第七章氣體分離膜及液膜

1、整理課件1第七章第七章 氣體分離膜與液膜氣體分離膜與液膜1. 氣體分離膜的分離機理氣體分離膜的分離機理 氣體分離膜有兩種類型：非多孔均質(zhì)膜和多孔氣體分離膜有兩種類型：非多孔均質(zhì)膜和多孔膜。它們的分離機理各不相同。膜。它們的分離機理各不相同。（1）非多孔均質(zhì)膜的溶解擴散機理）非多孔均質(zhì)膜的溶解擴散機理 該理論認為，氣體選擇性透過非多孔均質(zhì)膜分該理論認為，氣體選擇性透過非多孔均質(zhì)膜分四步進行：四步進行：氣體與膜接觸，分子溶解在膜中，溶解氣體與膜接觸，分子溶解在膜中，溶解的分子由于濃度梯度進行活性擴散，分子在膜的另的分子由于濃度梯度進行活性擴散，分子在膜的另一側(cè)逸出一側(cè)逸出。整理課件2 氣體分離膜氣

2、體分離膜根據(jù)這一機理，研究結(jié)論如下：根據(jù)這一機理，研究結(jié)論如下：1) 氣體的透過量氣體的透過量q與擴散系數(shù)與擴散系數(shù)D、溶解度系數(shù)、溶解度系數(shù)S和氣體和氣體滲透系數(shù)成正比。而這些參數(shù)與膜材料的性質(zhì)直接滲透系數(shù)成正比。而這些參數(shù)與膜材料的性質(zhì)直接有關(guān)。有關(guān)。2) 在穩(wěn)態(tài)時，氣體透過量在穩(wěn)態(tài)時，氣體透過量q與膜面積與膜面積A和時間和時間t成正比。成正比。3) 氣體透過量與膜的厚度氣體透過量與膜的厚度l成反比。成反比。整理課件3第七章第七章 氣體分離膜氣體分離膜 擴散系數(shù)擴散系數(shù)D和溶解度系數(shù)和溶解度系數(shù)S與物質(zhì)的擴散活化能與物質(zhì)的擴散活化能ED和滲透活化能和滲透活化能Ep有關(guān)，而有關(guān)，而ED 和和

3、Ep又直接與分子大又直接與分子大小和膜的性能有關(guān)。這就是膜具有選擇性分離作用的小和膜的性能有關(guān)。這就是膜具有選擇性分離作用的理論依據(jù)。理論依據(jù)。 高分子膜在其高分子膜在其Tg（玻璃化溫度）以上時，存在鏈（玻璃化溫度）以上時，存在鏈段運動，自由體積增大。因此，段運動，自由體積增大。因此，對大部分氣體來說，對大部分氣體來說，在高分子膜的在高分子膜的Tg前后，前后，D和和S的變化將出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折的變化將出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折。整理課件4 氣體分離膜氣體分離膜 在實際應(yīng)用中，通常不是通過加大兩在實際應(yīng)用中，通常不是通過加大兩側(cè)的壓力差（側(cè)的壓力差（p）來提高）來提高q值，而是采用增值，而是采用增加表面積加表面

4、積A、增加膜的滲透系數(shù)和減小膜的、增加膜的滲透系數(shù)和減小膜的厚度的方法來提高厚度的方法來提高q值。值。整理課件5 氣體分離膜氣體分離膜 （2）多孔膜的透過擴散機理）多孔膜的透過擴散機理 用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種氣體流用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種氣體流過膜中細孔時產(chǎn)生的速度差來進行的。過膜中細孔時產(chǎn)生的速度差來進行的。 流體的流動用努森（流體的流動用努森（Knudsen）系數(shù)）系數(shù)Kn表示時，表示時，有三種情況：有三種情況：Kn1 屬粘性流動；屬粘性流動；Kn1 屬分子流屬分子流動；動；Kn 1 屬中間流動屬中間流動。 多孔膜分離混合氣體主要發(fā)生在多孔膜分離混合氣體主要發(fā)生在Kn

5、1時，這時，這時氣體分子之間幾乎不發(fā)生碰撞，而僅在細孔內(nèi)壁時氣體分子之間幾乎不發(fā)生碰撞，而僅在細孔內(nèi)壁間反復(fù)碰撞，并呈獨立飛行狀態(tài)。間反復(fù)碰撞，并呈獨立飛行狀態(tài)。整理課件6 氣體分離膜氣體分離膜 按氣體方程可導(dǎo)出氣體透過多孔性分離膜的分按氣體方程可導(dǎo)出氣體透過多孔性分離膜的分離效率為：離效率為： 此式說明，此式說明，被分離物質(zhì)的分子量相差越大，分被分離物質(zhì)的分子量相差越大，分離選擇性越好離選擇性越好。 多孔膜對混合氣體的分離主要決定于膜的結(jié)多孔膜對混合氣體的分離主要決定于膜的結(jié)構(gòu)，而與膜材料性質(zhì)無關(guān)構(gòu)，而與膜材料性質(zhì)無關(guān)。12MM（7-1）整理課件7 氣體分離膜氣體分離膜2. 制備氣體分離膜的

