液膜分離的原理及應(yīng)用

1、 寧波大學(xué)碩士研究生2016/2017學(xué)年第1學(xué)期期末答題紙 考試科目：生化分離技術(shù) 課程編號(hào)： 考卷類型：（A/B）姓名：學(xué)號(hào)：閱卷老師： 成績(jī)： 液膜分離的原理及應(yīng)用摘要：液膜模擬生物膜的結(jié)構(gòu)，通常由膜溶劑、表面活性劑和流動(dòng)載體組成。它利用選擇透過性原理，以膜兩側(cè)的溶質(zhì)化學(xué)濃度差為傳質(zhì)動(dòng)力，使料液中待分離溶質(zhì)在膜內(nèi)相富集濃縮，分離待分離物質(zhì)。關(guān)鍵字：液膜分離技術(shù)，乳化液膜，支撐液膜。 Principle and application of liquid membrane separationAbstract：Liquid membrane simulates the structure

2、of a biofilm, usually consisting of a membrane solvent, a surfactant, and a mobile carrier. It uses the principle of selective permeability to the membrane on both sides of the solute chemical concentration difference for the mass transfer power, so that the liquid to be separated in the membrane so

3、lute enrichment enrichment, separation of the material to be separated.key words：liquid membrane separation technology, emulsion liquid membrane ,supported liquid membrane ,waste water treatment。液膜分離是 60 年代中期誕生的一種新型的膜分離技術(shù)。 它具有膜分離的一般特點(diǎn), 主要是依據(jù)膜對(duì)不同物質(zhì)具有選擇性滲透的性質(zhì)來進(jìn)行組分的分離。自20世紀(jì) 60 年代美國(guó)林登?？松芯颗c工程公司黎念之博士( N.

4、N.Li)發(fā)明后1。液膜通常由膜溶劑、表面活性劑、流動(dòng)載體和膜增強(qiáng)添加劑組成2。各國(guó)學(xué)者相繼開展了大量的研究。該技術(shù)在濕法冶金、金屬離子回收、廢水處理、生物制品分離與生物醫(yī)藥分離、化工分離等方面已顯示出廣泛的應(yīng)用前景。 目前液膜技術(shù)處理農(nóng)藥廠廢水已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化, 在含鋅廢水處理中已進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn), 液膜技術(shù)分離宇宙飛船中 CO2 也已成功得到應(yīng)用, 液膜分離技術(shù)正在得到迅速的發(fā)展。生物學(xué)家們?cè)谝耗ご龠M(jìn)傳遞方面取得的成就引起了化學(xué)工程師們的注意. 60 年代中期 , Bloch 等3采用支撐液膜( supported liquid membrane) 研究了金屬提取過程, Ward 與 Robb4

5、 研究了 CO2 與 O2 的液膜分離, 他們將支撐體液膜稱為固定化液膜( immobilized liquid membrane). 黎念之( N .N . Li) 在用du Nuoy 環(huán)法測(cè)定含表面活性劑水溶液與油溶液之間的界面張力時(shí) ,觀察到了相當(dāng)穩(wěn)定的界面膜 ,由此開創(chuàng)了研究液體表面活性劑膜( liquid surfactant membrane) 或乳化液膜( emulsion liquid membrane)的歷史51液膜分離原理1.1液膜及其分類 液膜是分隔兩個(gè)液相的第三液相,它與被分隔液體的互溶度極小。膜相液通常由膜溶劑、載體、表面活性劑、穩(wěn)定劑所組成。 膜溶劑是膜相液的基體,

6、占膜總量的90%以上,選擇膜溶劑主要考慮膜的穩(wěn)定性和對(duì)溶質(zhì)的溶解性。當(dāng)原料液為水溶液時(shí),用有機(jī)溶劑作液膜,當(dāng)原料液為有機(jī)溶劑時(shí),用水作液膜。 載體是運(yùn)載溶質(zhì)穿過液膜的物質(zhì),它能與被分離的溶質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),它分為離子型和非離子型。離子型載體通過離子交換方式與溶質(zhì)離子結(jié)合,在膜中遷移;非離子型載體與原料液中的金屬離子、陰離子形成絡(luò)合物以中性鹽的形式在液膜中遷移。流動(dòng)載體使指定的溶質(zhì)或離子進(jìn)行選擇性遷移,決定分離的選擇性和通量。 表面活性劑起乳化作用,它含有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán),表面活性劑的分子定向排列在相界面上,用以增強(qiáng)液膜。兩種基團(tuán)的相對(duì)含量用親水親油平衡值(HLB)表示,HLB愈大,則表面活性劑

