液膜分離技術(shù)概論

唐冰

摘 要：液膜分離技術(shù)是膜技術(shù)中發(fā)展出來的新型多學科交叉技術(shù)，具有高效環(huán)保、傳遞性強等優(yōu)點。本文主要介紹了液膜分離技術(shù)的發(fā)展概況、液膜的定義和分類以及三種傳質(zhì)機理，最后對液膜技術(shù)的發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：液膜分離；新型技術(shù)；發(fā)展

前言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展和科技的不斷進步，一些新興的技術(shù)得到重視并被運用于各行各業(yè)之中，其中就包括液膜分離技術(shù)。上世紀30年代，Osterbout[1]觀察到鈉與鉀透過含有弱有機酸載體的“油性橋”的現(xiàn)象，提出了促進傳遞概念。上世紀60年代中期，Bloch[2]等采用支撐液膜研究了金屬提取過程，Ward與Robb[3]研究了CO2與O2的液膜分離，他們將支撐液膜稱為固定化液膜。1968年Li[4]在用du Nuoy環(huán)法測定含表面活性劑水溶液與油溶液之間的界面張力時，觀察到了相當穩(wěn)定的界面膜，開創(chuàng)了研究液體表面活性劑膜或乳化液膜的歷史。

液膜一直是一個十分活躍的研究課題，它以傳質(zhì)速率高、良好的選擇性、成本低等特點，成為分離、純化溶質(zhì)的有效手段。[5]

一、液膜的定義

液膜是懸浮在液體中很薄的一層乳液微粒。它能利用液膜對物質(zhì)的選擇滲透性，把兩個組成不同而又互溶的液體隔開，并通過滲透分離將這一種或者一類物質(zhì)分離。

液膜主要由膜溶劑、表面活性劑、流動載體和膜增強添加劑四部分組成。[6]液膜90%以上的組成成分是膜溶劑，一般為水或有機溶劑；表面活性劑占1-5%是穩(wěn)定油水分界面的重要組分，對液膜的穩(wěn)定性、滲透速度和分離效率等有直接關(guān)系。流動載體是對預提取的物質(zhì)進行選擇性搬運遷移，對膜的選擇性和膜的通量起決定性作用。膜增強添加劑用于進一步提高膜的穩(wěn)定性。

二、液膜的分類

根據(jù)組成不同液膜可分為：油包水型（膜相為油質(zhì)而內(nèi)外相都為水相）和水包油型（膜相為水質(zhì)而內(nèi)外相都為油相）兩種。

根據(jù)構(gòu)型不同，液膜分為厚體液膜、乳化液膜和支撐液膜。

（一）厚體液膜

厚體液膜是用一層相對較厚的不混溶的流體將料液相與接收相分開，僅借助不可混溶性與其它相分開。一般采用U型管式傳質(zhì)池，上端兩邊分別為料液相和接受相，下部為液膜相，由于膜層較厚，所以界面平穩(wěn)界面積恒定，遷移接近一種穩(wěn)態(tài)過程，具有操作簡單、使用成本低廉等特點。[7]但缺點是傳質(zhì)面積相對較小，傳遞速率低，溶劑用量較大，所以此方法還局限于實驗室研究。

（二）乳化液膜

乳化液膜應用最廣泛，具有效率高、成本低、可操作性強、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點。它是利用表面活性劑的乳化作用，將兩種互不相溶的液相制成乳液，再通過高速攪拌將乳液分散在被處理的液相中得到的一種多相體系，中間相將待處理相與接收相隔開，形成“水-油-水”（W-O-W）或“油-水-油”（O-W-O）體系。[8]這種體系包括內(nèi)相、膜相和外相三個部分。內(nèi)相為接受被分離組分的液體，外相為需要被分離組分的料液，內(nèi)相和外相一般是互溶的。

（三）支撐液膜

支撐液膜體系由料液、液膜和反萃液三個相以及支撐體組成。支撐液膜是將膜相溶液牢固地吸附在多孔支撐體的微孔中，形成微孔固膜支撐，與膜相互不相溶的料液相和反萃取相分別位于膜的兩側(cè)，待分離物質(zhì)自料液相經(jīng)多孔支撐膜中的膜相向反萃取相傳遞。由于將液膜含浸在多孔支撐體上，支持液膜可以承受較大的壓力，且具有更高的選擇性。支撐液膜比乳化液膜厚，通道彎曲，傳質(zhì)阻力較大，但不需要制乳和破乳，操作簡單，更適合于工業(yè)應用。[8]

