分离科学与进展中科大lectu.ppt

膜分离 超过滤 微滤 反渗透 微滤膜一般为均匀的多孔膜 孔径较大 孔道曲折 微滤用的微孔膜 平均孔径为0 02 10 m 分布较宽 膜厚50 250 m 能截留0 05 10 m的微粒或者分子量大于106的高分子溶质 所用压差为0 01 0 2MPa 超滤用的非对称膜 它有表面活性层和支撑层两层组成 表面活性层很薄 厚度为0 1 1 5 m 有孔径1 20nm的微孔 微孔排列有序 孔径也很均匀 支撑层厚度200 250 m 它支撑表面活性层 使膜有足够的强度 支撑层疏松 孔径大 流动阻力小 以保证高的透水率 膜分离 超过滤 微滤 反渗透 核孔膜也可做微滤膜 通常用聚碳酸酯作材料 先用核反应堆产生的裂片轰击产生损伤的径迹 然后在下的温度下用化学试剂侵蚀成一定尺寸的孔 其特点是圆柱形短孔 孔径均匀 大小可较精确控制 1 微孔过滤过滤悬浮颗粒 例如 HPLC中0 22 m滤膜过滤流动相 防止堵塞色谱柱 2 超过滤工业废水的无害化处理和有效成分的回收利用 汽车生产厂电涂淋洗水 水中含有1 2 的涂料 用UF分离出涂料 重新使用 清水再循环使用 微滤和超过滤的应用 膜分离 反渗透 当用半透膜将纯水和盐水分隔时 水将自动地穿过半透膜向盐水中扩散 这个过程称为渗透 若在盐水一侧施加大于渗透压的压力 则水从盐水中向纯水中迁移 由于在这个过程中水的迁移方向与渗透过程相反 因此称为反渗透 膜分离 反渗透 膜分离 反渗透 反渗透膜主要是非对称膜 复合膜和中空纤维膜 制膜材料主要是各种纤维素酯 如醋酸纤维素 三醋酸纤维素 醋酸丙酸纤维素等和各种聚酰胺 反渗透膜的透过机理 氢键理论 认为盐水中的水分子能与醋酸纤维素羰基上的氧原子形成氢键而成为结合水 结合水可在膜中通过有序扩散而透过膜 在结合水中依靠氢键与膜保持紧密结合的称一级结合水 结构较松散的为二级结合水 一级结合水的介电常数很低 无溶剂化作用 离子不能进入一级结合水而透过膜 反渗透膜的透过机理 反渗透膜的透过机理 优先吸附 毛细管流动机理 在醋酸纤维膜的表面优先吸附一层水分子 其厚度为1 2个水分子层 0 5 1 0nm 盐类溶质则被排斥 当膜表面毛细管的孔径为纯水吸附层厚度的2倍 临界孔径 时 对一个毛细孔而言可得到最大流量的纯水 反渗透膜的透过机理 反渗透膜的透过机理 溶解扩散模型 认为水分子通过溶解和扩散的过程透过膜 而溶质分子由于在膜中的扩散系数比水小好几个数量级而无法透过 反渗透与超滤 微滤对比 其他膜分离过程 膜蒸馏 疏水微孔膜 可在常压和低于沸点下进行 其他膜分离过程 膜萃取 其他膜分离过程 膜分相 液膜分离技术由美国登埃克森公司黎念之博士 NormanLi 于1968年提出 液膜的定义 液膜是很薄的一层液体 可以是水溶液也可以是有机溶剂 它能把2个互溶的组成不同的溶液隔开 并通过这层液膜的选择性渗透实现分离 液膜分离 液膜的组成和分类膜溶剂 成膜的基体物质 占膜的90 以上表面活性剂 约占膜的1 5 影响膜的稳定性 渗透速度 分离效率等 流动载体 对分离起主要作用 往往是某种萃取剂 1 5 膜增强添加剂 使膜具有合适的稳定性 液膜组成 液膜分类 按形状分 隔膜形 又叫支撑型液膜 球形 单滴形 乳状液 按传质机理分 无载体输送的液膜 有载体输送的液膜 支撑型液膜把微孔聚合物膜浸在有机溶液中 溶液即充满微孔形成液膜 