液膜分离与渗透汽化幻灯片.ppt

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1、液膜分离与渗透汽化液膜分离与渗透汽化第1页，共28页，编辑于2022年，星期日1 液膜分离 1.1 液膜分离过程的原理 1.2 液膜的形状和分类 1.3 液膜分离设备 1.4 液膜分离技术的应用第2页，共28页，编辑于2022年，星期日1 液膜分离液膜分离是一种快速、高效和节能的新型分离技术，它是20世纪60年代发展起来的。液膜分离和溶剂萃取过程相似，也是由萃取和反萃取两个过程构成的。但是在液膜分离过程中，萃取与反萃取是同时进行、一步完成的。液膜分离的传质机理与生物膜有相似之处。在广泛深入研究的基础上，液膜分离在湿法冶金、石油化工、环境保护、气体分离、生物医学等领域中，显示出了广阔的应用前景。

2、第3页，共28页，编辑于2022年，星期日1.1 液膜分离过程的原理 液膜分离是将第三种液体展成膜状以分隔两个液相，原料液中的某些组分透过液膜进入接受液，实现3组分的分离。液膜分离过程是由三个液相所形成的两个相界面上的传质分离过程，实质上是萃取与反萃取的结合。所以液膜分离又称液膜萃取。第4页，共28页，编辑于2022年，星期日1.2 液膜的形状和分类 液膜是分隔两个液相的第三液相，它与被分隔液体的互溶度极小，否则液膜就会因溶解而消失。当原料液为水溶液时，用有机液体(主要是烃类)作液膜；当原料液为有机液体时，用水溶液作液膜。液膜与固体膜不同，它没有一定的形状，只是在一定条件下展开并保持膜状。分离

3、操作所用的液膜有三种型式(见图)。第5页，共28页，编辑于2022年，星期日1.2 液膜的形状和分类支撑液膜 如果液体能润湿某种固体物料，它就在固体表面分布成膜。微孔材料制成的膜片或中空纤维，用膜相溶液浸渍后，就形成固体支撑的液膜。聚四氟乙烯、聚丙烯制成的微孔膜，用以支撑有机液膜；滤纸、醋酸纤维素微孔膜和微孔陶瓷，可支撑水膜。支撑液膜的形状、面积和厚度，取决于支撑材料。图1 支撑液膜料液相反萃相待分离的溶质第6页，共28页，编辑于2022年，星期日1.2 液膜的形状和分类在使用过程中，支撑体膜材料的选择往往对过程的影响过大。目前使用的疏水性微孔膜，膜厚为2550m，微孔直径为0.21m。一般认

4、为聚乙烯和聚四氟乙烯制成的疏水微孔膜效果较好，聚丙烯膜次之，在支撑过程中，一般需要定期向支撑体补充膜相溶液，采用的方法通常是反萃相一侧隔一定时间加入膜相溶液。第7页，共28页，编辑于2022年，星期日1.2 液膜的形状和分类 液滴膜 液膜以液滴的包裹层形式处于两个液相之间，内相是水溶液、膜相为有机液时，称为油包水型(wo)液滴；反之，称为水包油型(ow)液滴。液滴的直径一般为15mm。液滴膜仅用于实验研究。图2 液滴膜外相内相膜相第8页，共28页，编辑于2022年，星期日1.2 液膜的形状和分类乳液膜 乳状液膜实际上可以看成是一种“水-油-水”型(W/O/W)或“油-水-油”型(O/W/O)的

5、双重乳状液高分散体系。将两个互不相溶的液相通过高速搅拌或超声波处理成乳状液，然后将其分散到第三液相(连续相)中。图3 乳液膜第9页，共28页，编辑于2022年，星期日1.2 液膜的形状和分类油膜（W/O）和水膜（O/W）示意图a油膜（W/O），W/O/W体系；b水膜（O/W），O/W/O体系第10页，共28页，编辑于2022年，星期日1.2 液膜的形状和分类乳液膜的基本情况与液滴膜相同。差别仅在于乳液膜的内相分散成许多微液滴，悬浮在膜相液中，构成乳状液。微液滴的直径为1100m，乳状液液滴直径0.52mm。可用于工业分离。第11页，共28页，编辑于2022年，星期日1.2 液膜的形状和分类乳状

