液膜分离的原理及应用

1、 宁波大学硕士研究生2016/2017学年第1学期期末答题纸 考试科目：生化分离技术 课程编号： 考卷类型：（A/B）姓名：学号：阅卷老师： 成绩： 液膜分离的原理及应用摘要：液膜模拟生物膜的结构，通常由膜溶剂、表面活性剂和流动载体组成。它利用选择透过性原理，以膜两侧的溶质化学浓度差为传质动力，使料液中待分离溶质在膜内相富集浓缩，分离待分离物质。关键字：液膜分离技术，乳化液膜，支撑液膜。 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。液膜分离是 60 年代中期诞生的一种新型的膜分离技术。 它具有膜分离的一般特点, 主要是依据膜对不同物质具有选择性渗透的性质来进行组分的分离。自20世纪 60 年代美国林登埃克森研究与工程公司黎念之博士( N.

4、N.Li)发明后1。液膜通常由膜溶剂、表面活性剂、流动载体和膜增强添加剂组成2。各国学者相继开展了大量的研究。该技术在湿法冶金、金属离子回收、废水处理、生物制品分离与生物医药分离、化工分离等方面已显示出广泛的应用前景。 目前液膜技术处理农药厂废水已实现工业化, 在含锌废水处理中已进行了工业试验, 液膜技术分离宇宙飞船中 CO2 也已成功得到应用, 液膜分离技术正在得到迅速的发展。生物学家们在液膜促进传递方面取得的成就引起了化学工程师们的注意. 60 年代中期 , Bloch 等3采用支撑液膜( supported liquid membrane) 研究了金属提取过程, Ward 与 Robb4

5、 研究了 CO2 与 O2 的液膜分离, 他们将支撑体液膜称为固定化液膜( immobilized liquid membrane). 黎念之( N .N . Li) 在用du Nuoy 环法测定含表面活性剂水溶液与油溶液之间的界面张力时 ,观察到了相当稳定的界面膜 ,由此开创了研究液体表面活性剂膜( liquid surfactant membrane) 或乳化液膜( emulsion liquid membrane)的历史51液膜分离原理1.1液膜及其分类 液膜是分隔两个液相的第三液相,它与被分隔液体的互溶度极小。膜相液通常由膜溶剂、载体、表面活性剂、稳定剂所组成。 膜溶剂是膜相液的基体,

6、占膜总量的90%以上,选择膜溶剂主要考虑膜的稳定性和对溶质的溶解性。当原料液为水溶液时,用有机溶剂作液膜,当原料液为有机溶剂时,用水作液膜。 载体是运载溶质穿过液膜的物质,它能与被分离的溶质发生化学反应,它分为离子型和非离子型。离子型载体通过离子交换方式与溶质离子结合,在膜中迁移;非离子型载体与原料液中的金属离子、阴离子形成络合物以中性盐的形式在液膜中迁移。流动载体使指定的溶质或离子进行选择性迁移,决定分离的选择性和通量。 表面活性剂起乳化作用,它含有亲水基团和疏水基团,表面活性剂的分子定向排列在相界面上,用以增强液膜。两种基团的相对含量用亲水亲油平衡值(HLB)表示,HLB愈大,则表面活性剂

7、的亲水性愈强,一般HLB为3-6的表面活性剂用于油膜,易形成油包水型乳液;HLB为8-15的表面活性剂用于水膜,易形成水包油型乳液。表面活性剂是创造液膜固定油水分界面的最重要组分,它直接影响膜的稳定性、渗透速度、分离效率和膜的复用。 稳定剂可以提高膜相液的粘度,促进液膜的稳定性。即要求液膜在分离操作过程中不过早破裂,以保证待分离溶质在内相中富集,而在破乳时又容易被破碎,便于内相与液膜的分离。2液膜按其构型和操作方式的不同可分为乳状液膜和支撑液膜两类。 2.1 乳状液膜 乳状液膜是以包裹层形式处于两液相之间。被包裹的是内相,处于液膜外的称为外相。内相液在乳液膜内分散成许多微液滴,悬浮在膜相液中构

8、成乳状液。微液滴直径为1-100m,乳状液液滴直径为0.5-2mm。当内相是水溶液,膜相是有机溶液时,称为油包水型(W/O)液滴,用于分离水溶液;当内相为有机溶液, 膜相为水时,称为水包油型(O/W)液滴,用于分离有机溶液。乳状液膜形成的过程是:先将内相液分散到膜相液液中,形成乳状液膜。在分离过程中,外相的分离组分通过膜传递到内相而达到分离目的。乳状液膜的稳定性好,具有巨大的比表面积,大大提高萃取速度。2.2支撑液膜 支撑液膜是由溶解了载体的膜相液,在表面张力作用下,依靠聚合凝胶层中的化学反应或带电荷材料的静电作用,含浸在多孔支撑体的微孔内而制成,由于将液膜含浸在多孔支撑体上,可以承受较大的压

9、力,且具有更高的选择性。支撑液膜的性能与支撑体材质、厚度及微孔直径的大小关系极为密切。通常孔径越小,液膜越稳定,但孔径过小将使空隙率下降,从而降低透过速度。支撑液膜使用的寿命只有几个小时至几个月,不能满足工业化应用要求,需采取适当措施提高其稳定性。长期以来,支撑液膜的稳定性问题一直未能很好解决.导致支撑液膜不稳定的因素如下:膜液在料 液 相与接收相中的溶解损失(对液 体 分离) 5,6 与膜液的挥发损失(对气体分离)7 ;具有表面活性的载体分子提高了油-水两相的互溶性8;膜两侧压力差超过膜孔吸附膜液的毛细管力9 .3、液膜分离的传质机理 液膜分离过程可分为从原料液到膜相液和从膜相液到接受液两步

