在溶液中产生少量富集的两亲性化合物。

在使用本说明书中提出的泡沫浮选装置和方法的另一示例中，对其中仅存在极低或微量水平的两亲性化合物的水的搅动和曝气将可能是非常弱的泡沫。本发明人已经证明，在此类情况下，浮选池中污染水的上表面处形成的不稳定泡沫可以受益于圆锥形泡沫分馏池的新设计，其可以帮助泡沫本身变得更加稳定，并因此被回收，从而从水中去除微量两亲性化合物。

在使用本说明书中提出的泡沫浮选装置和方法的另一示例中，对其中存在极低或微量水平的两亲性化合物的污染水的搅动以及气泡的引入可能根本不会得到泡沫。然而，本发明人已经证实，存在的两亲性化合物仍将在水中经历一些分配。这种分离的术语是“气泡分馏”，即溶液中成分的部分分离，这是由这些化合物在上升的气泡表面选择性吸附而产生的。通常，在间歇操作中，本发明人已经证实，当气泡通过溶液上升时，吸附的溶质也被向上携带，如果它是非挥发性的(比如PFAS)，则溶质随后在气泡破裂时沉积在液体的顶部区域中，并且气体排出。在一段时间后，两亲性化合物在浮选池流体的上部区域发生稳态富集。此时，如果设置浮选池内的一些流体进行向上的体积位移，则最终效果将是将吸附的溶质的最上面的富集溶液推出/排出/溢出浮选池的顶部，从而从水中去除微量两亲性化合物。

使用本说明书中提出的泡沫浮选装置和方法的另一示例可用于改进之前的两个水处理示例中的任一个，以获得“弱泡沫”(使用新的浮选池设计)或“无泡沫”(气泡分馏)情况。在泡沫浮选装置中对存在极低或微量水平的污染物两亲性化合物并且引入了气泡的水进行搅动期间，发明人发现通过引入另外的、无害的两亲性化合物(例如表面活性剂，尤其是具有长烃链的表面活性剂)，可以产生非常稳定的湿泡沫，该泡沫上升到空气/水混合物上表面水平的空气/水界面上方，并且该湿泡沫将污染物两亲性化合物携带出溶液。当泡沫塌陷时，这种“辅助的”气泡分馏过程会产生小体积的与污染水中初始浓度相比更富集的两亲性污染物，并且还回收了几乎所有添加的两亲性表面活性剂化合物。

现在参照附图以及图1所示的实施方案，浮选腔室10呈细长的圆柱形柱16的形式，该柱16具有内部腔室18。柱16的横截面是圆形的，并且被定位成竖直地直立在周围地面12上。柱16可以是由硬塑料或金属制成的管或多个壳体元件14，并且足够坚固以便为柱16的内部腔室18的结构提供冲击保护，并且作为用于外部装置如深度计、空气歧管和其他仪器的安装点。

内部腔室18具有入口，该入口布置成允许进水材料进入其中，该入口位于更靠近浮选腔室10的最低使用端25处。在图1至图8所示的实施方案中，以及在图11至图23和图24至图34所示的实施方案中，入口呈一系列布置成延伸穿过柱16的外壳壁的圆孔22以及在内部腔室18的壳壁中的相应对齐的孔23的形式。在使用中，可以将相应的导管21定位到这些对齐的圆孔22、23中的每对中，使得其定向成与柱16的细长轴线成正交。在使用中，该或每个导管21输送液体流，该液体流从比如地下水储罐或其他类型的储水器等的来源通过该导管泵送到腔室18中。该流体填充阶段可以连续或间歇地进行，这取决于浮选池10是否以连续流动或间歇模式操作。

在使用期间，以一定压力和流速将气体充入腔室18中以允许气泡形成，然后由于浮力而沿着腔室18的长度向上上升。通常，使用的气体是压缩空气，但根据现场要求也可以使用其他气体。例如，为了给水充氧，引入的气体可以是氧气和/或臭氧，可能与空气混合。通常通过泵或一些其他压缩或加压气体源(例如，图11至图13中所示的气泵74)使所选择的气体流动，该泵或其他气体源位于附近，并且经由提供气体进入腔室18的导管(例如管道或软管)来连接。在接下来的描述中提出了如何引入气体进行泡沫浮选的几种选择。

被注入腔室18中的空气流旋转时的分散可以足以在腔室18中引起空气的分散并在水中形成气泡。在引入气体的其他方式中，气泡发生器件可以安装到管道上，腔室18中的一部分水通过该管道通过泵送而再循环。气泡发生器件可以是某种在线气体引入器件，比如文丘里限流器等，气体通过引导而被吸入移动的液体流中，或者经由文丘里限流器被泵入液体中。在任一情况下，流道立即膨胀，从而导致形成气泡。气体引入器件还可以是分布器或起泡器的形式(通常由烧结金属或陶瓷材料制成)，例如如图28和30所示，呈空气扩散盘26的形式，该盘位于腔室18中，靠近其最低使用端25，并且定位成阻止颗粒材料在腔室18的该端部沉降，并确保在腔室18中不存在未发生空气和水循环的位置。

图1、2和3还有图11、12和13示出了用于泡沫分馏腔室18的空气入口系统的另外的实施方案。空气入口管44位于容器壁中的各个孔口处，这些入口管44连接到外部放置的环形管歧管42，该歧管42至少部分地围绕浮选柱16的外周延伸，并且布置在使用中围绕每个入口管44周围然后经由喷嘴(例如，文丘里喷嘴)来分散空气，该喷嘴在腔室18最低使用端25附近延伸进入该腔室18中。文丘里限流器可以通过布置在每个入口管44上的蝶形阀连接器45来关闭或者甚至停用。

在本说明书中描述的用于浮选容器的曝气的替代性布置中，潜水式曝气装置可位于浮选腔室的内部，并且位于该腔室的底部区域处或附近。例如，2.2kW空气泵可以将空气输送到浮选容器中，并通过特征为转子和定子组合的泵的出口分散空气以产生小气泡，然后这些气泡可以从腔室18的底部区域向上上升。典型的空气入口速率可以是将大约40-80m³/h的空气注入到深度为2-3米的2500升液体腔室中。

通常，一台潜水泵可以安装在浮选池的内部底表面上，并且该泵可以在底部中具有内置的文丘里管和涂抹器喷嘴。这种替代性构造的目标是在使用中实现类似的容器内容物的曝气水平，但与在腔室18的壁中安装5-10个空气入口管、每个空气入口管都具有文丘里管喷嘴的需要相比，资本成本显著便宜。

无论以哪种方式实现，一旦形成气泡，它们将在腔室18中在其自身浮力的作用下上升，并与通过导管21流入腔室18的水混合，并填充腔室18。气泡将向柱16内的腔室18的最上端24上升，并且在该停留时间期间有大量的机会与水相互作用，并且气泡甚至与这些水中存在的微量或稀释量的有机物接触。

在腔室18的最上端24处，水中的气泡和有机污染物的相互作用可导致形成泡沫层32，该泡沫层在界面上方立即形成，该界面位于水的上升的动态水位37(DWL，或H)处，这些水位于腔室18内。一旦在这样的泡沫分馏或泡沫浮选处理过程期间添加空气流，则静态水位34(或H)就会上升到动态水位37(或H)。DWL 37可以通过各种方式进行控制，包括通过腔室和出口的设计，但是主要控制是通过改变入口气体输送速率、水流入和流出速率或者气体输送和水流的某种受控组合来进行的，如将简短描述的。

