1、,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
2、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
3、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,pcr, 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
4、相界面，两相间的压差也不能超过临界突破压差。pcr 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rp、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,pcr =,2 cos crp,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ZnSO4/双-2-乙基己基磷酸盐/异十二烷体系,中分离Zn2+，可以使Zn2+浓度由100mg/L降至2mg/L。从盐酸 溶液中萃取Au3+时，即便有Cu2+存在，Au3+的萃取率仍然很高。 B.有
5、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
6、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
7、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.
8、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
9、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
10、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NH3)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CO2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O2，同时 排除发酵中产生的CO2；在厌氧发酵中，不断向体系补充N2， 同时排除O2和H2。,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。,