7、的親水性愈強(qiáng),一般HLB為3-6的表面活性劑用于油膜,易形成油包水型乳液;HLB為8-15的表面活性劑用于水膜,易形成水包油型乳液。表面活性劑是創(chuàng)造液膜固定油水分界面的最重要組分,它直接影響膜的穩(wěn)定性、滲透速度、分離效率和膜的復(fù)用。 穩(wěn)定劑可以提高膜相液的粘度,促進(jìn)液膜的穩(wěn)定性。即要求液膜在分離操作過程中不過早破裂,以保證待分離溶質(zhì)在內(nèi)相中富集,而在破乳時(shí)又容易被破碎,便于內(nèi)相與液膜的分離。2液膜按其構(gòu)型和操作方式的不同可分為乳狀液膜和支撐液膜兩類。 2.1 乳狀液膜 乳狀液膜是以包裹層形式處于兩液相之間。被包裹的是內(nèi)相,處于液膜外的稱為外相。內(nèi)相液在乳液膜內(nèi)分散成許多微液滴,懸浮在膜相液中構(gòu)

8、成乳狀液。微液滴直徑為1-100m,乳狀液液滴直徑為0.5-2mm。當(dāng)內(nèi)相是水溶液,膜相是有機(jī)溶液時(shí),稱為油包水型(W/O)液滴,用于分離水溶液;當(dāng)內(nèi)相為有機(jī)溶液, 膜相為水時(shí),稱為水包油型(O/W)液滴,用于分離有機(jī)溶液。乳狀液膜形成的過程是:先將內(nèi)相液分散到膜相液液中,形成乳狀液膜。在分離過程中,外相的分離組分通過膜傳遞到內(nèi)相而達(dá)到分離目的。乳狀液膜的穩(wěn)定性好,具有巨大的比表面積,大大提高萃取速度。2.2支撐液膜 支撐液膜是由溶解了載體的膜相液,在表面張力作用下,依靠聚合凝膠層中的化學(xué)反應(yīng)或帶電荷材料的靜電作用,含浸在多孔支撐體的微孔內(nèi)而制成,由于將液膜含浸在多孔支撐體上,可以承受較大的壓

9、力,且具有更高的選擇性。支撐液膜的性能與支撐體材質(zhì)、厚度及微孔直徑的大小關(guān)系極為密切。通常孔徑越小,液膜越穩(wěn)定,但孔徑過小將使空隙率下降,從而降低透過速度。支撐液膜使用的壽命只有幾個(gè)小時(shí)至幾個(gè)月,不能滿足工業(yè)化應(yīng)用要求,需采取適當(dāng)措施提高其穩(wěn)定性。長(zhǎng)期以來,支撐液膜的穩(wěn)定性問題一直未能很好解決.導(dǎo)致支撐液膜不穩(wěn)定的因素如下:膜液在料 液 相與接收相中的溶解損失(對(duì)液 體 分離) 5,6 與膜液的揮發(fā)損失(對(duì)氣體分離)7 ;具有表面活性的載體分子提高了油-水兩相的互溶性8;膜兩側(cè)壓力差超過膜孔吸附膜液的毛細(xì)管力9 .3、液膜分離的傳質(zhì)機(jī)理 液膜分離過程可分為從原料液到膜相液和從膜相液到接受液兩步

10、萃取過程。而萃取過程又可分為物理萃取和化學(xué)萃取。因此,液膜分離的傳質(zhì)機(jī)理有四種類型。3.1選擇性滲透 液膜不含載體。這種液膜分離是靠待分離的不同組分在膜相液中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的不同導(dǎo)致透過膜的速度不同來實(shí)現(xiàn)分離的。見圖1。原料液中的A、B組分,由于A易 溶于膜,而B難溶于膜,因此,A透過膜的速率大于B,經(jīng)過一定時(shí)間后,在接受液中的A的濃度大于B,原料液側(cè)的B的濃度大于A,從而實(shí)現(xiàn)A、B的分離。但當(dāng)分離過程進(jìn)行到液膜兩側(cè)被遷移的溶質(zhì)濃度相等時(shí),輸送便自行停止,因此,它不能產(chǎn)生濃縮效果。 圖表 1 選擇性滲透3.2內(nèi)相有化學(xué)反應(yīng) 液膜不含載體。內(nèi)相的接受液中含有試劑R,它能與原料液中遷移的溶質(zhì)A