在一个示例中，可以使用来自位于腔室18内用于检测DWL界面位置的水位传感器的信息来调节入口气体输送速率，其中来自此类水位传感器的信号可以被发送到控制系统，该控制系统连接到气体输送管线上的可调节阀。在另一个实施方案中，控制系统可以连接到进水阀以允许更多的水进入腔室18。在另一个实施方案中，控制系统可以连接至位于腔室18内的可膨胀囊46的流体入口和出口，如将简短描述的。在每种情况下，控制旨在通过在腔室18中的水中的污染物材料的量变得耗尽并且与少量的水一起以离开腔室18的上出口开口48的湿泡沫形式被去除时连续保持甚至提高DWL 37，使所形成的泡沫层32能够上升并经由出口开口离开腔室18上部部分的机会最大化，例如在间歇处理过程中。

在如何优化系统操作的另一示例中，进入腔室18的入口气体输送速率可以使用来自位于腔室18的内壁上的电导率计或水位传感器的信息来调节。来自水位传感器的信号可以提供关于泡沫层32的含水量的信息，并且可以被发送到控制系统，该控制系统连接至气体输送管线上的可调节阀。在此类示例中，如果泡沫层32没有充分干燥，则可能需要减少引入到腔室中的气体流，因为有太多的水在泡沫层32中移动并且该过程没有充分地富集污染物。相反，如果几乎不产生泡沫或不产生泡沫，则可能需要增加引入腔室18中的气体流。

在图3中，腔室出口还布置成允许已经通过泡沫浮选处理以去除污染物的水从更靠近浮选腔室10的最低使用端区域或底部25的区域流出腔室18。在图中所示的一些实施方案中，腔室18的出口经由布置成延伸穿过柱16的外壳壁的相同圆孔22以及内部腔室18的壳壁中的相应对齐孔23，并且导管21在使用中定位为穿过对齐的孔22、23。在使用中，该或每个导管21可以通过抽吸泵送或通过重力排水将处理过的液体流传送到另外的储存罐或其他通道中以进行再循环，例如通过返回到地面，或泵入河流或溪流中。

在图10所示的另一实施方案中，腔室18的出口经由布置在腔室18的底壁中的孔36。底壁显示呈圆盘49的形式，该圆盘49布置成朝向中心最低点倾斜，在使用中导管27从该中心最低点向下悬垂。中心最低点是导管27的一部分与柱16的细长轴线对齐的位置，并且布置成在泡沫分馏操作结束时能够随着处理过的液体的流动从腔室18中排水任何残余污泥/沉积物。在使用中，导管27可以通过抽取泵送或通过重力排水将处理过的液体流输送到另一储存罐或其他通道中以进行再循环，例如通过返回到地面或泵入河流或溪流中。

参照图9，形成于与腔室18中的动态水位37的界面上方的泡沫层32将在柱16内部上升并进一步进入其最上端24。泡沫层32的最湿部分最靠近形成于腔室18中水的动态水位37的上表面处的界面，并且随着泡沫层32进一步上升到柱16内的界面上方，泡沫层32逐渐排水并且变得更干燥。被携带入泡沫层32的表面活性材料包括有机污染物。这样，与污染物在进水中的初始浓度相比，污染物在泡沫层32中变得明显更加富集。与进水的体积相比，进行二次过程处理的泡沫相的体积也显著减少。

本发明人已经研究了初级泡沫分馏腔室18的几何形状以及连接至泡沫分馏容器且位于其上方的干泡沫出口腔室或导管的形状和构造。

参照附图，泡沫分馏容器显示具有初级泡沫分馏腔室18，其内部几何形状至少部分为圆锥形，例如在图9、图19和图30中。腔室18的上部部分为圆锥形的——即，当沿其竖直高度向上移动时，泡沫分馏柱的直径具有逐渐变小的、圆形的、内部横截面形状，在圆形圆周侧壁50的上边缘52和仅低于腔室18的最上面边缘48的区域之间延伸，为圆锥形腔室18的茎部或颈部54。圆形圆周侧壁50与柱16的圆柱形壁呈紧邻面对关系。

在使用中，观察到，在圆锥形泡沫分馏腔室18的曝气开始之后，上升的气泡将挤入柱颈，因为上升的泡沫体积被限制在越来越小的横截面积内。上升的泡沫(foam或froth)最终可到达腔室18的最上面边缘48刚好下方的区域。这种逐渐的限制似乎有助于甚至使弱泡沫变得更厚，并且因此足够稳定桥接颈部54的宽度，并且更有效地向上上升以用于收获和从腔室18物理去除。

该结果是通过确保在其上方形成泡沫层32的DWL 37位于泡沫分馏腔室18的圆锥形部分的最上面的使用端24中来实现的。发明人观察到，水柱内上升气泡的拥挤增强有助于获得富含PFAS的泡沫，该泡沫足够厚且足够坚固，足以转变成湿泡沫，该湿泡沫向上上升到空气-水界面(或弯液面)上方。

进一步的实验旨在测试泡沫或湿泡沫在其向上上升离开圆锥形腔室18期间的连续曝气的有效性。发明人开发了冷凝或回流柱形式的延长长度(高度)的出口腔室或导管56，其位于泡沫分馏腔室18上方并布置成接收经由腔室18的上部出口开口48离开腔室18的湿泡沫。

发明人形成以下观点：进入出口腔室的气体向上流动可通过层间膜的排水以及水的蒸发置换而导致湿泡沫的塌陷增强，从而导致泡沫空气泡破裂的速率增加。发现湿泡沫的此类进一步脱水可产生更理想的更稠、更干燥的泡沫。然后，这种类型的泡沫可以更容易地在溢出堰/流槽的富集物流中收集，或者通过真空抽吸泡沫提取方法收集，从而进一步增加去除的泡沫物中的PFAS富集因子。

使用中的出口腔室56的下部区域的内部形状的特征是具有搁架或肩部区域58，其中腔室56的内孔直径变宽，并且横截面积变得更大。该肩部区域提供了湿泡沫的保留和排水位置，很可能是因为空气流向上速度的降低似乎使湿泡沫的流动速度减慢并进一步脱水并形成更干燥的泡沫。在该肩部区域中短暂停留时间之后，观察到较干燥且较轻的泡沫被空气提升到出口腔室56的最上面的使用区域中，在那里它可以被溢流堰流捕获，或者通过应用主动/快速脉冲真空抽吸而从出口腔室56的最上端去除，导致甚至更小体积的富集PFAS作为所需的废产物。

发明人已经证明，这些技术的新颖组合——使用圆锥形泡沫分馏容器，结合使用位于圆锥形容器上方的较窄出口腔室——可以提供一种通过使用泡沫分馏过程有效地处理微量/超微量PFAS污染的水的装置。

据信，应用锥形或圆锥形容器几何形状作为初级泡沫分馏腔室对于在引入曝气以最大化微量和超微量进水的起泡之后立即引发上升的气泡拥挤来说是至关重要的。发明人相信，在间歇式反应器中使用的这种泡沫形成方法可以增强水弯液面上/上方的泡沫形成，因此最大化PFAS的富集因子(CF)，并且在初级泡沫分馏阶段结束之后最终实现较低的残留PFAS浓度水平，意味着可能不必要对水进行进一步处理/精致(例如通过使用离子交换树脂或类似物)。

发明人还实施了流体填充的囊46，其在使用中可以置换分馏柱中的水以实现水柱液位的提升，从而提升有时可能在弯液面区域中形成的富含PFAS的“光泽(sheen)”加上在一段时间的剧烈曝气之后被发现富集于水柱头部但其表面活性仍然不足以产生泡沫的溶解PFAS中的任一种。使用该特征可以改善从浮选腔室18中去除极微量的PFAS。

囊46可以由柔软的弹性材料制成，填充作为流体的水或空气，因此其可以膨胀或收缩。在替代性布置中，囊可与活塞隔膜式机构一起操作，该机构安装成延伸到腔室18中的流体中。囊(气象气球)内部包含一个实心活塞，该器件上方有水，下方有空气，并且该囊密封于内部腔室壁。

