液膜分离技术的研究及其应用

液膜分离技术的研究及其应用摘要：本文综述了液膜的类型，传质机理，特点及其应用的研究进展，以及目前需要解决的问题。关键词：液膜分离；液膜分类；传质机理，液膜分离应用StudiesandApplicationofLiquidMembraneSeparationTechnologyAbstract:Reviewedinthisarticletheofliquidmembraneseparationtechnology,themasstransfermechanism,characteristicsandapplicationresearch.Inordertomakethetechnologycanrealizelarge-scaleindustrialapplications,theneedtosolvetheproblem.Keywords:liquidmembraneseparationtechnologyclassificationmasstransfermechanismapplication在工业技术日益发达的今天，液膜分离技术在供水，工艺水处理,废水处理，气体分离、浓缩技术等方面都起到了至关重要的作用。液膜模拟生物膜的结构通常是由膜溶剂、表面活性剂和流动载体组成。它利用选择透过性原理以膜两侧的溶质化学浓度差为传质动力，使料液中待分离溶质在膜内相富集浓缩，分离待分离物质。本文对液膜分离技术的研究及其应用作了详细的综述。1概述液膜是悬浮在液体中的一层极薄的膜，这层膜是分隔液-液，气-液，气-气两相的中介相，它是两相之间进行物质传递的桥梁。通常由膜溶剂，表面活性剂和膜增强添加剂等组分构成[1]。60年代中期,Both等采用制成液膜研究了金属提取过程，他们将支撑液膜称为固定化液膜。1968年，黎念之（N.N.Li）博士[2]在用duNuoy环法测定含表面活性剂水溶液与油溶液之间的界面张力时，观察到了相当稳定的界面膜，由此开创了研究液体表面活性剂膜或乳化液膜的历史。1972年，Cusler[3]仿照生物膜的物质传递现象，制成了含有载体的仿生膜，从而使液膜分离选择性得到很大的提高。1986年，Marr[4]等与企业合作从粘胶废液中回收锌的中试规模装置运转获得成功，使液膜分离技术向工业化应用迈出了重要的一步，推动了液膜研究工作的大量开展。目前己经深入研究和开发的膜分离技术有微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、渗透汽化和气体分离等。正在开发研究中新的膜过程有：膜蒸馏、支撑液膜、膜萃取、膜生物反应器、控制释放膜、仿生膜以及生物膜等过程。膜分离技术的特性及应用见表1。表1膜分离技术的特性及应用[1]膜分离法分离原理传质推动力应用举例微滤（MF）筛分压差（0.05～0.5Mpa）储菌、回收菌、分离病毒超滤（UF）筛分压差（0.1～1.0Mpa）蛋白质和多糖的回收与浓缩反渗透（RO）筛分压差（1.0～10Mpa）盐、氨基酸浓缩，淡水制造透析（DS）筛分浓差脱盐，除变性剂电渗透（ED）荷电、筛分电位差脱盐、氨基酸的分解纳滤（NF）筛分压力差(0.5～1.5MPa)果汁浓缩，渗透2液膜的类型2.1根据组成分类按组成可分为:油包水型(膜相为油质而内外相都为水相)和水包油型(膜相为水质而内外相都为油相)两种。2.2根据机理分类按机理可分为:膜相中含载体[5]和不含载体两类。膜相主要由载体和溶剂组成。载体在膜相中通过萃取反应和反萃取反应，使溶质在液膜两侧不断传递，以达到脱除的效果。膜相中不含载体，则是利用溶质在膜相中的渗透速率的差别进行物质分离。2.3根据液膜构成和操作方式分类按组成和操作方式分为:乳化液膜[6](Emulsionliquidmembrane)和支撑液膜[7](Supposedliquidmembrane)两类。(1)乳化液膜(ELM)乳化液膜体系是一个三相系统，其中由两相构成的乳化液分散在另一连续相溶液中，这样形成的体系称为多重乳化液。