第十二章新型膜.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,*,*,*,第十二章 新型膜分离技术,膜萃取、膜蒸馏、膜吸收是膜分离过程与传统分,离过程交叉组合的新型膜分离技术。,一、膜萃取,又称为固定膜界面萃取，它是膜过程和液,-,液萃,取过程相结合的新型分离技术。传质过程在分隔料,液相和溶剂相的微孔膜的表面进行。,1.,膜的亲水性对萃取过程的影响,疏水微孔平板膜,在有机相与水相间置以,疏水性微孔膜，有机相将,优先浸润膜，并进入膜孔。,当水相的压力等于或略大,于有机相的压力时，在膜,孔的水相侧形成有机相与,水相的界面。该相界面是,固定的，溶质通过这一固,定的相界面从一相传递到,另一相，然后扩散进入接,收相的主体，完成膜萃取,过程。,1.,膜的亲水性对萃取过程的影响,亲水微孔平板膜,当采用亲水,性微孔膜时，,则水相将优先,浸润膜，并进,入膜孔；,2.,膜萃取的特点,（,1,）萃取剂损失小,传统的萃取过程为了有利于传质的进行，要尽可,能增加传质比表面积，通常使一相以液滴的形式分,散于另一相中，尔后再重新聚结分相。而膜萃取没,有传统萃取过程中的相分散和凝聚过程，这样可以,减少萃取剂在料液相中的夹带损失。,（,2,）萃取剂物性要求低,在膜萃取过程中，料液相和溶剂相分别在膜两侧,流动，可以放宽对萃取剂物性的要求。便于选用高,浓度、高效萃取剂。,（,3,）避免了传统萃取的反混、,传统的萃取过程一般采用连续相与分散相液滴群的逆,向流动，轴向混合严重；另外，萃取设备的生产能力也,将受到液泛总流速的限制。在膜萃取过程中，料液相和,溶剂相分别在膜两侧流动，使过程免受“反混”的影响和,“液泛”条件的限制。,（,4,）可以实现同级萃取和反萃取,膜萃取可以实现同级萃取和反萃取过程，尤其是中空,纤维膜器的优势更加突出。,3.,临界突破压差,p,cr,膜萃取操作时必须保持水相和有机相之间有适当的压差。,对疏水性微孔膜来说，膜孔中充满了有机相，为了进行膜,萃取，水相压力应稍大于有机相压力，但当水相压力过大,时，膜孔中的有机相将被水相代替，产生这一现象的压差,称为临界突破压差。操作时的压差要小于临界突破压差。,当膜萃取采用亲水性微孔膜时，进入膜孔的是水相。当有,机相的压力稍高于水相时，在膜孔的有机相侧形成水相,-,有机相界面，两相间的压差也不能超过临界突破压差。,p,cr,与膜性质、选用体系等相关。,临界突破压差一般与水,-,有机相间界面张力,、,膜微孔半径,r,p,、孔壁与液,-,液界面切线所形成的,相接触角,c,有微孔为平行的均匀圆柱直接关系。,如果假设膜形孔道，则微孔膜的临界突破压差,可以表示为,p,cr,=,2,cos,c,r,p,4.,膜萃取的应用,A.,金属萃取,膜萃取在分离金、铜、锌、铁、汞、铬、镍等离子方面都,有应用研究。如在,ZnSO,4,/,双,-,2,-,乙基己基磷酸盐,/,异十二烷体系,中分离,Zn,2+,，可以使,Zn,2+,浓度由,100mg/L,降至,2mg/L,。从盐酸,溶液中萃取,Au,3+,时，即便有,Cu,2+,存在，,Au,3+,的萃取率仍然很高。,B.,有机物萃取,以甲基异丁基甲酮,-,醋酸正丁酯为萃取溶剂，萃取含酚水溶,液中的苯酚；以,N-,甲基吡咯烷酮为萃取溶剂，萃取甲苯,-,正己,烷混合物中的甲苯。以苯或甲苯为萃取溶剂，萃取氨水溶液中,的,4-,甲基噻唑、,4-,氰基噻唑等。,C.,发酵产物萃取,发酵法生产化工原料时，产物有时会抑制发酵作用。如丁酮,可以通过葡萄糖的厌氧发酵制得，但丁酮又会抑制微生物的发,酵反应用膜萃取将其不断从料液中移出，会提高过程收率。,二、膜蒸馏,膜蒸馏是采用疏水性微孔膜，以膜两侧蒸汽压力差为传,质推动力的膜分离方法。,操作膜蒸馏时，膜两侧的温度不同，一侧称为暖侧，另,一侧称为冷侧。在暖侧，膜与热的待处理水溶液直接接,触，水溶液中的水在膜表面汽化，水蒸气通过膜孔传递到,膜的冷侧，被冷却成水。,1967,年,Findley,就提出了膜蒸馏的概念，但直到上世纪,80,年代随着聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等疏水性微,孔膜的开发，膜蒸馏的理论和应用研究才有了较大进展。