北京大学李克安教授化学9省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第六章第六章 液膜分离技术液膜分离技术6.1 序言序言当代数、理、化、生相互到渗透产生一些新兴学科,如化学仿生学:1.模仿生物体内化学反应;2.模仿生物体内能量转换和信息传递过程;3模仿体内物质输送过程(高效率;高选择性)。生物在输送、浓缩、分离方面能力令人惊叹,如:海带中碘浓度大于海水1000倍;石毛藻中浓缩金由750倍;大肠杆菌内外K+浓度差3000倍;海水中乌贼体液中Ca浓度高达环境十万倍,这说明生物细胞膜是有高度选择性。第1页 已知生物细胞膜由类脂和蛋白质组成,类脂作为支架,现多认为是“流动镶嵌模型”,在类脂双分子层中镶嵌着螺旋状球蛋白。可把需要离子输送入体内。膜主要由类脂类脂与蛋白质
2、蛋白质组成,厚度60100埃,4 :1 1 :4类脂:磷脂,糖脂,胆固醇膜双层结构,极性分子和离子不经过。经过必须由蛋白质功效来完成,离子通道,浓度低高,离子泵离子泵作用。为了模拟这个过程,1950年以来人们合成了高分子离子交换膜逐步用于工业过程,如电渗析等。但固体膜有一系列强度要求,制膜工艺很复杂,远远比不上生物膜,化学工业需要一个高效、快捷、选性强分离膜,在70年代出现一门新技术液膜分离液膜分离。第2页 1960年初,Martin用醋酸纤维膜透析盐水时,把百万分之几聚乙烯甲醚加入盐水中,结果在膜上形成一个膜,使盐透析量降低,但选择性显著增大。这是固体支撑膜。1968年,美籍华人N.N.Li
3、(黎念之)发觉用表面活性剂水溶液和油作表面张力试验时观察到生成一张很强能够挂住膜,于是他从事这方面研究,制得纯粹液膜(乳状液膜乳状液膜),膜薄,但表面积大,用于除去酚及一些金属离子,这是很大突破。70年代初E.L.Cussler研制成功含载体液膜含载体液膜,应用遍布治金、化工、生化、环境保护。现下面结合详细实例结论。第3页6.2 液膜(液膜(乳状液膜)液膜是一层很薄液体,也可是水溶液,也能够是有机溶剂-油简单液膜传输装置:含有实用价值是一个乳状液膜。通常由溶剂+表面活性剂+内相组成,以油包水(W/O)体系为例:乳状液膜是由很多乳状液滴组成,示意图以下:外相(料相),膜相(油相)和内相(接收相,
4、包含小水滴能够含有各种试剂)。液膜制备:表面活性剂(Span 80,1-5%)增加膜稳定性,油相多用Span80,吐温80等非离子表面活性剂,工业上要考虑价格。内相液体:5%NaOH溶液 。膜溶剂:90%,考虑溶质在膜中溶解度,在水中溶度小,有一定粘度,挥发性小,惯用甲苯(二甲苯),煤油及异链烷烃等。流动载体:多为萃取剂,如冠醚,高分子胺等(溶于膜溶剂中)。第4页高速搅拌生成乳状液,稳定几个月几年,取一定体积乳状液与欲分离溶液在一起搅拦,低速30转/秒,几分钟后即达到分离目。破乳,使水油分层,物质在内相富集了。举一实例:工业废水中除酚,这是第一个成功例子:煤油+表面活性剂+5%NaOH溶液,生
5、成液膜因为有浓度差,因为酚可溶于油中,经过膜进入水相变成离子 乳状液破乳后,搜集水相中酚富集液,而膜相可再用。99.3%酚被除去,剩下0.074%,完全能够满足工业用水要求。第5页6.3 液膜分离机理:液膜分离机理:1液膜分离机理可分以下四种液膜分离机理可分以下四种:1)选择性渗透:选择性渗透:二者进入液膜速度不一样,渗透速度不一样、主要用于石油工业中分离烃类混合物2)滴内化学反应:滴内化学反应:如无载体时,当富集成份在膜两侧浓度相等时,上述渗透反应即停顿。为了提升富集效果,在内水相使其发生化学反应,以降低其浓度,这种类 型属于促进迁移。刚才介绍工业废水中除酚即属于这一类型。3)膜相化学反应:
6、膜相化学反应:欲分离物D与膜相试剂生成P1,可透过膜,与内相试剂S生成另一个水 溶性物,放出R又回到膜相继续作用。这是一个最主要类型,可使离子 由低浓度向高浓度迁移,所以又叫作离子泵。4)萃取和吸附萃取和吸附 这极少用,有机物萃入有机膜中,把固体悬浮物吸附至膜表面而进行分 离。第6页2液膜分离动力学基础液膜分离动力学基础 这就是很复杂问题:因为其中有扩散和反应速度问题。最简单情况,纯粹是溶质扩散穿过液膜,其通量(单位面积单位时间内经过物质量)D扩散系数 K是溶质在水-膜相间分配系数 l膜厚度 C是溶质在膜两侧浓度差(渗透推进力)对于大多数体系来说,扩散系数是靠近,所以决定分离选择性主要是K,即
7、分配系数,通量与C是直线关系。当膜内有化学反应发生时,有一个可逆反应。k 物质物质+载体载体=络合物络合物第7页液膜传质模型:渐进前沿模型:液膜传质模型:渐进前沿模型:传质过程包含 (1)迁移组分经过膜外相边界层扩散到乳液滴表面上 (2)在界面,组分经过化学反应或物理溶解过程进入膜相 (3)组分经过膜由外界面向内界面扩散 (4)在膜与内相界面上组分经过化学反应进入内相。假定:假定:(1)因为表面活性剂存在,内相中不产生对流 (2)传质过程阻力主要是膜外相边界层和膜相扩散阻力 (3)组分在内相首先与最外层反应,当反应完成后,再向内层迁移,内相存在两个区,有尖锐边界。依据以上假定提出,迁移组分传质
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