液膜分離技術(shù)教案資料

液膜分離技術(shù)液膜是一層很薄的液體，它阻隔在兩個可互溶但組成不同的液相之間，一個液相中的待分離組分通過液膜的選擇性滲透作用傳遞到另一個液相中，從而從而使物質(zhì)達(dá)到分離提純的目的。液膜分離技術(shù)比固體膜分離技術(shù)具有高效、快速、選擇性強(qiáng)和節(jié)能等優(yōu)越性;比液液萃取具有萃取與反萃取同時進(jìn)行，分離和濃縮因數(shù)高，萃取劑用量少和溶劑流失量少等特點(diǎn)。該法的研制成功，不僅促進(jìn)了環(huán)境分析、石油化工、醫(yī)藥、衛(wèi)生等各不同領(lǐng)域分離問題的研究，也使分離科學(xué)上升到一個新水平。1.液膜的分類1.1根據(jù)組成分類 按組成可分為:油包水型(膜相為油質(zhì)而內(nèi)外相都為水相)和水包油型(膜相為水質(zhì)而內(nèi)外相都為油相)兩種。1.2根據(jù)機(jī)理分類按機(jī)理可分為:膜相中含載體和不含載體兩類。

(1)膜相主要由載體和溶劑組成。載體在膜相中通過萃取反應(yīng)和反萃取反應(yīng)，使溶質(zhì)在液膜兩側(cè)不斷傳遞，以達(dá)到脫除的效果。

(2)膜相中不含載體，則是利用溶質(zhì)在膜相中的滲透速率的差別進(jìn)行物質(zhì)分離1.3根據(jù)液膜構(gòu)成和操作方式分類 按組成和操作方式分為:乳化液膜(Emulsionliquidmembrane)和支撐液膜(Supposedliquidmembrane)兩類。乳化液膜(ELM) 乳化液膜體系是一個三相系統(tǒng)，其中由兩相構(gòu)成的乳化液分散在另一連續(xù)相溶液中，這樣形成的體系稱為多重乳化液。乳狀液膜ELM可看成為一種“水一油一水”型(w／o／w)或“油一水一油”型(o／w／o)的雙重乳狀液高分散體系，將兩種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。乳狀液膜是一個高分散體系，提供了很大的傳質(zhì)比表面積。待分離物質(zhì)由連續(xù)相經(jīng)膜相向內(nèi)包相傳遞。在傳質(zhì)過程結(jié)束后，乳狀液通常采用靜電凝聚等方法破乳，膜相可重復(fù)使用，內(nèi)包相經(jīng)進(jìn)一步處理后回收濃縮的溶質(zhì)。支撐液膜(SLM) 將多孔惰性基膜(支撐體)浸在溶解有載體的膜溶劑中，在表面張力的作用下，膜溶劑即充滿微孔而形成支撐液膜SLM，它具有很高的選擇性。支撐液膜體系由料液、液膜和反萃液三個相以及支撐體組成。支撐液膜是借助微孔的毛細(xì)管力將膜溶液牢固的吸附在多支撐體的微孔之中，在膜的兩側(cè)是與膜相互不相溶的料液相和反萃液相，待分離物質(zhì)自料液相經(jīng)多孔支撐體中的液膜相向反萃液相傳遞。支撐液膜比乳化液膜厚，而且膜內(nèi)通道彎曲，傳質(zhì)阻力較大，但它不需制乳和破乳，操作較為簡便，更適合于工業(yè)應(yīng)用。2.傳質(zhì)機(jī)理2.1乳化液膜的傳質(zhì)機(jī)理

2.1.1非流動載體的乳化液膜傳質(zhì)機(jī)理

當(dāng)液膜中不含有流動載體時，其分離的選擇性主要取決于溶質(zhì)在液膜中的溶解度。溶解度相差大，才能產(chǎn)生選擇性，也就是說混合物中的一種溶質(zhì)的滲透速度要高。使用非流動載體液膜進(jìn)行分離時，當(dāng)膜兩側(cè)被遷移的溶質(zhì)濃度相等時，輸人便自行停止，故不能產(chǎn)生濃縮效應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)高效分離，可采取在回收相內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的辦法來促進(jìn)遷移，它的機(jī)理是通過在乳狀液形成液膜的內(nèi)相中引起一個選擇性不可逆反應(yīng)，使特定的遷移溶質(zhì)或離子與內(nèi)相中的另一部分相互作用，變成一種不能逆擴(kuò)散穿過膜的新產(chǎn)物，從而使封閉相中的滲透物的濃度實(shí)質(zhì)上為零，保持滲透物在液膜兩側(cè)有最大的濃度梯度，促進(jìn)輸送,這也叫I型促進(jìn)遷移。

