第十二章新型膜

第十二章新型膜第1頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三1.膜的親水性對萃取過程的影響疏水微孔平板膜

在有機相與水相間置以疏水性微孔膜，有機相將優(yōu)先浸潤膜，并進入膜孔。當水相的壓力等于或略大于有機相的壓力時，在膜孔的水相側形成有機相與水相的界面。該相界面是固定的，溶質通過這一固定的相界面從一相傳遞到另一相，然后擴散進入接收相的主體，完成膜萃取過程。第2頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三1.膜的親水性對萃取過程的影響親水微孔平板膜當采用親水性微孔膜時，則水相將優(yōu)先浸潤膜，并進入膜孔；第3頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三2.膜萃取的特點（1）萃取劑損失小

傳統(tǒng)的萃取過程為了有利于傳質的進行，要盡可能增加傳質比表面積，通常使一相以液滴的形式分散于另一相中，爾后再重新聚結分相。而膜萃取沒有傳統(tǒng)萃取過程中的相分散和凝聚過程，這樣可以減少萃取劑在料液相中的夾帶損失。（2）萃取劑物性要求低

在膜萃取過程中，料液相和溶劑相分別在膜兩側流動，可以放寬對萃取劑物性的要求。便于選用高濃度、高效萃取劑。第4頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三（3）避免了傳統(tǒng)萃取的反混、

傳統(tǒng)的萃取過程一般采用連續(xù)相與分散相液滴群的逆向流動，軸向混合嚴重；另外，萃取設備的生產(chǎn)能力也將受到液泛總流速的限制。在膜萃取過程中，料液相和溶劑相分別在膜兩側流動，使過程免受“反混”的影響和“液泛”條件的限制。（4）可以實現(xiàn)同級萃取和反萃取膜萃取可以實現(xiàn)同級萃取和反萃取過程，尤其是中空纖維膜器的優(yōu)勢更加突出。第5頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三?3.臨界突破壓差Δpcr?膜萃取操作時必須保持水相和有機相之間有適當?shù)膲翰睢?對疏水性微孔膜來說，膜孔中充滿了有機相，為了進行膜 萃取，水相壓力應稍大于有機相壓力，但當水相壓力過大 時，膜孔中的有機相將被水相代替，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的壓差 稱為臨界突破壓差。操作時的壓差要小于臨界突破壓差。?當膜萃取采用親水性微孔膜時，進入膜孔的是水相。當有 機相的壓力稍高于水相時，在膜孔的有機相側形成水相- 有機相界面，兩相間的壓差也不能超過臨界突破壓差。

Δpcr與膜性質、選用體系等相關。第6頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三?臨界突破壓差一般與水-有機相間界面張力γ、 膜微孔半徑rp、孔壁與液-液界面切線所形成的 相接觸角θc有微孔為平行的均勻圓柱直接關系。 如果假設膜形孔道，則微孔膜的臨界突破壓差 可以表示為?Δpcr=2γcosθc

rp第7頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三4.膜萃取的應用A.金屬萃取膜萃取在分離金、銅、鋅、鐵、汞、鉻、鎳等離子方面都有應用研究。如在ZnSO4/雙-2-乙基己基磷酸鹽/異十二烷體系中分離Zn2+，可以使Zn2+濃度由100mg/L降至2mg/L。從鹽酸溶液中萃取Au3+時，即便有Cu2+存在，Au3+的萃取率仍然很高。B.有機物萃取

以甲基異丁基甲酮-醋酸正丁酯為萃取溶劑，萃取含酚水溶液中的苯酚；以N-甲基吡咯烷酮為萃取溶劑，萃取甲苯-正己烷混合物中的甲苯。以苯或甲苯為萃取溶劑，萃取氨水溶液中的4-甲基噻唑、4-氰基噻唑等。C.發(fā)酵產(chǎn)物萃取

發(fā)酵法生產(chǎn)化工原料時，產(chǎn)物有時會抑制發(fā)酵作用。如丁酮可以通過葡萄糖的厭氧發(fā)酵制得，但丁酮又會抑制微生物的發(fā)酵反應，用膜萃取將其不斷從料液中移出，會提高過程收率。第8頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三???二、膜蒸餾膜蒸餾是采用疏水性微孔膜，以膜兩側蒸汽壓力差為傳質推動力的膜分離方法。

操作膜蒸餾時，膜兩側的溫度不同，一側稱為暖側，另一側稱為冷側。在暖側，膜與熱的待處理水溶液直接接觸，水溶液中的水在膜表面汽化，水蒸氣通過膜孔傳遞到膜的冷側，被冷卻成水。

1967年Findley就提出了膜蒸餾的概念，但直到上世紀80年代隨著聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等疏水性微孔膜的開發(fā)，膜蒸餾的理論和應用研究才有了較大進展。?1.膜蒸餾過程及分類根據(jù)冷側水蒸氣的冷凝或排除方法分為以下幾類。第9頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三?A.直接接觸式

