液膜分离及促进传递幻灯片.ppt

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1、液膜分离及促进传递液膜分离及促进传递第1页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/41第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.1 引言引言 液膜分离(Liquid membrane separation)，又称液膜萃取法(Liquid membrane extraction),是一种以液膜为分离介质、以浓度差为推动力的依靠在互不相溶的两相间的选择性渗透、化学反应、萃取和吸附等机理使欲分离组分从膜外相透过液膜进入内相而富集进行分离的一种膜分离操作。液膜：是悬浮在液体中很薄的一层乳液微粒。第2页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/42第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤外相内相

2、膜相料液萃取剂反萃剂7.1 引言引言第3页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/43第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤液膜萃取与反萃同时进行自相耦合分离原理组分在膜内的溶解扩散组分与载体间络合反应选择性液膜过程是一种非平衡传质过程。7.1 引言引言第4页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/44第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤固态膜和液态膜代表性膜特征膜类型扩散系数/(cm2/s)分离因子膜厚/cm玻璃态聚合物橡胶态聚合物具有促进传递的液膜10-810-610-54.01.35.010-510-4 10-37.1 引言引言第5页，共53页，编辑于2022年，星期日20

3、22/10/45第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤气体吸收溶剂萃取离子交换石化井喷 废水净化并回收 取出载人飞船座舱中的CO2应用7.1 引言引言第6页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/46第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 传质推动力大,所需分离级数少。相对传统萃取的优点 试剂消耗量少。“上坡”效应。7.1 引言引言第7页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/47第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.1 引言引言传质速率高选择性好相对固膜的优点z高渗透性难点z高选择性z高稳定性第8页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/48第2章 反渗透、纳滤、超滤与

4、微滤7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程7.2.1 液膜的组成液膜溶剂(膜溶剂)水或有机溶剂表面活性剂乳化剂添加剂载体，增强添加剂膜的基体含亲水基与疏水基可定向排列以固定油水界面膜的内相试剂与液膜不互溶。膜的内相与外相互溶。15%15%90%第9页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/49第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤膜溶剂构成膜的基体，其含量90%。考虑液膜稳定性对溶质溶解度 无载体液膜，膜溶剂能优先溶解欲分离组分,对其它组分溶质的溶解度很小。有载体液膜，膜溶剂要能溶解载体，不溶解溶质。7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第10页，共5

5、3页，编辑于2022年，星期日2022/10/410第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤表面活性剂的分类及性质亲水基团的结构 离子性表面活性剂非离子性在水中分离 阳离子表面活性剂阴离子表面活性剂两性表面活性剂在水中不电离，呈电中性 7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第11页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/411第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤表面活性剂组成非极性基团极性基疏水亲油碳氢链亲水疏油分子两端不对称的分子结构两亲性7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第12页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/412第2章 反渗透

6、、纳滤、超滤与微滤HLB（Hydrophile-lipophile Balance）亲水亲油平衡聚乙二醇型和多元醇型非离子表面活性剂 石蜡 HLB=0 聚乙二醇 HLB=20 7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第13页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/413第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤油膜 HLB=35水膜 HLB=810制成的液膜具有一定的稳定性。能与多种载体配合使用。易破乳，膜相可反复使用。无毒或低毒，保存期长。影响液膜稳定性组分透过膜的扩散速率7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第14页，共53页，编辑于2022年，星期日2

7、022/10/414第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤流动载体离子型 非离子型 正电性载体 负电性载体 作用：快速、高效、选择性地传输指定物质 羧酸、三辛胺、肟类化合物及环烷酸膜增强添加剂提高膜的稳定性 7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第15页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/415第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.2.2 液膜的分类静电式准液膜支撑液膜乳化液膜形状传质机理无载体输送液膜有载体输送液膜7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第16页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/416第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤

8、 支撑液膜（Supported Liquid Membrane）：亦称固定液膜，是由溶解了载体的液膜相含浸在惰性多孔固膜的微孔中所形成，多孔的固膜仅是液膜的支撑体或骨架，本身不起分离作用，分离作用由固定在固膜中的液膜来完成。（1）支撑液膜7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第17页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/417第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤将多孔高分子固体膜浸在膜溶剂中，使膜溶剂充满膜的孔隙形成液膜。l支撑液膜分隔料液相和反萃相，实现渗透溶质的选择性萃取回收或除去。l当液膜为油相时，常用的多孔膜有聚四氟乙烯、聚乙烯和聚丙烯等。7.2 液膜制备及

9、其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第18页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/418第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤支撑体材质 膜厚度 微孔直径的大小 疏水性多孔膜 膜厚为2550 m 微孔直径为0.021 m 7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第19页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/419第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤l也是一种支撑液膜。l液膜相可循环流动。l液膜相的强制流动或降低流路的厚度可降低液膜相的传质阻力。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。流动液膜 7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其