6、材料制備氣體分離膜的材料（1）影響氣體分離膜性能的因素）影響氣體分離膜性能的因素 1）化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響）化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響 通過對不同化學(xué)結(jié)構(gòu)聚合物所制備的氣體分離通過對不同化學(xué)結(jié)構(gòu)聚合物所制備的氣體分離膜的氣體透過率膜的氣體透過率P、擴散系數(shù)、擴散系數(shù)D和溶解系數(shù)和溶解系數(shù)S的考的考察，可得出化學(xué)結(jié)構(gòu)對透氣性影響的定性規(guī)律。從察，可得出化學(xué)結(jié)構(gòu)對透氣性影響的定性規(guī)律。從表表1可知，可知，大的側(cè)基有利于提高自由體積而使大的側(cè)基有利于提高自由體積而使P增加增加。整理課件8 氣體分離膜氣體分離膜CCClCCCH3CCCH3C5H11表表1 某些聚合物材料的氧氣透過率某些聚合物材料的氧氣透過率品種10-2

7、 /kPa品種10-2 /kPa聚乙烯0.45.9聚丙烯1.63聚異丁烯1.37.51, 2聚丁二烯9.01, 4聚丁二烯29.5343, 4聚異戊二烯4.81, 4聚異戊二烯23.02OP2OP整理課件9 氣體分離膜氣體分離膜 2）形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響）形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響 一般情況下，聚合物中無定型區(qū)的密度小于晶一般情況下，聚合物中無定型區(qū)的密度小于晶區(qū)的密度。因此區(qū)的密度。因此氣體透過高聚物膜主要經(jīng)由無定形氣體透過高聚物膜主要經(jīng)由無定形區(qū)區(qū)，而晶區(qū)則是不透氣的。這可以通過自由體積的，而晶區(qū)則是不透氣的。這可以通過自由體積的差別來解釋。但對某些聚合物可能出現(xiàn)例外，如差別來解釋。但對某些聚合物可能出現(xiàn)例

8、外，如4-甲基戊烯（甲基戊烯（PNP）晶區(qū)的密度反而小于非晶區(qū)的密）晶區(qū)的密度反而小于非晶區(qū)的密度，故其晶區(qū)可能對透氣性能也有貢獻。度，故其晶區(qū)可能對透氣性能也有貢獻。整理課件10 氣體分離膜氣體分離膜 聚合物分子鏈沿拉伸方向取向后，透氣性和選聚合物分子鏈沿拉伸方向取向后，透氣性和選擇性均有所下降擇性均有所下降，如未拉伸的聚丙烯的，如未拉伸的聚丙烯的 和和O/N分分別為別為163kPa和和5.37，經(jīng)單向拉伸后變?yōu)?，?jīng)單向拉伸后變?yōu)?11kPa和和5.00，經(jīng)雙向拉伸后則變?yōu)椋?jīng)雙向拉伸后則變?yōu)?5kPa和和4.38。 高分子的交聯(lián)對透氣性影響的一般規(guī)律是高分子的交聯(lián)對透氣性影響的一般規(guī)律是隨

9、交隨交聯(lián)度的增加，交聯(lián)點間的尺寸變小，透氣性有所下聯(lián)度的增加，交聯(lián)點間的尺寸變小，透氣性有所下降降。但對尺寸小的分子，如氫氣和氦氣等，透氣性。但對尺寸小的分子，如氫氣和氦氣等，透氣性則下降不大。則下降不大。2OP整理課件11 氣體分離膜氣體分離膜（2）制備氣體分離膜的主要材料）制備氣體分離膜的主要材料 根據(jù)不同的分離對象，氣體分離膜采用不同的材根據(jù)不同的分離對象，氣體分離膜采用不同的材料制備。料制備。1）H2的分離的分離 美國美國Monsanto公司公司1979年首創(chuàng)年首創(chuàng)Prism中空纖維中空纖維復(fù)合氣體分離膜，主要用于氫氣的分離。其材料主復(fù)合氣體分離膜，主要用于氫氣的分離。其材料主要有要有

