生化工程下游技术第10章液膜分离.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十章 液膜分离,一、概述,液膜分离是一种新发展的膜分离技术，是新兴的节能型分离手段。液态膜通常是3-5,m的液滴组成的膜。在液膜分离过程中,组分主要是,依靠在互不相溶的两相间的选择性渗透、化学反应、萃取和吸附等机理而进行分离,。这时欲分离组分从膜外相透过液膜进入内相而富集起来。,整体液膜,支持液膜（,浸渍型）,乳化,液膜（,乳化型）,液膜类型,液膜分离发展过程,液膜的早期报道则可追溯到上世纪初生物学家们所从事的工作,在上世纪,30,年代,Osterbout,用一种弱有机酸作载体,发现了钠与钾透过含有该载体的“油性桥”的现象,.,根据溶质与“流动载体”之间的可逆化学反应,提出了促进传递概念,.,人造液膜是,Martin,研究反渗透脱盐时发现，在盐水中加百万分之几的聚乙烯甲醚，就在醋酸纤维膜与盐液之间形成液膜。,上世纪,60,年代中期,Bloch,等采用支撑液膜研究了金属提取过程,黎念之发明乳化液膜，推演出了促进传递膜的新概念,并导致了后来各种新型液膜的发明,上世纪,70,年代,Cussler,EL,又研制成功含流动载体的液膜，将该技术推向深入。,液膜的应用,湿法冶金,废水处理,核化工,气体分离,有机物分离,生物制品分离与生物医学分离,化学传感器与离子选择性电极,液膜的特点,液膜过程和萃取类似但它的萃取与反萃取分别发生在膜的两侧界面,溶质从料液相萃入膜相,并扩散到膜相另一侧,再被反萃入接收相,由此实现萃取与反萃取的“内耦合”。液膜打破了溶剂萃取所固有的化学平衡,液膜过程是一种非平衡传质过程。,液膜相对固体膜优点,传质速率高,：溶质在液体中的分子扩散系数(10,-6,-10,-5,cm,2,/s),比在固体中(10,-8,cm,2,/s),高几个数量级,选择性好,：固体膜往往只能对一类离子或分子的分离具有选择性,某一类离子或分子的分离具有选择性,而对某种特定离子或分子的分离,则性能较差.,液膜分离难点,高渗透性、高选择性与高稳定性是膜分离过程所应具备的基本性能,但是,迄今所开发的大多数液膜过程,很难同时具备这三种性能,这就限制了它们的工业应用.,二、液膜类型,1.浸渍型,：,以多孔高分子膜作为支架,使液体膜溶液(有机溶剂)浸渍在其孔穴部位,并在内外相均接触水溶液。,W W,内相 外相,O,膜支架,支持液膜,乳化,液膜,液膜组成,膜溶剂,：有机溶剂或水,构成膜的基体,面活性剂,：控制液膜的稳定性,添加剂/流动载体,：提高膜的选择性,实现分离传质的关键因素,表面活性剂,乳化型液膜的主要成分之一,它可以控制液膜的稳定性。根据不同体系的要求,可以选择适当的表面活性剂作成油膜或水膜。,流动载体,流动载体的条件：,载体及其溶质形成的配合物必须溶于膜相,而不溶于膜的内外相,且不产生沉淀。,载体与欲分离的溶质形成的配合物要有适当的稳定性,在膜的外侧生成的配合物能在膜中扩散,而到膜的内侧要能解络。,载体不应与膜相的表面活性剂反应,以免降低膜的稳定性。,三、液膜分离原理及应用,1.无载体液膜的分离机理,(a)选择性渗透,液膜,料液,(b)滴内化学反应,R,C,液膜,料液,C+,R,P,R1,液膜,料液,(c)膜中化学反应,C+R1,P1,(d)萃取和吸附,液膜,料液,液膜,料液,无载体液膜的分离机理,选择性渗透：,分离物在液膜中的溶解度差异,化学反应：,为提高富集的效果,可使待富集成分在内水相发生化学反应以降低其浓度,促使迁移不断进行。,萃取和吸附,2.有载体液膜的分离机理,“载体输送”,A,A A,A,+,X,AX,+,X,AX,载体,膜内,膜外,有载体液膜分离是靠加入的流动载体进行分离的。加入的流动载体与特定溶质或离子所生成的配合物必须溶于膜相,而不溶于邻接的两个溶液相。此载体在膜的一侧强烈地与特定离子配位,因而可以传递它。但在膜的另一侧只能很微弱地和特定溶质配位,因而可以释放它。这样,流动载体在膜内外两个界面之间来回地传递被迁移物质。,反向迁移 同相迁移,反向迁移,当液膜中含有离子型载体时的溶质迁移过程。由于液膜两侧要求电中型,在某一方向一种阳离子移动穿过膜,必须由相反方向的另一种阳离子迁移来平衡,所以待分离组分与供能溶质的迁移方向相反。这种迁移称为反向迁移。,外水相,膜相,内相,(20%H,2,SO,4,),Cu,2+,2R,-,CuR,2,2H,+,2H,+,Cu,2+,Cu,2+,+,2RH 2R,-,2H,+,+,Cu,2+,2H,+,以肟类试剂(液态离子交换剂)为载体，从废水中分离富集Cu,2,为例说明这种迁移机理,见上图。,萃取：,2RH,org.,Cu,2,=R,2,Cu,org.,2H,解脱：,2H,R,2,Cu,org.,=Cu,2,2RH,org,由于膜相存在络合剂，Cu,2,可选择透过液膜。“无络合Cu,2,不能反相迁移”,同样,选择合适的液态离子交换剂和内相试剂也可分离阴离子,包括金属络阴离子。如除去废水中的PO,4,可用液膜-油溶性胺或季胺盐来清除。,同相迁移,液膜中含有非离子型载体时,它所载带的溶质是中性盐。例如用冠醚化合物作载体,它与阳离子选择性配位的同时,又于阴离子结合形成离子对而一起迁移。这种迁移称为同相迁移。,外水相,膜相,内相,K,+,Cl,-,Li,+,Cl,-,冠醚,低浓度K,+,高浓度Cl,-,高浓度K,+,低浓度Cl,-,K,+,Cl,-,正如上面介绍液膜分离原理所述,“流动载体”大大提高膜的传质效率与选择性，液膜分离正朝着模拟生物膜的方向发展。,生物膜分离,具有高选择性,如海带富集碘,海带中碘的浓度比海水中碘的浓度高1000倍以上。模拟生物膜的分离是值得注意的一个新技术。如能开发类似海带生物膜分离体系,选择性地让碘离子通过膜,那么用ISE测海水或加碘盐中的含碘量将变得非常简便,。,新的液膜体系,流动液膜(包容液膜),R：接受相 F：料液 M：液膜,优点：减少膜液从微孔中流失。,缺点：这类构型液膜的传质通量甚小,。,液体薄膜渗透萃取,：料液：接受相：膜相,优点：传质通量较高，可以长期稳定地实现连续操作。,内耦合萃反交替分离过程,(a)萃取侧示意图,(b)俯视示意图,优点：传质单元设备结构最简单、价格最低廉，且避免了乳化液膜技术的制乳与破乳工序。,