此类囊或类似器件旨在实现泡沫分馏柱中曝气水的10-15％的置换，并且因此将分层的含有PFAS的水推入产品中。

一旦排水的泡沫层32上升到柱16的最上端，则可以使用泡沫去除器件从出口腔室56去除干泡沫层32。悬浮式真空抽吸头形式的泡沫去除器件可以定位在出口腔室56的出口60上方的最佳距离处。

在希望在腔室18内的固定位置处操作的情况下，DWL 37处的界面位置响应于引入的气体流和/或水流入和流出速率的变化。

在操作中，泡沫(foam或froth)浮选池10可用于从被处理的水中去除比如有机污染物的物质。本公开主要涉及通常称为全氟烷基物质或多氟烷基物质(PFAS)的有机物质的去除。这可以包括包含以下各项的组中的一项或多项：全氟辛烷磺酸(PFOS)；全氟辛酸(PFOA)；全氟正己烷磺酸，(PFHxS)；多氟羧酸、烷基磺酸盐和烷基磺酰胺基化合物；和含氟调聚化合物，它们各自具有不同的碳链长度；并包括这些的前体。该组中主要感兴趣的物质是PFOS、PFHxS和PFOA，它们可以在水中长期存在。

当含有有机污染物的塌陷泡沫富集物被排放到单独的液体富集物接收容器或分离容器中时，然后将其进行二次处理，包括进一步富集、破坏或去除污染物。

在二次处理的一种选择中，对最终富集液体进行处理以去除富集的有机污染物，例如通过吸附到固体或半固体基质上(使用活性炭、粘土、离子交换树脂或其他有机材料)，或通过过滤(使用反渗透膜过滤并增加污染物的富集并减少处理量)。一旦超过基质的吸附能力，它就可以再生或破坏。

二次处理的另一种选择是，可以使用与初始分离步骤相似的过程来进一步富集塌陷的泡沫，并且可以在地面处理装置中进行，其中塌陷的泡沫受到进一步的气体喷洒和泡沫富集。使用这种方法可以进行多个富集步骤，以最小化需要处理的液体体积。在富集步骤期间产生的残余流体可以被重新引入到过程的开始处，或者在适当的情况下，释放到液体废物处置/处理系统或环境中。

所示的系统可以使用连续流或间歇式过程运行，具体取决于PFAS污染物和共污染物的浓度和性质。在连续流应用中，空气被引入到水柱16的底部，并且污染水被引入到每个水柱的最上端附近，通过空气入口下方的底部中的出口(扩散器/分布器或文丘里喷嘴等)连续离开。使用这种方法，在柱内建立逆流系统，使气泡和受影响的水之间能够最大程度地接触，同时实现连续的处理速率。

在间歇式应用中，柱被填充至预定水位，将该批次在柱的范围内处理固定时间，然后释放到分馏过程的下一阶段。通常，此方法用于需要较长保留时间的情况。

无论空气是通过扩散器/分布器还是通过文丘里喷嘴引入腔室18中，结果都将产生一系列最佳尺寸的气泡，这些气泡通过柱16内的水上升。产生的致密气泡物流和气泡的高界面表面积既提供了充分的混合搅动，也提供了对可能存在于进水溶液中的PFAS的强烈吸引力。PFAS分子很快从水中被清除并被吸引到水柱的顶部。在水柱顶部形成的泡沫富含PFAS，并且通过使用其位于在圆锥形泡沫分馏腔室18的上方并布置成经由该圆锥形泡沫分馏腔室18的茎部接收所述上升的泡沫的延长长度(高度)的出口腔室或出口导管(例如，以冷凝或回流柱的形式)，可以发生增强的泡沫拥挤和排水的过程。在泡沫有机会塌陷并溶解回水中之前，可以通过真空抽吸罩或漏斗收集泡沫，并将其吸入中央收集罐。

通过确定适当的流率(以及因此的停留时间)，流经柱的水(现已耗尽PFAS)可通过柱底部附近的出口管道排出，然后进入二级分馏柱进行进一步处理。从二次处理柱流出的分馏残余水被引导至临时储存罐，只有在进一步评估和确认符合监管指南后，它们才会被重新引导回液体废物处置/处理系统或释放到环境中。

由圆锥形泡沫分馏腔室18与延长长度(高度)的出口腔室或出口导管结合操作而产生的PFAS富集物/泡沫可以暂时储存在“分离”容器28中。然后可以在一个或多个进一步的泡沫分馏阶段中处理该富集材料，然后进行最终收集和去除以进行场外销毁。从泡沫分馏柱16的底部流出的处理过的水可以返回到主进水箱以进行再处理，或者在适当的情况下，重新引导到液体废物处理系统或释放到环境中。来自所有分馏柱的废气在释放到大气之前可以被引导通过吸附式过滤器，以去除VOC等。

实验细节

在示例性的可规模化过程中，泡沫分馏可以以间歇式模式使用单独的浮选腔室或使用多个腔室来操作。当多个单元彼此并联连接时，它们可以布置为顺序运行，但在彼此偏移的不同时间运行，所实现的结果是有效的连续过程。可以利用间歇式浮选过程来最大化PFAS分子的去除回收率(就其本质而言，间歇式过程可操作至耗尽)，并以一定方式进行操作，以便通过产生PFAS废物富集物的小体积干泡沫来最大化富集因子(CF)。

在多单元操作中，可以使用示例性的五(5)个浮选容器18来进行容器填充、分馏和排水，每个浮选容器18都可作为间歇过程阶段操作。这些容器以顺序的间隔时间操作，以便在第五个容器充满未经处理的进水时，第一个容器的分馏将已经完成，并且该容器将被排空。这种过程布置仍然允许一台进料泵填充所有五个容器，并允许一台排出泵排干所有五个容器。过程可以24/7连续运行，仅在维护时或者在导致阶段之间过程延迟的地下水流率低的情况下停止分馏。这样的实施方案有时被称为顺序间歇式反应器，或称为多模式方式的连续间歇式浮选，当作为曝气装置在其他时段操作时，在特定时间段期间使用较高或较低的气体流。

实验结果

发明人已经使用本文公开的新装置和方法的实验室(间歇式)配置产生了实验结果，以观察从地下水样品富集PFAS的过程的操作期间的任何有益结果。

(1)发明人发现可以通过该技术处理(选择性去除)某些特定的PFAS

两种关键优先关注的PFAS化合物(PFOS和PHFxS)都可以通过泡沫分馏成功去除，并且还发现该过程在物理去除PFOA(次要化合物)和其他四种常规分析的PFAS化合物方面同样有效。通过泡沫分馏，可适度减少全氟庚酸(PFHPA)。其他三种次要化合物(PFHxA、PFBS和PFPeS)被证明受到的影响最小或不受影响，因此如果需要，可以使用已开发的泡沫分离技术将其与主要优先化合物分离。

在一些实施方案中，泡沫分馏非常适合物理去除优先PFAS分子(包括其他理论上的非PFAS共污染物)，因此允许保留更复杂(且昂贵)的技术作为精制处理，以实现低于监管标准的浓度处置或排放。

(2)发明人发现可以用该系统处理其他污染物

本文描述的物理分离技术被设计为优化分馏柱内富含污染物的可提取泡沫的产生。通过同一过程可有效处理的共污染物包括：

-总石油烃(TPH)，包括苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)；

-卤化挥发性有机化合物(VOC)，包括1,2-二氯乙烷(DCE)、

1,1-二氯乙烷、三氯乙酸(TCA)、四氯乙烯(PCE)和三氯乙烯(TCE)

-非石油烃(甲醇和异丙醚)

