膜萃取又称为固定膜界面萃取

临界突破压差 pcr 一般与水-有机相间界面张力 、膜微孔半 径 rp 、孔壁与液-液界面切线所形成的相接触角 c 有直接关系。如
果假设膜微孔为平行的均匀圆柱形孔道，则微孔膜的临界突破压差
pcr 可以表示为
pcr
2
co s c rp
14-5
四、膜萃取过程的影响因素
2
1．水相和有机相压差 由于膜萃取过程中的传质推动力主要是化学位，而不是水相和 有机相压差，因此两相间压差的作用只是为了防止两相间的渗透， 对传质系数没有直接影响。 1． 两相流量 两相流量对总传质系数的影响，主要取决于分离体系传质过程 中水相边界层阻力或有机相边界层阻力在总传质阻力中的比例。对 于有机相边界层阻力为主的体系，当有机相流量维持不变时，总传 质系数基本不随水相流量的改变而变化；而当水相流量不变时，总 传质系数随有机相流量的增大，而呈上升趋势。以水相边界层阻力 为主的体系，结果则相反。 3．相平衡分配系数 膜萃取过程中膜阻对总传质系数 Kw 的影响，依赖于分配系数 m 的大小。对于相平衡分配系数 m >>1 的体系，采用疏水膜萃取器时， 膜萃取过程中的膜阻将得到有效的控制，可以忽略不计，即膜的性 质与传质速率无关，该过程的总传质系数 Kw 相对较大。对于相平衡 分配系数 m <<1 的体系，则应采用亲水膜萃取器，膜萃取过程中的 膜阻也将得到有效的控制，也可以获得较大的总传质系数 Kw。对于 相平衡分配系数 m ≈1 的体系，膜阻在总传质阻力中的比例是相当 高的，而且随着体系两相流速的增大，水相及有机相边界层阻力减 小，膜阻将成为影响过程传质速率的决定因素。 4. 界面张力 在常规的分散相溶剂萃取中，两相的界面张力对萃取效果影响 很大。界面张力小，分散相液滴小，单位体积传质系数大。反之界 面张力大，分散相液滴大，不利于传质。而膜萃取过程中不存在液 滴分散及聚结现象，体系界面张力对总传质系数没有直接影响。但
水性微孔膜来说，膜孔中充满了有机相，为了进行膜萃取，水相压 力应稍大于有机相压力，但当水相压力过大时，膜孔中的有机相将 被水相代替，产生这 一现象的临界 两相压差称为 临界突破压差
pcr 。膜萃取操作时的压差要小于临界突破压差 pcr 。
当然，膜萃取也可以采用亲水性微孔膜，此时进入膜孔的是水 相。当有机相的压力稍高于水相时，在膜孔的有机相侧形成水相—
水 水
二甲苯-水-醋酸
水
137 kPa >241 kPa 212 kPa >414 kPa 68.9 kPa >482 kPa 83 kPa
215 kPa
尼龙 (ENKA)
0.2 μm
二甲苯-水-醋酸 二甲苯-水-醋酸
水 二甲苯
表中 NM P 为 N-甲基吡咯烷酮；MIBK 为甲基异丁基甲酮
172 kPa 124 kPa
四、膜蒸馏的应用 1． 海水和苦咸水淡化 最初对膜蒸馏的研究目标就是海水淡化。与反渗透相比它不需 要高压和复杂设备，并能处理盐分较高的水溶液。经大量经济技术 分析认为，在可利用如太阳能等廉价能源的边远地区，膜蒸馏脱盐 制饮用水有较好应用前景。 2． 超纯水的制备 在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏中，只有水蒸气能透过膜孔进 入冷侧，这样可望得到超纯水。南通合成材料厂曾以反渗透水或离
第二节 膜蒸馏
膜蒸馏是采用疏水性微孔膜，以膜两侧蒸汽压力差为传质推动 力的膜分离方法。早在 1967 年 Findley 就提出了膜蒸馏的概念，但 直到上世纪 80 年代随着聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等疏水性 微孔膜的开发，膜蒸馏的理论和应用研究才有了较大进展。
一、膜蒸馏过程及分类 在操作膜蒸馏过程时，由于膜两侧的温度不同，一侧称为暖侧， 另一侧称为冷侧。在暖侧，膜与热的待处理水溶液直接接触，水溶
疏水微孔平板膜
亲水微孔平板膜
图 14-1 疏水性微孔膜萃取示意图 图 14-2 亲-疏水复合膜萃取示意图
宽对萃取剂物性的要求。便于选用高浓度、高效萃取剂。 3． 避免了传统萃取的反混、 传统的萃取过程一般采用连续相与分散相液滴群的逆向流动，
