《分离技术概论》液膜分离与促进传递课件

1、浙江大学材料与化工学院浙江大学材料与化工学院陈欢林教授、张林博士l概述概述l促进传递与液膜的制备促进传递与液膜的制备l促进传递原理促进传递原理l载体选择载体选择l有机相有机相l支撑膜支撑膜l分离机理分离机理1.液膜分离技术的应用液膜分离技术的应用 液膜是萃取与反萃取同时进行，并自相耦合液膜是萃取与反萃取同时进行，并自相耦合的分离过程，其分离原理除了利用组分在膜的分离过程，其分离原理除了利用组分在膜内的溶解扩散外还可在液膜内加入载体，利内的溶解扩散外还可在液膜内加入载体，利用组分与载体间的可逆络合反应的选择性来用组分与载体间的可逆络合反应的选择性来促进传质的过程促进传质的过程l液膜固定在多孔膜内

2、，多孔膜仅作为液膜的骨架液膜固定在多孔膜内，多孔膜仅作为液膜的骨架或支撑层，这类膜称为固定化液膜或支撑层，这类膜称为固定化液膜(ILM)或支撑或支撑液膜液膜(SLM)；l乳化液膜乳化液膜(ELM)，将两个不互溶的相，将两个不互溶的相(如水和油如水和油)充分混合，形成乳状液滴充分混合，形成乳状液滴(0.5-10m)，加入表，加入表面活性剂使乳滴稳定，由此可以得到水面活性剂使乳滴稳定，由此可以得到水/油乳化液油乳化液，将此乳液加入一装有水溶液的大容器中，形成，将此乳液加入一装有水溶液的大容器中，形成水水/油油/水乳化液，油相即为液膜。水乳化液，油相即为液膜。l溶剂：水或有机溶剂，构成膜的基体l表面

3、活性剂：乳化作用，含有亲水和疏水基，可定向排列以固定油水界面，稳定液膜；l添加剂：载体，具有促进传递作用。l通常膜的内相试剂与液膜不互溶，而膜的内，外相可以互溶。l乳化液膜分为：乳化液膜分为： 油包水型油包水型(W/O)即油膜，内相和外相为水即油膜，内相和外相为水溶液，膜为油质，整个体系为溶液，膜为油质，整个体系为W/O/W; 水包油型水包油型(O/W)即水膜，内相外相为油相即水膜，内相外相为油相，膜为水相，整个体系为，膜为水相，整个体系为O/W/O。l无载体输送液膜：利用溶质和溶剂在膜内溶解及扩散速度之差实现分离，可用于分离物理、化学性质相似的碳氢化合物、从水溶液中分离无机盐、除酸和碱；l有

4、载体输送液膜：在液膜中引入载体，载体与被分离溶质间可发生可逆反应，与扩散过程相耦合，促进了传质的进行，增大了选择性和渗透速率。l演示促进传递的演示促进传递的U型管实验型管实验l溶质溶解在膜内；溶质溶解在膜内；l在原料相在原料相1/膜界面，载体与溶质膜界面，载体与溶质A发生配合；发生配合；l载体载体-溶质配合物通过膜进行扩散；溶质配合物通过膜进行扩散；l在膜在膜/剥离或接收相剥离或接收相2界面发生配合物解离；界面发生配合物解离；l溶质从膜相中释放出来；溶质从膜相中释放出来；l自由载体方向扩散。自由载体方向扩散。l移动载体移动载体 移动载体溶解在液膜中，载体及其与待分离组分移动载体溶解在液膜中，载

5、体及其与待分离组分形成的配合物可在膜内扩散；形成的配合物可在膜内扩散；l固定载体固定载体 通过化学键或物理力结合到高分子的侧链或主键上通过化学键或物理力结合到高分子的侧链或主键上，不能自由移动，被分离组分借助相邻载体间相，不能自由移动，被分离组分借助相邻载体间相互作用所形成的具有选择性透过的通道，在固定互作用所形成的具有选择性透过的通道，在固定载体间逐个传递，选择性逐个积累，高于移动载载体间逐个传递，选择性逐个积累，高于移动载体。体。l同向耦合传递：两组分沿同一方向传递；同向耦合传递：两组分沿同一方向传递；l异向耦合传递：两组分沿相反方向传递。异向耦合传递：两组分沿相反方向传递。l载体的活性

6、反应活性太强：下游释放太慢，不利分离 反应活性太弱：选择性不强 l载体在膜中的溶解性和稳定性：载体应能溶解于液膜中，并不会发生流失现象。l肟肟l叔胺叔胺l冠醚冠醚l钴配合物钴配合物l用于水溶液时，在水相的溶解度很低，挥发性低；l能溶解载体、载体配合物；l粘度因素：载体、载体-溶质配合物使有机相粘度增加 D=kT/(6r)l浓度增加，通量增加；l浓度增加，粘度增加，扩散系数减小，通量下降；l存在一个最优值l良好的稳定性；l表面孔隙率；l膜厚；l常用的膜材料：聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯。l传质机理：溶解-扩散过程 无载体液膜的传质速率取决于组分在膜内的扩散系数、分配系数及传质推动力。()iiiiF

