液膜分離與滲透汽化

1、液膜分離與滲透汽化分離過程與設(shè)備課堂報告報告人：11 液膜分離 1.1 液膜分離過程的原理 1.2 液膜的形狀和分類 1.3 液膜分離設(shè)備 1.4 液膜分離技術(shù)的應(yīng)用21 液膜分離液膜分離是一種快速、高效和節(jié)能的新型分離技術(shù)，它是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的。液膜分離和溶劑萃取過程相似，也是由萃取和反萃取兩個過程構(gòu)成的。但是在液膜分離過程中，萃取與反萃取是同時進(jìn)行、一步完成的。液膜分離的傳質(zhì)機(jī)理與生物膜有相似之處。在廣泛深入研究的基礎(chǔ)上，液膜分離在濕法冶金、石油化工、環(huán)境保護(hù)、氣體分離、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。31.1 液膜分離過程的原理 液膜分離是將第三種液體展成膜狀以分隔兩

2、個液相，原料液中的某些組分透過液膜進(jìn)入接受液，實現(xiàn)3組分的分離。液膜分離過程是由三個液相所形成的兩個相界面上的傳質(zhì)分離過程，實質(zhì)上是萃取與反萃取的結(jié)合。所以液膜分離又稱液膜萃取。41.2 液膜的形狀和分類 液膜是分隔兩個液相的第三液相，它與被分隔液體的互溶度極小，否則液膜就會因溶解而消失。當(dāng)原料液為水溶液時，用有機(jī)液體(主要是烴類)作液膜；當(dāng)原料液為有機(jī)液體時，用水溶液作液膜。液膜與固體膜不同，它沒有一定的形狀，只是在一定條件下展開并保持膜狀。分離操作所用的液膜有三種型式(見圖)。51.2 液膜的形狀和分類支撐液膜 如果液體能潤濕某種固體物料，它就在固體表面分布成膜。微孔材料制成的膜片或中空纖

3、維，用膜相溶液浸漬后，就形成固體支撐的液膜。聚四氟乙烯、聚丙烯制成的微孔膜，用以支撐有機(jī)液膜；濾紙、醋酸纖維素微孔膜和微孔陶瓷，可支撐水膜。支撐液膜的形狀、面積和厚度，取決于支撐材料。圖1 支撐液膜料液相反萃相待分離的溶質(zhì)61.2 液膜的形狀和分類在使用過程中，支撐體膜材料的選擇往往對過程的影響過大。目前使用的疏水性微孔膜，膜厚為2550m，微孔直徑為0.21m。一般認(rèn)為聚乙烯和聚四氟乙烯制成的疏水微孔膜效果較好，聚丙烯膜次之，在支撐過程中，一般需要定期向支撐體補(bǔ)充膜相溶液，采用的方法通常是反萃相一側(cè)隔一定時間加入膜相溶液。71.2 液膜的形狀和分類 液滴膜 液膜以液滴的包裹層形式處于兩個液相

4、之間，內(nèi)相是水溶液、膜相為有機(jī)液時，稱為油包水型(wo)液滴；反之，稱為水包油型(ow)液滴。液滴的直徑一般為15mm。液滴膜僅用于實驗研究。圖2 液滴膜外相內(nèi)相膜相81.2 液膜的形狀和分類乳液膜 乳狀液膜實際上可以看成是一種“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成乳狀液，然后將其分散到第三液相(連續(xù)相)中。圖3 乳液膜91.2 液膜的形狀和分類油膜（W/O）和水膜（O/W）示意圖a油膜（W/O），W/O/W體系；b水膜（O/W），O/W/O體系101.2 液膜的形狀和分類乳液膜的基本情況與液滴膜相同

5、。差別僅在于乳液膜的內(nèi)相分散成許多微液滴，懸浮在膜相液中，構(gòu)成乳狀液。微液滴的直徑為1100m，乳狀液液滴直徑0.52mm?？捎糜诠I(yè)分離。111.2 液膜的形狀和分類乳狀液膜的工藝流程較復(fù)雜些，其主要步驟分為乳狀液膜制備、接觸分離、沉降澄清、破乳。預(yù)處理分離沉降處理下料制乳破乳膜相內(nèi)相新鮮內(nèi)膜原料圖4 乳狀液膜工藝流程12工藝流程機(jī)理將含有膜溶劑、表面活性劑、流動載體以及其他膜增強(qiáng)添加劑的液膜溶液同內(nèi)相試劑溶液混合，可以制得所需的水包油(O/W)或油包水(W/O)型乳狀液。制乳過程中主要應(yīng)注意表面活性劑加入方式，制乳的加料順序，攪拌方式和乳化器材質(zhì)的浸潤性能等。接觸分離階段，乳狀液膜與料液混