,1.,膜蒸馏过,程及分类,根据冷侧水蒸气的冷凝或排除方法分为以下几类。,A.,直接接触式,热溶液和冷却水分别与膜的两侧表面直接接触，传递到,冷侧的水蒸气被直接冷凝到冷却水中。这种方式适用于平,板膜或中空纤维膜，膜器结构简单，水通量大。,B.,空气间隙式,也称间接,式。,冷侧的冷却水介质与膜之间有一个冷却板，膜与冷却板,之间存在空气间隙，通过膜孔和间隙后的水蒸气在冷却板,上冷凝。这种方式可以直接得到冷凝的纯水，对冷却水的,纯度要求低，适用于平板膜。,C.,减压式,也称真空,式。,在膜的冷侧采用抽真空的方式，增大膜两侧的水蒸气压,力差，从而得到较高的蒸馏通量，透过的水蒸气在膜器外,冷凝。,D.,气流吹扫式,冷侧通入干空气进行吹扫，把透过的水蒸气带出膜器外,冷凝。,2.,膜蒸馏,的特点,A,膜蒸馏过程虽然也有相变，但在较低温度、非沸腾状,态下进行。因此操作条件温和，在常压和接近室温下便可,有足够的推动力，实现水的传递。可以有效地利用一些低,值废热、地热、太阳能作为热源。,B,在膜蒸馏操作过程中，仅有水蒸气通过膜孔到达冷,侧，因此在冷侧可以得到纯水，同时实现热侧溶液的浓缩。,3.,膜蒸馏的应用,海水和苦咸水淡化,与反渗透相比不需要高压和复杂设备，并能处理盐分较高的水溶液。可利,用太阳能等廉价能源，膜蒸馏脱盐制饮用水有较好应用前景。,超纯水的制备,在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏中，只有水蒸气能透过膜孔进入冷侧,这样可望得到超纯水。南通合成材料厂曾以反渗透水或离子交换水为原,水，经过膜蒸馏处理后，得到超纯水浓缩和回收,膜蒸馏可以处理极高浓度水溶液。如处理人参露和洗参水，使其中所含的,微量元素、氨基酸和人参皂甙得到有效浓缩；浓缩蝮蛇抗栓酶、浓缩古龙,酸水溶液、浓缩牛血清蛋白都得较好的结果。,挥发性溶质水溶液的分离,利用水和溶质挥发性的差别改变原料液组成。已从水溶液只分离出挥发性,的丙酮、乙醇、乙酸乙酯、异丙醇、甲基叔丁基醚和苯等。,三、膜吸收,1.,膜吸收过程及分类,将膜和传统吸收,/,解吸相结合的新型膜过程。膜吸收过程是,使用微孔膜将气、液相分隔开来，利用膜孔提供 气、液相间,实现传质的场所。,根据膜材料的亲水性和吸收剂的不同，膜吸收形式有：,A.,气体充满膜孔,使用疏水性微孔膜时，膜孔将被气体所充满，气相中的组,分将以扩散的形式通过膜孔到达液相表面并被液体吸收。解,吸时，组分在液体表面解吸后，同样以扩散方式通过膜孔到,达气相。两相压差的选择应使气体不在液体中鼓 泡，也不能,把液相压人膜孔，更不能把液相压过膜孔而流向气相。,B.,收剂充满膜孔,使用亲水性微孔膜且吸收剂为水溶液时膜孔将被吸收剂充,满；使用疏水性微孔膜且吸收剂为有机物溶液时膜孔亦会被,吸收剂所充满；这时气相的压力要控制得高于液相压力，以,保证膜表面气、液两相界面的形成，防止吸收剂穿过膜而流,向气相。,C.,同时解吸,-,吸收的气态膜过程,使用疏水性微孔膜将两种水溶液,(,比如氨水和稀酸液,),隔开,，一种水溶液中的挥发性溶质,(,比如,NH,3,),解吸进入膜孔，然,后扩散传递到膜孔的另一侧并被另一水溶液,(,比如稀酸液,),吸收。这便是解吸,-,吸收同时进行的气态膜过程。,2.,膜吸收的特点,A,膜吸收过程，微孔膜只提供了传质场所，并不参与,组分的分离作用，因此膜吸收的本质仍是传统意义上的,平衡分离过程。,B.,由于气、,液两相互不分散于另一相，两相的流动互,不干扰，流量范围各自可以在很宽的范围内变动。,3.,膜吸收的应用,A.,生物医学领域,血液供氧是膜吸收过程在生物医学领域最早的应用。在疏水,的聚四氟乙烯微孔膜的一侧通血液，另一侧通压力稍低于血液,侧的氧气或空气，在浓度差的推动下，氧被吸收进入血液中，,血液中的,CO,2,则解吸进入气,体侧。,B.,生物发酵领域,在有氧发酵中，利用膜吸收过程不断向体系补充,O,2,，同时,排除发酵中产生的,CO,2,；在厌氧发酵中，不断向体系补充,N,2,，,同时排除,O,2,和,H,2,。,C.,环保领域,用酸液或碱液吸收惰性气体中的碱性或酸性气体；采用聚,偏氟乙烯微孔膜和,2%,的,NaOH,溶液，可以脱除废液中的酚。,