10、萃取过程。而萃取过程又可分为物理萃取和化学萃取。因此,液膜分离的传质机理有四种类型。3.1选择性渗透 液膜不含载体。这种液膜分离是靠待分离的不同组分在膜相液中的溶解度和扩散系数的不同导致透过膜的速度不同来实现分离的。见图1。原料液中的A、B组分,由于A易 溶于膜,而B难溶于膜,因此,A透过膜的速率大于B,经过一定时间后,在接受液中的A的浓度大于B,原料液侧的B的浓度大于A,从而实现A、B的分离。但当分离过程进行到液膜两侧被迁移的溶质浓度相等时,输送便自行停止,因此,它不能产生浓缩效果。 图表 1 选择性渗透3.2内相有化学反应 液膜不含载体。内相的接受液中含有试剂R,它能与原料液中迁移的溶质A

11、发生不可逆的化学反应,并生成一种不能逆扩散透过膜的新产物P,从而使渗透物A在内相接受液中的浓度为零,直至R被反应完全为止,见图2。因此,保持了A在内、外相中的最大浓度差,促进了A的传递;相反,由于B不能与R反应,即使它也能渗透进入内相,但很快达到了渗透停止的浓度,从而达到了A与B的分离目的。 图表 2 内相有化学反应3.3偶合同向迁移 膜相液中含有非离子型载体S,它与料液中的阴离子选择性络合的同时,又与阳离子络合成离子对而一起迁移,称为同向迁移,见图3。载体S在外相界面上与原料中的阳离子M+和阴离子X-生成中性络合物MX·S。此络合物不溶于外相而易溶于膜相,并以浓度差为推动力在膜内向

12、内相界面扩散。在内相界面上,由于内相液浓度低,络合物解络,释放出溶质离子M+和X-。解络后的载体S留在膜相内,以扩散方式返回外相界面。 图表 3 偶合同向迁移3.4偶合逆向迁移 它是指膜相液中含有离子型载体时溶质的迁移过程,见图4。用酸性萃取剂HR作为金属离子M+的载体,在外相界面上发生M+与H+的交换,生成的MR进入膜相,并向外相界面扩散,而交换下来的M+进入内相。由于M+在膜内溶解度极低,故不能返回。整个传递过程的结果是M+从外相经膜进入内相,H+则从内相经膜进入外相,M+的迁移引起了H+的逆向迁移,所以称为逆向迁移。 图表 4 偶合逆向迁移4 液膜分离技术的特点4.1液膜分离技术的优点

13、从本质上看,液膜分离技术兼有溶剂萃取和膜渗透两项技术的特点。从工艺上看,它类似于溶剂萃取法。它具有如下优点: 液膜法中的提取和解吸是合并在一起同时完成的 ,大大提高了分离效率。降低了试剂消耗和成本。乳化液膜具有很大的表面积 ,具有很高的渗透性。能分离一般方法很难分离的一些物理、化学性质相似的碳氢化合物。操作浓度的区间大。 工艺简单 ,操作方便 ,成本低 。4.2液膜分离技术的改进研究 国内外研究者们一直在努力探索各种具有潜在工业应用意义的液膜分离技术 , 除了提高 E L M和S L M稳定性的研究之外,还不断探索新的液膜构型 ,以期在保持液膜分离特点的同时 ,克服液膜不稳定等缺点. 目前 ,

14、国内外研究者针对乳化液膜稳定性,进行了以下研究:合成新型表面活性剂、对乳化液膜流变性能进行改性微乳化液膜( Micro-Emulsion Liquid Membranes , MELM) 的制备10。针对支撑液膜稳定性,进行了复合支撑液膜(Composite Supported Liquid Membrane )的研究、膜液改性(膜载体固定化、载体化学接枝及溶剂功能一体化支撑膜)、聚液体支撑液膜及离子液体支撑液膜的研究11。同时,进行了液膜新构型的研究,其中包括 : 流动液膜(包容液膜)、液体薄膜渗透萃取、静电式准液膜、内耦合萃反交替分离过程及支撑乳化液膜12 。通过各种改性研究 ,有效的改善

15、了液膜的性质 ,从而使液膜的应用更为广泛。参考文献:1Li N N. Separation hydrocarbons with liquid membrane: US, 3410794P.1968- 11-12.2 张瑞华.液膜分离技术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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17、ime of supported liquid membranes :the influence of interfacial properties , chemical composition and w ater transport on the long -term stability of the membranes . J M embr Sci , 1987 , 31 ( 2 -3 ) : 117 1457 Fabiani C , M erigiola M ,Seibona G , et al . Degradation of supported liquid membranes u

18、nder an osmotic pressure gradient. J M embr Sci, 1987 , 30( 1) : 97 1048 M atson S L , Lopez J , Quinn J A .Separation of gases with synthetic membrane .Chem Eng Sci , 1983 , 38 : 503 524 9 M ajumdar S , Sirkar K K , Sengupta A .Hollow fiber contained liquid membrane .In :Ho W S , Sirkar K K ,eds .M embrane Handbook .New York :Chapman &Hall, 1992 .764 90910 李成海, 龚福忠, 周立亚. W/O型微乳液膜的制备及提取稀土的研究 J .化学通报, 2000, 2: 11 14.11 Carlin RT . Supported ionic liquid membrane reactors :