10、分离操作过程第20页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/420第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 乳化型液膜是液滴直径小到呈乳化状的液膜。（2）乳化液膜 乳化液膜又称表面活性剂液膜(surfactant liquid membrane)。膜溶剂（90%）表面活性剂（1-5%）稳定液膜添加剂（1-5%）(W/O)/W型乳状液膜乳化液膜的膜溶液组成7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第21页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/421第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤乳液滴乳化型0.1-5mm支撑液膜型乳化型液膜0.52 mm乳化试剂滴10-4 10-

11、2 cm膜有效厚度110 m7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第22页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/422第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤乳化液膜的分类成膜液体油包水型(W/O)水包油型(O/W)油包水型，又称油膜，内相和外相为是水溶液，膜为油质，整个体系称W/O/W。水包油型，又称水膜，内相和外相为是油相，膜为水质，整个体系称O/W/O。7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第23页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/423第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 优点：避免了乳化液膜所必需的表面活性剂的引入，提取过程简化

12、。缺点：电极绝缘层必须具有耐压、憎水与耐油等特性。耐久性仍待进一步解决。（3）静电式准液膜7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程第24页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/424第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操作过程（4）无载体输送液膜 利用溶质和溶剂在膜内溶解及扩散速率之差进行分离的液膜。物理、化学性质相似的碳水化合物。水溶液中分离无机盐废水中去除酸性及碱性化合物第25页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/425第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.2 液膜制备及其分离操作过程液膜制备及其分离操

13、作过程（5）有载体输送液膜在液膜中引入载体 载体与被分离液溶质间的可逆化学反应与扩散过程相耦合。提高选择性和渗透性第26页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/426第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.3 促进传递及载体促进传递及载体7.3.1 促进传递原理 促进传递促进传递利用膜中的载体与待分离组分间的可逆络合反应，来促进膜内传质分离过程。高选择性提高传质速率及选择性膜的分离性能载体在膜相中迁移性载体移动载体固定载体溶解在液膜中形成配合物在膜内扩散化学键或物理力结合到高分子侧链或主链第27页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/427第2章 反渗透、纳滤、超滤与微

14、滤移动载体固定载体相邻载体间相互作用，形成选择透过通道被分离组分在固定载体上跳跃7.3 促进传递及载体促进传递及载体第28页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/428第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤固定载体 固定载体中的选择是每一个载体选择性的积累，因此分离选择性更好。移动载体 移动载体中的扩散更快。7.3 促进传递及载体促进传递及载体第29页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/429第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.3 促进传递及载体促进传递及载体7.3.2 载体的选择应遵循的原则载体的活性载体在溶液中的溶解性和稳定性反应强度适当且无副反应配合物键能1015

15、kJ/mol与中性载体无量纲反应平衡常数110溶解在膜液相中，高浓度移动载体可移动，但不流失，不沉淀气体分离中载体，挥发度小于膜溶剂第30页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/430第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.4 液膜分离机理及传质方程液膜分离机理及传质方程7.4.1 无载体液膜（1）传质机理传质为溶解-扩散过程透过膜速率Ji由Fick定律表示Di 组分在液膜内扩散系数Ki 组分在液膜内分配系数ciF 组分在料液侧浓度ciP 组分在透过液侧浓度传质推动力第31页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/431第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.4 液膜分离机理

16、及传质方程液膜分离机理及传质方程（2）传质模型空心球模型渐进模型平板模型平板模型示意乳水比Rew=乳化液体积Ve/料液体积油内比Rci=膜相体积/内相溶剂体积第32页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/432第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.4.2 有载体液膜（1）传质机理传质为反应-扩散过程简单促进传质耦合促进传质7.4 液膜分离机理及传质方程液膜分离机理及传质方程第33页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/433第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤含有载体肟LIX64N的微孔液膜7.4 液膜分离机理及传质方程液膜分离机理及传质方程料液产品1000mg/kg C

17、u2+pH=2.52000mg/kg Cu2+pH=1.0Cu2+H+促进传递过程可使得组分逆其浓度梯度进行传递。第34页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/434第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程（1）支撑液膜 微孔薄膜浸渍以膜相溶液后形成的由固相支撑的液膜。传质阻力较大 操作较为简便 聚砜、聚四氟乙烯、聚丙烯 膜厚2520m，孔径0.021.0m。第35页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/435第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤乳化液膜的使用包括制乳、萃取及破乳。（2）乳化 液膜 乳状液膜是利用表面活性剂的乳化作

18、用将两互不相溶的液相制成乳液，然后将乳液分散在第三相（连续相）中而得到的。膜溶剂（90%）表面活性剂（15%）稳定液膜添加剂（15%）乳化液膜的膜溶液组成7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第36页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/436第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 液膜的形成液膜的形成制乳制乳 将不互溶的两相通过表面活性剂的作用，使其形成乳液,再将该乳液分散到和乳液外相不相溶而和内相互溶的第三相中，这样便形成三相体系。第三相成为连续相。互溶的连续相和内相之间便有和两者均不相溶的液膜形成，表面活性剂的存在，使得液膜得以稳定。通常连续相为待处理相，其中溶解有需要

