新型分離技術3教學課件

第二章特殊萃取

第一節(jié)化學萃取液—液萃取又稱溶劑萃取，簡稱萃取，是分離液體混合物的一種單元操作。萃取的原理：利用原料液中各組分在溶劑中溶解度的差異實現組分的分離。如以三氯乙烷為溶劑從丙酮水液中萃取丙酮。以液態(tài)丙烷為溶劑從油酸與棉子油混合物中萃取油酸等。萃取分離可分為物理萃取和化學萃取。物理萃取是基本不涉及化學反應的物質傳遞過程。化學萃取是伴有化學反應的傳質過程，即在溶質與萃取劑之間存在化學作用?；瘜W萃取的相平衡關系非常復雜，它是溶質在兩相中的不同的化學狀態(tài)之間的平衡，服從于相律和一般化學反應的平衡規(guī)律。2-1-2溶質與萃取劑之間的化學作用(1)絡合反應(2)陽離子交換反應(3)離子締合反應2-1-3化學萃取的相平衡(1)萃取等溫線分配系數（分配比）D

(2-5)

(2)

化學萃取相平衡關系式(3)萃合物組成的確定(4)化學萃取相平衡數據的關聯(lián)2-1-5化學萃取的應用——絡合萃取法分離有機稀溶液

稀醋酸水溶液的分離采用中性含磷絡合劑，如磷酸三丁酯（TBP）、三辛基氧化膦(TOPO)、三烷基胺（Alamine336）

苯酚水溶液的分離采用25%（wt）三辛基氧化膦（TOPO）的二異丁基酮（DIBK）溶液。絡合萃取法分離有機稀溶液是很有意義的，它的高效性可能導致一些頗有前途的工藝過程的開發(fā)。第二節(jié)液膜分離技術2-2-1概述

液膜分離技術是一種快速、高效和節(jié)能的新型分離技術（選擇性高、通量大）。在化工、環(huán)境保護、氣體分離、食品、生物醫(yī)學、濕法冶金等領域得到應用。液膜分離技術按其結構和操作方式的不同,主要分為乳狀液膜(LiquidSurfactantmembranes)和支撐液膜(SupportedLiquidmembranes)。1.乳狀液膜乳狀液膜實際上可以看成一種“水—油—水”型(W/O/W)或“油—水—油”型(O/W/O)的雙重乳狀液高分散體系。將兩個互不相溶的液相通過高速攪拌或超聲波處理制成乳狀液,然后將其分散到第三種液相(連續(xù)相)中,就形成了乳狀液膜體系。0.1—5mm廢水相(連續(xù)相)內包相微滴乳狀液液滴膜溶劑表面活性劑添加劑液膜圖2-10以液膜乳液處理水示意圖x(μm)有效厚度1～10(μm)圖2-10給出了一種乳狀液膜處理廢水的示意圖?？梢钥闯?這類液膜體系包括三個部分,膜相、內包相和連續(xù)相,通常內包相和連續(xù)相是互溶的,膜相則以膜溶劑為基本成分。為了維持乳狀液一定的穩(wěn)定性及選擇性,往往在膜相中加入表面活性劑和添加劑。乳狀液膜是一個高分散體系,提供了很大的傳質比表面積。待分離物質由連續(xù)相(外相)經膜相向內包相傳遞。在傳質過程結束后,乳狀液通常采用靜電凝聚等方法破乳,膜相可以反復使用,內包相經進一步處理后回收濃縮的溶質。內水相回收相原液相(外水相、連續(xù)相)液膜相(載體,表面活性劑,膜強化劑,有機溶劑)溶質表面活性劑W/O/W型乳化液膜示意圖2.支撐液膜支撐液膜是將膜相溶液牢固地吸附在多孔支撐體的微孔之中,在膜的兩側則是與膜相互不相溶的料液相和反萃相。待分離的溶質自料液相經多孔支撐體中的膜相向反萃相傳遞。這類操作方式比乳狀液膜簡單,其傳質比表面積也可能由于采用中空纖維膜做支撐體來解決,過程易于工程放大。但是,膜相溶液是依據表面張力和毛細管作用吸附于支撐體微孔之中的,在使用過程中,液膜會發(fā)生流失現象而使支撐液膜的功能逐漸下降。