轴向混合严重；另外，萃取设备的生产能力也将受到液泛总流速的 限制。在膜萃取过程中，料液相和溶剂相分别在膜两侧流动，使过 程免受“反混”的影响和“液泛”条件的限制。
二、膜蒸馏的特点 1．膜蒸馏过程虽然也有相变，但在较低温度、非沸腾状态下进 行。因此操作条件温和，在常压和接近室温下便可有足够的推动力， 实现水的传递。可以有效地利用一些低值废热、地热、太阳能作为 热源。 2．在膜蒸馏操作过程中，仅有水蒸气通过膜孔到达冷侧，因此 在冷侧可以得到纯水，同时实现热侧溶液的浓缩。
有机相界面，二相间通过该固定的相界面进行传质。同样，两相间
的压差也不能超过临界突破压差 pcr 。pcr 与膜性质、选用体系等 相关。表 14-1 是实验测得的某些体系的临界突破压差pcr 。
表 14-1 部分体系临界突破压差的实验测定值
萃取膜平均孔径Fra bibliotek体系孔内液体 pcr
聚丙烯 (Hoechst Celanese)
4． 可以实现同级萃取和反萃取 膜萃取可以实现同级萃取和反萃取过程，尤其是中空纤维膜器 的优势更加突出。
三、膜萃取基本原理 1，膜萃取传质方程 膜萃取传质模型：假设膜的微孔被有机相（或水相）完全浸满， 微孔膜有一定的弯曲度和等直径的均匀孔道，忽略微孔端面液膜的 曲率对传质的影响。膜萃取过程的传质阻力将由有机相边界层阻力、 水相边界层阻力和膜阻三项构成。 根据一般传质过程的阻力叠加法则，可以得到式 14-1、14-2。
第十二章 新型膜分离技术
膜萃取、膜蒸馏、膜吸收是膜分离过程与传统分离过程交叉组 合的新型膜分离技术。
第一节 膜萃取
一、膜萃取过程 膜萃取又称为固定膜界面萃取，它是膜过程和液-液萃取过程相 结合的新型分离技术。与通常的液-液萃取不同的是传质过程在分隔 料液相和溶剂相的微孔膜的表面进行，因此也可以称为支撑型液膜。 图 14-1 是疏水性微孔膜萃取过程示意图。 在有机相与水相间置以疏水性微孔膜， 有机相将优先浸润膜， 并进入膜孔。当水相的压力等于或略大于有机相的压力时，在膜孔 的水相侧形成有机相与水相的界面。该相界面是固定的，溶质通过 这一固定的相界面从一相传递到另一相，然后扩散进入接收相的主 体，完成膜萃取过程。 当采用亲水性微孔膜时，则水相将优先浸润膜，并进入膜孔； 若采用一侧亲水，另一侧疏水的复合膜，则亲-疏水复合膜的界面处 就是水和有机相的界面，见图 14-2。
三、膜蒸馏过程的传质 1．非挥发性溶质稀水溶液的膜蒸馏传质规律 通常非挥发性溶质稀水溶液的膜蒸馏溶质截留率近于 100%， 膜蒸馏通量的方向是从暖侧到冷侧，且随膜两侧温差的增大而增加。
当膜两侧温差一定时，膜蒸馏通量随暖侧溶液温度的提高而增加， 即提高暖侧温度比降低冷侧温度对提高蒸馏通量更有效。
另外，膜蒸馏通量还与膜两侧水蒸气压差呈线性关系。 2． 非挥发性溶质浓水溶液的膜蒸馏传质规律 由于各种因素的干扰，浓水溶液的膜蒸馏通量的方向不一定是 从暖侧到冷侧。当膜两侧温差大于一定值时，蒸馏通量与稀水溶液 相似，即随暖侧溶液温度和膜两侧水蒸气压差的提高和而增加；膜 两侧温差小于一定值时，通量则为负，即冷侧纯水将进入暖侧溶液， 其绝对值随温差增加而降低、随暖侧溶液温度的提高而降低，并均 呈线性关系。通量与膜两侧水蒸气压差的关系没有明显规律。 膜蒸馏通量随溶液浓度的增加而降低，但对于容易结晶的溶质 如氯化钠，在两侧温差足够大时，即便到达了过饱和状态膜蒸馏仍 然可以进行，这时溶液中会不断析出氯化钠晶体，即出现“膜蒸馏结晶现象”。 2． 挥发性溶质水溶液的膜蒸馏传质规律 由于溶质是挥发性的，可以透过膜孔，该过程的技术指标不是 溶质截留系数，而是分离系数，蒸馏液的组成取决于溶质挥发性的 大小。
界面张力对临界突破压差 pcr 影响较大。
五、膜萃取过程的应用 1． 金属萃取
膜萃取在分离金、铜、锌、铁、汞、铬、镍等离子方面都有应 用研究。如，Schoner 等采用错流式中空纤维膜萃取器，在 ZnSO4/ 双-2-乙基己基磷酸盐/异十二烷体系中分离 Zn2+，可以使 Zn2+浓度由 100mg/L 降至 2mg/L。另外，膜萃取在金属离子时，有很高的选择性， 如 Argiropulos 等从盐酸溶液中萃取 Au3+时，即便有 Cu2+存在，Au3+ 的萃取率仍然很高。
