液膜分離技術(shù)與過程化學(xué)-課件

液膜分離技術(shù)與過程化學(xué)1ppt課件第4章液膜分離技術(shù)與過程化學(xué)

液膜分離技術(shù)是1968年美籍華人黎念之博士首先提出來的，目前，已經(jīng)應(yīng)用到冶金、醫(yī)藥、環(huán)保、化工等領(lǐng)域。一、液膜的結(jié)構(gòu)與分類液膜是一層很薄的液體，可以是水溶液，也可以是有機(jī)溶液，這層溶液能把互溶的組成不同的溶液隔開，并通過液膜的選擇性透過作用實現(xiàn)分離。當(dāng)被隔開的兩個溶液是水溶液時，液膜應(yīng)該是？型？當(dāng)被隔開的兩個溶液是有機(jī)溶液時，液膜應(yīng)該是？型？2ppt課件精品資料你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結(jié)一節(jié)課的重點(diǎn)的難點(diǎn)，你是否會認(rèn)為老師的教學(xué)方法需要改進(jìn)？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽曬，也不怕那風(fēng)雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學(xué)問無顏見爹娘……”“太陽當(dāng)空照，花兒對我笑，小鳥說早早早……”具有分離選擇性的人造液膜是馬?。∕artin）在60年代初研究反滲透時發(fā)現(xiàn)的，這種液膜是覆蓋在固體膜之上的，為支撐液膜。60年代中期，美籍華人黎念之博士發(fā)現(xiàn)含有表面活性劑的水和油能形成界面膜，從而發(fā)明了不帶有固體膜支撐的新型液膜，并于1968年獲得純粹液膜的第一項專利。70年代初，卡斯勒（Cussler）又研制成功含流動載體的液膜，使液膜分離技術(shù)具有更高的選擇性。直到80年代中期，奧地利的J.Draxler等科學(xué)家采用液膜法從粘膠廢液中回收鋅獲得成功，液膜分離技術(shù)才進(jìn)入了實用階段。由于膜分離技術(shù)具有高效、節(jié)能、高選擇、多功能等特點(diǎn)，分離膜已成為上一世紀(jì)以來發(fā)展極為迅速的一種功能性高分子。5ppt課件黎念之

(Norman

N.

Li)

博士小傳黎念之化學(xué)工程學(xué)家。美國國籍1932年12月25日生于中國上海，原籍湖南湘潭。

1954年獲臺灣大學(xué)化學(xué)工程學(xué)士學(xué)位。1959年獲美國密執(zhí)安州立韋恩大學(xué)碩士學(xué)位1963年獲美國史蒂文斯理工學(xué)院博士學(xué)位1995年迄今任北美膜科學(xué)學(xué)會會長和恩理（NL）化學(xué)技術(shù)公司董事長。1990年起任美國國家工程院院士1996年起任臺灣“中央研究院”院士

1998年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士2000年獲被譽(yù)為化學(xué)工業(yè)界諾貝爾獎的普金獎?wù)?001年榮獲世界化工大會授予的終身成就獎

6ppt課件液膜結(jié)構(gòu)：①隔開兩個水溶液的液膜是有機(jī)溶液，常用W/O/W即“水相/有機(jī)相/水相”來表示；②隔開兩個有機(jī)溶液的液膜是水溶液，即用O/W/O即“有機(jī)相/水相/有機(jī)相”來表示。7ppt課件液膜的組成a.膜溶劑（成膜的基本物質(zhì)）膜溶劑應(yīng)該具有一定粘度使膜穩(wěn)定。膜溶劑對被分離物的溶解度越大而對其他雜質(zhì)溶解度越小越好。膜溶劑在內(nèi)外相兩個分隔的溶液中溶解度很小或不溶。膜溶劑與內(nèi)外相溶液有一定密度差，一般要求相差0.025g/cm3，以利于膜液與料液的分離。b.表面活性劑能顯著改變液體表面張力或兩相間界面張力的物質(zhì)，是制造液膜固定油水分界面的最重要組分。