料液相（原液相）反萃相（回收相）液膜相(載體,有機溶劑)溶質疏水性多孔膜支撐液膜示意圖25—50μΦ0.02—1μ支撐體膜材料的選擇往往對過程影響很大。一般認為聚乙烯和聚四氟乙烯制成的疏水微孔膜效果較好,聚丙烯次之,聚砜膜做支撐的液膜的穩(wěn)定性較差。在工藝過程中,一般需要定期向支撐體微孔中補充液膜溶液,采用的方法通常是在反萃相一側隔一定時間加入膜相溶液,以達到補充的目的。2-2-2液膜的分離機理1.選擇性滲透;2.滴內反應;3.膜相反應;4.萃取和吸附;圖2-11液膜分離機理AB液膜進料(A)選擇性滲透

進料C試劑(R)C+RP(B)滴內化學反應P——不溶于膜相的物質D+R1P1P1膜內試劑(R1)進料試劑(R2)DP1+R2P2+R1(C)膜相化學反應懸浮物質進料E(m)E(1)(D)萃取和吸附P1——中間產物P2——不溶物2-2-5液膜分離的工藝流程及應用1.乳狀液膜分離工藝流程(1)乳狀液膜的制備（制乳）;(2)接觸分離;(3)沉降澄清;(4)破乳預處理沉降混合處理下料制乳破乳原料新鮮內相內相膜相1234圖2-19液膜分離的一般性工藝流程溶質2.液膜分離技術的應用(1)烴類混合物的分離;(2)含酚廢水處理;(3)從鈾礦浸出液中提取鈾。乳狀液膜與支撐液膜的比較乳狀液膜的優(yōu)缺點:(1)要使W/O乳化液分成有機膜相和內水相,需設置乳化器與破乳器;(2)其分離過程相當復雜;(3)膜面積非常大,一般為1,000～3,000m2/m3(液體體積),因此透過速度十分高;(4)若想使原液相接近活塞流狀態(tài),必需進行多級化分離；(5)在溶劑萃取中,由于油水兩相基本上已達到平衡狀態(tài),因而采取逆流操作的方法,且分離各級必需設置沉降器。相反,對乳化液膜法來說,因內水相的反萃取劑捕集透過物的容量比較大,可采取順流操作方法,各萃取槽不必設沉降器。支撐液膜的優(yōu)缺點:(1)不必為相分離而設置沉降器(但當使有機膜相向膜支撐體中含浸時,需要小型油水分離器),因而有機相的損耗較少;(2)膜的調制是單一的含浸操作,與載體固定膜(使載體與膜支撐體化學結合的膜)相比工序簡單,可廣泛采用溶劑萃取試劑作載體;(3)多孔支撐體的價格昂貴;(4)在中空絲式、螺卷式等組件中,因原液相可接近活塞流狀態(tài),所以可達到高脫除效果;(5)容易設計和放大;(6)細孔內的有機相,由于溶解于水相或被水相所置換而使膜劣化。膜的厚度難以做成數十微米以下,因此膜的阻力增大,流速變小;(7)必須令有機相再含浸于液膜支撐體內,才能使液膜再生。第三節(jié)膜萃取膜萃取是膜過程與液液萃取過程相結合的新的分離技術。又稱為固定膜界面萃取。膜萃取的優(yōu)點在于：(1)可減少萃取劑在料液相中的夾帶損失；(2)過程本身對萃取劑物性的要求不高；(3)不受返混的影響和液泛條件的限制；(4)可以實現同級萃取反萃過程；(5)避免膜孔中內溶劑的流失。料液萃取劑膜萃取原理圖1342圖2-22槽式實驗裝置簡圖1—攪拌器；2—微孔膜；3—有機相；4—水相1第四節(jié)超臨界流體萃取2-4-1基本原理