2． 有机物萃取 膜萃取在有机物分离方面也有很多应用研究。如以甲基异丁基 甲酮-醋酸正丁酯为萃取溶剂，萃取含酚水溶液中的苯酚；以 N-甲 基吡咯烷酮为萃取溶剂，萃取甲苯-正己烷混合物中的甲苯。膜萃取 也可以分离提纯药物，如以苯或甲苯为萃取溶剂，萃取氨水溶液中 的 4-甲基噻唑、4 氰基噻唑等。 3． 发酵产物萃取 发酵法是生产有机化工原料的重要方法之一，而发酵产物有时 又会产生抑制发酵的作用。如丁酮可以通过葡萄糖的厌氧发酵制得， 但丁酮又会抑制微生物的发酵反应，将其不断从料液中移出，就会 提高过程收率。Matsumra 把膜萃取运用到葡萄糖发酵制取丁酮的过 程，取得良好的效果。用膜萃取处理发酵产物乳酸、乳酸盐的报道 也很多。
0.02 μm
再生纤维素 (ENKA)
0.004 μm
再生纤维素
( MFS ) 醋酸纤维素
( MFS )
0.45 μm 0.2 μm
正庚烷-NM P-甲苯 正庚烷-NM P-甲苯 正丁醇-水-琥珀酸 正丁醇-水-琥珀酸
二甲苯-水-醋酸 二甲苯-水-醋酸 M IBK-水-醋酸
NM P 正庚烷 正丁醇
水 二甲苯
对于疏水膜
1 1 1 1 Kw kw kmm k0m
14-1
1
对于亲水膜
1 11 1
14-2
Kw kw km k0m
式中
K w ——总传质系数； kw ——水相分传质系数；
km ——膜内分传质系数；
k0 ——有机相分传质系数
m ——相平衡分配系数。
式 14-1、14-2 中的膜阻可分别表示为式 14-3、14-4。
子交换水为原水，经过膜蒸馏处理后，得到比电阻为 18.2MΩ·cm，
水质达到 4Mbit 的超纯水。
4
3． 浓缩和回收 膜蒸馏可以处理极高浓度水溶液，在化学物质水溶液的浓缩方 面具有很大潜力。吴庸烈等用膜蒸馏方法处理人参露和洗参水，使 其中所含的微量元素、氨基酸和人参皂甙得到有效浓缩；王世昌用 膜蒸馏方法浓缩蝮蛇抗栓酶、余立新浓缩古龙酸水溶液、Zarate 等 人浓缩牛血清蛋白都得较好的结果。 4． 挥发性溶质水溶液的分离 利用水和溶质挥发性的差别，经膜蒸馏方法处理可以改变原料 液的组成。现在人们已经成功地从水溶液只分离出挥发性的丙酮、 乙醇、乙酸乙酯、异丙醇、甲基叔丁基醚和苯等。
疏水膜膜阻
1 mtm
14-3
km D0 m
亲水膜膜阻
1 mtm
14-4
km Dw m
式中
m ——弯曲因子， m >1；
tm ——膜厚；
m ——微孔膜孔隙率； D0 ——溶质在有机溶剂中的自由扩散系数； Dw ——溶质在水溶液中的自由扩散系数。
2．临界突破压差 pcr
膜萃取操作时必须保持水相和有机相之间有适当的压差。对疏
3
液中的水在膜表面汽化，水蒸气通过膜孔传递到膜的冷侧，被冷却 成水。
根据冷侧水蒸气的冷凝方法或排除方法的不同，膜蒸馏过程可 以分为以下几类。
1．直接接触式 热溶液和冷却水分别与膜的两侧表面直接接触，传递到冷侧的 水蒸气被直接冷凝到冷却水中。这种方式适用于平板膜或中空纤维 膜，膜器结构简单，水通量大。 2．空气间隙式 也称间接式。冷侧的冷却水介质与膜之间有一 个冷却板，膜与冷却板之间存在空气间隙，通过膜孔和间隙后的水 蒸气在冷却板上冷凝。这种方式可以直接得到冷凝的纯水，对冷却 水的纯度要求低，适用于平板膜。 3．减压式 也称真空式。在膜的冷侧采用抽真空的方式，增大 膜两侧的水蒸气压力差，从而得到较高的蒸馏通量，透过的水蒸气 在膜器外冷凝。 4．气流吹扫式 冷侧通入干空气进行吹扫，把透过的水蒸气带 出膜器外冷凝。
二、膜萃取的特点 1．萃取剂损失小 传统的萃取过程为了有利于传质的进行，要尽可能增加传质比 表面积，通常使一相以液滴的形式分散于另一相中，尔后再重新聚 结分相。而膜萃取没有传统萃取过程中的相分散和凝聚过程，这样 可以减少萃取剂在料液相中的夹带损失。 2． 萃取剂物性要求低 在膜萃取过程中，料液相和溶剂相分别在膜两侧流动，可以放