乳状液膜分离技术及其发展

乳状液膜分离技术及其发展化111-4班高松201169501420化111-4班王全龙201169501419化111-4班孙雪艳201169501441化111-4班张运彬201169501417

要:膜分离技术是20要:膜分离技术是20世纪60年代后迅速崛起的一种分离技术，在工业中有着广泛的应用。本文介绍了乳状液膜分离技术的工作原理、特点。分析了目前存在的问题，并展望了乳状液膜分离技术的发展趋势。关键词：乳状液膜、特点、应用、趋势膜分离是以选择性透过膜为分离介质，当膜两侧存在推动力时，原料的组分可透过选择膜而对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离过程。目前已深入研究发展的技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透汽化和气体分离等，乳状液膜分离作为液膜分离的一种形式将互溶的二相中的一相所含的目的物质组分，通过液膜富集到另一相中，通过选择性渗透现象实现其中一种或一类目的物质的分离操作技术，因其操作简单、分离快速、选择性好、经济节能、用途多广等优点，近年来受到国内外学者广泛关注。目前，该分离技术已广泛地应用于湿法冶金、环境保护、医药、化工、废水处理等领域。一、 传统的膜分离技术简述以压差为推动力的微滤、超滤、纳滤、反渗透技术。微滤是在压力差作用下进行的筛孔分离，使不溶物浓缩的过程，膜孔径在0.05〜10“m。范围内。操作压差约为0.01〜0.2MPa,主要用于悬浮物的分离和除菌。超滤的膜孔径在10〜100nm范围内，操作压差为0.11MPa，主要用于大分子物质分离、纯化和浓缩。反渗透仍是压力驱动但是以根据溶液的吸附扩散为原理的摸过程，膜孔径为0.1〜1nm，操作压差为1〜10MPa，主要用于小分子物质浓缩。纳滤根据吸附扩散原理以压力差为推动力的膜分离过程它兼有反渗透和超滤的工作原理。孔径1〜10nm，操作压差0.5〜5MPa主要用于小分子物质分离。电渗析：在直流电场的作用下，溶液中带电离子选择性的透过离子交换膜的过程，应用于离子和大分子分离。渗透汽化又称透蒸发是具有相变的膜渗透过程，利用溶液的吸附扩散原理，以膜两侧的蒸汽压差为推动力，主要用于有机溶剂脱水，有机混合物的分离。气体膜分离，根据混合原料气中各组分在压力的推动下，通过膜的相对传递速率不同而实现分离。已用于富氧、富氮，有机蒸汽的净化与回收等领域。二、 乳状液膜的分离过程乳状液膜分离技术是一种新兴的节能型分离手段，它通过两液相间形成的界面液相膜，将两种组成不同但又互相混溶的溶液隔开,经选择性渗透，将物质分离提纯。由于乳状液膜分离技术综合了固体膜分离法和溶剂萃取法的特点,在膜结构上有所突破,膜厚度薄，比表面积大，因而具有选择性高和通量大的特性，近年来已广泛应用于化工、生化、医药、环保、有色冶金、核技术、食品、轻工、动力、机械等行业。1乳状液膜的组成乳状液膜是将含有表面活性剂和膜溶剂的油相和水相（内水相）置于容器中，在高速搅拌下制成油包水型乳状液，再将此乳状液分散到另一种水溶液（第3相）中，就得到了水包油再油包水型（W/O/W）乳状液膜。乳状液膜体系包括膜相（液膜）、回收相（内相）和连续相（外相）3个部分。当乳状液分散到第3相时，形成许多直径为0.05〜0.20cm的乳珠。在乳珠与第3相间有巨大的接触面积，同时每个乳珠内部又包含无数个直径非常小的内水相微滴,分隔水相的有机液膜最薄可以达到1〜10Lm。