乳状液膜ELM可看成为一种“水一油一水”型(w／o／w)或“油一水一油”型(o／w／o)的双重乳状液高分散体系，将两种互不相溶的液相通过高速搅拌或超声波处理制成乳状液，然后将其分散到第三种液相(连续相)中，就形成了乳状液膜体系[8]。乳状液膜是一个高分散体系，提供了很大的传质比表面积。待分离物质由连续相经膜相向内包相传递。在传质过程结束后，乳状液通常采用静电凝聚等方法破乳，膜相可重复使用，内包相经进一步处理后回收浓缩的溶质。(2)支撑液膜(SLM)将多孔惰性基膜(支撑体)浸在溶解有载体的膜溶剂中，在表面张力的作用下，膜溶剂即充满微孔而形成支撑液膜SLM，它具有很高的选择性。支撑液膜体系由料液、液膜和反萃液三个相以及支撑体组成。支撑液膜是借助微孔的毛细管力将膜溶液牢固的吸附在多支撑体的微孔之中，在膜的两侧是与膜相互不相溶的料液相和反萃液相，待分离物质自料液相经多孔支撑体中的液膜相向反萃液相传递。3液膜的传质机理液膜分离技术是膜技术的一个重要分支，其分离作用与固体膜相类似，而操作方式又类似于溶剂萃取。液膜的传质推动力基于溶质在液膜两侧界面化学位之差异，即溶质透过液膜的传递受控于膜两侧的浓度差。按膜相是否有载体，可分为无流动载体液膜和有流动载体液膜。当液膜中不含有流动载体时,其分离的选择性主要取决于溶质在液膜中的溶解度。使用含流动载体的液膜,其选择性分离主要取决于所添加的流动载体，所以提高液膜的选择性的关键在于选择合适的流动载体。流动载体除了能提高选择性之外,还能增大溶质通量，它实质上是流动载体在膜内外2个界面之间来回穿梭地传递被迁移的物质液膜分离的操作过程简单，分为三道工序：乳液制备、传质、破乳。以乳状液膜对废水处理过程为例：（1）乳液制备：针对不同的废水，选择合适的膜溶剂表面活性剂及内水相，在搅拌作用下后制成的W/O乳液；（2）传质：这个阶段直接影响到废水处理的效果，是液膜技术的关键。将W/O乳液分散到待处理废水中,形成W/O/W乳液。废水中的待分离组分,通过选择性渗透、化学反应、萃取和吸附等作用进入内相,与内相中的特定组分发生反应,从而富集到内相；（3）破乳：W/O/W乳液经一段时间传质后,静置,分层,水层为出水,油层为油相与内水相的乳状液，富集废液离子后,要达到离子的回收及膜材料的重复利用,还必须破乳。4液膜分离技术的应用4.1在饮用水制取中的应用随着水体的污染和人民生活水平提高，人们越来越希望得到高质量的饮用水供给。采用活性炭吸附过滤和超滤结合制取高质量饮用水，设备投资少，制水成本低,是优质饮用水制备的经济有效方法，具有广阔的市场前景。膜分离技术在饮用水制取方面得到了广泛应用，而且处理规模也越来越大。仅应用超滤工艺的水厂中净化规模每天在20×104m3以上的已有数座，超滤水厂的总处理量已超过每天800×104m3[9]。还有许多厂家利用微滤工艺进行处理。微滤可以有效去除小颗粒有机物和悬浮固体，但天然和人工合成的有机物仅用微滤的方法是不能去除的，需要与其他方法相结合，微滤结合混凝、吸附预饮用水越来越引起人们的关注，赵鹏[10]等人用两个PAC结合微滤技术处理河水，在两个反应器中维持很高的出水通量达到167L/m2·h，实验证明不同粒径的PAC，在高通量下都对有机物有很好的去除率。韩国的Jeong等人研究微滤结合在线快速搅拌器加混凝剂生产饮用水，当加入混凝剂为1.1mg/L时，膜阻力最小，电势接近于零，此时具有很好的处理效果。4.2在废水处理中的应用[11]随着工业化的发展，大量的工业废水和生活废水排入水体中，严重影响了水质。为了保护环境不受污染，并能回收一些有用物质，需对工业和生活污水进行处理，以达到排放标准要求。废水处理中常采用超滤和纳滤技术。据研究采用纳滤技术处理城市污水，可有限地降低水的浊度、色度及有机物；经超滤处理后的出水可用于循环冷却水、造纸用水等对水质要求不高的工业用水水源，这大大地提高了水的利用率。4.3在生物技术中的应用[12]在生物技术方面,膜技术也有各种应用，其中应用最广泛的是微滤和超滤技术。