24液膜分離技術(shù)

1、2.4 液膜分離技術(shù) 2.4.1 液膜的定義 2.4.2 液膜的分類 2.4.3 液膜的組成 2.4.4 液膜分離機(jī)理 2.4.5 液膜分離技術(shù)的應(yīng)用 液膜是懸浮在液體中液膜是懸浮在液體中很薄的一層乳液微粒。很薄的一層乳液微粒。它能把兩個它能把兩個組成不同組成不同而又而又互溶互溶的溶液隔開，的溶液隔開，并通過并通過滲透滲透現(xiàn)象起到現(xiàn)象起到分離的作用。分離的作用。2.4.1 液膜的定義液膜分離法液膜分離法 由于由于固體膜存在選擇性低和通量小等缺點(diǎn)固體膜存在選擇性低和通量小等缺點(diǎn)，故人們，故人們試圖用改變固體高分子膜的狀態(tài)，使穿過膜的擴(kuò)散試圖用改變固體高分子膜的狀態(tài)，使穿過膜的擴(kuò)散系數(shù)增大、膜的厚

2、度變小系數(shù)增大、膜的厚度變小, ,從而使透過速度躍增。從而使透過速度躍增。由此由此, ,在在6060年代中期誕生了一種新的膜分離技術(shù)年代中期誕生了一種新的膜分離技術(shù)液膜分離法。液膜分離法。 液膜分離法（液膜萃取法）液膜分離法（液膜萃取法）是一種以具有選擇是一種以具有選擇透過性的透過性的液態(tài)膜液態(tài)膜為分離介質(zhì)為分離介質(zhì), ,以濃度差為推動力的以濃度差為推動力的液體混合物的膜分離操作。液體混合物的膜分離操作。液膜分離的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（）分離過程中沒有相變化，不需要使液體沸騰，也不需要使氣體液化因而是一種低能耗，低成本的分離技術(shù)（）分離過程一般在常溫下進(jìn)行，因而對于需避免高溫分離，分級，濃縮與富

3、集的物質(zhì)，如果汁，藥品等，顯示出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)（）分離技術(shù)應(yīng)用范圍廣，對無機(jī)物、有機(jī)物及生物制品等均可適用；（）分離裝置簡單，操作容易，制造方便 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：（1）過程的可靠性較差；（2）乳化液膜的制乳、破乳較困難；（3）適用范圍小，實(shí)驗(yàn)室階段2.4.2 液膜的分類 按其構(gòu)型和操作方式的不同進(jìn)行分類： 乳化液膜 (elm) 支持液膜 (slm) （一）乳化液膜（一）乳化液膜（elm） 乳化液膜的制備是將兩個互不相溶相即內(nèi)相內(nèi)相(回收回收液液)和膜相（液膜溶液）充分乳化制成乳液，和膜相（液膜溶液）充分乳化制成乳液，再將此乳液在攪拌條件下分散在第三相（外相）第三相（外相）中而成。含有被分離組分的料液

4、含有被分離組分的料液 外相外相 內(nèi)相內(nèi)相 接受被分離組分的液體接受被分離組分的液體 膜相膜相 外相和內(nèi)相之間成膜的液體外相和內(nèi)相之間成膜的液體 液液膜膜分分離離體體系系 內(nèi)相（內(nèi)相（水水）溶質(zhì)溶質(zhì)水水油油水水(wow) 型乳化液型乳化液膜膜（水水）（油油） 在液膜分離過程中，在膜的原料一側(cè)（外相側(cè)）膜的原料一側(cè)（外相側(cè)）界面上，欲提取的目標(biāo)界面上，欲提取的目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)入膜相，而在膜物質(zhì)進(jìn)入膜相，而在膜的接受相一側(cè)（內(nèi)相側(cè)）的接受相一側(cè)（內(nèi)相側(cè)）同時釋放出該物質(zhì)。同時釋放出該物質(zhì)。萃取結(jié)束后，收集乳液后在進(jìn)行破乳回收內(nèi)相，而膜相可以循環(huán)制乳。 （二）支持液膜（二）支持液膜（slm） 支持液膜由溶解