10、醋酸纖維素、聚砜、聚酰亞胺醋酸纖維素、聚砜、聚酰亞胺等。其中聚酰亞等。其中聚酰亞胺是近年來新開發(fā)的高效氫氣分離膜材料。它是由胺是近年來新開發(fā)的高效氫氣分離膜材料。它是由二聯(lián)苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有二聯(lián)苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有抗化學(xué)腐蝕、耐高溫和機械性能高等優(yōu)點?？够瘜W(xué)腐蝕、耐高溫和機械性能高等優(yōu)點。整理課件12 氣體分離膜氣體分離膜 2）O2的分離富集的分離富集 制備富氧膜的材料主要兩類：制備富氧膜的材料主要兩類：聚二甲基硅氧烷聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其改性產(chǎn)品和含三甲基硅烷基的高分）及其改性產(chǎn)品和含三甲基硅烷基的高分子材料子材料。 PDMS是目前工業(yè)化應(yīng)用

11、的氣體分離膜中是目前工業(yè)化應(yīng)用的氣體分離膜中 最最高的膜材料，美中不足的是它有兩大缺點：一是分高的膜材料，美中不足的是它有兩大缺點：一是分離的選擇性低，二是難以制備超薄膜。離的選擇性低，二是難以制備超薄膜。 2OP整理課件13 氣體分離膜氣體分離膜 含有三甲基硅烷基的聚含有三甲基硅烷基的聚1(三甲基硅烷三甲基硅烷)1丙炔丙炔（PTMSP）的比）的比PDMS的要高一個數(shù)量級。的要高一個數(shù)量級。從分子結(jié)構(gòu)來看，三甲基硅烷基的空間位阻較大，從分子結(jié)構(gòu)來看，三甲基硅烷基的空間位阻較大，相鄰分子鏈無法緊密靠近，因此膜中出現(xiàn)大量分子相鄰分子鏈無法緊密靠近，因此膜中出現(xiàn)大量分子級的微孔隙，擴散系數(shù)增大。級的

12、微孔隙，擴散系數(shù)增大。整理課件14 氣體分離膜氣體分離膜 此外，此外，富氧膜大部分可作為富氧膜大部分可作為CO2分離膜使用分離膜使用，若在膜材料中引入親若在膜材料中引入親CO2的基團，如醚鍵、苯環(huán)的基團，如醚鍵、苯環(huán)等，可大大提高等，可大大提高CO2的透過性。同樣，若在膜材料的透過性。同樣，若在膜材料中引入親中引入親SO2的亞砜基團（如二甲亞砜、環(huán)丁砜的亞砜基團（如二甲亞砜、環(huán)丁砜等），則能夠大大提高等），則能夠大大提高SO2分離膜的滲透性能和分分離膜的滲透性能和分離性能。具有親水基團的芳香族聚酰亞胺和磺化聚離性能。具有親水基團的芳香族聚酰亞胺和磺化聚苯醚等對苯醚等對H2O有較好的分離作用。有

13、較好的分離作用。 整理課件15 氣體分離膜氣體分離膜2. 氣體分離膜的應(yīng)用領(lǐng)域氣體分離膜的應(yīng)用領(lǐng)域 氣體分離膜是當前各國均極為重視開發(fā)的產(chǎn)品，氣體分離膜是當前各國均極為重視開發(fā)的產(chǎn)品，已有不少產(chǎn)品用于工業(yè)化生產(chǎn)。如美國已有不少產(chǎn)品用于工業(yè)化生產(chǎn)。如美國Du Pont公司公司用聚酯類中空纖維制成的用聚酯類中空纖維制成的H2氣體分離膜，對氣體分離膜，對組成為組成為70H2，30CH4，C2H6，C3H8的混合氣體進行分的混合氣體進行分離，可獲得含離，可獲得含90H2的分離效果的分離效果。整理課件16 氣體分離膜氣體分離膜 此外，富氧膜、分離此外，富氧膜、分離N2，CO2，SO2，H2S等氣等氣體的

14、膜，都已有工業(yè)化的應(yīng)用。例如體的膜，都已有工業(yè)化的應(yīng)用。例如從天然氣中分從天然氣中分離氮、從合成氨尾氣中回收氫、從空氣中分離離氮、從合成氨尾氣中回收氫、從空氣中分離N2或或CO2，從煙道氣中分離，從煙道氣中分離SO2、從煤氣中分離、從煤氣中分離H2S或或CO2等等，均可采用氣體分離膜來實現(xiàn)。等等，均可采用氣體分離膜來實現(xiàn)。整理課件17液膜液膜1. 液膜的概念和特點液膜的概念和特點 液膜分離技術(shù)是液膜分離技術(shù)是1965年由年由美國?？松绹？松‥xssen）研究和工程公司的黎念之博士研究和工程公司的黎念之博士提出的一種新型膜分提出的一種新型膜分離技術(shù)。直到離技術(shù)。直到80年代中期，奧地利的