例如：从植物或动物组织萃取液中进行酶的精制；从发酵液或反应液中进行产物的分离、浓缩等。膜技术应用于蛋白质加水分解或糖液生产，有助于稳定产品质量,提高产品的收率和降低成本。由于应用分离膜可以在室温下进行物理化学分离，所以它特别适合于热敏性生物物质的分离。可以想象膜分离技术在生物技术方面将会得到越来越广泛的应用。但膜技术用于生物技术也有一些问题，其中最主要的是：与色谱法比较，分离精度不高。同时多组分分离做不到；膜上容易形成附着层,使膜的通量显著下降；操作结束后，膜清洗困难；膜的耐用性差。这几点是影响膜技术在生物工程领域应用的最主要的原因。因此，如何改进和解决上述问题就成为膜分离技术在该领域应用的主要研究方向。4.4在医药工业和医疗设备中的应用膜分离技术在这方面的应用已经有30多年的历史,现在微滤、超滤、反渗透和渗透等膜技术已经在医药和医疗设备上得到了广泛的应用[13]。在制药工业中膜技术主要用于：①利用微滤技术进行药物澄清；②利用超滤和反渗透技术进行药液精制和浓缩；③利用分渗透技术制备灭菌水，除热原水和注射水等；④渗析技术在医药科学中的典型应用是人工模拟肾脏进行血液的透析分离；⑤利用亲合膜技术,通过在膜上固载特定的功能配位键。在医疗设备方面除了用于药物控制释放的膜技术外，膜式人工肺、人工肾也都应用了膜分离技术。随着新的膜材料的出现以及膜成本的降低，膜技术将会在医药和医院中起到更重要的作用。4.5在环境工程中的应用随着工业的进一步发展，水源和大气被污染更加严重，这就要求人们提高对它们进行处理净化的能力，因此膜分离技术在环境工程中的地位越来越突出应用膜分离技术来处理工业废水、废气已经被证明是卓有成效的，在不少废水处理中膜分离技术能实现闭路循环，在消除污染的同时变废为宝，取得了较大的经济效益和社会效益。除了微滤、超滤、反渗透、电渗析的过程外，渗透汽化的其他膜技术也将在21世纪的环境工程中发挥极其重要的作用。除了上述几方面的应用外，当前膜分离技术的应用几乎涉及到国民经济的各个生产研究部门甚至是国防建设领域中。5液膜分离技术的发展前景及问题目前膜分离技术在许多方面得到广泛应用，而且在某些方面应用得还比较成熟。在对产品质量要求不断提高、生产成本要求不断降低的今天，膜技术的优势越来越明显，其必将取代传统的低效分离技术。但我们也应该清醒的认识到，膜分离技术的大量应用毕竟是近几十年开始的，许多方面还不成熟，还有待进一步深入的研究，笔者认为主要面临三个方面的主要问题，即选择性问题、通量稳定性问题和产值问题。选择性问题应集中于膜材料的研究，继续开发功能高分子膜材料和无机膜材料。对仿生膜、高效电解质膜、分子识别型膜的研究需要达到智能化、高效化和专一化目标。膜通量的稳定性和产值比问题应集中于渗透时的防污染和膜过程强化的研究上。无论采用那种类型的膜，都存在膜孔被堵塞、膜表面形成黏性附层等膜污染问题，这极大的影响了通量的稳定性和产值比。因此应研究一种适用面广的强化膜过程分离技术，以减少膜污染、增大过滤通量、延长膜寿命。这需要将许多因素结合起来综合考虑，如选择合适的膜材，合理的膜组件设计、具有针对性的清洗和防污染方法、以及周密的工艺流程设计等方面。虽然膜分离技术的广泛成熟应用在许多方面离产业化要求还有很长的距离，但是随着新型膜材料的不断开发、高效的强化膜过程分离技术研究的不断深入，膜分离技术应将得到更加广泛的应用，其在未来是世界各国研究的热点，它将在各个领域发挥更引人注目的作用。因此，目前膜分离技术已成为分离混合物的重要方法，越来越受到人们的重视，其应用前景必将更加广阔。6结论在化工技术快速发展的今天，膜分离作为一种新型的分离单元操作过程，在技术进步、产品结构调整、节省能源及污染防治方面日益显示出其强大的生命力和竞争能力。随着技术的发展，可以预见，2l世纪的膜技术将在同其他各学科交叉结合的基础上，形成一门比较完整、系统的学科。它将在人类社会的发展史上起到不可替代的重要作用。参考文献[1]余夏静，叶雪均．液膜技术及