其他也将减少的污染物包括：丙酮、PAH(萘及2环和3环PAH)、MTBE、MIBK、MEK。使用泡沫分馏减少共污染物的具体细节正在进行实验室/现场试验评估。

(3)使用与最上面的用于泡沫排水的另一腔室连接的圆锥形容器的实验工作，发 现可以通过该技术处理特定的PFAS污染水

本申请人自2019年5月起在澳大利亚昆士兰州奥基陆军航空中心(AACO)拥有经过商业验证的SAFF40^TM处理工艺。该设施已成功地将地下水中的PFAS污染物从特征在于6.5μg/l的总可检测TD-PFAS进水浓度(这是12个月的平均数字)的受影响地下水(GW)去除到低于国防部和NEMP(2018)澳大利亚饮用水指南(ADWG)二者的浓度。具有此输入浓度的PFAS的进水始终从初级分馏器产生足够的初级泡沫物，然后将其输送到二级分馏阶段，从而产生大约7400的总富集因子(CF)(例如，超过与GAC过滤相关的约5000的CF)。

改进的初级泡沫分馏过程对于处理受微量和超微量PFAS影响的水、消除存在的PFAS浓度使其低于饮用水标准尤其重要。如果初级富集步骤没有令人满意地进行，后续的富集步骤就不能最大程度地发生。

本发明人观察了在使用圆锥形泡沫分馏容器的初级泡沫分馏阶段中在泡沫分馏水柱的曝气开始之后，上升的气泡如何立即挤入柱颈。研究的具体参数(自变量)包括初级泡沫分馏容器的几何形状，以及在使用中连接到分馏容器并位于其上方的干泡沫出口腔室或导管的形状和构造。

测试工作包括使用视频和摄影进行验证，以及使用NATA/ISO-17025认可的实验室采用符合QSM 5.2的USEPA方法537进行采样和测试。

一项实验涉及在水柱内开始增强上升气泡的拥挤以获得富含PFAS的泡沫，该泡沫足够厚且足够坚固，足以转变成湿泡沫，并向上上升到空气-水界面(或弯液面)上方。这是通过沿泡沫分馏柱的高度不断缩小其直径来实现的，该高度在最下面边缘(底部)和刚好低于最上面边缘(或茎部)的区域之间延伸。在一个示例中，当沿圆锥形泡沫分馏柱的高度从下到上移动时，该圆锥形泡沫分馏柱具有逐渐变小的圆形内部横截面形状，其在使用中起到将上升的泡沫体积限制在更小的横截面面积内的作用，直到到达刚好低于最上面开口的茎部的区域为止。这种限制似乎使泡沫变得更厚，然后，通过足够稳定以桥接茎部的宽度，然后泡沫能够更有效地向上上升，以便从柱中收获和去除。

进一步的实验旨在测试泡沫或湿泡沫在其从圆锥形柱向上上升期间持续曝气的有效性。发明人观察到，当湿泡沫位于延长长度(高度)的出口腔室内或出口导管(例如，以冷凝或回流柱的形式)内时，湿泡沫将变得更干燥，其中该出口腔室或出口导管位于泡沫分馏柱上方并且布置为经由圆锥形泡沫分馏容器的茎部接收所述泡沫。据信，进入出口腔室的向上流动的气体可以通过层间膜的排水以及水的蒸发置换而导致湿泡沫的塌陷增强，从而导致泡沫气泡的破裂速率增加。湿泡沫的这种进一步脱水可以产生更理想的更厚、更干燥的泡沫。然后，这种类型的泡沫可以更容易地在溢出堰/流槽的富集物流中收集，或者通过真空抽吸泡沫提取方法收集，从而进一步增加去除的泡沫物中的PFAS富集因子。

发明人已经证明，这些技术的新颖组合——使用圆锥形泡沫分馏容器，结合使用位于圆锥形容器上方的较窄回流管——可以提供一种采用泡沫分馏过程处理有效处理微量/超微量PFAS污染的水体的装置。

据信，应用锥形或圆锥形容器几何形状作为初级分馏柱对于在引入柱曝气后立即引发上升的气泡拥挤以最大化微量和超微量进水的起泡至关重要。OPEC怀疑，间歇式反应器中使用的早期泡沫形成将增强水柱弯液面上/上方湿/干泡沫的形成，从而最大限度地去除泡沫并最大化PFAS富集因子(CF)，并最终在指定用于弃置或进一步处理/精制的初级分馏处理过的水中实现较低的PFAS浓度处理水平。

实验装置

所用的实验装置为5L玻璃平底锥形瓶，装有5L受PFAS影响的地下水。5L平底锥形瓶的最上面装有直径20mm的150mm玻璃回流柱以防止溢出。将带有回流柱的平底锥形瓶设置在10L传统圆形、圆柱形泡沫分馏柱旁边，使用中将其填充至5L标记作为对照/比较。

在这些实验中，应用以下条件：

о控制变量：水体积、水温、PFAS进水浓度/配方、原生水化学(即pH、EC、盐度、TSS等)、曝气模式、实验室温度/湿度/大气压、空气流量和压力。

о自变量：泡沫分馏容器的几何形状、出口腔室(例如回流柱)的形状/长度；以及在从出口腔室中取出湿泡沫(通过流过堰或通过真空抽吸)以收获PFAS富集物之前对出口腔室中的湿泡沫进行曝气所需的时间。

о因变量：在弯液面处逐渐形成泡沫，随后转变为湿泡沫，然后在出口腔室内形成具有显著高度的稳定持久的干泡沫，然后从出口腔室内去除(通过流过堰或通过真空抽吸)用于收获PFAS富集物。

最初，将回流柱安装在5L平底锥形瓶的顶部作为预防性安全装置，以防止富含PFAS的湿泡沫或空气/水界面气泡从5L烧瓶溢出。然而，在实验过程中，观察到回流柱有助于水的蒸发，从而在室温形成干泡沫。观察到改进的结果，其中泡沫/湿泡沫似乎受到模制在回流柱底部的肩部区域的帮助，其中该柱的横截面积变得稍宽。该肩部区域提供了湿泡沫的保留和排水的位置(通常停留时间约为10-20分钟)。

目前的泡沫分馏柱设计用于通过在间歇式模式应用中操作来从水中去除PFAS，其中初级分馏器可以在不同持续时间内(从短至10分钟到几天)对受PFAS影响的水进行曝气。更典型地，将泡沫和湿泡沫曝气20-60分钟以蒸发多余的水，从而产生更干燥的泡沫和极高的CF。需要至少15-20分钟的曝气停留时间才能去除PFAS化合物组合(即PFOS、PFOA和PFHxS)，如斯德哥尔摩公约所列出的。

短链PFAS化合物正受到越来越多的毒理学和监管审查，并可能被列入《斯德哥尔摩公约》来被要求消除和/或限制。这将需要额外的曝气停留时间，使较小的上升气泡(即薄空气/水界面粘附区域的表面积更大)被更小、更易溶解的短链PFAS分子吸附。

上述过程可以使用物理分离/富集方法促进全球许多污染地点发现的微量和超微量PFAS浓度的受控去除，而不需要将会成为二次废物流的吸附剂或其他消耗品。通过提供改进的初级分馏性能，该系统具有显著提高多功能性的能力。

实验目的

实验目的是：

-去除优先PFAS分子，使其低于饮用水标准，并由ISO-17025认可的实验室进行测试，报告LOR为0.001μg/l；

-通过使用实验性初级分馏容器(即，配备上部回流腔室/柱的平底锥形瓶几何形状)获得大于50-100的PFAS富集因子(CF)；和

-设计一种成本有效的方法，其可以放大以处理典型体积和浓度的受PFAS影响的场地水；和

-设计一种泡沫分馏方法，用于去除污染水中的微量和超微量PFAS污染水平(<1μg/l)。

实验观察/结果基于受传统AFFF总可检测PFAS(3-25μg/l)影响的进水，其中包括添加了额外富集AFFF配方的AACO现场水。

传统圆柱形分馏柱

添加富集的AFFF(来源：3M Lightwater)被添加到5L AACO现场水中，以获得约25μg/l的最终分馏柱浓度(根据修改的USEPA方法537，经实验室分析证实的实际浓度为24.5μg/l TD-PFAS)。