5、了載體的液溶解了載體的液膜，膜，在表面張力的作用下，依靠聚合物凝膠層中的化學(xué)反應(yīng)或帶電荷材料的靜電作用，浸沒在多孔支持體的微浸沒在多孔支持體的微孔內(nèi)孔內(nèi)而制成的。 由于將液膜含浸在多孔支撐體上，支持液膜可以承受較大的壓力，且具有更高的選擇性。膜厚為膜厚為20500m，微，微孔直徑為孔直徑為0.15 m。2.4.3 2.4.3 液膜的組成液膜的組成膜相的基體物質(zhì)膜相的基體物質(zhì) 膜溶劑膜溶劑 表面活性劑表面活性劑 是穩(wěn)定油水分界是穩(wěn)定油水分界面的最重要的組分面的最重要的組分流動載體流動載體 對預(yù)提取的物質(zhì)進(jìn)對預(yù)提取的物質(zhì)進(jìn)行選擇性搬運(yùn)遷移行選擇性搬運(yùn)遷移 液液膜膜的的組組成成外相外相 內(nèi)相內(nèi)相溶質(zhì)

6、溶質(zhì)傳遞傳遞膜相膜相構(gòu)成液膜的乳液通常由構(gòu)成液膜的乳液通常由溶劑（水溶劑（水或有機(jī)溶劑或有機(jī)溶劑, 占占90以上）、表面以上）、表面活性劑（乳化劑，占活性劑（乳化劑，占1-5）和添）和添加劑（穩(wěn)定劑、流動載體等，占加劑（穩(wěn)定劑、流動載體等，占1-5）組成。）組成。（一）膜溶劑1. 膜溶劑的組成：膜溶劑的組成：高分子烷烴、異烷烴類物質(zhì)。2. 膜溶劑的作用：膜溶劑的作用：是構(gòu)成膜相的基本物質(zhì)。3. 膜溶劑的特點(diǎn)：膜溶劑的特點(diǎn)：（1）能保持操作過程中的穩(wěn)定性；（2）良好的溶解性；（3）與水有一定的相對密度差，有利于膜相與料液的分離。（二）表面活性劑1. 表面活性劑的作用：表面活性劑的作用：是穩(wěn)定油水

7、分界面的最重要的組分，是穩(wěn)定油水分界面的最重要的組分，對液膜的穩(wěn)定性、滲透速度、分離效率和膜相遇內(nèi)水相分對液膜的穩(wěn)定性、滲透速度、分離效率和膜相遇內(nèi)水相分離后的循環(huán)使用有直接關(guān)系。其結(jié)構(gòu)如圖所示：離后的循環(huán)使用有直接關(guān)系。其結(jié)構(gòu)如圖所示： 2. 表面活性劑的類型：表面活性劑的類型：陰離子型、陽離子型和非離子型（1）陰離子表面活性劑：脂肪酸、松香酸、支鏈烷酸等，如硬脂酸，十二烷基苯磺酸鈉； （2）陽離子表面活性劑：各種胺鹽，如季銨化物；（3）非離子表面活性劑：烷基酚的聚乙烯醚衍生物、烷基硫醇、醇類等。（三）流動載體1. 流動載體的作用：流動載體的作用：對預(yù)提取的物質(zhì)進(jìn)行選對預(yù)提取的物質(zhì)進(jìn)行選擇性

8、搬運(yùn)遷移擇性搬運(yùn)遷移，因此對選擇性和膜的通量起決定性作用。2. 流動載體按電性可分為帶電載體與流動載體按電性可分為帶電載體與中性中性載載體，一般來說中性載體的性能比帶電載體體，一般來說中性載體的性能比帶電載體(離子型載體離子型載體)好。好。中性載體中又以大環(huán)化合中性載體中又以大環(huán)化合物最佳。物最佳。莫能菌素絡(luò)合物莫能菌素絡(luò)合物膽烷酸絡(luò)合物膽烷酸絡(luò)合物合成的聚醚化合物合成的聚醚化合物2.4.4 2.4.4 液膜分離機(jī)理液膜分離機(jī)理 單純擴(kuò)散遷移單純擴(kuò)散遷移 i型促進(jìn)遷移（內(nèi)相化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)遷移，無載型促進(jìn)遷移（內(nèi)相化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)遷移，無載體擴(kuò)散遷移）體擴(kuò)散遷移） ii型促進(jìn)傳遞（有載體擴(kuò)散遷移）型促