三、傳質(zhì)機理

（一）選擇性滲透

該分離機制的液膜中不含流動載體，內(nèi)、外水相中也沒有與待分離物質(zhì)發(fā)生化學反應的試劑，只依賴待分離組分在膜中的溶解度和擴散系數(shù)的差異，導致透過膜的速度不同而實現(xiàn)分離。

（二）滴內(nèi)化學反應

滴內(nèi)化學反應采用在溶質(zhì)的接受相（如內(nèi)相）添加與溶質(zhì)能發(fā)生化學反應的試劑，通過化學反應來促使溶質(zhì)高效快速遷移。

（三）膜相化學反應

膜相化學反應分為三類：促進擴散遷移、逆向遷移和同向遷移。

1、促進擴散遷移：當外相中的待分離溶質(zhì)的濃度很低時，單純擴散已經(jīng)達不到物質(zhì)分離要求，此時膜相中的載體選擇性與待分離溶質(zhì)結(jié)合，通過自由擴散擴散到膜內(nèi)，從而實現(xiàn)物質(zhì)遷移。載體輸送類似能量泵的作用，使指定溶質(zhì)或離子從低濃度區(qū)沿反濃度梯度方向向高濃度區(qū)持續(xù)遷移，且不會被消耗。

2、逆向遷移：溶液中含有離子型載體時溶質(zhì)的遷移過程。在膜左側(cè)界面，供能物質(zhì)B脫離載體C進入料液相，并釋放能量，料液中A與載體C結(jié)合，生成絡(luò)合物AC，AC在膜內(nèi)向右擴散。在膜右側(cè)界面，B與載體C絡(luò)合，并將A釋放至接收相，最終結(jié)果就是A從料液相傳遞到接受相，B從接受相傳遞到料液相。

3、同向遷移：含有非離子型載體時溶質(zhì)的遷移過程。待提取溶質(zhì)A和供能溶質(zhì)B傳遞方向相同，在膜左側(cè)界面，A、B與載體C反應生成的絡(luò)合物ABC在膜內(nèi)向右擴散。當ACB抵達膜右側(cè)界面時，發(fā)生解絡(luò)反應，釋放溶質(zhì)A和供能物質(zhì)B，而載體C自由擴散向左繼續(xù)參與循環(huán)。

四、展望

液膜分離技術(shù)在濕法冶金、金屬離子回收、廢水處理、生物制品分離與生物醫(yī)藥分離、化工分離等方面已顯示出廣闊的應用前景，潛力極大。而且液膜分離技術(shù)還處在發(fā)展階段，有很多問題需要解決，比如說液膜的溶脹和破乳等方面的措施還不夠理想；大多數(shù)研究仍處于試驗階段。因此我們還需深層次的探索和解析液膜分離技術(shù)，從實踐中不斷的完善，盡早實現(xiàn)工業(yè)化。

參考文獻：

[1] Osterbout W J V. Some model of protoplasmic surface.Cold Spring Habor Symp Quant Biol， 1940， 8： 51-56.

[2] Bloch R， Finkelstein A， Kedem O， et al. Metal ion separation by dialysis through solvent membranes. Ⅰ & EC Process Design and Dev， 1967， 6： 231-237.

[3] WardⅢW J. Robb W L. Carbon dioxide-oxygen separation： facilitated transport of carbon dioxide across a liquid film. Science， 1967， 156： 1481-1486.

[4] Li N N， Somerset N J. Separating hydrocarbons with liquid membrane. US Pat， 3419794. 1968

[5] 顧忠茂.液膜分離過程研究的新進展[J].膜科學與技術(shù).1999，19（6）：10-15.

[6] 張瑞華. 液膜分離技術(shù)[M]. 南昌：江西人民出版社，1984：10-12.

[7] 謝銳，褚良銀，曲劍波.手性拆分膜的研究與應用新進展.現(xiàn)代化工，2004，24（4）：15-18.

[8] 張牡丹，張麗娟，劉關(guān)，等.液膜分離技術(shù)及其應用研究進展[J].化學世界， 2015， 56（8）： 506-512.