膜基萃取分离技术及应用

1、膜基萃取技术及应用进展专业：化学工艺 学号：2014011068 姓名：韦梦梅 授课老师：邱建华摘要：本文介绍了膜基萃取技术的分离原理及特点，以双模理论为基础讨论了疏水膜和亲水膜为固定界面的传递模型以及萃取技术的应用进展。关键词：膜萃取，原理，分离技术，传递模型。The Process of Membrane ExtractionSeparation Technique and ApplicationsAbstract:The characteristic and the mass transfer of membrane extraction separa-tion technique we

2、re introduced in this paper. The transfer model was discussed on the basis of hydrophobic membrane and hydrophilic membrane. On the basis, putting fo-rward the main use of membrane extraction, the problems in the moment and the rese-arch trend of the membrane extraction in the future werealso pointe

3、d out.Key words: Membrane extraction, principles, separation technology , transfer model.1.引言溶液萃取是一已在工业生产中得到普遍应用的平衡级分离过程。在该过程中水溶液或有机溶液中的组分被萃取进入另一个不互溶的有机或水溶液中。传统的萃取方法都需要通过提取基体消除和/或分析物富集的样品预处理。传统上这是通过液 - 液萃取(LLE)，但使用的固相萃取(SPE)筒也很受欢迎。然而，为了适应小体积样品或减少所需的有机溶剂的量，在最近几年的各种小型化液 - 液萃取方法也被提出，如单滴微萃取(SDME)1-4，液相微

4、萃取(LPME)5-9，和分散液液微萃取(DLLME)10-14。基于膜的基础上，利用电场的作为驱动力的提取方法，目前也受到关注。该技术中，通常被称为“电膜萃取'(EME) 15,16。传统萃取技术由于费时、费力、效率低等特点，近年来已不能满足工业发展的需要，因而先后出现了超临界流体萃取，微波萃取，双水相萃取，膜基萃取等新型萃取分离技术。膜基萃取以其独特的优势现实出了良好的发展前景。膜萃取是膜过程与液液萃取过程集合形成的一种新型分离技术，其萃取过程与常规工程中的传质、反萃取过程十分相似，因此又称微孔膜液液萃取，简称膜基萃取或膜萃取17。自1984年Kiani等18利用膜萃取方法在槽式膜

5、萃取器内对二甲苯-HAC-H2O体系进行了实验研究，求取了基于有机相的总传质体系系数，讨论了膜萃取的特点。Kim19则以LiX64-CuSO4-H2O为体系用中空纤维膜器研究了膜萃取的分离效果。结果表明，利用膜萃取的方法可以减少溶剂的夹带损失。1985年Conney等20使用中空纤维膜对含酚废水进行了膜萃取实验尝试。几十年来，我过科技工作者也围绕中空纤维膜萃取器的传质性能、高分子膜浸润性及溶胀等对膜萃取的影响进行大量研究，取得十分有益的进展。2膜萃取的原理及特点膜萃取就是将一微孔膜置于原料液与萃取剂之间，因萃取剂对膜的浸润性而迅速的浸透膜的每个微孔并与膜另一侧原料液相接处形成稳定界面层，由于在

6、两相中存在溶解度差异，微分离溶质透过界面层从原料液移到萃取剂中，膜萃取过程不存在通常过程中液滴的分散和聚合现象。当使用疏水性膜时，有机相将优先浸润膜并进入膜孔，当水相的压力等于或大于有机相的压力时，在膜孔的水相侧形成有机相与水相的固定界面，溶质通过固定相界面从一相传递到另一相，扩散进入接受相主体，完成膜萃取过程;当采用亲水性微孔膜时，水相将优先浸润膜并进入膜孔;若采用一侧亲水，另一侧疏水的复合膜，则亲水疏水复合膜的界面处就是水和有机相的界面21,22。与传统的液-液萃取过程相比，膜萃取过程有以下特点：(1)膜萃取由于没有相的分散和聚结过程，可以减少萃取剂在料液中的夹带损失，有机溶剂用量少，可以

7、使用某些价格稍高的有机溶剂，同时简化了操作手续，节省了庞大的澄清设备。(2)膜萃取时料液相和溶剂相各自在膜两侧流动，并不形成直接的液液两相流动。在选择萃取剂时对其物性要求大大放宽，可使用一些高浓度的高效萃取剂。(3)在膜萃取过程中两相分别在膜两侧作单相流动，使过程免受“返混”的影响和“液泛”条件的限制。(4)膜萃取过程可以较好地发挥化工单元操作中的某些优势，提高过程的传质效率，如实现同级萃取反萃过程，采用萃合物载体促进迁移等。(5)料液相与溶剂相在膜两侧同时存在，可以避免与其相似的支撑液膜内溶剂的流失问题。3.传质模型以双膜理论为基本出发点，可以建立包括膜阻在内的膜萃取传质模型23-26，如图

8、 1 所示。图 1(a)和图 1(b)分别绘出了以疏水膜或亲水膜为固定界面的膜萃取过程的传质模型图。假设膜的微孔被有机相(或水相)完全浸满，把微孔膜视为由一定的弯曲度，等直径的均匀孔道构成，并且忽略微孔端面液膜的曲率对于传质的影响，则膜萃取过程的传质阻力有三部分组成:即有机相边界层阻力，水相边界层阻力和膜阻。因此，膜萃取总的传质系数一般由水相传质系数、膜内传质系数和有机相传质系数三部分组成。此外，对某些萃取过程可还能需要考虑水相和膜相的接触表面存在表面化学反应阻力。 图 1假定溶质在两相间分配平衡关系呈线性关系，那么按照一般传质过程的阻力叠加法可以获得基于水相的总传质系数 Kw和水相分传质系数