19、分离出的物质。7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第37页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/437第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤传质机理液膜无载体输送的液膜有载体输送的液膜a.无载体输送的液膜 利用溶质和溶剂在膜内溶解及扩散速率之差进行分离。物理、化学性质相似的碳氢化合物。水溶液中分离无机盐。废水中去除酸性及碱性化合物。可分离 液膜中的传质萃取7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第38页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/438第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤b.有载体输送的液膜 在液膜中引入载体，与被分离溶质间的可逆化学反应与扩散过

20、程耦合，促进传质进行，使分离过程具有很大的选择性与渗透速率。7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第39页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/439第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 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。外水相外水相 膜相膜相 内相内相(20%H(20%H2 2SOSO4 4)CuCu2+2+2R 2R-CuR CuR2 2 2H 2H+2H 2H+Cu Cu2+2+CuCu2+2+2RH 2R

21、 2RH 2R-2H2H+CuCu2+2+2H2H+I.反向迁移反向迁移7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第40页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/440第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤萃取：2RH2RHorg.org.CuCu2 2=R=R2 2CuCuorg.org.2H2H解络：2H2H R R2 2CuCuorg.org.=Cu=Cu2 22RH2RHorgorg 以肟类试剂(液态离子交换剂)为载体，从废水中分离富集Cu2+为例说明这种迁移机理。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。由于膜相存在络合剂，Cu2可选择透过

22、液膜。“无络合Cu2不能反相迁移”。7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第41页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/441第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤高浓度高浓度K K+低浓度低浓度ClCl-外水相外水相 膜相膜相 内相内相K+Cl-Li+Cl-冠醚冠醚低浓度低浓度K K+高浓度高浓度ClCl-K+Cl-II.同向迁移同向迁移 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。这种迁移称为同向迁移。7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第42页，共53页，编辑于20

23、22年，星期日2022/10/442第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 冠醚化合物的选择性取决于溶剂化的阳离子半径与冠醚化合物的空腔半径之比。例如TBP液膜分离Cr()：外相(pH=3.5)：nTBPorg.+HCr2O7+H=H2Cr2O7nTBPorg.内相(2%NaOH)：H2Cr2O7nTBPorg.+4NaOH=nTBPor+2NaCrO4+3H2O 由于膜薄,扩散快,10分钟内400ppm Cr()几乎可以完全除去。7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第43页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/443第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤破乳实现内相和液膜的分离

24、。7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程方式 物理方法 化学方法 第44页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/444第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤（2）膜通量方程及影响传质因素的分析pH 流速（搅拌转速）共存杂质 反萃相 操作温度 萃取操作时间 7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第45页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/445第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤用乳化液膜从发酵液中萃取柠檬酸（C6H8O7），设计该液膜的组成及计算用量。其中，发酵液中柠檬酸的质量分数为3%，处理量为100L/h，柠檬酸的相对分子质量为192。例：7.5 液

25、膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第46页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/446第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤解：（1）液膜组成。发酵液中萃取用液膜应为油膜。由于柠檬酸在油相中溶解度不大，须用有载体液膜。载体可用三辛胺Almaine336，膜相中含量210%。表面活性剂可用油溶剂Span-80，膜相中含量16%。7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第47页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/447第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 膜溶剂可用正庚烷。内相试剂可用NaOH或Na2CO3水溶液，可选Na2CO3水溶液。（2）内相试剂用量及乳水比的

26、计算 柠檬酸和Na2CO3的反应式：2 C6H8O7+3Na2CO3 2 C6H5O7Na3+3CO2+H2O 料液中柠檬酸量为：7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第48页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/448第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤碳酸钠用量为：取内相水溶剂Na2CO3浓度为：0.5mol/L，内相试剂用量为 7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第49页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/449第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤取油内比为1：1，乳液用量为乳水比为1：1.6。7.5 液膜的制备及分离过程液膜的制备及分离过程第

27、50页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/450第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.6.4 液膜分离进行酶反应 它是将含有酶的溶液作为内相制成乳液，再将此乳液分散于外相中。优点 包裹后的酶可免受外相中各组分对其活性的影响。物质在液体中的扩散速率比在固体中快得多，且可以在膜相添加载体。7.6 液膜分离技术的应用液膜分离技术的应用第51页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/451第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.6.5 在石油污染消除中的应用 石油处理剂由溶剂和表面活性剂组成。表面活性剂能使石油分散形成水包油型乳状液，形成微粒子而分散于海水中，消除污染，溶剂能降低石油的粘度，使其易于乳化。所选用的表面活性剂应具有以下条件：对流出油的乳化分散力强；对水产资源无不良影响;生物降解性良好；使用方便和价格便宜。7.6 液膜分离技术的应用液膜分离技术的应用第52页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/452第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤7.6 液膜分离技术的应用液膜分离技术的应用含载体的固定液膜简单促进传递过程CO2，H2O，SO2，CO，NO，O2CO2/O27.6.6 气体分离第53页，共53页，编辑于2022年，星期日2022/10/453第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