液膜分離原理

液膜分離是用一層與之不相溶的液態(tài)膜界面，將組成不現(xiàn)的同一溶液分開，并通過兩液相的液膜界面進行選擇性參透，使物質(zhì)得到分離和提純的過程。
液膜分離的特點
液膜分離技術(shù)是在模擬生物膜的同時，綜合運用了生物化學(xué)、物理化學(xué)和有機化學(xué)等有關(guān)理論而發(fā)展起來的新型分離技術(shù)。它的濃縮能力強，定向性、選擇性和滲透性高，特別適用于低濃度溶液的濃縮和分離。與固體膜分離過程相比，液膜分離具有許多優(yōu)點：首先是有高的傳質(zhì)擴散速率，因液膜的厚度極薄，溶質(zhì)的分子擴散系數(shù)在一定范圍內(nèi)，比在固體中高得多，因此，即使是厚度在微米級范圍的固膜，其傳質(zhì)速率亦無法與液膜相比。其二是具有高的選擇性，固膜的分離選擇生往往只針對某一類型的離子 或分子；而液膜可針對某一種特定的離子或分子進行分離。
由于對液膜分離過程在研究和應(yīng)用都未成熟，因此實際當(dāng)中還存在較多的問題。目前開發(fā)的液膜過程，無論是乳狀液膜還是支撐液膜，都難以同時具備膜分離過程的高滲透性、高選擇性與高穩(wěn)定性的要求。特別是其穩(wěn)定性問題，一直是液膜分離研究與應(yīng)用的難點。
液膜分離的機理及其影響因素
乳狀液膜的傳質(zhì)分離機理
乳狀液膜是將含有表面活性劑和膜溶劑的油相和水相，在高速攪拌下制成乳狀液，再將此乳液分散到第三相溶劑中而制得。常見的W1/O/W2或O1/W/O2型的乳狀液膜。其中W1和O1分別稱為內(nèi)水相和內(nèi)油相，W2和O2分別稱為外水相和外油相。
在液膜中，乳狀液乳珠分散在第三相中，其直徑約為0.5-2mm，因此在乳珠與第三相間就形成了巨大的接觸表面。同時，每個乳珠內(nèi)部又包含了無數(shù)個直徑極小的溶劑微珠，而分隔微珠的液膜厚度僅為1-10μm.
乳狀液膜根據(jù)淮膜相中是否含有載體又可分為流動載體液膜和非流動載體液膜,它們也有相異的傳質(zhì)機理.
非流動載體的液膜傳質(zhì)機理 混合物料中待分離組分A在液膜中具有一定的溶解度,可由連續(xù)相滲透至液膜相,并在其中形成一定的濃度梯度,進而組分A在液膜同內(nèi)相之間的界面上與試劑C發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成不溶于液膜相的物質(zhì)D,從而達到由連續(xù)相混合物料分離A物質(zhì)的目的.此時液膜中不含有流動載體,其分離的選擇性主要取決于有效溶質(zhì)在液膜中的溶解度.因為溶質(zhì)在液膜相和料液中的溶解度之比等于分配系數(shù),而溶質(zhì)的滲透速度就等于分配系數(shù)與擴散系數(shù)的乘積,在一定膜溶劑中,料液各組分的擴散系數(shù)相差不大,因此溶質(zhì)的滲透速度主要取決于分配系數(shù),即混合組分在液膜中的溶解度差越大,分離的選擇性就高.溶質(zhì)在膜溶劑中的溶解度差是決定分離效果的主要因素.
濃度差對非流動載體液膜分離過程的影響也很大.液膜兩側(cè)被遷移的溶質(zhì)濃度相等的時候,遷移即會停止,因此,增大液膜兩側(cè)的濃度差是實現(xiàn)高效分離的基礎(chǔ).可以采取在內(nèi)相中添加化學(xué)物質(zhì),使之與遷移溶質(zhì)發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng),以此來降低溶質(zhì)在內(nèi)相中的濃度,保持滲透物在液膜兩側(cè)有最大的濃度梯度,以推動溶質(zhì)的遷移.利用這種方式,可以使廢水中的酚污染物過液膜與內(nèi)相中的鈉離子生成不溶于液于液膜的酚鈉鹽而除去.。
含流動載體液膜的分離機理 當(dāng)混合物料中待分離組分M不能溶解于液膜相時，可選擇能溶解于液膜相的特定載體C，作為組分M的運輸介質(zhì)，以達到將M遷移到另一相中的目的。首先組分M在連續(xù)相與液膜相的界面上與流動載體C發(fā)生反應(yīng)，生成中間產(chǎn)生MC，MC再擴散到液膜相的另一側(cè)與內(nèi)相中的添加劑R發(fā)生反應(yīng)，生成不溶于液膜的物質(zhì)MR，并使體裁體C重新還原釋放，**達到分離M的目的。
影響含流動載體的液膜分離過程關(guān)鍵的因素是流動載體，它直接決定了溶質(zhì)分離的選擇性。液膜分離中的流動載體可以是萃取劑、絡(luò)合劑和液體離子交換劑等。流動載體還能增大溶質(zhì)的通量，它與被分離遷移溶質(zhì)之間發(fā)生的選擇性可逆子轉(zhuǎn)反應(yīng)，可極大的提高滲透溶質(zhì)在液膜中的有效溶解度，從增大液膜兩側(cè)的濃度梯度和傳質(zhì)速率。
支撐液膜的傳質(zhì)分離機理 前已述及，支撐液膜的載體和膜溶劑存在于多孔支撐體的微孔中，微孔孔徑一般為0.1一5μm；支撐體一般是聚四氟乙烯、聚丙烯、聚砜等材料制成的微孔膜。支撐液和反萃相，待分離的溶質(zhì)從料液一側(cè)經(jīng)過多孔支撐體中的液膜相向反萃相遷移，從而達到分離有效組分的目的。支撐液膜的分離也須借助于載體的幫助，可選擇能溶解于液膜相的特定載體F作為待分離介璺X運輸介質(zhì)，并且F能與X生成可溶于液膜相的絡(luò)合物XF，繼而濃度梯度的推動下于液膜相中向反萃相一側(cè)遷移；其后F在反萃相中被除數(shù)取代而釋放出載體F，以達到將X分離遷移到反萃相中的目的。
載體是支撐液膜分離技術(shù)的關(guān)鍵，它能對被分離組分進行選擇性輸運遷移，并對膜的通量和分離速度起決定性作用。甚至可以使分離效率上百倍地增加。常用某些萃取劑作載體，萃取劑及其與溶質(zhì)生成的絡(luò)合物均能溶于膜溶劑，但不溶于料液和反萃相；載體與溶質(zhì)生成的絡(luò)合物應(yīng)有短路的穩(wěn)定性，能夠在一液膜的一側(cè)選擇絡(luò)合被分離的物質(zhì)，而在膜的另一側(cè)將之釋放。