選擇：按分離對象及分離體系選擇。8ppt課件c.流動載體作用：將溶質(zhì)從膜的一側(cè)轉(zhuǎn)移到另一側(cè)的。即：使指定的溶質(zhì)或離子進(jìn)行選擇性遷移。因此它對分離指定的溶質(zhì)或離子的選擇性及通量有決定性的影響。所以，選擇正確與否，對液膜分離成功與否有關(guān)鍵性的作用。材料：某種萃取劑。d.膜增強(qiáng)添加劑作用：使膜具有合適的穩(wěn)定性，既要求液膜在操作中不致過早破裂，又要在破乳時容易被破碎，使內(nèi)相與膜相分離。液膜組成：表面活性劑占1%-5%，流動載體占1%～5%，其余基本是膜溶劑，膜增強(qiáng)添加劑（個別有，量少）9ppt課件分類：按溶劑可分為：水膜（溶劑為水）：分離有機(jī)混合物油膜（溶劑為有機(jī)溶劑）：分離水溶液中溶質(zhì)（含流動載體液膜和非流動載體液膜）按形狀可分為：液滴型：烴的分離，不穩(wěn)定，易破裂隔膜型：可連續(xù)操作，但表面積小，處理量不大乳化型：液滴直徑小到呈乳化狀的液膜（O/W、W/O）10ppt課件液膜的形式①支撐型液膜：含微孔的聚合物膜浸入有機(jī)溶液中，膜內(nèi)微孔充滿了液體，即形成了支撐型液膜。用途：作膜萃取。即：料液的組分先進(jìn)入支撐液，再被萃取劑取到膜的另一側(cè)。亦即：支撐液膜作為萃取劑從料液中萃取被萃組分，被萃組分即從料液側(cè)傳遞到反萃液側(cè)，接著被反萃到反萃液中。11ppt課件②單滴型液膜單滴型液膜形狀如球，液膜為一個較大的單一的球面體。按成膜材料不同分為水膜(O/W/O型)和油膜(W/O/W型)兩種。12ppt課件③乳化型液膜把兩種互不相溶的液體制成乳化液。然后將其分散到第三相（外相）中。乳化液液滴內(nèi)包裹的相為內(nèi)相，內(nèi)外相之間的部分為液膜。乳化液液滴直徑0.1-2mm，液膜厚度1-10μm。按成膜材料的不同也有W/O/W型和O/W/O型兩種情況。13ppt課件應(yīng)用⑴廢水處理⑵氣體和烴的分離：芳香烴—鏈烷烴、烯烴—鏈烷烴、CO2—O2⑶濕法冶金Cu2+的提?、壬飳W(xué)和仿生學(xué)：人工肺、人工腎⑸分析化學(xué)：液膜選擇性電極優(yōu)點(diǎn)：分離效率高，特別適用于低濃度物質(zhì)的分離提??；萃取劑用量少；乳化液膜表面積大，滲透性高；能分離物化性質(zhì)近似的碳?xì)浠衔?4ppt課件二、液膜分離的原理（與膜的組成有關(guān)

）1.單純遷移型（不含流動載體）前提：當(dāng)膜中不含流動載體，液滴內(nèi)外相中也不含有與待分離物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的試劑時，待分離的不同組分是靠在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)不同而導(dǎo)致透過膜的速度不同來實現(xiàn)分離的。這種液膜分離屬單純遷移選擇性滲透機(jī)理。15ppt課件1、液膜的形式①支撐型液膜：含微孔的聚合物膜浸入有機(jī)溶液中，膜內(nèi)微孔充滿了液體，即形成了支撐型液膜。用途：作膜萃取。即：料液的組分先進(jìn)入支撐液，再被萃取劑取到膜的另一側(cè)。亦即：支撐液膜作為萃取劑從料液中萃取被萃組分，被萃組分即從料液側(cè)傳遞到反萃液側(cè)，接著被反萃到反萃液中。16ppt課件②單滴型液膜單滴型液膜形狀如球，液膜為一個較大的單一的球面體。按成膜材料不同分為水膜(O/W/O型)和油膜(W/O/W型)兩種。17ppt課件③乳化型液膜把兩種互不相溶的液體制成乳化液。然后將其分散到第三相（外相）中。乳化液液滴內(nèi)包裹的相為內(nèi)相，內(nèi)外相之間的部分為液膜。乳化液液滴直徑0.1-2mm，液膜厚度1-10μm。按成膜材料的不同也有W/O/W型和O/W/O型兩種情況。18ppt課件2.液膜的組成a.膜溶劑（成膜的基本物質(zhì)）膜溶劑應(yīng)該具有一定粘度使膜穩(wěn)定。膜溶劑對被分離物的溶解度越大而對其他雜質(zhì)溶解度越小越好。膜溶劑在內(nèi)外相兩個分隔的溶液中溶解度很小或不溶。膜溶劑與內(nèi)外相溶液有一定密度差，一般要求相差0.025g/cm3，以利于膜液與料液的分離。b.表面活性劑能顯著改變液體表面張力或兩相間界面張力的物質(zhì)，是制造液膜固定油水分界面的最重要組分。