6、合接觸，實現(xiàn)傳質(zhì)分離。在間隙式混合設(shè)備中，適當(dāng)?shù)臄嚢杷俣仁顷P(guān)鍵的工藝條件之一。在連續(xù)塔式接觸中(如盤轉(zhuǎn)塔)，需選擇適當(dāng)?shù)牧髁亢退?nèi)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，以降低塔內(nèi)的軸向混合，提高塔內(nèi)乳狀液的滯留量，從而為傳質(zhì)提供有利的條件。沉降澄清階段，是富集了被萃物質(zhì)的乳狀液與殘液之間分層，以減少兩相的相互夾帶。使用過的膜相需要重新使用，富集了被萃物質(zhì)的內(nèi)相亦需匯集，這就需要破乳。目前，一般認(rèn)為破乳采用高壓靜電凝聚法較為適宜。交流和脈沖直流電源均可采用。頻率和波形對破乳速度有一定影響。131.2 液膜的形狀和分類液膜分離與萃取對比： 液膜分離物系的外相、膜相和內(nèi)相； 萃取反萃取物系的原料液、萃取劑和反萃劑； 萃取劑是

7、由萃取反應(yīng)劑、稀釋劑(溶劑)和調(diào)節(jié)劑所組成； 膜相液由載體、膜溶劑、表面活性劑和穩(wěn)定劑所組成。141.3 液膜分離設(shè)備支撐液膜設(shè)備 支撐液膜所用的支撐物有聚礬、聚四氟乙烯、聚丙烯和纖維素的微孔膜，制成平膜、毛細(xì)管中空纖維。微孔平面膜構(gòu)成的支撐液膜分離裝置采用板框式結(jié)構(gòu)。微孔管狀膜和中空纖維膜構(gòu)成的膜分離裝置，采用管殼式結(jié)構(gòu)。乳液膜設(shè)備 用乳液膜分離的流程由制乳、萃取和破乳設(shè)備組成，如圖6所示。15圖5 管殼式結(jié)構(gòu)16圖6 用乳液膜分離水溶液的裝置在制乳器內(nèi)，將內(nèi)相液加到配制好的膜相液中，用強(qiáng)烈的攪拌制成內(nèi)相分散很細(xì)的乳狀液。然后將外相作連續(xù)相，乳狀液作分散相，在通常的萃取設(shè)備中操作。從萃取器出

8、來的乳狀液，經(jīng)破乳器分離成單獨(dú)的膜相液和內(nèi)相液，膜相再返回制乳器循環(huán)使用。當(dāng)分離水溶液中溶質(zhì)時，原料水溶液作為外相，經(jīng)萃取后成為萃余液。從破乳分離出來的內(nèi)相，是富集了被萃取組分的反萃液。171.4 液膜分離技術(shù)的應(yīng)用 液膜分離技術(shù)由于其過程具有良好的選擇性和定向性，分離效率很高，因此，它的研究和應(yīng)用廣泛。例如： 烴類混合物的分離。這類工藝已成功用于分離苯正己烷，甲烷庚烷，庚烷己烯等混合體系； 含酚廢水處理。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Na0H水溶液作為內(nèi)相； 從鈾礦浸出液中提取鈾。 從總體來說，液膜分離技術(shù)還處于實驗室研究及中間工廠試驗階段，更有一些新的