然后在20分钟的实验时间内对分馏柱进行曝气。曝气时间结束时，在弯液面处形成了曝气气泡团的薄层(1-5mm)，观察到在分馏柱底部的曝气能量停止后，该气泡团立即相对塌陷。

通过增加气泵提供的空气流率来提升分馏水柱的顶部并使其溢出堰并进入分馏器收集杯，从而收获泡沫物(实际上是气泡团预泡沫物)。详细结果参见表1。

圆锥形圆柱分馏柱

添加富集的AFFF(来源：3M Lightwater)被添加到5L AACO现场水中，以获得约25μg/l的最终锥形瓶浓度(根据修改的USEPA方法537，经实验室分析证实的实际浓度为21.6μg/l TD-PFAS)。这些使用圆锥形浮选腔室18的实验与传统圆柱形分馏柱一起进行，以提供视频比较记录。

将回流柱(是加长长度的中空腔室)安装到锥形瓶的顶部以防止泡沫溢出容器。锥形瓶和常规分馏柱都曝气超过二十分钟。最初3-5分钟内，弯液面处形成较厚/拥挤的曝气团块(10-20mm)，随后约10分钟后开始形成泡沫，其然后上升到回流柱的底部。持续曝气导致在12分钟时在回流柱底部形成泡沫，该泡沫似乎开始粘附到回流柱玻璃壁上并变成湿泡沫。17分钟后，开始形成较干泡沫，其中包括在干泡沫达到150mm长回流柱的一半高度上方喷射的泡沫球。

观察到出乎意料的结果，似乎显示从锥形瓶颈部排出的过量水，在该颈部处泡沫拥挤并返回到锥形瓶中，同时泡沫/湿泡沫界面区域中的含水量正在经历气泡/泡沫破裂的连续蒸发过程以形成能够将泡沫喷射到更高的回流柱中的轻质干泡沫。

分馏实验结束后，最终的泡沫物层在弯液面处明显更厚，并粘附在锥形瓶颈部和回流柱底部的玻璃壁上。然后，通过增加气泵空气流率，使保留在弯液面处的干泡沫和曝气泡沫溢出堰。详细结果参见表2。

对常规形状的圆柱形柱的上部区域和圆锥形容器18的回流柱的颈部区域/底部进行加热，以评估曝气气泡转变为泡沫、湿泡沫和最后的干泡沫的速率是否有所增加(即弯液面上方的空气/水界面分配，但是没有观察到PFAS浓度显著增加，也没有观察到泡沫形成增加(实验室内的环境温度约为21℃)。

实验和/或现场试验结果的讨论

表3和表4表明了使用“常规”SAFF泡沫分馏(如本申请人开发的)时有效处理微量和超微量受影响的水所需的富集因子，该泡沫分馏采用已知的初级分离，随后进行二级/三级再富集过程。

我们得出的结论是，如果圆锥形几何形状能够获得>250x的初级分馏富集因子，则0.1-0.5μg/l的受TD-PFAS(超微量)影响的进水可能能够成功进行SAFF40泡沫分馏处理。当进水浓度低于0.1μg/l TD-PFAS时，AIX树脂处理可能更经济。

PFAS污染源的典型分类如下：

оPFAS源区高浓度：100-2000μg/l，

оPFAS迁移区中浓度：25-100μg/l，

оPFAS梯度上升，边界区低浓度：5-25μg/l，

оPFAS微量浓度：0.5-5μg/l

оPFAS超微量浓度：0.01-0.5μg/l

在实验期间，一旦启动曝气，则在45秒后，常规的圆柱形浮选柱和平底锥形瓶柱18都没有在弯液面上形成任何持续的泡沫，尽管与常规柱相比，锥形瓶18中弯液面处的曝气起泡团显著更明显。

回流是一种通常涉及通常当系统被加热到接近/处于沸点时蒸汽冷凝以及该冷凝物返回其来源系统的技术。当将回流柱安装到5L平底圆锥形浮选腔室18的顶部作为防止富含PFAS的湿泡沫或空气/水界面气泡从5L烧瓶流出的手段时，使用回流柱来产生干燥的富含PFAS的泡沫富集物。然而，在实验过程中，观察到回流柱有助于水的蒸发，从而在室温形成干泡沫。

图31中标记了锥形瓶模型测试单元，以说明和解释观察到什么情况以及在配备有回流柱的平底锥形瓶的空间构造中的何处注意到此类观察结果，以帮助理解PFAS作为泡沫、然后是湿泡沫、最后是含有富集的PFAS化合物的干泡沫从水柱中去除。

这些SAFF装置以间歇式模式有效运行，以将PFAS最大回收率提取到泡沫富集物中(见图31)。平底锥形瓶的几何形状通过不断减小的体积将上升的气泡(和PFAS分子)挤在其上方的水柱内。胶束在刚好低于弯液面的下方形成，包括在进入烟囱和回流柱的升力中，其中水不断排回到烧瓶中，蒸发在回流柱肩部上方形成泡沫，以便通过真空或溢流堰收集。

区域1–泡沫收集器–高度50mm。干泡沫能够保持在回流柱肩部周围的位置。

区域2，湿泡沫(泡沫)，加上空气-水界面分配/迁移区域。水在回流柱和烧瓶内的弯液面之间不断升降，用于进一步循环脱水

区域3长链PFAS分子积聚的空气-水界面分配区域(与水柱分开)

区域5–在拥挤的烧瓶几何形状内形成胶束

区域6-水柱曝气区域

18-20分钟时，在回流柱玻璃肩部的帮助下，泡沫物开始保持其形状，以防止稳定的泡沫在曝气时滑回到平底锥形瓶中。

与湿泡沫的锥形瓶拥挤和回流柱干燥相比，用手持式热风枪对区域1和区域2进行额外加热未能产生任何显著/可观察到的观察结果。需要采用替代性实验程序来研究空气/水界面区域的水蒸发，认为可以将湿的松散泡沫转化为更稳定的干泡沫，以便通过真空收集，从而最大限度地减少收集富含PFAS的废物部分，以便运输到永久性废物销毁设施(或通过电化学氧化池进行现场销毁，需要低的体积/高浓度以提供经济可行性)。

支持弱泡沫的装置的功能特征

圆锥形内部形状泡沫分馏容器的设计可用于处理极低水平的PFAS污染，容器的几何形状布置为将泡沫产生集中到越来越拥挤的体积中，然后将富集物传送到排水柱中，从排水柱中流过清洗或真空抽吸。

使用脉冲曝气(去除干泡沫块)、加长高度回流柱(管理高膨胀泡沫)以及潜在地冷却水柱可以降低短链PFAS分子的溶解度(以帮助其回收)，都是可以增强装置操作的方式。

看起来平底圆锥形浮选腔室18具有提供上升气泡的改进的拥挤效应的几何形状，导致气泡聚结，并允许由极稀或微量表面活性PFAS物质形成较弱的泡沫以更有效地桥接浮选腔室上端的狭窄开口。

还据信，因为移动通过浮选腔室上端的开口的气体的速度比通向细长/回流腔室的常规圆柱形浮选柱中的气体流相对更快(由于腔室宽度逐渐变窄)，并且这可以对离开初级分馏腔室的湿泡沫中已去除的PFAS化合物产生显著的干燥效果。

根据实验和/或现场试验结果提出的建议

使用配备有150mm长回流柱的5L玻璃平底圆锥形容器18的初级分馏过程可以充分去除PFAS污染物，从而能够留下能够满足所有饮用水标准的处理过的水体。此外，以下几点为SAFF过程提供了商业优势：