15、年代中期，奧地利的J. Draxler等科等科學(xué)家采用液膜法從粘膠廢液中回收鋅獲得成功，液學(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)才進入了實用階段。膜分離技術(shù)才進入了實用階段。 液膜是一層很薄的液體膜液膜是一層很薄的液體膜。它能把兩個互溶的、。它能把兩個互溶的、但組成不同的溶液隔開，并通過這層液膜的選擇性但組成不同的溶液隔開，并通過這層液膜的選擇性滲透作用實現(xiàn)物質(zhì)的分離。根據(jù)形成液膜的材料不滲透作用實現(xiàn)物質(zhì)的分離。根據(jù)形成液膜的材料不同，液膜可以是水性的，也可是溶劑型的。同，液膜可以是水性的，也可是溶劑型的。整理課件18液膜液膜 液膜的特點是液膜的特點是傳質(zhì)推動力大，速率高，且試

16、劑傳質(zhì)推動力大，速率高，且試劑消耗量少消耗量少，這對于傳統(tǒng)萃取工藝中試劑昂貴或處理，這對于傳統(tǒng)萃取工藝中試劑昂貴或處理能力大的場合具有重要的經(jīng)濟意義。另外，液膜的能力大的場合具有重要的經(jīng)濟意義。另外，液膜的選擇性好選擇性好，往往只能對某種類型的離子或分子的分，往往只能對某種類型的離子或分子的分離具有選擇性，離具有選擇性，分離效果顯著分離效果顯著。目前存在的最大缺。目前存在的最大缺點是點是強度低，破損率高，難以穩(wěn)定操作，而且過程強度低，破損率高，難以穩(wěn)定操作，而且過程與設(shè)備復(fù)雜與設(shè)備復(fù)雜。整理課件19液膜液膜2. 液膜的組成與類型液膜的組成與類型（1）液膜的組成）液膜的組成 1）膜溶劑）膜溶劑

17、膜溶劑是形成液膜的基體物質(zhì)。選擇膜溶劑主膜溶劑是形成液膜的基體物質(zhì)。選擇膜溶劑主要考慮膜的穩(wěn)定性和對溶劑的溶解性。為了保持膜要考慮膜的穩(wěn)定性和對溶劑的溶解性。為了保持膜的穩(wěn)定性，就要求膜溶劑的穩(wěn)定性，就要求膜溶劑具有一定的粘度具有一定的粘度。膜溶劑。膜溶劑對溶質(zhì)的溶解性則首先希望它對溶質(zhì)的溶解性則首先希望它對欲提取的溶質(zhì)能優(yōu)對欲提取的溶質(zhì)能優(yōu)先溶解先溶解，對其他欲除去溶質(zhì)的溶解度盡可能小。當，對其他欲除去溶質(zhì)的溶解度盡可能小。當然膜溶劑不能溶于欲被液膜分隔的溶液，并希望膜然膜溶劑不能溶于欲被液膜分隔的溶液，并希望膜溶劑與被其分隔的溶液有一定的相對密度差（一般溶劑與被其分隔的溶液有一定的相對密度

18、差（一般要求相差要求相差0.025 g/cm3）。）。整理課件20液膜液膜 2）表面活性劑）表面活性劑 表面活性劑是分子中含有親水基和疏水基兩個表面活性劑是分子中含有親水基和疏水基兩個部分的化合物，在液體中可以定向排列，顯著改變部分的化合物，在液體中可以定向排列，顯著改變液體表面張力或相互間界面張力。表面活性劑是制液體表面張力或相互間界面張力。表面活性劑是制備液膜的最重要的組分，它備液膜的最重要的組分，它直接影響膜的穩(wěn)定性、直接影響膜的穩(wěn)定性、滲透速度等性能滲透速度等性能。在實際使用中，表面活性劑的選。在實際使用中，表面活性劑的選擇是一個較復(fù)雜的問題，需根據(jù)不同的應(yīng)用對象進擇是一個較復(fù)雜的問題