11、發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng),并生成一種不能逆擴(kuò)散透過膜的新產(chǎn)物P,從而使?jié)B透物A在內(nèi)相接受液中的濃度為零,直至R被反應(yīng)完全為止,見圖2。因此,保持了A在內(nèi)、外相中的最大濃度差,促進(jìn)了A的傳遞;相反,由于B不能與R反應(yīng),即使它也能滲透進(jìn)入內(nèi)相,但很快達(dá)到了滲透停止的濃度,從而達(dá)到了A與B的分離目的。 圖表 2 內(nèi)相有化學(xué)反應(yīng)3.3偶合同向遷移 膜相液中含有非離子型載體S,它與料液中的陰離子選擇性絡(luò)合的同時(shí),又與陽(yáng)離子絡(luò)合成離子對(duì)而一起遷移,稱為同向遷移,見圖3。載體S在外相界面上與原料中的陽(yáng)離子M+和陰離子X-生成中性絡(luò)合物MX·S。此絡(luò)合物不溶于外相而易溶于膜相,并以濃度差為推動(dòng)力在膜內(nèi)向

12、內(nèi)相界面擴(kuò)散。在內(nèi)相界面上,由于內(nèi)相液濃度低,絡(luò)合物解絡(luò),釋放出溶質(zhì)離子M+和X-。解絡(luò)后的載體S留在膜相內(nèi),以擴(kuò)散方式返回外相界面。 圖表 3 偶合同向遷移3.4偶合逆向遷移 它是指膜相液中含有離子型載體時(shí)溶質(zhì)的遷移過程,見圖4。用酸性萃取劑HR作為金屬離子M+的載體,在外相界面上發(fā)生M+與H+的交換,生成的MR進(jìn)入膜相,并向外相界面擴(kuò)散,而交換下來的M+進(jìn)入內(nèi)相。由于M+在膜內(nèi)溶解度極低,故不能返回。整個(gè)傳遞過程的結(jié)果是M+從外相經(jīng)膜進(jìn)入內(nèi)相,H+則從內(nèi)相經(jīng)膜進(jìn)入外相,M+的遷移引起了H+的逆向遷移,所以稱為逆向遷移。 圖表 4 偶合逆向遷移4 液膜分離技術(shù)的特點(diǎn)4.1液膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

13、從本質(zhì)上看,液膜分離技術(shù)兼有溶劑萃取和膜滲透兩項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)。從工藝上看,它類似于溶劑萃取法。它具有如下優(yōu)點(diǎn): 液膜法中的提取和解吸是合并在一起同時(shí)完成的 ,大大提高了分離效率。降低了試劑消耗和成本。乳化液膜具有很大的表面積 ,具有很高的滲透性。能分離一般方法很難分離的一些物理、化學(xué)性質(zhì)相似的碳?xì)浠衔?。操作濃度的區(qū)間大。 工藝簡(jiǎn)單 ,操作方便 ,成本低 。4.2液膜分離技術(shù)的改進(jìn)研究 國(guó)內(nèi)外研究者們一直在努力探索各種具有潛在工業(yè)應(yīng)用意義的液膜分離技術(shù) , 除了提高 E L M和S L M穩(wěn)定性的研究之外,還不斷探索新的液膜構(gòu)型 ,以期在保持液膜分離特點(diǎn)的同時(shí) ,克服液膜不穩(wěn)定等缺點(diǎn). 目前 ,

14、國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)乳化液膜穩(wěn)定性,進(jìn)行了以下研究:合成新型表面活性劑、對(duì)乳化液膜流變性能進(jìn)行改性微乳化液膜( Micro-Emulsion Liquid Membranes , MELM) 的制備10。針對(duì)支撐液膜穩(wěn)定性,進(jìn)行了復(fù)合支撐液膜(Composite Supported Liquid Membrane )的研究、膜液改性(膜載體固定化、載體化學(xué)接枝及溶劑功能一體化支撐膜)、聚液體支撐液膜及離子液體支撐液膜的研究11。同時(shí),進(jìn)行了液膜新構(gòu)型的研究,其中包括 : 流動(dòng)液膜(包容液膜)、液體薄膜滲透萃取、靜電式準(zhǔn)液膜、內(nèi)耦合萃反交替分離過程及支撐乳化液膜12 。通過各種改性研究 ,有效的改善

15、了液膜的性質(zhì) ,從而使液膜的應(yīng)用更為廣泛。參考文獻(xiàn):1Li N N. Separation hydrocarbons with liquid membrane: US, 3410794P.1968- 11-12.2 張瑞華.液膜分離技術(shù)M.南昌: 江西人民出版社, 1984:10- 123Bloch R , Finkelstein A ,Kedem O , et al .Metal ion separation by dialysis through solvent membranes . & EC Process Design and Dev , 1967 , 6 :231 2374

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