選擇：按分離對象及分離體系選擇。19ppt課件c.流動載體作用：將溶質(zhì)從膜的一側(cè)轉(zhuǎn)移到另一側(cè)的。即：使指定的溶質(zhì)或離子進(jìn)行選擇性遷移。因此它對分離指定的溶質(zhì)或離子的選擇性及通量有決定性的影響。所以，選擇正確與否，對液膜分離成功與否有關(guān)鍵性的作用。材料：某種萃取劑。d.膜增強(qiáng)添加劑作用：使膜具有合適的穩(wěn)定性，既要求液膜在操作中不致過早破裂，又要在破乳時容易被破碎，使內(nèi)相與膜相分離。液膜組成：表面活性劑占1%-5%，流動載體占1%～5%，其余基本是膜溶劑，膜增強(qiáng)添加劑（個別有，量少）20ppt課件8.5.2液膜分離的原理（與膜的組成有關(guān)

）1.單純遷移型（不含流動載體）前提：當(dāng)膜中不含流動載體，液滴內(nèi)外相中也不含有與待分離物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的試劑時，待分離的不同組分是靠在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)不同而導(dǎo)致透過膜的速度不同來實現(xiàn)分離的。這種液膜分離屬單純遷移選擇性滲透機(jī)理。21ppt課件分離原理：當(dāng)A、B兩種物質(zhì)同時被包在膜內(nèi)時，它們均以一定速度透過膜進(jìn)入外相。滲透速度正比于溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)或溶質(zhì)在膜相與料液相的分配系數(shù)。在膜溶劑中大多數(shù)溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)近似相等，所以分配系數(shù)的差別成了分離的關(guān)鍵條件。每個溶質(zhì)的分配系數(shù)取決于其在料液和膜相的溶解度。所以，易溶于膜溶劑的物質(zhì)滲透過膜的速度就大（如：B）。經(jīng)過一段時間后，外相中滲透快的物質(zhì)(B)的濃度大于滲透慢的物質(zhì)(A)濃度；內(nèi)相正好相反，滲透慢的物質(zhì)(A)殘留比例大于滲透快的物質(zhì)(B)的殘留比例。AB液膜22ppt課件分離的好壞可以用分離系數(shù)S來衡量：即：膜溶劑對在膜中溶解度大的某溶質(zhì)能從料液中分離出來。注意：當(dāng)S=1時，不能產(chǎn)生濃縮效應(yīng)。應(yīng)用：右表給出了用皂草甙水溶液分離烴混合物時溶解度對分離系數(shù)的影響?？梢姡阂獙崿F(xiàn)有效分離，必須選擇一個能優(yōu)先溶解一種溶質(zhì)而排斥所有其他溶質(zhì)的膜溶劑。23ppt課件2.滴內(nèi)化學(xué)反應(yīng)型（膜相中不含流動載體）定義：若在溶質(zhì)的接受相內(nèi)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)來促進(jìn)溶質(zhì)遷移的方法叫滴內(nèi)化學(xué)反應(yīng)型液膜法

在乳化型液膜的內(nèi)相添加一種反應(yīng)試劑R，它與外相(料液相)中溶質(zhì)A發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物P。A+R→P

這樣，內(nèi)相中A的濃度仍然為0。維持了A在膜兩相有最大的濃度梯度，促進(jìn)了A的滲透（即進(jìn)入內(nèi)相）。直到A被全部轉(zhuǎn)移到內(nèi)相生成P或者內(nèi)相的反應(yīng)試劑R消耗完，而內(nèi)外相A濃度相等為止。而其他溶質(zhì)，例如B物不能與R反應(yīng)，所以很快就由于內(nèi)相B物濃度上升使轉(zhuǎn)移停止。從而達(dá)到分離。分離原理：24ppt課件二、液膜分離的機(jī)理1）單純遷移機(jī)理單純遷移機(jī)理、滴內(nèi)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和膜相化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

膜中不含流動載體，液滴內(nèi)、外相也不含有與待分離物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的試劑，單純靠待分離的不同組分在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的差異導(dǎo)致透過膜的速度不同來實現(xiàn)分離。滲透速度正比于擴(kuò)散系數(shù)和溶質(zhì)的分配系數(shù)當(dāng)兩側(cè)被遷移的溶質(zhì)的濃度相等的時候，分離過程自動停止，不存在濃縮效應(yīng)的問題。AB液膜25ppt課件2）滴內(nèi)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理A+R=P液膜AB為了實現(xiàn)高效分離，在溶質(zhì)的接受相里添加能與溶質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的試劑，并借助化學(xué)反應(yīng)來促進(jìn)溶質(zhì)的遷移。P不能擴(kuò)散透過液膜，A的濃度幾乎為零，濃度梯度大，促進(jìn)A的傳質(zhì)。B在內(nèi)相中的濃度很快達(dá)到平衡濃度，其遷移終止。是否含有流動載體？？26ppt課件例如：液膜除廢水中的酚的原理在處理含酚廢水時，將NaOH溶液包在乳化油膜(膜溶劑為脫蠟Sloon，一種石油餾分；表面活性劑為Span80，即失水山梨糖醇油酸單酯)內(nèi)。將此油包水乳狀液分散到含酚廢水中，酚通過膜滲入并與NaOH反應(yīng)生成酚鈉，產(chǎn)生的酚鈉難以反向滲透，使酚濃集在內(nèi)相。將乳狀液與料液相分相后，即達(dá)到了除酚的目的。27ppt課件3）膜相化學(xué)反應(yīng)機(jī)理(舉例介紹逆向遷移機(jī)理和同向遷移機(jī)理)