19、，需根據(jù)不同的應(yīng)用對象進行實驗選擇。行實驗選擇。整理課件21液膜液膜 3）流動載體）流動載體 流動載體的作用，使指定的溶質(zhì)或離子進行選流動載體的作用，使指定的溶質(zhì)或離子進行選擇性遷移，對分離指定的溶質(zhì)或離子的選擇性和滲擇性遷移，對分離指定的溶質(zhì)或離子的選擇性和滲透通量起著決定性的影響，其作用相當于透通量起著決定性的影響，其作用相當于萃取劑萃取劑。它的研究是液膜分離技術(shù)的關(guān)鍵。它的研究是液膜分離技術(shù)的關(guān)鍵。整理課件22液膜液膜（2）液膜的類型）液膜的類型 從形狀來分類，可將液膜分為支撐型液膜和球從形狀來分類，可將液膜分為支撐型液膜和球形液膜兩類，后者又可分為單滴型液膜和乳液型液形液膜兩類，后者又

20、可分為單滴型液膜和乳液型液膜兩種。膜兩種。 1）支撐型液膜）支撐型液膜 把微孔聚合物膜浸在有機溶劑中，有機溶劑即把微孔聚合物膜浸在有機溶劑中，有機溶劑即充滿膜中的微孔而形成液膜（見圖充滿膜中的微孔而形成液膜（見圖2）。）。整理課件23液膜液膜圖圖2 支撐型液膜示意圖支撐型液膜示意圖整理課件24液膜液膜 此類液膜目前主要用于物質(zhì)的萃取。當支撐型此類液膜目前主要用于物質(zhì)的萃取。當支撐型液膜作為萃取劑將料液和反萃液分隔開時，被萃組液膜作為萃取劑將料液和反萃液分隔開時，被萃組分即從膜的料液側(cè)傳遞到反萃液側(cè)，然后被反萃液分即從膜的料液側(cè)傳遞到反萃液側(cè)，然后被反萃液萃取，從而完成物質(zhì)的分離。這種液膜的操作

21、雖然萃取，從而完成物質(zhì)的分離。這種液膜的操作雖然較簡便，但存在較簡便，但存在傳質(zhì)面積小，穩(wěn)定性較差，支撐液傳質(zhì)面積小，穩(wěn)定性較差，支撐液體容易流失體容易流失的缺點。的缺點。整理課件25液膜液膜 2）單滴型液膜）單滴型液膜 單滴型液膜的形狀如圖單滴型液膜的形狀如圖3所示。其結(jié)構(gòu)為單所示。其結(jié)構(gòu)為單一的球面薄層，根據(jù)成膜材料可分為水膜和油膜兩一的球面薄層，根據(jù)成膜材料可分為水膜和油膜兩種。圖種。圖4-3a為水膜，即為水膜，即 O/W/O 型，內(nèi)、外相為有型，內(nèi)、外相為有機物；圖機物；圖4-3b為油膜，即為油膜，即 W/O/W 型，內(nèi)、外相型，內(nèi)、外相為水溶液。這種單滴型液膜為水溶液。這種單滴型液膜

22、壽命較短壽命較短，所以目前主，所以目前主要用于理論研究，尚無實用價值。要用于理論研究，尚無實用價值。整理課件26液膜液膜a b圖圖3 單滴型液膜示意圖單滴型液膜示意圖整理課件27液膜液膜 3）乳液型液膜）乳液型液膜 首先把兩種互不相溶的液體在高剪切下制成乳首先把兩種互不相溶的液體在高剪切下制成乳液，然后再將該乳液分散在第三相（連續(xù)相），即液，然后再將該乳液分散在第三相（連續(xù)相），即外相中。乳狀液滴內(nèi)被包裹的相為內(nèi)相，內(nèi)、外相外相中。乳狀液滴內(nèi)被包裹的相為內(nèi)相，內(nèi)、外相之間的部分是液膜。之間的部分是液膜。 一般情況下一般情況下乳液顆粒直徑為乳液顆粒直徑為0.11 mm，液膜，液膜本身厚度為本身厚

23、度為110 m。根據(jù)成膜材料也分為水膜。根據(jù)成膜材料也分為水膜和油膜兩種。和油膜兩種。 整理課件28液膜液膜 如圖如圖7-4所示的是一種油膜，即所示的是一種油膜，即W/O/W型乳液型乳液型液膜。它是由型液膜。它是由表面活性劑，流動載體和有機膜溶表面活性劑，流動載體和有機膜溶劑（如烴類）劑（如烴類）組成的，膜溶劑與含有水溶性試劑的組成的，膜溶劑與含有水溶性試劑的水溶液在高速攪拌下形成油包水型小液滴，含有水水溶液在高速攪拌下形成油包水型小液滴，含有水溶性試劑的水溶液形成內(nèi)相。將此油包水型乳液分溶性試劑的水溶液形成內(nèi)相。將此油包水型乳液分散在另一水相（料液），就形成一種油包水再水包散在另一水相（料液