(1)圆锥形初级分馏阶段提供了处理具有较低进水PFAS浓度(即0.1μg/l至1μg/l)的环境和过程水的机会。

(2)圆锥形初级分馏阶段提供了将进水中的微量和潜在超微量PFAS浓度转变为现有二级分馏阶段所需的PFAS第一富集范围的机会，而不会在最终的三级分馏阶段遇到过度富集。

(3)采用圆锥形几何形状聚集水柱内上升气泡的初级分馏是可以将总体SAFF富集因子提高一个数量级或更大的阶段，而不影响已证明的二级和/或三级分馏阶段子过程的功效。

(4)使用水升力方法从曝气水柱(例如曝气/充水囊)中去除分层的PFAS也可以与连接到的曝气垫/盘结合使用，该曝气盘/垫连接到可膨胀囊以及多个进气口文丘里管以潜在地克服去除处理后残留/部分残留在分馏柱中的短链PFAS化合物的困难。

该装置和方法还可适用于某些非PFAS共污染物，例如：

-挥发性卤代化合物(VHC：包括TCE、PCE、1,2-DCE、VC)、

-挥发性总可回收烃(vTRH)，

-杀虫剂，

-微塑料

-用于消防训练和其他工业的不含PFAS的泡沫，

-持久性有机化合物(例如二恶英、呋喃和类PCB二恶英)

-溴化阻燃剂(BFR，例如PBDE、PBB、HBCDD、TBBPA)，

-环境持久性药物污染物(EPPP)，以及

-药品和个人护理产品(PPCP)。

根据应用，该方法还可以通过改变各种参数(例如温度、湿度、大气压力、盐度、pH值)以及使用过渡金属离子作为可以增强全氟辛酸表面活性剂的泡沫分离的活化剂来最大限度地提高其性能(例如，在一项研究中，全氟辛酸表面活性剂使用11.5mM Fe(III)在5分钟内的去除效率>99％)。此外，酸性pH(例如2.3)有利于全氟辛酸表面活性剂的泡沫分离，因此在一项研究中，将泡沫物的pH值调整至7.0，意味着只有84-91％的全氟辛酸表面活性剂被回收。

(4)进一步改进泡沫分馏法提取短链PFAS物质

迄今为止给出的泡沫分馏实验旨在通过在间歇式模式应用中操作来从水中去除PFAS，其中初级分馏器可以在不同的持续时间内向受PFAS影响的水曝气，以去除PFAS化合物组合(即PFOS、PFOA和PFHxS)，如斯德哥尔摩公约所列出的。

通过使用圆锥形初级泡沫分馏装置结合分阶段添加表面活性剂以增加形成的所得泡沫的稳定性，还可以去除通常包含溶解度更高和表面活性分子更少的短链PFAS化合物，以达到微量和超微量PFAS浓度。实验流程如下：

(1)向高效分馏柱(圆锥形容器18)中填充约15L PFAS污染的水。

(2)使用直径为20cm的曝气盘(带/不带额外的文丘里曝气器)开始曝气(此实验数据无额外文丘里曝气)—

a.达60分钟，并且用配有5mm HDPE管的注射器在零时间(T₀)、T₅、T₁₀、T₂₀、T₃₀、T₄₅和T₆₀分钟在刚好曝气盘的上方采样。

b.额外进行60-80分钟的曝气浮选，但这次添加了常见的家用阴离子表面活性剂(在15L中稀释10,000倍)，并且在零时间(T₀)、T₅、T₁₀、T₂₀、T₃₀、T₄₅和T₆₀分钟采样。

c.对在60分钟、120分钟和165分钟时从回流柱顶部的溢流堰收集的泡沫产物进行取样(sT₁₆₅表示在曝气165分钟时添加的表面活性剂和采样的泡沫)。

表AA中所示的结果清楚地证明了该方法在去除短链PFAS物质(丙酸/丙烷；丁酸/丁烷；戊酸/戊烷；己酸/己烷等)方面的功效。当表面活性剂(可以是阴离子、阳离子或其他生物表面活性剂)添加到泡沫分馏柱内填充的水中时，它的作用是“收集”高溶解度、极低吸附等温线，以吸附到上升气泡的空气/水界面。其功能旨在使表面活性剂附着在短链PFAS(<C6分子)上以增加吸附等温常数，从而去除表面活性剂+短链PFAS分子的组合。在每种情况下，短链PFAS分子与表面活性剂/捕收剂的连接将取决于所选择的试剂，但这种连接可以通过弱键合(例如范德华力)和/或离子键合。所有捕收剂/表面活性剂应作为泡沫浮选过程中的产物通过到达溢流堰而容易地去除，或者可能通过真空泡沫去除过程从回流柱中去除。

该方法和装置的一般优点

从上文中，应当理解，与常规处理方法相比，根据本发明的装置和方法的至少一些实施方案提供了以下优点中的一个或多个：

·产生较少体积的PFAS富集液用于二次处理步骤；

·需要较小的二次处理设施；

·与标准“泵送处理”系统相比，总体处理时间更短；

·富集液体积较小意味着采用完全销毁过程(不进行填埋处理)是可行的；

·该方法能够从受污染地面抽出的水中提取污染物，而不是进行原位化学处理，后者可能不起作用(或不可逆)，并且可能无法达到地下水污染的所有水平。

·该装置可以配置用于许多不同类型的修复情况，包括源区、热点、迁移路径——可以调整一些简单的变量，例如真空抽吸、抽吸装置到液体泡沫界面的距离，以及浮选气体流率，并处理任何浓度的污染物。

·该系统可以轻松扩展以满足特定现场要求，因为分馏柱、泵、真空系统、管道和连接均由标准组件组成，扩展只需并行复制系统即可，并且可以调整泵和鼓风机的尺寸(向上或向下)以满足变化的要求。

·地面外部的物理分离过程避免了使用潜在危险化学品作为原位化学处理方法的一部分，并且不产生副产品或废物。

·根据起始浓度，真空提取实验产生的富集物为原始液体体积的1/10至1/45，并且残留的过程水基本上不含PFAS。

·随后富集物的再分馏(以及清洁过程水的合并)产生超富集物，使总体还原率达到原始流体体积的1/400。

·真空抽取方法还可以实现以下性能改进：

оPFAS泡沫在提取过程中破裂并产生几乎没有气泡的液体。

о回流柱的高度可以轻松调节，以最大限度地减少“湿”泡沫的提取，避免产生过多的残留水和稀释液。

о使用某种形式的抽吸提取将所得富含PFAS的液体富集物从分馏容器顶部和/或回流柱中输送出来，这与传统颗粒浮选或其他泡沫分馏不同，它不直接将体积流输送出主容器(例如通过堰流/倾倒)。

在整个本说明书中，词语“泡沫(froth和foam)”可以互换使用，但被认为是指相同的事物，基本上包括具有少量颗粒材料或富集有机污染物的湿液体富集物，并且通过各种设计的装置提取其旨在尽可能地控制和减少泡沫层中的含水量。

在某些实施方案的前述描述中，为了清楚起见，采用了特定术语。然而，本公开并不旨在限于如此选择的具体术语，并且应当理解，每个具体术语包括以类似方式操作以实现类似技术目的的其他技术等同物。比如“上”和“下”、“上方”和“下方”等术语被用作方便用语以提供参考点，并且不应被解释为限制性术语。

本说明书中对任何先前出版物或信息的引用不是也不应被视为知道或承认或任何形式的建议，即先前出版物或信息构成本说明书涉及的所在领域的公知常识的一部分。

在本说明书中，词语“包括”应以其“开放”的含义来理解，即，“包括”的含义，并且因此不限于其“封闭”的含义，即“仅由......组成”的含义。当出现相应的词语“包括”、“包含”和“含有”时，应赋予相应的含义。

