液膜分離技術概論

唐冰

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

關鍵詞：液膜分離；新型技術；發展

前言

隨著經濟的不斷發展和科技的不斷進步，一些新興的技術得到重視并被運用于各行各業之中，其中就包括液膜分離技術。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，觀察到了相當穩定的界面膜，開創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，它以傳質速率高、良好的選擇性、成本低等特點，成為分離、純化溶質的有效手段。[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%是穩定油水分界面的重要組分，對液膜的穩定性、滲透速度和分離效率等有直接關系。流動載體是對預提取的物質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定性。

二、液膜的分類

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

根據構型不同，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，所以界面平穩界面積恒定，遷移接近一種穩態過程，具有操作簡單、使用成本低廉等特點。[7]但缺點是傳質面積相對較小，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、不產生二次污染等優點。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]這種體系包括內相、膜相和外相三個部分。內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，待分離物質自料液相經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，傳質阻力較大，但不需要制乳和破乳，操作簡單，更適合于工業應用。[8]

三、傳質機理

（一）選擇性滲透

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

（二）滴內化學反應

滴內化學反應采用在溶質的接受相（如內相）添加與溶質能發生化學反應的試劑，通過化學反應來促使溶質高效快速遷移。

（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的濃度很低時，單純擴散已經達不到物質分離要求，此時膜相中的載體選擇性與待分離溶質結合，通過自由擴散擴散到膜內，從而實現物質遷移。載體輸送類似能量泵的作用，使指定溶質或離子從低濃度區沿反濃度梯度方向向高濃度區持續遷移，且不會被消耗。

2、逆向遷移：溶液中含有離子型載體時溶質的遷移過程。在膜左側界面，供能物質B脫離載體C進入料液相，并釋放能量，料液中A與載體C結合，生成絡合物AC，AC在膜內向右擴散。在膜右側界面，B與載體C絡合，并將A釋放至接收相，最終結果就是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的遷移過程。待提取溶質A和供能溶質B傳遞方向相同，在膜左側界面，A、B與載體C反應生成的絡合物ABC在膜內向右擴散。當ACB抵達膜右側界面時，發生解絡反應，釋放溶質A和供能物質B，而載體C自由擴散向左繼續參與循環。

四、展望

液膜分離技術在濕法冶金、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。而且液膜分離技術還處在發展階段，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，從實踐中不斷的完善，盡早實現工業化。

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.1999，19（6）：10-15.

[6] 張瑞華. 液膜分離技術[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.現代化工，2004，24（4）：15-18.

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