24、），就形成一種油包水再水包油的復(fù)合結(jié)構(gòu)，兩個水相之間的膜即為液膜。料液油的復(fù)合結(jié)構(gòu)，兩個水相之間的膜即為液膜。料液中的物質(zhì)即可穿過兩個水相之間的油性液膜進行選中的物質(zhì)即可穿過兩個水相之間的油性液膜進行選擇性遷移而完成分離過程。擇性遷移而完成分離過程。整理課件29液膜液膜圖圖4 乳液型液膜示意圖乳液型液膜示意圖 上述三種液膜中，上述三種液膜中，乳液型液膜的傳質(zhì)比表面最乳液型液膜的傳質(zhì)比表面最大，膜的厚度最小，因此傳質(zhì)速度快，分離效果較大，膜的厚度最小，因此傳質(zhì)速度快，分離效果較好，好，具有較好的工業(yè)化前景。具有較好的工業(yè)化前景。整理課件30液膜液膜3. 液膜的分離機理液膜的分離機理 根據(jù)液膜的結(jié)

25、構(gòu)和組成的不同，其分離機理也根據(jù)液膜的結(jié)構(gòu)和組成的不同，其分離機理也有所不同，下面分別討論之。有所不同，下面分別討論之。（1）單純遷移滲透機理）單純遷移滲透機理 當液膜中不含流動載體，液滴內(nèi)、外相也不含當液膜中不含流動載體，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)的試劑時，有與待分離物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的試劑時，待分離的待分離的不同組分僅由于其在膜中的溶解度和擴散系數(shù)的不不同組分僅由于其在膜中的溶解度和擴散系數(shù)的不同導(dǎo)致透過膜的速度不同來實現(xiàn)分離同導(dǎo)致透過膜的速度不同來實現(xiàn)分離。這種液膜分。這種液膜分離機理稱為單純遷移滲透機理。離機理稱為單純遷移滲透機理。整理課件31液膜液膜 如圖如圖4所示，

26、當所示，當A、B兩種物質(zhì)被包裹在液膜內(nèi)，兩種物質(zhì)被包裹在液膜內(nèi)，若要實現(xiàn)若要實現(xiàn)A、B的分離，就必須要求其中的一的分離，就必須要求其中的一種溶質(zhì)（例如種溶質(zhì)（例如A）透過膜的速度大于）透過膜的速度大于B。由于滲透速。由于滲透速度正比于擴散系數(shù)和溶質(zhì)的分配系數(shù)，而在一定的度正比于擴散系數(shù)和溶質(zhì)的分配系數(shù)，而在一定的膜溶劑中，大多數(shù)溶質(zhì)的擴散系數(shù)近似相等，所以膜溶劑中，大多數(shù)溶質(zhì)的擴散系數(shù)近似相等，所以分配系數(shù)的差別是分離過程的關(guān)鍵分配系數(shù)的差別是分離過程的關(guān)鍵。又由于此種機。又由于此種機制中溶質(zhì)在膜相和料液相之間的分配取決于溶質(zhì)在制中溶質(zhì)在膜相和料液相之間的分配取決于溶質(zhì)在料液相和膜相中的溶解度

27、，所以料液相和膜相中的溶解度，所以溶質(zhì)溶質(zhì)A、B在膜中的在膜中的溶解度差別就成為溶解度差別就成為A與與B分離的又一決定性因素分離的又一決定性因素。 整理課件32液膜液膜 若若A易溶于膜，易溶于膜，B難溶于膜，那么難溶于膜，那么A透過膜的速透過膜的速度就大于度就大于B。經(jīng)過一定時間后，在外部連續(xù)相中。經(jīng)過一定時間后，在外部連續(xù)相中A的的濃度大于濃度大于B，液滴內(nèi)相中，液滴內(nèi)相中B的濃度大于的濃度大于A，從而實現(xiàn)，從而實現(xiàn)有效的分離。單純遷移的分離效率可用分離系數(shù)有效的分離。單純遷移的分離效率可用分離系數(shù)S來描述：來描述： 液膜的這種單純遷移滲透分離過程當進行到膜液膜的這種單純遷移滲透分離過程當進

