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CWL-M萃取设备液膜萃取分离技术原理与特点

作者:管理员    发布时间:2016-6-7 17:26:46

CWL-M萃取设备液膜萃取分离技术原理与特点

    从整体上看,几乎所有新型液膜技术的分离原理均是,一层在原料相和反萃相之间,但与料液相和反萃相均互不相溶解的液膜相(有萃取剂与稀释剂混合而成),使原料相和反萃相不能接触,待分离溶质组分通过液膜相实现选择性传递达到反萃相中,从而实现萃取分离的目的。液膜的传质原理总体上分为两大类

      1)单纯迁移

    单纯迁移发生在支撑液膜液膜相中无流动载体的情况下,原料液中的待分离溶质与溶剂因其在膜相中的扩散系数或溶解度的不同,致使原料液中的待分离溶质与溶剂在膜相中传质速率不同,从而实现分离。对于传质机理是单纯迁移的支撑液膜,能使原料液中的待分离溶质与溶剂的分配系数有较大的差别的膜相才是适宜的,溶质在液膜相中的溶解度差异是支撑液膜是否具有选择性的关键因素。

      2)促进迁移

    很明显,单纯迁移过程不能使原料相中的待分离溶质产生浓缩变化。工业生产中对高效率与高浓缩比膜分离过程的实现,有着强烈要求,因此伴有化学反应的液膜分离过程一促进迁移逐渐进入人们的视野。相对于单纯迁移过程,高传质推动力与高传质效率是促进迁移过程的优势所在。按照其发生化学反应类别的不同,促进迁移可以分为I型促进迁移和II型促进迁移,I型促进迁移通过在反萃相内发生化学反应,来消除由传质过程而带来的料液相与反萃相中待分离物质的浓度差变小。II型促进迁移通过使用添加流动载体来提高待分离物质的传质速率以及支撑液膜的分离选择性。

    I型促进迁移:料液相中的待分离溶质经过液膜相传递至膜相与反萃相界面时,与添加在反萃相内试剂发生不可逆化学反应,生成的新物质不能通过液膜相进行逆向扩散,从而保证在整个传质过程中,膜两侧一直具有最大程度的浓度差,因此实现促进迁移。

    II型促进迁移:在支撑液膜液膜相中有流动载体的情况下,料液相中的待分离物质在料液相与液膜相的相界面处,与流动载体发生化学反应。生成中间产物渗透扩散至液膜相与反萃相的界面处,再与反萃相中的反萃试剂发生化学反应,将待分离物质释放到反萃相,而流动载体又进入下一传递过程。适宜的流动载体使支撑液膜对待分离物质具有选择性分离功能,在II型促进迁移过程中发生的化学反应为流动载体提供能量,使其能够持续起到对待分离物质的“摆渡”作用,使待分离物质被萃取至反萃相。根据载体是离子型和非离子型,可将II型促进迁移的传递机理分为反向迁移和同向迁移两种。

在反向迁移过程中,常用的载体主要有酸性磷类萃取剂、季钱盐、竣酸类萃取剂等,而在同向迁移过程中较常用的载体有中性磷类萃取剂、碱性胺类萃取剂以及冠醚及其衍生物等大环化合物。选择适宜的流动载体是支撑液膜具有高选择性的关键。理想的支撑液膜液膜相需具有以下性质:能够与待分离溶质生成稳定性适中的络合物,且能在膜的另一侧解络;与待分离溶质生成的络合物仅溶于液膜相,且不产生沉淀;支撑液膜液膜相的表面活性作用不可太强,否则将会容易流失。

液膜萃取技术的特点

    支撑液膜分离技术作为一种分离技术,具有分离效率高,选择性高,富集物质能力强以及萃取剂用量少等优点与特点。支撑液膜分离技术与传统的溶剂萃取一样,都是由萃取与反萃取两步组成。虽然与溶剂萃取有很多相似之处,但与传统的溶剂萃取法相比其具有如下优点:

    1)支撑液膜分离可以进行“逆浓度梯度迁移”。支撑液膜的传质过程是萃取和反萃取的内藕合过程。支撑液膜通过内藕合过程来分离待分离溶质,因此其可以打破化学平衡对溶剂萃取过程的限制,从而可以实现待分离溶质的逆浓度梯度迁移,使待分离溶质达到富集浓缩的目的。

    2)传质推动力大,所需分离级数少。支撑液膜技术可以实现萃取反萃取同时进行,一级的萃取反萃取过程就可以取得极为有效的萃取效果。

3)萃取剂消耗少。支撑液膜液膜相中的萃取剂在料液相与膜相的相界面侧与待分离溶质络合,而在膜相与反萃相的相界面处侧将其释放,然后空闲的载体继续返回原来相界面,支撑液膜液膜相在支撑膜内往返运动,在传质过程中不断再生。正是这种原因使得支撑液膜的萃取剂的消耗量比溶剂萃取过程低一个数量级以上,即使在膜载体浓度在一个很低的水平,溶质的膜渗透速率也会很高,膜液相载体浓度的改变对萃取率的影响很小。支撑液膜的这一优势,对于所用萃取剂价格昂贵或者废水量很大的处理情况(煤气化废水处理)具有显著意义。