这样具有巨大的接触面积和很薄的液膜，决定了分散体系有很快的传质速度，具有高效快速的优点。另外，由于内水相的作用，它的分离富集作用不受平衡的影响打破了萃取过程的平衡，而且把萃取和反萃取合二为一，因此在分离富集那些含量比较低的物质时，更是具有萃取分离所无法比拟的优越性。通常内相和连续相是互溶的，膜相则以膜溶剂为基本成分。为了维持乳状液一定的稳定性及选择性,往往在膜相中加入表面活性剂和添加剂。根据膜相中是否含有载体，乳状液膜可分为非流动载体液膜和流动载体液膜。2乳状液膜的传质机理2.1非流动载体的乳状液膜传质机理当液膜中不含有流动载体时，其分离的选择性主要取决于溶质在液膜中的溶解度。溶解度相差大，才能产生选择性，也就是说混合物中的一种溶质的渗透速度要高。使用非流动载体液膜进行分离时，当膜两侧被迁移的溶质浓度相等时，输入便自行停止，故不能产生浓缩效应。为了实现高效分离，可采取在回收相内发生化学反应的办法来促进迁移，它的机理是通过在乳状液形成液膜的内相中引起一个选择性不可逆反应，使特定的迁移溶质或离子与内相中的另一部分相互作用，变成一种不能逆扩散穿过膜的新产物，从而使封闭相中的渗透物的浓度实质上为零，保持渗透物在液膜两侧有最大的浓度梯度，促进输送，这也叫I型促进迁移。I型促进传递实际上是纯粹的分子扩散，溶质在两相间的分配系数、扩散系数及浓度梯度是影响其传递的主要因数。由于液膜中无其他载体时，大部分溶质在溶液中的扩散系数大致相等，这样溶质在液膜与邻近溶液间的分配系数的变化就决定了膜的选择性。2.2含流动载体的乳状液膜分离机理使用含流动载体的液膜，其选择性分离主要取决于所添加的流动载体，所以提高液膜的选择性的关键在于找到合适的流动载体。如果能够物色一种载体单一地同混合物的一种溶质或离子发生反应，那么就可以直接提取某一元素或化合物，这类载体可以是萃取剂、络合剂、液体离子交换剂等。流动载体除了能提高选择性之外，还能增大溶质通量，它质上是流动载体在膜内外2个界面之间来回穿梭地传递被迁移的物质。通过流动载体和被迁移物质之间选择性可逆反应，极大地提高了渗透溶质在液膜中的有效溶解度，增大了膜内浓度梯度，提高了输送效果。这种机理叫载体中介输送，又叫做II型促进迁移。3分离过程的影响因素乳状液膜是一个高分散体系，具有很大的传质比表面积，待分离物质由连续相经膜相向内相传递，是依靠组分透过膜时的速率差别来实现组分的分离，分离过程可分为制乳、分离、沉降、破乳4步。在传质结束后，乳状液通常采用高压电场、温度变化（周期性加热和冷却）、离心等方法破乳使膜相可以反复使用，内包相经进一步处理后回收溶质。4乳状液膜的优缺点乳状液膜分离技术具有快速高效、选择性强、富集比大、流程短、成本低等优点。膜面积非常大，一般为1000〜3000m2/m3（液体体积），因此透过率十分高。在溶剂萃取中，由于油水两相基本上已达到平衡状态，因而采取逆流操作的方法，且分离各级必须设置沉降器。相反，对乳状液膜法来说，因内水相的反萃取剂捕集透过物的容量比较大，可采取顺流操作方法，各萃取槽不必设沉降器乳状液膜分离技术的缺点是，要使W/O乳化液分成有机膜相和内水相，需设置乳化器与破乳器，分离过程相当复杂。若想使原液相接近活塞流（pistonflow）状态，必须进行多级化分离。5乳状液膜分离技术的应用5.1在废水处理中的应用废水中含有大量的无机阴、阳离子和种类繁多的有机物，特别是有些有毒物对水质影响极大，废水的处理实质上也是一类从稀溶液中回收特定溶质的问题，乳状液膜分离技术在废水处理中得到了广泛应用，并取得了良好效果。