28、行到膜兩側(cè)被遷移的溶質(zhì)濃度相等時，傳質(zhì)過程便自動停兩側(cè)被遷移的溶質(zhì)濃度相等時，傳質(zhì)過程便自動停止。因此這一過程不能用于物質(zhì)的濃縮止。因此這一過程不能用于物質(zhì)的濃縮。A外B內(nèi)A外A內(nèi)CCCCS 7-2整理課件33液膜液膜（2）I型促進遷移滲透機理型促進遷移滲透機理 如果在溶質(zhì)的接受相內(nèi)加入能與溶質(zhì)發(fā)生化學(xué)如果在溶質(zhì)的接受相內(nèi)加入能與溶質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的試劑，通過化學(xué)反應(yīng)促進溶質(zhì)的遷移，從而反應(yīng)的試劑，通過化學(xué)反應(yīng)促進溶質(zhì)的遷移，從而提高分離效率，這種方法稱為提高分離效率，這種方法稱為I型促進遷移型促進遷移，又稱，又稱滴滴內(nèi)化學(xué)反應(yīng)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)。 如圖如圖7-6所示，在乳液型液膜的內(nèi)相添加一種所示，在

29、乳液型液膜的內(nèi)相添加一種能與遷移溶質(zhì)能與遷移溶質(zhì)A發(fā)生不可逆化學(xué)反應(yīng)的試劑發(fā)生不可逆化學(xué)反應(yīng)的試劑R，則，則A與與R形成一種不能逆擴散的新產(chǎn)物形成一種不能逆擴散的新產(chǎn)物P，從而使內(nèi)相中，從而使內(nèi)相中的滲透物的滲透物A的濃度實質(zhì)上為零。因此的濃度實質(zhì)上為零。因此A在液膜內(nèi)、外在液膜內(nèi)、外相兩側(cè)有最大的濃度梯度，促進了相兩側(cè)有最大的濃度梯度，促進了A的輸送。直到的輸送。直到R被反應(yīng)完了為止。被反應(yīng)完了為止。 整理課件34液膜液膜 而在料液中與而在料液中與A共存的共存的B即使部分滲透到內(nèi)相，即使部分滲透到內(nèi)相，由于由于B不能與不能與R反應(yīng)，一段時間后反應(yīng)，一段時間后B在內(nèi)相的濃度很在內(nèi)相的濃度很快達

30、到平衡濃度，滲透即告停止，從而強化了快達到平衡濃度，滲透即告停止，從而強化了A與與B的分離。這種液膜的膜相中也不含有流動載體。的分離。這種液膜的膜相中也不含有流動載體。 例如，將強酸或者強堿作為內(nèi)相，含有弱堿或例如，將強酸或者強堿作為內(nèi)相，含有弱堿或者弱酸的料液（如廢水）作為外相，則外相中的弱者弱酸的料液（如廢水）作為外相，則外相中的弱堿或者弱酸可通過液膜擴散進入內(nèi)向，并與強酸或堿或者弱酸可通過液膜擴散進入內(nèi)向，并與強酸或者強堿發(fā)生反應(yīng)生成鹽。這一反應(yīng)是不可逆的，生者強堿發(fā)生反應(yīng)生成鹽。這一反應(yīng)是不可逆的，生成的鹽也不能通過油膜進行逆擴散，因此可將廢水成的鹽也不能通過油膜進行逆擴散，因此可將廢

31、水中的弱酸或者弱堿除去。中的弱酸或者弱堿除去。整理課件35液膜液膜 從廢水中除去酚類物質(zhì)也可采用這種方法實現(xiàn)。從廢水中除去酚類物質(zhì)也可采用這種方法實現(xiàn)。例如將例如將NaOH溶液作為內(nèi)相包封在乳狀液油膜內(nèi)，溶液作為內(nèi)相包封在乳狀液油膜內(nèi)，再將此再將此W/O型乳狀液分散到含酚廢水中，外相中的型乳狀液分散到含酚廢水中，外相中的酚滲入液膜與內(nèi)相中的酚滲入液膜與內(nèi)相中的NaOH反應(yīng)生成酚鈉。酚鈉反應(yīng)生成酚鈉。酚鈉不能透過膜進行逆擴散，從而在內(nèi)相中濃集。將乳不能透過膜進行逆擴散，從而在內(nèi)相中濃集。將乳狀液與料液水相分相后，即達到了除酚的目的。這狀液與料液水相分相后，即達到了除酚的目的。這種滴內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)