9、 kw，膜内分传质系数 km，和总有机相分传质系数 ko关系。对于疏水膜，上述关系可表示为： 1Kw=1kw+1km×m+1k0m其中膜阻一项表示为：1km=mtmD0m而对于亲水膜，上述关系可以表现为：1Kw=1kw+1km+1k0m其中膜阻一项可表示为：1km=mtmDwem式中:Kw水相总传质系数;m微孔膜孔隙率;kw水 相 分 传 质 系 数; m弯 曲 因 子;km膜内分传质系数;tm膜厚;ko有机相分传质系数;m分配系数;Do、Dw溶质在膜内浸润相扩散系数进一步研究可得:当为中空纤维膜器连续逆流萃取实验时，水相进出口浓度为 x0，x1，有机相进出口浓度 y1，y0，水相和

10、有机相流速分别为 Qw，Qo，膜器传质表面积 A，则传质关系如下:N=Kwx-x*=QwtdxAdt变量分离后得到总传质系数：K=QwA11-QwmQ0lnx0-x0*x1-x1*依据上述数学模型和关系式可以求取基于水相或有机相的总传质系数，讨论膜萃取过程的特性。一般单元操作过程中，传质单元高度 HTU 值是用于衡量柱式设备传质效率的表观参数，同样可以求出膜萃取器的 HTU 值:HTU=QwKwas尽管膜萃取与通常的萃取过程相比，两相流动一般呈滞流状态，且增加了膜阻，使总传质系数变小。但中空纤维膜器可以提供很大的传质表面积，使总体积传质系数的量级可观。在相应的处理量条件下，中空纤维膜器的 HT

11、U 值一般小于通常的萃取塔(如填料塔)相应值。4膜萃取的应用膜萃取作为一种富集、分离手段，在金属离子萃取、有机物萃取等方面取得很大的进展，是一种高效、无二次污染的分离技术。Ksenija R. Kumric,等27开发出一种新的，简单的，高效的萃取Lu()液膜萃取技术，使用一个含有含有5（V/V）的二(2-乙基己基)磷酸(DEHPA)在二-正-己基醚（DHE）萃取剂的固定有机相聚丙烯中空纤维膜进行萃取，并同时反萃取。研究从含水进料溶液到同时在酸性溶液中反萃取，基于在U型管中呈现闭环的循环水相接触，从而增加了Lu()的萃取与反萃取技术。Luis A. 等28研究从以Cyanex 921为萃取剂从

12、铜()的HCl或H2SO4混合溶液中分离铋()和锑，为了寻找一个重要的安全系统，以避免污染问题，他们采用了以液膜辅助液液萃取去除金属离子，大幅度的降低了所用有机相的体积，结果显示，采用液膜系统可是萃取与反萃取过程同时进行。在固定的资金成本范围内可使用高选择性和昂贵的萃取剂来进行萃取，且最后成果也表明，液膜系统(SLM)具有高稳定行。Lars erik 等29用海藻酸钠泡沫采样，与脱乙酰壳多糖泡沫体溶于100M的HCL中。3分钟后溶解，用电膜萃取技术进行清除与富集，提取出干血斑。干血斑待测物被收集与甲酸溶液中，进行液相色谱-质谱分析(LC-MC)。5存在问题及研究方向膜萃取过程仍有一定的缺点:一

13、是由于引入了膜，增加了新的传质阻力。二是膜寿命有限且易污染，增加了更换成本。三是在膜器应用过程中，容易形成管间沟流，降低萃取器效率。因此，如何采取措施使膜接触器的阻力最小化，选择化学稳定性较好的膜材料增加它的使用寿命，减少膜的污染已成为国内外研究者的研究热点。今后的研究方向集中起来可归纳为以下几个方面。(1)膜组件结构的设计和操作条件优化。工业生产中，膜器的设计要根据具体应用场合和现有传质机理进行设计，建立数学模型开展传质速率的基础研究，同时优化膜器间的搭配以及膜器内部液体流动线路的工艺条件。(2)膜萃取的关键是膜材料的开发和传质的强化。膜材料的浸润性能和稳定性及其对传质速率的影响是当前研究的

14、热点。通过研究膜结构、物理化学性质、有针对性的合成新型膜材料和对膜材料进行改性。针对膜材料的稳定性，戴猷元等曾对这一问题进行了探讨，认为膜材料在有机溶剂中的溶涨问题不可忽视，研制成功的改性金属膜材料性能稳定，用于膜萃取中不出现膜孔溶涨现象，有望解决目前膜萃取工艺中由于中空纤维不耐有机溶剂浸泡而难于工业化的问题。(3)膜萃取过程的应用研究。根据膜萃取特点扩大应用体系，并研究与其他技术的耦合过程，同时重点开展同级萃取反萃取膜组件的开发和应用。参考文献1. Kihwan Choi, Su Ju Kim, Yoo Gon Jin,Yong Oh Jang,Jin-Soo Kim, and Doo So

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