熱溶液和冷卻水分別與膜的兩側表面直接接觸，傳遞到冷側的水蒸氣被直接冷凝到冷卻水中。這種方式適用于平板膜或中空纖維膜，膜器結構簡單，水通量大。?B.空氣間隙式也稱間接式。

冷側的冷卻水介質與膜之間有一個冷卻板，膜與冷卻板之間存在空氣間隙，通過膜孔和間隙后的水蒸氣在冷卻板上冷凝。這種方式可以直接得到冷凝的純水，對冷卻水的純度要求低，適用于平板膜。?C.減壓式也稱真空式。

在膜的冷側采用抽真空的方式，增大膜兩側的水蒸氣壓力差，從而得到較高的蒸餾通量，透過的水蒸氣在膜器外冷凝。?D.氣流吹掃式冷側通入干空氣進行吹掃，把透過的水蒸氣帶出膜器外冷凝。第10頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三?2.膜蒸餾的特點?A．膜蒸餾過程雖然也有相變，但在較低溫度、非沸騰狀

態(tài)下進行。因此操作條件溫和，在常壓和接近室溫下便可 有足夠的推動力，實現(xiàn)水的傳遞?？梢杂行У乩靡恍┑?值廢熱、地熱、太陽能作為熱源。?B．在膜蒸餾操作過程中，僅有水蒸氣通過膜孔到達冷 側，因此在冷側可以得到純水，同時實現(xiàn)熱側溶液的濃縮。第11頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三????3.膜蒸餾的應用海水和苦咸水淡化與反滲透相比不需要高壓和復雜設備，并能處理鹽分較高的水溶液?？衫锰柲艿攘畠r能源，膜蒸餾脫鹽制飲用水有較好應用前景。超純水的制備

在非揮發(fā)性溶質水溶液的膜蒸餾中，只有水蒸氣能透過膜孔進入冷側這樣可望得到超純水。南通合成材料廠曾以反滲透水或離子交換水為原水，經(jīng)過膜蒸餾處理后，得到超純水。濃縮和回收

膜蒸餾可以處理極高濃度水溶液。如處理人參露和洗參水，使其中所含的微量元素、氨基酸和人參皂甙得到有效濃縮；濃縮蝮蛇抗栓酶、濃縮古龍酸水溶液、濃縮牛血清蛋白都得較好的結果。揮發(fā)性溶質水溶液的分離利用水和溶質揮發(fā)性的差別改變原料液組成。已從水溶液只分離出揮發(fā)性的丙酮、乙醇、乙酸乙酯、異丙醇、甲基叔丁基醚和苯等。第12頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三三、膜吸收1.膜吸收過程及分類

將膜和傳統(tǒng)吸收/解吸相結合的新型膜過程。膜吸收過程是使用微孔膜將氣、液相分隔開來，利用膜孔提供氣、液相間實現(xiàn)傳質的場所。根據(jù)膜材料的親水性和吸收劑的不同，膜吸收形式有：A.氣體充滿膜孔

使用疏水性微孔膜時，膜孔將被氣體所充滿，氣相中的組分將以擴散的形式通過膜孔到達液相表面并被液體吸收。解吸時，組分在液體表面解吸后，同樣以擴散方式通過膜孔到達氣相。兩相壓差的選擇應使氣體不在液體中鼓泡，也不能把液相壓人膜孔，更不能把液相壓過膜孔而流向氣相。第13頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三B.收劑充滿膜孔

使用親水性微孔膜且吸收劑為水溶液時膜孔將被吸收劑充滿；使用疏水性微孔膜且吸收劑為有機物溶液時膜孔亦會被吸收劑所充滿；這時氣相的壓力要控制得高于液相壓力，以保證膜表面氣、液兩相界面的形成，防止吸收劑穿過膜而流向氣相。C.同時解吸-吸收的氣態(tài)膜過程使用疏水性微孔膜將兩種水溶液(比如氨水和稀酸液)隔開，一種水溶液中的揮發(fā)性溶質(比如NH3)解吸進入膜孔，然后擴散傳遞到膜孔的另一側并被另一水溶液(比如稀酸液)吸收。這便是解吸-吸收同時進行的氣態(tài)膜過程。第14頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三2.膜吸收的特點?A．膜吸收過程，微孔膜只提供了傳質場所，并不參與

組分的分離作用，因此膜吸收的本質仍是傳統(tǒng)意義上的 平衡分離過程。?B.由于氣、液兩相互不分散于另一相，兩相的流動互不干擾，流量范圍各自可以在很寬的范圍內變動。第15頁，共16頁，2023年，2月20日，星期三3.膜吸收的應用A.生物醫(yī)學領域

血液供氧是膜吸收過程在生物醫(yī)學領域最早的應用。在疏水的聚四氟乙烯微孔膜的一側通血液，另一側通壓力稍低于血液側的氧氣或空氣，在濃度差的推動下，氧被吸收進入血液中，血液中的CO2