32、的液膜還可在醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)種滴內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的液膜還可在醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域中應(yīng)用。等領(lǐng)域中應(yīng)用。整理課件36液膜液膜（3）型促進遷移滲透機理型促進遷移滲透機理 如果在膜相中加入一種流動載體，載體分子如果在膜相中加入一種流動載體，載體分子R1先在料液（外相）側(cè)選擇性地與某種溶質(zhì)（先在料液（外相）側(cè)選擇性地與某種溶質(zhì)（A）發(fā)）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生中間產(chǎn)物（生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生中間產(chǎn)物（R1A），然后這種中），然后這種中間產(chǎn)物擴散到膜的另一側(cè)，與液膜內(nèi)相中的試劑間產(chǎn)物擴散到膜的另一側(cè)，與液膜內(nèi)相中的試劑（R2）作用，并將）作用，并將A釋放出來，從而完成了溶質(zhì)從釋放出來，從而完成了溶質(zhì)從外相向內(nèi)相的遷移，

33、而流動載體又重新擴散回到外外相向內(nèi)相的遷移，而流動載體又重新擴散回到外相。相。整理課件37液膜液膜 在整個過程中，流動載體并沒有消耗，只起了在整個過程中，流動載體并沒有消耗，只起了搬移溶質(zhì)的作用，被消耗的只是內(nèi)相中的試劑。這搬移溶質(zhì)的作用，被消耗的只是內(nèi)相中的試劑。這種含有流動載體的液膜在選擇性、滲透性和定向性種含有流動載體的液膜在選擇性、滲透性和定向性三方面更類似于生物細胞膜的功能，它使分離和濃三方面更類似于生物細胞膜的功能，它使分離和濃縮兩步合二為一。縮兩步合二為一。 在上述液膜中所選的流動載體與被遷移物質(zhì)進在上述液膜中所選的流動載體與被遷移物質(zhì)進行的化學(xué)反應(yīng)應(yīng)是專一的，才能保證液膜能從復(fù)

34、雜行的化學(xué)反應(yīng)應(yīng)是專一的，才能保證液膜能從復(fù)雜的混合物中分離出所需的組分。此外，如果加入的的混合物中分離出所需的組分。此外，如果加入的流動載體與被分離物質(zhì)反應(yīng)所生成的中間產(chǎn)物能提流動載體與被分離物質(zhì)反應(yīng)所生成的中間產(chǎn)物能提高溶質(zhì)在膜相中的溶解度，則可使被分離溶質(zhì)滲透高溶質(zhì)在膜相中的溶解度，則可使被分離溶質(zhì)滲透通量提高。通量提高。 整理課件38液膜液膜 由于上述化學(xué)反應(yīng)的存在，使?jié)B透溶質(zhì)在液膜由于上述化學(xué)反應(yīng)的存在，使?jié)B透溶質(zhì)在液膜內(nèi)、外相兩側(cè)始終有最大的濃度梯度，直到把溶質(zhì)內(nèi)、外相兩側(cè)始終有最大的濃度梯度，直到把溶質(zhì)輸送完為止。這種高度定向性地遷移物質(zhì)的特征恰輸送完為止。這種高度定向性地遷移物

35、質(zhì)的特征恰是生物細胞膜所特有的。給流動載體提供的化學(xué)能是生物細胞膜所特有的。給流動載體提供的化學(xué)能的形式可以是酸堿中和反應(yīng)、同離子效應(yīng)、離子交的形式可以是酸堿中和反應(yīng)、同離子效應(yīng)、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)和沉淀反應(yīng)等。換、絡(luò)合反應(yīng)和沉淀反應(yīng)等。整理課件39液膜液膜單純遷移滲透機理單純遷移滲透機理 I型促進遷移滲透機理型促進遷移滲透機理液膜分離機理示意圖液膜分離機理示意圖整理課件40液膜液膜4. 液膜分離技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域液膜分離技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域（1）在生物化學(xué)中的應(yīng)用）在生物化學(xué)中的應(yīng)用 在生物化學(xué)中，為了防止酶受外界物質(zhì)的干擾在生物化學(xué)中，為了防止酶受外界物質(zhì)的干擾而常常需要將酶而常常需要將酶“固定化固定化”。利用液膜封閉來固定。利用液膜封閉來固定酶酶比其他傳統(tǒng)的酶固定方法有如下的優(yōu)點：比其他傳統(tǒng)的酶固定方法有如下的優(yōu)點： 容易制容易制備；備； 便于固定低分子量的和多酶的體系；便于固定低分子量的和多酶的體系； 在在系統(tǒng)中加入輔助酶時，無需借助小分子載體吸附技系統(tǒng)中加入輔助酶時，無需借助小分子載體吸附技術(shù)（小分子載體吸附往往會降低輔助酶的作用）術(shù)（小分子載體吸附往往會降低輔助酶的作用）。整理課件41液膜液膜 黎念之博士曾成