超臨界流體萃取利用超臨界流體作為萃取劑,從液體或固體中萃取出待分離的組分。與萃取操作相比較,它們同是加入溶劑,在不同的相之間完成傳質分離。不同的是,超臨界流體萃取中所用的溶劑是超臨界狀態(tài)下的流體,該流體具有氣體和液體之間的性質,且對許多物質均具有很強的溶解能力,分離速率遠比液體溶劑萃取快,可以實現高效分離。表2-3某些超臨界流體萃取劑的臨界特性在稍高于臨界點溫度的區(qū)域內,壓力稍有變化就會引起密度的很大變化,且超臨界流體的密度接近于液體的密度,其對液體、固體物質的溶解度與液體溶劑的溶解度比較接近。利用超臨界流體的特性,在高密度(低溫、高壓)條件下,萃取分離所需物質,然后稍微提高溫度或降低壓力,可以將萃取劑與待分離物質分離。在超臨界流體萃取操作中,其操作溫度一般較其臨界值高10～100℃,壓力為5～30MPa從表2-4可以看出,超臨界流體的密度與液體比較接近,而粘度卻接近于普通氣體,自擴散能力比液體大100倍。表2-4超臨界流體與氣體、液體傳遞性質的比較超臨界流體萃取的過程特征：(1)超臨界流體萃取一般選用化學性質穩(wěn)定,無腐蝕性,其臨界溫度不過高或過低的物質做萃取劑,這類分離技術特別適用于提取或精制熱敏性、易氧化物質。(2)超臨界流體萃取劑具有良好的溶解能力和選擇性,且溶解能力隨壓力增加而增大。降低超臨界相的密度可以將其包含的溶質凝析出來,過程無相變。(3)由于超臨界流體兼有液體和氣體的特性,其萃取效率一般要高于液體溶劑萃取。(4)選用無毒性的超臨界流體(如CO2)做萃取劑,不會引起被萃物質的污染,可以用于醫(yī)藥、食品等工業(yè)。(5)超臨界流體萃取屬于高壓技術范疇,需要有與此相適應的設備。2-4-4超臨界流體萃取的典型流程及應用1.超臨界流體萃取的典型流程(1)等溫法(2)等壓法13P124T1=T2P1>P21—萃取槽；2—膨脹閥；3—分離槽；4—壓縮機T1T2P2溶質13P124T1<T2P1=P21—萃取槽；2—加熱器；3—分離槽；4—泵；5—冷卻器P2T2T15溶質(3)吸附法13P124T1=T2P1=P21—萃取槽；2—吸附劑；3—分離槽；4—泵；P2T2T1圖2-42超臨界萃取的三種典型流程表2-5醇分離的產品純度與能耗*以蒸餾法的能耗為100%2.超臨界流體萃取技術的應用前景(1)天然產物中有效成份的分離提取(2)化學產品的分離精制(3)超臨界CO2處理食品原料(4)超臨界流體萃取有生化工程中的應用第五節(jié)雙水相萃取技術

早在1896年，Beijerinek在把明膠和瓊脂或可溶性淀粉混合時發(fā)現，兩種親水性的高分子聚合物并非混為一相，而是出現了兩個水相的成相現象。利用這類雙水相成相現象及待分離物質在此兩相間所具有的分配系數，來實現提純目的的分離方法，稱為雙水相萃取技術。雙水相萃取技術主要應用于生物物質的分離與提純，如核酸細胞、各種酶、蛋白質、細胞器和菌體的分離等。常見于生物產物分離的高聚物/高聚物雙水相體系有聚乙二醇(PEG)/葡萄糖(dextran),高聚物/無機鹽體系有聚乙二醇/磷酸鹽和聚乙二醇/硫酸鹽體系。雙水相萃取技術的特征：(1)可選用對生物物質活性無害的高聚物和無機鹽等進行分