9、應(yīng)用領(lǐng)域尚待開發(fā)，可以預(yù)料，液膜分離技術(shù)將會應(yīng)用于濕法冶金、石油化工、醫(yī)藥、環(huán)境等行業(yè)。181.4 液膜分離技術(shù)的應(yīng)用隨著合成氨工業(yè)的發(fā)展，各類型化肥廠中含氨廢水的治理已經(jīng)成為極為重要的問題。處理含氨廢水可以選用油包水型的乳狀液，其內(nèi)包相選用酸性水溶液。氨具有明顯的油溶性，溶液從外相進(jìn)入膜相，在內(nèi)包相得以富集。在許多工業(yè)過程中，金屬離子的分離是一個十分重要的課題。同時，隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)問題亦日趨關(guān)鍵。其中，大量重金屬廢水的治理是及其重要的任務(wù)。液膜分離方法提供了這類重金屬離子分離的新手段。192 滲透汽化 2.1 滲透汽化過程原理 2.2 滲透汽化膜 2.3 影響滲透汽化過程的因素 2

10、.4 滲透汽化的應(yīng)用202.1 滲透汽化過程原理滲透汽化是利用膜對液體混合物中組分的溶解與擴(kuò)散性能的不同來實現(xiàn)其分離的膜分離過程。滲透汽化過程可以用圖7所示的實驗用滲透汽化器來說明。圖7 滲透汽化器1-加料管；2-攪拌器；3-液室；4-墊圈；5-膜；6-多孔支撐板；7-氣室；8-蒸汽出口；9-液位計212.1 滲透汽化過程原理在膜的上部充滿要分離的液體混合物，膜的下部空腔為氣相，接真空系統(tǒng)。液體混合物與膜接觸，各組分溶解到膜的表面上，并依靠膜兩側(cè)表面間的濃度差向膜的下測擴(kuò)散，被真空泵抽出，可冷凝成透過液。膜的下部空腔也可以不接真空而用惰性氣吹掃，將透過物帶出。滲透汽化的主要操作指標(biāo)是滲透通量與

11、分離系數(shù)。222.2 滲透汽化膜 滲透汽化過程主要使用復(fù)合膜與非對稱性膜。復(fù)合膜的復(fù)合層是起分離作用的活性層，需根據(jù)要分離組分的性質(zhì)選用適當(dāng)?shù)膹?fù)合層材料。采用非對稱性膜時，表層必需致密，否則過程的分離系數(shù)小，分離效果差。232.3 影響滲透汽化過程的因素膜材料與結(jié)構(gòu) 膜材料與結(jié)構(gòu)是影響滲透汽化過程的最關(guān)鍵的因素。膜的結(jié)晶度、塑化程度以及膜和滲透組分間的相互作用對組分的擴(kuò)散系數(shù)有影響。擴(kuò)散系數(shù)也隨組分濃度的增加而增大。 溫度 溫度升高，組分在膜中的擴(kuò)散系數(shù)增大。溫度對分離系數(shù)(選擇性)的影響不大，一般溫度升高，選擇性有所下降，但也有溫度升高，選擇性升高的情況。242.3 影響滲透汽化過程的因素壓

12、力 通常液相側(cè)均為常壓。氣相側(cè)的壓力對滲透汽化的影響很大。壓力低，滲透通量大。一般說當(dāng)易滲透組分為易揮發(fā)組分時，分離系數(shù)隨壓力的升高而增大，當(dāng)易滲透組分為難揮發(fā)組分時，分離系數(shù)隨壓力的升高而減小。液體中易滲透組分的濃度 在液體混合物中易滲透組分濃度增大，滲透通量增加。252.4 滲透汽化的應(yīng)用滲透汽化過程的突出優(yōu)點是分離系數(shù)高，可達(dá)幾十、幾百乃至上千，因此分離過程簡單，操作方便。它的缺點是滲透通量小，一般不超過I000gm2h，透過物有相變，需要提供汽化熱。因此它適用于難分離的近沸組分的混合物、恒沸物和混合物中少量雜質(zhì)的物系分離。滲透汽化與其它分離方法(如精餾)配合使用，用其所長，避其所短，可以得到很好的經(jīng)濟(jì)效果。262.4 滲透汽化的應(yīng)用恒沸物的分離 恒沸液分離是滲透汽化研究與應(yīng)用的主要領(lǐng)域。乙醇一水的分離是最主要的對象，人們對它進(jìn)行了廣泛的研究。乙醇水恒沸液中含水少，可以直接應(yīng)用易透水膜的滲透汽化過程制取無水乙醇。目前用滲透汽化法制取無