在膜相中加入流動載體，載體分子R1先選擇性的與液膜料液（外相）中的某種溶質(zhì)（A）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成中間產(chǎn)物R1A，R1A擴(kuò)散到膜的另一側(cè)，與液膜內(nèi)相中的試劑R2作用，把溶質(zhì)A釋放出來，這樣，溶質(zhì)A就從外相轉(zhuǎn)入內(nèi)相，而流動載體又?jǐn)U散到外相側(cè)，如此循環(huán)…….

不難看出，在整個過程中，流動載體并沒有消耗，只起到了搬移溶質(zhì)的作用，被消耗的是內(nèi)相中的試劑。這種含流動載體的液膜在選擇性、滲透性和定向性三方面都類似于生物細(xì)胞膜的功能，能使分離和濃縮兩步合二為一。28ppt課件有載體液膜分離機(jī)理逆向遷移：N530處理含銅溶液29ppt課件①②③④生成的萃取劑反向擴(kuò)散繼續(xù)循環(huán)反應(yīng)。30ppt課件同向遷移：N235處理含Cr6+酸性廢水31ppt課件①②③④生成的萃取劑反向擴(kuò)散繼續(xù)循環(huán)反應(yīng)。32ppt課件選擇性表現(xiàn)為所選用的流動載體與被遷移的物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的專一性，這種專一性使此種液膜能從復(fù)雜的混合物中分離出所需要的組分，具有獨(dú)特的針對性效果。滲透性表現(xiàn)在由于流動載體與被分離的滲透溶質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)所生成的產(chǎn)物極大地提高了該溶質(zhì)在液膜中的溶解度，再加上乳膜的厚度薄、表面大的優(yōu)點(diǎn)，可使被分離溶質(zhì)具有很高的滲透通量。定向性表現(xiàn)在它具有能量泵的作用，使?jié)B透溶質(zhì)實現(xiàn)從低濃度區(qū)沿著反濃度梯度方向向高濃度區(qū)持續(xù)地進(jìn)行遷移，直到把溶質(zhì)輸送完為止。這種高定向性地遷移物質(zhì)的特征是生物細(xì)胞膜所特有的，所以這種遷移機(jī)理也叫“離子泵”。33ppt課件三、液膜分離操作過程包括：制乳化液、傳質(zhì)、澄清、破乳等步驟。即：首先將選擇好的膜溶劑、表面活性劑、流動載體和膜增強(qiáng)劑以及待包封的內(nèi)相試劑制成油包水或水包油型乳狀液。再將此乳狀液加入料液相中形成W/O/W或O/W/O型乳化液。其中間一層即為液膜。料液中的待分離溶質(zhì)便通過液膜滲入內(nèi)相。經(jīng)過一定時間后，經(jīng)澄清，實現(xiàn)乳狀液與料液的分相，富集了待分離組分的乳化液經(jīng)破乳后回收內(nèi)相濃縮液。而膜相物質(zhì)仍可返回去重新作為成膜物質(zhì)循環(huán)使用。說明：除了增加制乳與破乳兩步操作外，其他操作與萃取類似34ppt課件

1）制乳

乳化技術(shù)涉及表面活性劑的選擇、表面活性劑的加入方式以及加料順序和攪拌方式等等。

在表面活性劑的選擇上，主要依靠經(jīng)驗。有研究指出，要形成油包水型或水包油型乳狀液，作為乳化劑的表面活性劑必須具有一個特定的HLB值。HLB值是美國Atlas研究機(jī)構(gòu)提出的表示表面活性劑親水性的一個參數(shù)，可以理解為表面活性劑分子中親水基和憎水基之間的平衡數(shù)值。35ppt課件非離子型表面活性劑的HLB值可以按一下公式計算：HLB=（親水基重量百分?jǐn)?shù)）*（1/5）

可見，HLB值越大，表面活性劑的親水性越強(qiáng)。一般，非離子型表面活性劑的HLB可用0到20的數(shù)值表示。石蠟沒有親水基，HLB=0，完全是親水基的非離子型表面活性劑聚乙二醇，HLB=20。

對于離子型表面活性劑，其HLB可大于20。當(dāng)表面活性劑混合使用時，HLB值具有加和性。HLB為3~6