另外，前述仅描述了本发明的一些实施方案，并且可以对其进行改变、修改、添加和/或变化而不背离所公开的实施方案的范围和精神，这些实施方案是说明性的而非限制性的。

此外，已经结合目前被认为是最实用和优选的实施方案描述了发明，应当理解，本发明不限于所公开的实施方案，而是相反，旨在覆盖了包括在本发明的精神和范围内的各种修改和等同布置。另外，上述各种实施方案可以结合其他实施方案来实现，例如，一个实施方案的方面可以与另一实施方案的方面组合以实现又一个其他实施方案。此外，任何给定组件的每个独立特征或部件可以构成附加实施方案。

Claims (35)

1.一种从被两亲性物质污染的水中分离微量该物质的方法，所述方法包括以下步骤：

-允许一定量的包含初始浓度的该物质的水经由进入腔室的入口进入该腔室中；

-将气体流引入到腔室中，其中所述引入的气体引起该腔室中的水流动，并产生泡沫层，该泡沫层形成于腔室中与所述水流和引入的气体流的界面处并上升到该界面上方，该泡沫层包含一定量的水以及与它们的初始浓度相比的富集量的所述物质；

-控制上升到界面上方的泡沫层的含水量以影响其中所述物质的浓度；和

-从腔室的上部部分去除至少一些泡沫层。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述气体流和所述泡沫层的产生是连续的。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中控制泡沫层的含水量的步骤通过来自包括以下各项的组的方式进行：控制引入的气体流的物理参数；以及控制泡沫层的物理参数。

4.如权利要求3所述的方法，其中控制引入的气体流的物理参数的步骤包括使用流量控制器和入口阀来控制进入腔室的所述引入的气体流。

5.如权利要求3或权利要求4所述的方法，其中控制泡沫层的物理参数的步骤包括使用圆锥形泡沫分馏腔室来限制在该腔室内产生的上升泡沫体积，从而增加泡沫层排水。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中控制上升到界面上方的泡沫层的含水量以影响其中的物质的浓度的步骤包括使用管状出口腔室，该管状出口腔室布置成从圆锥形泡沫分馏腔室垂直向上延伸并在湿泡沫离开腔室时接收该湿泡沫。

7.如权利要求6所述的方法，其中控制上升到界面上方的泡沫层的含水量以影响其中的物质的浓度的步骤包括使用具有内部肩部区域的管状出口腔室，该内部肩部区域减慢湿泡沫沿出口柱通过的速率，并有助于湿泡沫的排水。

8.如权利要求7所述的方法，其中，在所述从管状出口腔室的上部部分去除的步骤期间，并且在经历二次处理步骤之前，使泡沫层塌陷。

9.如权利要求8所述的方法，其中通过使用来自包括以下各项的组的机械装置来使泡沫层塌陷：泡沫消除器、真空抽取器件和泡沫抽取头。

10.如权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，用于处理包含富集的物质的塌陷的泡沫层的二次处理步骤使用包括以下各项的组中的至少一种过程：吸附(使用活性炭、粘土或离子交换树脂)、过滤(使用反渗透膜)；以及将更多量的气体引入到独立的容纳装置中以产生包含进一步富集量的物质的另一个浮选泡沫层。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述物质是有机的。

12.如权利要求14所述的方法，其中所述微量两亲性物质是全氟烷基物质或多氟烷基物质(PFAS)中的至少一种。

13.如权利要求15所述的方法，其中所述全氟烷基物质或多氟烷基物质(称为PFAS)包括包含以下主要两亲性物质的组中的一种或多种：

全氟辛烷磺酸(PFOS)；全氟辛酸(PFOA)；全氟正己烷磺酸(PFHxS)；全氟壬酸(PFNA)；全氟癸酸(PFDA/Ndfda)；6:2-含氟调聚物磺酸盐化合物(6:2FTS)；8:2-含氟调聚物磺酸盐化合物(8:2FTS)；和全氟辛酸(PFHpA)；多氟羧酸、烷基磺酸盐和烷基磺酰胺基化合物；以及各自具有不同碳链长度的含氟调聚化合物；并且包括这些的前体。

14.用于从被两亲性物质污染的水中分离微量的这些物质的装置，所述装置包括：

-具有入口的腔室，该腔室布置成在使用中允许一定量的污染水进入其中，该污染水包括初始浓度的所述物质；

-气体引入器件，该器件在使用中允许气体进入到腔室中，引入的气体用于引导水在腔室内流动，并且用于产生泡沫层，该泡沫层形成于腔室中与所述水流和引入气体的界面处并且上升到该界面上方，该泡沫层包含一定量的水并且还包含与其初始浓度相比的富集量的物质；

其中，该装置布置成在使用中将泡沫层容纳在腔室的上部部分附近，并且控制上升到界面上方的泡沫层的含水量，以影响其中的物质的浓度；和

-用于从腔室的上部部分去除至少一些泡沫层的器件。

15.如权利要求17所述的装置，其中所述腔室包括圆锥形容器，该圆锥形容器在使用中布置用于在腔室中限制泡沫的横截面流动路径，从而导致所述泡沫层的泡沫限制和排水。

16.如权利要求17至权利要求18所述的装置，用于提供对泡沫层的含水量的控制，其包括用于以下至少一项的装置：控制引入的气体流的物理参数；以及控制泡沫层的物理参数。

17.如权利要求19所述的装置，用于控制引入到腔室中的气体流的物理参数包括，响应于包括以下各项的组中的一项的测量使用流量控制器和气体输送管线上的入口阀：泡沫层的含水量；泡沫层的泡沫稳定性；腔室中界面的位置。

18.如权利要求17至权利要求20中任一项所述的装置，还包括管状出口腔室形式的泡沫层去除器件，该器件布置成从圆锥形泡沫分馏腔室垂直向上延伸并且在湿泡沫离开腔室时并且在二次处理步骤之前接收该湿泡沫。

19.如权利要求21所述的装置，还包括管状出口腔室形式的泡沫层去除器件，该器件布置成具有内部肩部区域，该区域减慢湿泡沫沿着出口柱通过的速率，并且有助于湿泡沫的排水。

20.如权利要求22所述的装置，其中所述泡沫层塌陷器件包括来自包括以下各项的组的机械装置：泡沫消除器、真空抽取器件和泡沫抽取头。

21.如权利要求31或权利要求32所述的装置，还包括二次处理器件，该器件在使用中用于处理塌陷的泡沫层以去除富集的物质，其中所述处理器件包括包含以下各项的组中的至少一项：吸附(使用活性炭、粘土或离子交换树脂)、过滤(使用反渗透膜)；真空蒸馏；滚筒干燥；以及将更多量的气体引入到独立的容纳装置中以产生包含进一步富集量的物质的另一个泡沫层。

22.一种从被主要和次要两亲性物质污染的水中分离微量所述物质的方法，该主要两亲性物质具有≥C8的相对较长的分子烃链长度，相比之下其他短链两亲性物质≥C6，

所述方法包括以下步骤：

-在第一时间间隔内将气体流引入到含有污染水的容器中，旨在产生泡沫层，该泡沫层上升到与所述水和气体流的界面上方，使得泡沫层包含一定量的水和与其初始浓度相比富集量的主要两亲性物质，然后将其去除；和

-在另外的时间间隔内，重复将气体流引入到容器中的步骤，但每次以较高的主要两亲性物质的气体流率进行；直到没有更多的主要或次要两亲性物质能够被去除。

23.一种从水中分离一定量的主要和次要两亲性物质的方法，该水最初被所述物质的混合物污染，该主要两亲性物质具有相对较长的分子烃链长度≥C8，相比之下该次要两亲性物质≤C6，

所述方法包括以下步骤：

-将气体流引入到含有污染水的容器中，旨在产生泡沫层，该泡沫层上升到与所述水和气体流的界面上方，使得泡沫层包含一定量的水和与其初始浓度相比富集量的主要两亲性物质，然后将该泡沫层去除；随后

-在继续将气体流引入含有污染水的容器中的同时，向浮选容器的操作的物理参数引入变化，从而释放任何剩余的主要两亲性物质和与其初始浓度相比富集量的次要两亲性物质，随后将其从容器中去除。