此类膜主要用于支撑液膜萃取上 这种液膜的传质面积小 稳定性也差 支撑液体容易流失 单滴型液膜根据成膜材料 分为水膜和油膜单滴型液膜寿命较短 主要用于理论研究 乳状液型液膜最常用和常见的形式 首先把2种互不相溶的液体制成乳状液 然后再将乳状液分散在第三相 即外相中 一般情况下 乳状液小球直径为0 1 2mm 液膜本身厚度为1 10 m 单纯迁移 假设液膜内有A B两种物质 要实现他们的分离 必须其中一种迁移出液膜的速度更快 液膜分离的机理 物质在膜内的渗透速度正比于扩散系数和溶质在膜中的分配系数 一般来说 在一定的膜溶剂内 大多数溶质的扩散系数接近相同 所以分配系数的差异决定了哪种物质更容易溶解在液膜中 单纯迁移在膜两侧被迁移的溶质浓度相等时 输送就自然停止了 因此 它不能产生浓缩效应 滴内化学反应 I型促进迁移 液膜分离的机理 膜相化学反应 液膜分离的机理 载体分子R1先在液膜的料液 外相侧 选择性地与某种溶质 A 发生化学反应 生成中间产物 R1A 然后这种中间产物扩散到膜的另一侧 与液膜内相中的试剂 R2 作用 并把该溶质A释放出来 这样溶质就被从外相转入到内相 而流动载体则扩散到膜的外相侧 重复上述过程 使分离和浓缩合二为一 膜相化学反应 选择性 表现在所选的流动载体与被迁移的物质进行化学反应的专一性 渗透性 由于流动载体与被分离的渗透溶质进行反应生成的产物极大地提高了该溶质在膜相的溶解度 再加上乳状液膜的厚度薄 表面大的优点 可使被分离溶质具有很高的渗透通量 定向性 表现在它具有能量泵的作用 使渗透溶质实现从低浓区沿着反浓度梯度的方向向高浓度区持续地进行迁移 直到把溶质输送完为止 这种高定向性的物质迁移特征类似于生物细胞膜 所以此种迁移机理又被称为 离子泵 也叫II型促进迁移 膜相化学反应 液膜分离的机理 有载体液膜 反向迁移 液膜分离的机理 有载体液膜 反向迁移 液膜分离的机理 有载体液膜 同向迁移 液膜分离的机理 有载体液膜 同向迁移 DBC 二苯并 18 冠 6 液膜分离的过程 制乳 先经高速搅拌膜溶剂 表活剂 流动载体和内相试剂等的混合物 再在适当搅拌下加入到料液中 在液膜技术中通常采用非离子型表面活性剂作乳化剂 传质 保持一定时间澄清 分层 实现乳状液与料液的分离破乳 回收内相浓缩液 分离出的膜相成分再返回使用 液膜分离的过程 决定乳状液类型的因素 表面活性剂的HLB值 亲水基重量的百分数 5HLB越大亲水性越强 通常HLB为3 6的表面活性剂常用作油包水型乳化剂 HLB为8 15的表面活性剂常用作水包油型乳化剂 决定乳状液类型的因素 表面活性剂的加入方式有时可决定生成的乳液性质 1 将表面活性剂直接溶入水中 在激烈的搅拌下将油加入 可直接产生o w oilinwater 型乳状液 若继续加入油可变为w o型 2 将表面活性剂溶于油相得到有机混合物 将此有机混合物再直接加入到水中 则自发形成o w乳状液 若将水加入到该有机混合物中时则得w o型乳状液 若继续加水也可变型为o w乳状液 常用的破乳方法 破乳的方法可分为化学破乳和物理破乳加入破乳剂 化学破乳 由于破乳剂的加入引起乳化剂脱吸 使膜张开而达到破乳的目的 如环已烷和异丙醇是常用的破乳剂 化学破乳应用范围有限 并且会引起污染并增加乳化剂的消耗 高速离心 基于膜相和内相的密度差 但成本高静电破乳 把乳液置于常压或高压交直流电场中 可