6、液膜的工艺流程较复杂些，其主要步骤分为乳状液膜制备、接触分离、沉降澄清、破乳。预处理分离沉降处理下料制乳破乳膜相内相新鲜内膜原料图4 乳状液膜工艺流程第12页，共28页，编辑于2022年，星期日工艺流程机理将含有膜溶剂、表面活性剂、流动载体以及其他膜增强添加剂的液膜溶液同内相试剂溶液混合，可以制得所需的水包油(O/W)或油包水(W/O)型乳状液。制乳过程中主要应注意表面活性剂加入方式，制乳的加料顺序，搅拌方式和乳化器材质的浸润性能等。接触分离阶段，乳状液膜与料液混合接触，实现传质分离。在间隙式混合设备中，适当的搅拌速度是关键的工艺条件之一。在连续塔式接触中(如盘转塔)，需选择适当的流量和塔内转

7、盘的转速，以降低塔内的轴向混合，提高塔内乳状液的滞留量，从而为传质提供有利的条件。沉降澄清阶段，是富集了被萃物质的乳状液与残液之间分层，以减少两相的相互夹带。使用过的膜相需要重新使用，富集了被萃物质的内相亦需汇集，这就需要破乳。目前，一般认为破乳采用高压静电凝聚法较为适宜。交流和脉冲直流电源均可采用。频率和波形对破乳速度有一定影响。第13页，共28页，编辑于2022年，星期日1.2 液膜的形状和分类液膜分离与萃取对比：液膜分离物系的外相、膜相和内相；萃取反萃取物系的原料液、萃取剂和反萃剂；萃取剂是由萃取反应剂、稀释剂(溶剂)和调节剂所组成；膜相液由载体、膜溶剂、表面活性剂和稳定剂所组成。第14

8、页，共28页，编辑于2022年，星期日1.3 液膜分离设备支撑液膜设备 支撑液膜所用的支撑物有聚矾、聚四氟乙烯、聚丙烯和纤维素的微孔膜，制成平膜、毛细管中空纤维。微孔平面膜构成的支撑液膜分离装置采用板框式结构。微孔管状膜和中空纤维膜构成的膜分离装置，采用管壳式结构。乳液膜设备 用乳液膜分离的流程由制乳、萃取和破乳设备组成，如图6所示。第15页，共28页，编辑于2022年，星期日图5 管壳式结构第16页，共28页，编辑于2022年，星期日图6 用乳液膜分离水溶液的装置在制乳器内，将内相液加到配制好的膜相液中，用强烈的搅拌制成内相分散很细的乳状液。然后将外相作连续相，乳状液作分散相，在通常的萃取设

9、备中操作。从萃取器出来的乳状液，经破乳器分离成单独的膜相液和内相液，膜相再返回制乳器循环使用。当分离水溶液中溶质时，原料水溶液作为外相，经萃取后成为萃余液。从破乳分离出来的内相，是富集了被萃取组分的反萃液。第17页，共28页，编辑于2022年，星期日1.4 液膜分离技术的应用 液膜分离技术由于其过程具有良好的选择性和定向性，分离效率很高，因此，它的研究和应用广泛。例如：烃类混合物的分离。这类工艺已成功用于分离苯正己烷，甲烷庚烷，庚烷己烯等混合体系；含酚废水处理。采用液膜分离技术处理含酚废水效率高、流程简单。采用油包水型乳液膜，以Na0H水溶液作为内相；从铀矿浸出液中提取铀。从总体来说，液膜分离

10、技术还处于实验室研究及中间工厂试验阶段，更有一些新的应用领域尚待开发，可以预料，液膜分离技术将会应用于湿法冶金、石油化工、医药、环境等行业。第18页，共28页，编辑于2022年，星期日1.4 液膜分离技术的应用随着合成氨工业的发展，各类型化肥厂中含氨废水的治理已经成为极为重要的问题。处理含氨废水可以选用油包水型的乳状液，其内包相选用酸性水溶液。氨具有明显的油溶性，溶液从外相进入膜相，在内包相得以富集。在许多工业过程中，金属离子的分离是一个十分重要的课题。同时，随着工业的发展，环境保护问题亦日趋关键。其中，大量重金属废水的治理是及其重要的任务。液膜分离方法提供了这类重金属离子分离的新手段。第19