2.1.2含流動載體的乳化液膜分離機(jī)理

使用含流動載體的液膜，其選擇性分離主要取決于所添加的流動載體，所以提高液膜的選擇性的關(guān)鍵在于找到合適的流動載體。如果能夠物色一種載體單一地同混合物的一種溶質(zhì)或離子發(fā)生反應(yīng)，那么就可以直接提取某一元素或化合物，這類載體可以是萃取劑、絡(luò)合劑、液體離子交換劑等。流動載體除了能提高選擇性之外，還能增大溶質(zhì)通量，它實(shí)質(zhì)上是流動載體在膜內(nèi)外2個界面之間來回穿梭地傳遞被遷移的物質(zhì)。通過流動載體和被遷移物質(zhì)之間選擇性可逆反應(yīng)，極大地提高了滲透溶質(zhì)在液膜中的有效溶解度，增大了膜內(nèi)濃度梯度，提高了輸送效果。這種機(jī)理叫載體中介輸送，又叫做Ⅱ型促進(jìn)遷移。2.2支撐液膜的傳質(zhì)機(jī)理 支撐液膜中通常含有載體，它可與欲分離的物質(zhì)發(fā)生可逆反應(yīng)，其作用是“促進(jìn)傳遞”，將欲分離的物質(zhì)從料液側(cè)傳輸?shù)椒摧鸵簜?cè)。這是一個反應(yīng)一擴(kuò)散過程，含流動載體的液膜分離實(shí)質(zhì)是通過化學(xué)反應(yīng)給流動載體不斷提供能量，使其可能從低濃度向高濃度輸送溶質(zhì)。 根據(jù)載體是離子型和非離子型，或者說給流動載體提供化學(xué)能的方式，可將支撐液膜分為同相遷移和逆向遷移兩種。2.2.1逆向遷移 它是液膜中含有離子型載體時溶質(zhì)的遷移過程(如圖)。載體C在膜界面I與欲分離的溶質(zhì)離子1反應(yīng)，生成絡(luò)合物C1，同時放出供能溶質(zhì)2。生成的C1在膜內(nèi)擴(kuò)散到界面Ⅱ并與溶質(zhì)2反應(yīng)，由于供入能量而釋放出溶質(zhì)1和形成載體絡(luò)合物C2并在膜內(nèi)逆向擴(kuò)散，釋放出的溶質(zhì)1在膜內(nèi)溶解度很低，故其不能返回去，結(jié)果是溶質(zhì)2的遷移引起了溶質(zhì)1逆濃度遷移，所以稱其為逆向遷移，它與生物膜的逆向遷移過程類似。2.2.2同向遷移 它是支撐液膜中含有非離子型載體時溶質(zhì)的遷移過程。液膜所載帶的溶質(zhì)是中性鹽，它與陽離子選擇性絡(luò)合的同時，又與陰離子絡(luò)合形成離子對而一起遷移，故稱為同向遷移，如圖。載體C在界面I與溶質(zhì)1、2反應(yīng)(溶質(zhì)1為欲濃集離子，而溶質(zhì)2供應(yīng)能量)，生成載體絡(luò)合物C12并在膜內(nèi)擴(kuò)散至界面Ⅱ，在界面Ⅱ釋放出溶質(zhì)2，并為溶質(zhì)1的釋放提供能量，解絡(luò)載體C在膜內(nèi)又向界面I擴(kuò)散。結(jié)果，溶質(zhì)2順其濃度梯度遷移，導(dǎo)致溶質(zhì)1逆其濃度梯度遷移，但兩溶質(zhì)同向遷移，它與生物膜的同向遷移相類似。3.影響液膜穩(wěn)定性因素3.1液膜乳液成分的影響 表面活性劑的種類和濃度對液膜的穩(wěn)定性、滲透速率、分離效果都有明顯的影響。在分離和濃縮金屬離子時。選擇流動載體是能否取得滿意效果的關(guān)鍵。液膜乳液中含表面活性劑的油膜體積與內(nèi)相試劑體積之比，對液膜的穩(wěn)定性有明顯的影響。