9、進(jìn)傳遞（有載體擴(kuò)散遷移）（一）單純擴(kuò)散遷移（一）單純擴(kuò)散遷移該分離機(jī)制的液膜中不含該分離機(jī)制的液膜中不含流動載體，內(nèi)、外水相中流動載體，內(nèi)、外水相中也沒有與待分離物質(zhì)發(fā)生也沒有與待分離物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的試劑。只依賴化學(xué)反應(yīng)的試劑。只依賴待分離組分在膜中的溶解待分離組分在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的差異，導(dǎo)度和擴(kuò)散系數(shù)的差異，導(dǎo)致透過膜的速度不同而實(shí)致透過膜的速度不同而實(shí)現(xiàn)分離?，F(xiàn)分離。液膜相中的液膜相中的a、b兩種溶質(zhì)兩種溶質(zhì)要分離，必須一種溶質(zhì)要分離，必須一種溶質(zhì)a透透過膜的速度大于過膜的速度大于b，而透過，而透過速度正比于該溶質(zhì)在膜相速度正比于該溶質(zhì)在膜相中的分配系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。中的分配系數(shù)和

10、擴(kuò)散系數(shù)。（二）（二） i 型促進(jìn)遷移型促進(jìn)遷移 i型促進(jìn)遷移（內(nèi)相化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)遷移）：型促進(jìn)遷移（內(nèi)相化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)遷移）：為實(shí)現(xiàn)高效分離，為實(shí)現(xiàn)高效分離，可采用在溶質(zhì)的接受相（如內(nèi)相）添加與溶質(zhì)能發(fā)生化學(xué)反可采用在溶質(zhì)的接受相（如內(nèi)相）添加與溶質(zhì)能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的試劑，通過化學(xué)反應(yīng)來促使溶質(zhì)高效快速遷移。應(yīng)的試劑，通過化學(xué)反應(yīng)來促使溶質(zhì)高效快速遷移。液膜液膜 a料料液液相相接接收收相相a+rpp 溶質(zhì)溶質(zhì) a 因選擇性溶解而從因選擇性溶解而從料液相進(jìn)入液膜相料液相進(jìn)入液膜相,并在膜中并在膜中擴(kuò)散。擴(kuò)散。 a在抵達(dá)膜相與接收相的界在抵達(dá)膜相與接收相的界面時面時,與接收相中的試劑與接收相中的試劑

11、r 發(fā)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生化學(xué)反應(yīng), 生成的產(chǎn)物生成的產(chǎn)物p 不不溶于液膜。從而保證滲透物溶于液膜。從而保證滲透物a在膜相兩側(cè)最大的濃度差。在膜相兩側(cè)最大的濃度差。 即：接收相中的試劑即：接收相中的試劑r促進(jìn)促進(jìn)了了a的傳遞。的傳遞。試劑試劑r（三）（三） ii型促進(jìn)傳遞型促進(jìn)傳遞 這類傳遞方式是在這類傳遞方式是在膜相中加入膜相中加入 “載體載體” 化合物，化合物，它能它能選擇性地選擇性地與外相中的待分離物質(zhì)結(jié)合后與外相中的待分離物質(zhì)結(jié)合后透過膜相透過膜相并將它并將它送入內(nèi)相。送入內(nèi)相。就象就象“渡船渡船”一樣將溶質(zhì)從膜的一側(cè)載到另一樣將溶質(zhì)從膜的一側(cè)載到另一側(cè)。一側(cè)。 在分離過程中，在分離過程中，

12、流動載體并未消耗，只是運(yùn)載工具，流動載體并未消耗，只是運(yùn)載工具，被被消耗的是內(nèi)相的試劑。由于內(nèi)相體積遠(yuǎn)小于外相體積，消耗的是內(nèi)相的試劑。由于內(nèi)相體積遠(yuǎn)小于外相體積，故進(jìn)入內(nèi)水相的物質(zhì)既與外相雜質(zhì)分離，同時又得到了故進(jìn)入內(nèi)水相的物質(zhì)既與外相雜質(zhì)分離，同時又得到了濃縮。濃縮。 根據(jù)載體的性質(zhì)不同，分為兩類：（根據(jù)載體的性質(zhì)不同，分為兩類：（1）離子型載體的）離子型載體的逆向遷移（反向遷移逆向遷移（反向遷移 ）（2）非離子型載體的）非離子型載體的同向遷移同向遷移。（1 1）離子型載體的逆向遷移）離子型載體的逆向遷移當(dāng)液膜中含有離子型載體時的溶質(zhì)遷移過程，載當(dāng)液膜中含有離子型載體時的溶質(zhì)遷移過程，載體