7、ipD KJccLl提高传质推动力：利用透过侧的化学反应，选用能与待分提高传质推动力：利用透过侧的化学反应，选用能与待分离组分离组分C进行不可逆反应的内相试剂进行不可逆反应的内相试剂R与与C反应生成的反应生成的P不不能透过膜，这样被分离组分能透过膜，这样被分离组分c在透过侧浓度几乎为零，使传在透过侧浓度几乎为零，使传质过程一直在很大的推动力下进行，以促进传质，这种传质过程一直在很大的推动力下进行，以促进传质，这种传质称为质称为I型促进传质，如处理废水中酚、有机酸、有机碱等型促进传质，如处理废水中酚、有机酸、有机碱等所用液膜均属这种类型。所用液膜均属这种类型。l提高组分在膜内的溶解性：利用膜内化

8、学反应，在液膜内提高组分在膜内的溶解性：利用膜内化学反应，在液膜内引入能与待分离组分引入能与待分离组分D发生化学反应的发生化学反应的R1，生成的，生成的P1进入进入内相与试剂内相与试剂R2反应生成反应生成P2,分离物即从膜中转移到膜内。分离物即从膜中转移到膜内。含重金属废水中离子的去除等可用此类液膜。含重金属废水中离子的去除等可用此类液膜。 l促进传递因子 F传递速率（或通量）组分通过未引入载体膜传递速率（或通量）组分通过引入载体膜的carrier for facilitated transportFacilitated transportFacilitated transport= =bul

9、k Fickian diffusionbulk Fickian diffusion(minor)(minor)+ +carrier-mediated transcarrier-mediated transport port (dominant)(dominant)bulk Fickian diffusionA carrier (B) is a compound which reversibly and specifically reacts with a solute (A) A + BABk1k2K=k1/k2The concentration fluctuation model for f

10、acilitated transport: 2l n(1)fBoPkCK p-+where Pf, CB and Kpo are permeability, carrier concentration and driving force, respectively.carrier-mediated transportFacilitated transport +=The backward reaction rate constant k2 is more important than the equilibrium constant K in determining facilitated t

11、ransport. What happensif K is large but k2 is small?No facilitated transport!Amide: POZ and PVPAmide: POZ and PVPEster: PMMA and PBMAEster: PMMA and PBMAKetone: PVMKKetone: PVMKwithwithAgBFAgBF4 4 and AgCF and AgCF3 3SOSO3 3C=OCH3(CH2-CH)n PVMKpoly(vinyl methyl ketone)C=OO-CH3(CH2-C)n PMMApoly(methy

12、l methacrylate)CH3C=OO-C4H7(CH2-C)n PBMApoly(butyl methacrylate)CH3 KetoneKetone EsterEster(CH2-CH)nN=OC=OC2H5(CH2-CH2-N)n AmideAmidePOZpoly(2-ethyl-2-oxazoline)PVPpoly(N-vinyl pyrrolidone)diffusional jump distancedistance btwn carriersonly when diffusional jump distance (d d) distance between carri

13、ers (l l),facilitated transport by hopping could occurCan the threshold concentration be explained by hopping model?l含酚废水主要来自冶金、焦炭、石油炼制、合成含酚废水主要来自冶金、焦炭、石油炼制、合成树脂生产过程中。对含酚废水的处理国内外进行树脂生产过程中。对含酚废水的处理国内外进行 了大量的研究，处理方法很多，目前对于低浓度了大量的研究，处理方法很多，目前对于低浓度的含酚废水（的含酚废水（100200mg/L）多采用生化法）多采用生化法处理，对高浓度的含酚废水（处理，对高浓度

14、的含酚废水（2001000mg/L）多采用溶剂萃取法。）多采用溶剂萃取法。l对液膜法处理含酚废水的研究已达到工业化应用对液膜法处理含酚废水的研究已达到工业化应用水平，并取得较好效果，无论低浓度或高浓度的水平，并取得较好效果，无论低浓度或高浓度的含酚废水，经液膜法一步处理可使酚浓度降至几含酚废水，经液膜法一步处理可使酚浓度降至几个个mg/L。 l重金属废水中所含的重金属离子，大多对人类有重金属废水中所含的重金属离子，大多对人类有很大毒性，但又是贵重的工业原料，所以应该很很大毒性，但又是贵重的工业原料，所以应该很好地处理和回收。重金属离子一般不会穿过油膜好地处理和回收。重金属离子一般不会穿过油膜，因此必须使用有载体输送的液膜，载体与金属，因此必须使用有载体输送的液膜，载体与金属离子生成络合物，以增加其在油膜中的溶解度和离子生成络合物，以增加其在油膜中的溶解度和渗透率。渗透率。l液膜法去除铜的反萃取相大多用酸，如液膜法去除铜的反萃取相大多用酸，如H2SO4、HNO3和和HCl。