3.2攪拌強(qiáng)度的影響料液與乳液在一定攪拌強(qiáng)度下良好地混合，對生成很小的乳液滴有促進(jìn)作用，為溶質(zhì)的遷移提供了較大的膜表面積。攪拌強(qiáng)度過低，料液與乳液不能充分混合，而攪拌強(qiáng)度過高。又會使液膜破裂，從而使分離效果降低。3.3接觸時間的影響 料液與液膜乳液最初接觸的一段時聞內(nèi)，溶質(zhì)迅速滲透過膜進(jìn)人內(nèi)相。由于膜表面積極大．所以滲透是很快的。如果再延長接觸時間，料液中待分離物的濃度又有回升，這是由于乳液滴破裂造成的。3.4連續(xù)相pH值的影響 連續(xù)相pH值決定滲透物的存在狀態(tài)，在一定的pH下，滲透物能與液膜中的載體形成配合櫪而進(jìn)入液膜相，從而產(chǎn)生良好分離效果，反之分離效果差。4．應(yīng)用4.1乳化液膜分離技術(shù)的應(yīng)用

4.1.1金屬回收

原生金屬資源的不可再生性使人類將要面臨嚴(yán)重的資源危機(jī)，金屬回收是資源綜合利用的重要組成部分對于建立循環(huán)型經(jīng)濟(jì)保證資源永續(xù)減少環(huán)境污染節(jié)省能源提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。利用乳化液膜分離技術(shù)可以分離回收鈾，對稀土金屬進(jìn)行分離提取以及其他金屬的回收等等。

4.1.3醫(yī)藥上的應(yīng)用 乳化液膜技術(shù)可以提取、制造藥品中間單體和藥品單體，如提取青霉素G。青霉素G是一種弱酸，其穩(wěn)定性較差，在萃取過程中常發(fā)生降解而造成損失。有研究用乳化液膜法提取分離青霉素G，且提出了一些可行方案，并用一種非牛頓流體的高分子聚合物溶液作膜穩(wěn)定劑，使青霉素的萃取率達(dá)到90％以上。采用乳化液膜技術(shù)還能有效的分離提取出氨基酸、頭孢菌素以及紅霉素等。4.1.4其他方面 在生物和制藥領(lǐng)域中，利用乳狀液膜從發(fā)酵液中提取先鋒霉素、青霉素的研究引起了國內(nèi)外研究的熱潮;發(fā)現(xiàn)采用將酶固定在內(nèi)相中的乳化液膜制作的酶反應(yīng)器，可以進(jìn)行氨基酸的生成和分離工作;在仿生學(xué)方面，利用氟碳化物制成的液膜可用作人工肺，因?yàn)檫@種膜可以模擬生物膜的輸送功能，包結(jié)著的氧不斷地滲透出來，而二氧化碳?xì)怏w不斷滲透進(jìn)去，從而起到人工肺的功能。4.2支撐液膜分離技術(shù)的應(yīng)用4.2.1支撐液膜分離技術(shù)用于重金屬離子的濃縮、分離 早在90年代初，有關(guān)SLM用于煙氣脫硫的研究就已見報道。國外最早使用SO2、CO2、O2、N和水蒸氣作為模擬煙氣，膜液分別采用水、NaHSO3溶液等，后來又對其中的滲透池部分進(jìn)行了改進(jìn)，使用了中空纖維含浸液膜滲透器。我國研究人員[7]制作出了中空纖維含浸液膜滲透器用于煙氣脫硫。4.2.2氣體分離 在氣體分離方面，SLM目前已用于CO2、CO、NH3、NO、H2S、O2和烯烴等氣體的分離；基于SLM優(yōu)良的選擇性和較高的富集分離效率，在化學(xué)分析中SLM對樣品的預(yù)處理也可以達(dá)到理想的效果。 4.2.3固定酶和糖的分離 氨基酸光學(xué)異構(gòu)體的分離是十分困難的。已有研究表明采用具有聯(lián)二萘結(jié)構(gòu)冠醚作載體的SLM對各種氨基酸進(jìn)行分離的效果良好，而且SLM有可能成為固定酶的手段之一。對于L-纈氨酸、乳酸、金雞納酸和檸檬酸也有用SLM進(jìn)行分離的相關(guān)報道。 另外，支撐液膜還用于分離抗生素、提取生物堿、提取檸檬酸等5.液膜技術(shù)應(yīng)用展望盡管液膜技術(shù)自問世至今大規(guī)模