13、輸送的物質(zhì)為體輸送的物質(zhì)為單一離子單一離子, , 待提取溶質(zhì)待提取溶質(zhì)a a與供能與供能溶質(zhì)溶質(zhì)b b遷移方向相反。遷移方向相反。 在膜左側(cè)界面：在膜左側(cè)界面：bcb+ac 在膜右側(cè)界面：在膜右側(cè)界面：aca+bc 離子型載體的逆向遷移離子型載體的逆向遷移凈的結(jié)果：凈的結(jié)果： a由左到右，由左到右，b相反，相反，c在膜內(nèi)循環(huán)，起在膜內(nèi)循環(huán)，起“渡船渡船”作用。作用。a能夠從濃度低的左側(cè)傳到濃度能夠從濃度低的左側(cè)傳到濃度高的右側(cè)，是因?yàn)楦叩挠覀?cè)，是因?yàn)閎（b本身由濃本身由濃度差驅(qū)動）對其度差驅(qū)動）對其“供能供能”或或“做做功功”。 （2）非離子型載體的同向遷移）非離子型載體的同向遷移非離子型載體

14、的同向遷移非離子型載體的同向遷移液膜中含有非離子型載體時液膜中含有非離子型載體時, 它它所載帶的溶質(zhì)是所載帶的溶質(zhì)是中性鹽。中性鹽。載體載體, 它與陽離子選擇性配位的同時它與陽離子選擇性配位的同時, 又與陰離子結(jié)合形成離子對而又與陰離子結(jié)合形成離子對而一起遷移一起遷移 ，待提取溶質(zhì)，待提取溶質(zhì)a和供和供能溶質(zhì)能溶質(zhì)b傳遞方向相同。傳遞方向相同。 在膜左側(cè)界面在膜左側(cè)界面: a+bcacb 膜右側(cè)界面膜右側(cè)界面: acb a+bc 供能溶質(zhì)供能溶質(zhì)b順其濃度差傳遞，順其濃度差傳遞，a逆其濃度差傳遞。逆其濃度差傳遞。 2.4.5 液膜分離技術(shù)的應(yīng)用 液膜分離技術(shù)由于具有良好的選擇性和定向性,分離效

15、率很高,而且能達(dá)到濃縮、凈化和分離的目的,因此廣泛用于化工、食品、制藥、環(huán)保、濕法冶金和生物制品等行業(yè)中。 （）水處理： 海水，苦咸水的淡化； 純水，超純水的制備； 工業(yè)廢水的處理；（）元素的分離，富集；（）金屬物質(zhì)的分離，回收；（）氣體分離(1)、烴類混合物的分離、烴類混合物的分離 液膜分離技術(shù)已成功用于分離苯-正乙烷、甲烷-庚烷、庚烷-己烯等混合物系。如在分離芳烴與烷烴混合物時,芳烴易溶于膜,烷烴難溶于膜,因而芳烴在膜內(nèi)的濃度梯度大,滲透速率高;烷烴在膜內(nèi)的濃度梯度小,滲透速率低,于是實(shí)現(xiàn)了混合烴的分離。(2)、從鈾礦浸出液中提取鈾、從鈾礦浸出液中提取鈾 鈾礦的硫酸浸出液中,以uo2(so

16、4)34-的形式存在,含有萬分之幾至千分之幾的鈾。此外,還含有fe2+、fe3+、vo3-和moo42-等。所用液膜為支撐液膜。工藝流程見圖。將原料中的vo3-還原成v4+,然后送進(jìn)液膜分離器,鈾將與載體絡(luò)合被傳輸?shù)交厥障?而釩則殘留在原料相中被分開。當(dāng)鈾和鉬分離時,向原料液中添加nacl來阻撓鈾同載體的絡(luò)合,從而抑制了被膜相萃取的效果。(3)、含酚廢水的處理、含酚廢水的處理 含酚廢水產(chǎn)生于焦化、石油煉制、合成樹脂、化工、制藥等工業(yè)部門,采用液膜分離技術(shù)處理含酚廢水效率高、流程簡單。采用油包水型乳液膜,以naoh水溶液作為內(nèi)相,中性油作為膜相。典型的傳質(zhì)機(jī)理為內(nèi)相有化學(xué)反應(yīng)的過程。(4)、液膜法氨基酸的生成與分離、液膜法氨基酸的生成與分離 采用