11、页，共28页，编辑于2022年，星期日2 渗透汽化 2.1 渗透汽化过程原理 2.2 渗透汽化膜 2.3 影响渗透汽化过程的因素 2.4 渗透汽化的应用第20页，共28页，编辑于2022年，星期日2.1 渗透汽化过程原理渗透汽化是利用膜对液体混合物中组分的溶解与扩散性能的不同来实现其分离的膜分离过程。渗透汽化过程可以用图7所示的实验用渗透汽化器来说明。图7 渗透汽化器1-加料管；2-搅拌器；3-液室；4-垫圈；5-膜；6-多孔支撑板；7-气室；8-蒸汽出口；9-液位计第21页，共28页，编辑于2022年，星期日2.1 渗透汽化过程原理在膜的上部充满要分离的液体混合物，膜的下部空腔为气相，接真空

12、系统。液体混合物与膜接触，各组分溶解到膜的表面上，并依靠膜两侧表面间的浓度差向膜的下测扩散，被真空泵抽出，可冷凝成透过液。膜的下部空腔也可以不接真空而用惰性气吹扫，将透过物带出。渗透汽化的主要操作指标是渗透通量与分离系数。第22页，共28页，编辑于2022年，星期日2.2 渗透汽化膜 渗透汽化过程主要使用复合膜与非对称性膜。复合膜的复合层是起分离作用的活性层，需根据要分离组分的性质选用适当的复合层材料。采用非对称性膜时，表层必需致密，否则过程的分离系数小，分离效果差。第23页，共28页，编辑于2022年，星期日2.3 影响渗透汽化过程的因素膜材料与结构 膜材料与结构是影响渗透汽化过程的最关键的

13、因素。膜的结晶度、塑化程度以及膜和渗透组分间的相互作用对组分的扩散系数有影响。扩散系数也随组分浓度的增加而增大。温度 温度升高，组分在膜中的扩散系数增大。温度对分离系数(选择性)的影响不大，一般温度升高，选择性有所下降，但也有温度升高，选择性升高的情况。第24页，共28页，编辑于2022年，星期日2.3 影响渗透汽化过程的因素压力 通常液相侧均为常压。气相侧的压力对渗透汽化的影响很大。压力低，渗透通量大。一般说当易渗透组分为易挥发组分时，分离系数随压力的升高而增大，当易渗透组分为难挥发组分时，分离系数随压力的升高而减小。液体中易渗透组分的浓度 在液体混合物中易渗透组分浓度增大，渗透通量增加。第

14、25页，共28页，编辑于2022年，星期日2.4 渗透汽化的应用渗透汽化过程的突出优点是分离系数高，可达几十、几百乃至上千，因此分离过程简单，操作方便。它的缺点是渗透通量小，一般不超过I000gm2h，透过物有相变，需要提供汽化热。因此它适用于难分离的近沸组分的混合物、恒沸物和混合物中少量杂质的物系分离。渗透汽化与其它分离方法(如精馏)配合使用，用其所长，避其所短，可以得到很好的经济效果。第26页，共28页，编辑于2022年，星期日2.4 渗透汽化的应用恒沸物的分离 恒沸液分离是渗透汽化研究与应用的主要领域。乙醇一水的分离是最主要的对象，人们对它进行了广泛的研究。乙醇水恒沸液中含水少，可以直接应用易透水膜的渗透汽化过程制取无水乙醇。目前用渗透汽化法制取无水乙醇已经工业化。近沸组分混合物的分离 如苯和环己烷，它们的沸点分别为80.1和 80.7难以用一般的精馏方法分离。Lee用渗透气化法(采用甲基丙基羟基纤维素膜)进行分离，分离系数达200左右。混合物中少量杂质的分离 混合物中少量水的分离和废水中少量有毒有机物的分离(如氯的化合物、酚等)都是渗透气化有可能应用并获得良好效果的领域。第27页，共28页，编辑于2022年，星期日第28页，共28页，编辑于2022年，星期日