用乳状液膜法除去物质的方法大多是形成W/O/W型乳状液膜进行分离，将废水与膜内相含有特定试剂微小液滴的液膜接触，液膜是由碳氢化合物溶剂、表面活性剂和某些添加剂组成的。常用的表面活性剂有Span、Tween、聚乙烯醇、聚胺等。若使用含载体的乳状液膜，流动载体通常有中性流动载体（如冠醚、胺类）和带电流动载体（如念珠菌素配合物、季烷基铵离子和胆烷酸配合物）。膜溶剂一般是膜相液的主体，占总量的90%以上，常用的有机溶剂如煤油、烷烃、二甲苯、辛醇、四氯化碳。5.2在医学、生物工程中的应用近年来成功实现了乳状液膜对氨基酸的分离和对活性酶（如尿毒酶、胰蛋白酶）的包封。将碳氟化合物包封的氧进行血液供氧用于心脏或心血管，可克服常规供氧装置易引起的血液和红细胞的损失。在仿生学方面，利用乳状液膜反应机理成功制成了人工肺、人工肝、人工肾等。在生物工程领域利用乳状液膜从发酵液中提取麦白酶素、苯丙氨酸、青霉素、柠檬酸的研究也十分活跃。5.3液压油破乳除水再生技术将廉价破乳除水剂加入乳化含水液压油中，经搅拌静置，上层油液分离后得合格再生液压油。其处理成本低廉，设备简单，能源消耗低，劳动强度低，该工艺还可用于废机油、废润滑油等的再生。5.4其他方面的应用在开发新能源方面，可用乳状液膜分离天然气中的氢气；在发酵工业中，液膜包封酵母菌可避免升温过高而致死，从而使发酵作用能够在适当的温度下长效进行；在农业生产中，用乳状液膜包裹化肥进行喷撒，可以进行缓慢渗透释放，使化肥充分产生肥效；在扩大水源方面，可用乳状液膜分离技术对海水、苦咸水脱盐淡化制取工业用水和生活用水，现已实现工业化。6存在问题和研究方向乳状液膜分离技术自20世纪60年代出现以来，虽在理论和实际应用研究上取得了重大进展，但在工业化产中还存在诸多亟待解决的问题，需要更深入地研究：6.1乳状液膜的不稳定性和膜寿命的问题直接影响到分离效果，乳状液膜的稳定性是提高液膜技术分离效率的关键因素，因为，如果液膜不稳定在分离的过程中可能会出现内水相和外水相相互渗透、泄露，乳状液液滴发生破裂等一些液膜不稳定情况，造成了液膜体系的溶解损失、分离效率降低、引发环境污染等。为此应重点从界面流变学的角度加强乳状液膜研究，从中寻求解决办法，同时开发、研制新的有机油型和无机水型的液膜体系。6.2筛选满足工艺要求的表面活性剂、膜溶剂、流动载体和解吸剂等，以拓宽乳状液膜的应用范围和领域，这需要进行大量的重复试验。在选取流动载体，表面活性剂等制乳原材料时，要考虑其专一性，能够做到一种液膜只能富集某种特定的重金属离子。6.3进一步加强满足溶解性、络合性、选择性、水溶性或油溶性等的流动载体的筛选和合成高效、低成本的新型流动载体的研究。6.4乳状液膜分离技术应用于工业生产，需进一步加强工艺条件、设备(如制乳器、分离塔、破乳装置等)的开发研究。其中，破乳的成功与否直接关系到乳状液能否被重新利用，液膜的反复利用时乳状液膜的最大特点，为了能够反复使用液膜，必须将已形成的并且经过分离操作的乳液破掉〃在此基础上应着重对乳状液膜的基本理论进行研究，其中主要包括:分离过程的传输过程、分离过程动力学研究、分离过程传质数学模型、乳状液膜稳定性研究以及破乳和设备的研究6.5探索液膜法与其他分离技术的有机结合，特别是要深入研究与表面化学、有机合成、化学工程等学科领域的结合。参考文献：陈伟，夏良树，胡思思；乳状液膜技术分离回收金属离子的研究进展［J］，化学工程；2013(03)10-15孙玉柱；乳状液