24.如权利要求26所述的方法，其中，如果气体的引入仅产生弱泡沫，则向浮选容器的操作的物理参数引入改变的步骤包括以下各项之一：

-通过使液体进入另一种类型的圆锥形泡沫浮选池来限制和稳定泡沫，从而稳定弱泡沫；和/或

-通过在浮选池的表面弯液面区域曝气，允许两亲性化合物发生稳态富集，然后在浮选池内引入一些流体向上的体积位移，导致微量两亲性化合物的富集溶液离开水；和/或

-引入额外的两亲性化合物比如表面活性剂如CTAB等以产生稳定的湿泡沫，该湿泡沫将上升到污染水的空气/水界面上方，并且湿泡沫会将污染物两亲性化合物与其一起携带出溶液。

25.一种从被两亲性物质污染的水中分离微量该物质的方法，该方法包括以下步骤：

-允许所述污染水经由进入腔室的入口进入该腔室中；

-将气体流引入到腔室的最下部区域，其中引入的气体引起腔室中的水向上流动，并产生泡沫层，该泡沫层上升到腔室的上部部分中与水的界面上方，该泡沫层包含在与首先被允许进入腔室的污染水中的浓度相比富集量的物质；

-收集足够量的所述泡沫层，在允许其塌缩回液体形式之后，将所述液体经由进入第二腔室的入口通入至该第二腔室；

-将气体流引入到第二腔室的最下部区域中，其中引入的气体引起所述腔室中的水向上流动，并且产生泡沫层，该泡沫层上升到第二腔室的上部部分中与水的界面上方，该泡沫层包含进一步富集量的物质；和

-在所述第二腔室中，调节以下中的至少一项：(i)使用泡沫层深度调节系统调节界面上方的泡沫层的深度，和(ii)调节腔室中的水的深度，所述调节响应于界面的位置移动；

从而控制第二腔室的最上部区域附近的泡沫层的含水量，以影响其中物质的浓度。

26.如权利要求28所述的方法，其中对于所述第一腔室或所述第二腔室中的至少一个，气体的向上流动和泡沫层的产生以间歇操作方式发生。

27.如权利要求28或权利要求29所述的方法，其中控制腔室上部区域中泡沫层的含水量的步骤通过包含以下各项的组中的至少一项进行：控制引入的气体流的物理参数；和控制泡沫层的物理参数。

28.如权利要求28至权利要求30中任一项所述的方法，其中控制腔室中的水的深度的步骤通过包含以下各项的组中的至少一项进行：控制引入的气体流的物理参数；以及控制进入的额外水流。

29.如权利要求28至权利要求31中任一项所述的方法，其中所述方法的步骤如权利要求2至权利要求16中任一项所述。

30.用于从被两亲性物质污染的水中分离微量该物质的装置，该装置包括：

-具有入口的腔室，其布置成在使用中允许污染水进入其中；

-位于腔室的最下部区域的气体引入器件，其在使用中允许气体进入到腔室中，引入的气体用于引导水从靠近腔室最下部区域的区域向腔室的最上部区域循环，并且用于产生泡沫层，该泡沫层上升到与水的界面上方，该层包含富集量的物质；和

-以下各项中的一项：(i)泡沫深度调节器件，其在使用中维持界面上方泡沫层的深度，以及(ii)水深度调节器件，其在使用中维持腔室中的水的深度，此类调节器件响应于界面的位置移动，

其中，该系统布置成在使用中将泡沫层容纳在腔室的最上部区域附近，并控制泡沫层的含水量，以影响其中物质的浓度。

31.一种用于从被两亲性物质污染的水中分离微量该物质的装置，该装置包括：

-圆锥形腔室，其被配置为当沿其中心垂直轴线沿垂直方向移动时逐渐变小的圆形内部横截面形状；和

-具有布置在其最下部区域中的入口的腔室，该入口布置成在使用中允许一定量的包含初始浓度的所述物质的污染水进入其中；

-气体引入器件，该器件在使用中允许气体进入到腔室中，引入的气体用于引导水在腔室内流动，并且用于产生泡沫层，该泡沫层形成于腔室中与所述水流和引入气体的界面处并且上升到该界面上方，该泡沫层包含一定量的水并且还包含与其初始浓度相比的富集量的物质；

其中，该装置被设置为在使用中将泡沫层限制在腔室的最上部窄宽度部分附近，并且在这样做时，控制泡沫层的含水量，该泡沫层上升到界面上方并穿过该窄宽度部分，以影响其中物质的浓度；和

用于从腔室的上部部分去除至少一些泡沫层的器件。

32.一种从被物质污染的水中分离一定量该物质的方法，该方法包括以下步骤：允许一定量的包含初始浓度的所述物质的水经由进入腔室的入口引入到该腔室中；将气体流引入腔室中，其中所述引入的气体引起腔室中的水流动并产生泡沫层，该泡沫层形成于腔室中与所述水流和引入的气体流的界面处并上升至该界面上方，该泡沫层包含一定量的水以及与其初始浓度相比的富集量的物质；控制上升到界面上方的泡沫层的含水量，以影响其中物质的浓度；从腔室的上部部分去除至少一些泡沫层。

33.一种用于从被物质污染的水中分离一定量该物质的装置，该装置包括：具有入口的腔室，其被设置为在使用中允许一定量的污染水进入其中，该污染水包含初始浓度的物质；气体引入器件，其在使用中允许气体进入腔室中，引入的气体用于引起水在腔室内流动，并且用于产生泡沫层，该泡沫层形成于腔室中与所述水流和引入的气体的界面处并上升到该界面上方，泡沫层包含一定量的水还有与其初始浓度相比的富集量的物质；其中，该装置在使用中布置成将泡沫层容纳在腔室的上部部分附近，并控制上升到界面上方的泡沫层的含水量，以影响其中的物质的浓度；以及用于从腔室的上部部分去除至少一些泡沫层的装置。

34.一种从被物质污染的水中分离一定量该物质的方法，所述方法包括以下步骤：允许所述污染水经由进入腔室的入口进入到该腔室中；将气体流引入腔室的最下部区域，其中引入的气体引起腔室中的水向上流动，并产生泡沫层，该泡沫层上升到腔室的上部部分与水的界面上方，该泡沫层包含与首先被允许进入腔室的污染水中的浓度相比富集量的物质；收集足够量的所述泡沫层，并且在允许其塌陷回液体形式之后，将所述液体经由进入第二腔室中的入口通入至该第二腔室；将气体流引入第二腔室的最下部区域，其中引入的气体引起所述腔室中的水向上流动，并产生泡沫层，该泡沫层上升到第二腔室的上部部分中与水的界面上方，泡沫层包含进一步富集量的物质；以及在所述第二腔室中，调节以下各项中的至少一项：(i)使用泡沫层深度调节系统调节界面上方的泡沫层的深度，和(ii)调节腔室中的水的深度，所述调节响应于界面位置的移动；从而控制第二腔室最上部区域附近的泡沫层的含水量，以影响其中物质的浓度。

35.一种从水中分离一定量的主要和次要两亲性物质的方法，该水最初被所述物质的混合物污染，该主要两亲性物质具有相对较长的分子烃链长度≥C8，相比之下该次要两亲性物质≤C6，

所述方法包括以下步骤：

-将气体流引入含有污染水的容器中，旨在产生泡沫层，该泡沫层上升到与所述水和气体流的界面上方，使得泡沫层包含一定量的水和与其初始浓度比较富集量的主要两亲性物质，然后将其去除；和

-引入额外的两亲性化合物比如表面活性剂等以产生稳定的湿泡沫，该湿泡沫将上升到污染水的空气/水界面上方，并且该湿泡沫会将污染物两亲性化合物与其一起携带出溶液。