    液膜萃取分离技术的应用

目前,支撑液膜分离技术已被广泛应用于有机废水回收与处理、气体分离、金属离子提取分离、生物产品的分离、生物反应在线监测以及痕量物质的富集等领域。

金属离子的浓缩分离

    在很多情况下,从金属离子混合溶液中,单独分离一种金属离子是有困难的,但是使用一种或复合使用多种支撑液膜,就可以很好得完成这一目标。

  使用以Cyanex 923为流动载体的支撑液膜分离方法对废水溶液中的Cr(VI)进行分离处理,实验研究了料液相搅拌速率、料液相中Cr(VI)初始浓度、萃取剂在液膜相的浓度以及反萃取剂浓度等操作条件对萃取分离效果的影响,实验结果表明,料液相搅拌速率是影响传质速率的主要因素而流动载体的浓度以及反萃相的浓度对处理效果的影响不大,当水相的传质系数为67μm/s,边界层厚度为15μm时对Cr(VI)的萃取效果最佳。吴某等以聚偏氟乙烯膜(PVDF为液膜支撑体,PVDF支撑体膜孔径为0.22μm,膜壁厚为65μm,开孔率为75 %,有效传质面积为18cm2。液膜相由P50:与煤油的混合物组成,研究了Cd( II)在该支撑液膜体系下的传质问题。实验结果表明该支撑液膜体系对Cd( II)有着良好的萃取效果,当原液相的pH5.0,反萃相中HC1浓度为4.Omo1/L,液膜相与反萃相体积浓度为16: 4,为Cd( II)最佳的萃取操作条件,系统运行190min时,Cd( II)的萃取率达到82。65%o Breembroek[X61]使用中空纤维膜作为支撑液膜的支撑体,以LIX84-iCu(II)的载体,其料液相在膜内的流速为100m1/min,反萃相在壳层内的流速是11 0ml/min,这种操作条件下,Cu(II)的渗透速率为6.9x 10-6 ms-1,研究证实,料液相与膜相之间的边界层阻力是阻碍Cu(II)传质速率提升的主要影响因素。

因为稀上元素具有很多相近的性质特点,因此普通的方法较难对其分离,而支撑液膜萃取分离技术就是一个非常有效的方法。在金属离子分离方面,支撑液膜的应用将会具有一个广阔的空间与前景。

有机废水回收与处理

    支撑液膜萃取分离技术在对有机废水回收处理过程中,相对于传统溶剂萃取法以及乳状液膜法明显具有萃取剂用量少,操作简便,高效节能以及绿色环保等优势。

Chiraz等使用以氧化三辛基嶙(TOPO)与煤油的混合物作为支撑液膜液膜相,对含酚废水进行处理,该研究根据实验结果预测,中空纤维支撑液膜可以对高浓度的煤气化废水经行处理。Venkateswaran等使用支撑液膜对苯酚甲醇混合废水进行处理,以聚四氟乙烯(PTFE)以及聚丙烯(PP)膜材料作为支撑液膜支撑体,对多种植物油进行了测试,最终得出棕搁油作为该支撑液膜体系的萃取剂效果最佳,在料液相pH值为2.0、反萃相浓度为0.2mo1/L时,测得苯酚的渗透速率为8 .5 x 10-6 m/s,系统运行6h后料液相中的苯酚浓度从1 00mg/L下降到了1 x 10-2mg/L以下,其研究表明,该支撑液膜体系是一种新颖、环保的苯酚回收处理技术,具有可再生、廉价、无毒的优势,在工业废水处理中具体广阔前景。姚秉华等[[64]了以聚偏氟乙烯膜(PVDF)为液膜支撑体,N,N-二(1一甲基庚基)乙酞胺(N-503)为支撑液膜流动载体组成的支撑液膜体系对对硝基酚(PNP)进行处理研究,研究得出最佳的运行条件为:料液相pH1。42,反萃相NaOH浓度为0。025mo1/LN-503在液膜相中的浓度为20%,系统运行60min时,PNP的去除率可达82.5 %渗透系数P3。 58x10-3m/ s.

液膜萃取分离技术的发展趋势

    虽然支撑液膜具有萃取剂用量少,选择性高、操作简便,高效节能以及绿色环保等诸多优势,但制约其在工业上大规模应用的主要原因是,支撑液膜膜相流失而造成液膜稳定性差,液膜使用寿命短。因此,实现支撑液膜技术在工业上大规模应用的攻坚问题在于提升液膜稳定性,这也是支撑液膜的发展趋势。

    导致支撑液膜运行不稳定的主要原因有,1)载体和膜溶剂溶解于相邻水,这是支撑液膜不稳定的一个主要原因。连续操作中,液膜相中的膜溶剂和载体在相邻水相中的溶解度较大是较为常见的,液膜相在水相中的分配系数越大,膜寿命越短. 2)支撑体膜孔被阻塞,当支撑液膜液膜相中流动载体达到一定浓度时,流动载体会从膜相稀释剂中析出而导致膜孔阻塞,因此,虽然提高液膜相中载体的浓度提高有助于提高传递速率,但也要考虑支撑体膜孔阻塞的问题;3)剪切力诱导的乳化作用,由于原料液和反萃取液流过支撑液膜表面时,产生的脉冲效应会产生一个侧向剪切力,这个剪切力会导致支撑液膜相局部变形,最终使液膜相形成乳化液滴而流失于料液相和反萃相中,很多实验验证了这种机理;4)膜内压差的影响,物质的流动会使液膜产生膜内压差,当膜内压差超过一个闽值时,支撑液膜液膜相会被挤压出支撑体的微孔,这个因素对中空纤维支撑液膜的稳定性影响较大。

    未来,支撑液膜的研究趋势在于提高支撑液膜的稳定性方面,提升支撑液膜稳定性的主要方面有,1)亲油疏水的选择性萃取剂研发;2)溶胀性较低、孔径较小的液膜支撑体材料;3)适宜操作条件的探索;4天津11选5)提升液膜相稳定性,主要方法有液膜凝胶化、载体晶体化等。

    随着社会经济的发展,减少污染、发展绿色经济是社会与经济可持续发展的重大课题。支撑液膜分离技术以其自身的诸多优点,将会被广泛应用于工业废水处理中。支撑液膜技术将会成为分离纯化领域中的研究热点。

 

 

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