新型分离技术3教学课件

第二章特殊萃取

第一节化学萃取液—液萃取又称溶剂萃取，简称萃取，是分离液体混合物的一种单元操作。萃取的原理：利用原料液中各组分在溶剂中溶解度的差异实现组分的分离。如以三氯乙烷为溶剂从丙酮水液中萃取丙酮。以液态丙烷为溶剂从油酸与棉子油混合物中萃取油酸等。萃取分离可分为物理萃取和化学萃取。物理萃取是基本不涉及化学反应的物质传递过程。化学萃取是伴有化学反应的传质过程，即在溶质与萃取剂之间存在化学作用。化学萃取的相平衡关系非常复杂，它是溶质在两相中的不同的化学状态之间的平衡，服从于相律和一般化学反应的平衡规律。2-1-2溶质与萃取剂之间的化学作用(1)络合反应(2)阳离子交换反应(3)离子缔合反应2-1-3化学萃取的相平衡(1)萃取等温线分配系数（分配比）D

(2-5)

(2)

化学萃取相平衡关系式(3)萃合物组成的确定(4)化学萃取相平衡数据的关联2-1-5化学萃取的应用——络合萃取法分离有机稀溶液

稀醋酸水溶液的分离采用中性含磷络合剂，如磷酸三丁酯（TBP）、三辛基氧化膦(TOPO)、三烷基胺（Alamine336）

苯酚水溶液的分离采用25%（wt）三辛基氧化膦（TOPO）的二异丁基酮（DIBK）溶液。络合萃取法分离有机稀溶液是很有意义的，它的高效性可能导致一些颇有前途的工艺过程的开发。第二节液膜分离技术2-2-1概述

液膜分离技术是一种快速、高效和节能的新型分离技术（选择性高、通量大）。在化工、环境保护、气体分离、食品、生物医学、湿法冶金等领域得到应用。液膜分离技术按其结构和操作方式的不同,主要分为乳状液膜(LiquidSurfactantmembranes)和支撑液膜(SupportedLiquidmembranes)。1.乳状液膜乳状液膜实际上可以看成一种“水—油—水”型(W/O/W)或“油—水—油”型(O/W/O)的双重乳状液高分散体系。将两个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。0.1—5mm废水相(连续相)内包相微滴乳状液液滴膜溶剂表面活性剂添加剂液膜图2-10以液膜乳液处理水示意图x(μm)有效厚度1～10(μm)图2-10给出了一种乳状液膜处理废水的示意图。可以看出,这类液膜体系包括三个部分,膜相、内包相和连续相,通常内包相和连续相是互溶的,膜相则以膜溶剂为基本成分。为了维持乳状液一定的稳定性及选择性,往往在膜相中加入表面活性剂和添加剂。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(外相)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,膜相可以反复使用,内包相经进一步处理后回收浓缩的溶质。内水相回收相原液相(外水相、连续相)液膜相(载体,表面活性剂,膜强化剂,有机溶剂)溶质表面活性剂W/O/W型乳化液膜示意图2.支撑液膜支撑液膜是将膜相溶液牢固地吸附在多孔支撑体的微孔之中,在膜的两侧则是与膜相互不相溶的料液相和反萃相。待分离的溶质自料液相经多孔支撑体中的膜相向反萃相传递。这类操作方式比乳状液膜简单,其传质比表面积也可能由于采用中空纤维膜做支撑体来解决,过程易于工程放大。但是,膜相溶液是依据表面张力和毛细管作用吸附于支撑体微孔之中的,在使用过程中,液膜会发生流失现象而使支撑液膜的功能逐渐下降。

料液相（原液相）反萃相（回收相）液膜相(载体,有机溶剂)溶质疏水性多孔膜支撑液膜示意图25—50μΦ0.02—1μ支撑体膜材料的选择往往对过程影响很大。一般认为聚乙烯和聚四氟乙烯制成的疏水微孔膜效果较好,聚丙烯次之,聚砜膜做支撑的液膜的稳定性较差。在工艺过程中,一般需要定期向支撑体微孔中补充液膜溶液,采用的方法通常是在反萃相一侧隔一定时间加入膜相溶液,以达到补充的目的。2-2-2液膜的分离机理1.选择性渗透;2.滴内反应;3.膜相反应;4.萃取和吸附;图2-11液膜分离机理AB液膜进料(A)选择性渗透

进料C试剂(R)C+RP(B)滴内化学反应P——不溶于膜相的物质D+R1P1P1膜内试剂(R1)进料试剂(R2)DP1+R2P2+R1(C)膜相化学反应悬浮物质进料E(m)E(1)(D)萃取和吸附P1——中间产物P2——不溶物2-2-5液膜分离的工艺流程及应用1.乳状液膜分离工艺流程(1)乳状液膜的制备（制乳）;(2)接触分离;(3)沉降澄清;(4)破乳预处理沉降混合处理下料制乳破乳原料新鲜内相内相膜相1234图2-19液膜分离的一般性工艺流程溶质2.液膜分离技术的应用(1)烃类混合物的分离;(2)含酚废水处理;(3)从铀矿浸出液中提取铀。乳状液膜与支撑液膜的比较乳状液膜的优缺点:(1)要使W/O乳化液分成有机膜相和内水相,需设置乳化器与破乳器;(2)其分离过程相当复杂;(3)膜面积非常大,一般为1,000～3,000m2/m3(液体体积),因此透过速度十分高;(4)若想使原液相接近活塞流状态,必需进行多级化分离；(5)在溶剂萃取中,由于油水两相基本上已达到平衡状态,因而采取逆流操作的方法,且分离各级必需设置沉降器。相反,对乳化液膜法来说,因内水相的反萃取剂捕集透过物的容量比较大,可采取顺流操作方法,各萃取槽不必设沉降器。支撑液膜的优缺点:(1)不必为相分离而设置沉降器(但当使有机膜相向膜支撑体中含浸时,需要小型油水分离器),因而有机相的损耗较少;(2)膜的调制是单一的含浸操作,与载体固定膜(使载体与膜支撑体化学结合的膜)相比工序简单,可广泛采用溶剂萃取试剂作载体;(3)多孔支撑体的价格昂贵;(4)在中空丝式、螺卷式等组件中,因原液相可接近活塞流状态,所以可达到高脱除效果;(5)容易设计和放大;(6)细孔内的有机相,由于溶解于水相或被水相所置换而使膜劣化。膜的厚度难以做成数十微米以下,因此膜的阻力增大,流速变小;(7)必须令有机相再含浸于液膜支撑体内,才能使液膜再生。第三节膜萃取膜萃取是膜过程与液液萃取过程相结合的新的分离技术。又称为固定膜界面萃取。膜萃取的优点在于：(1)可减少萃取剂在料液相中的夹带损失；(2)过程本身对萃取剂物性的要求不高；(3)不受返混的影响和液泛条件的限制；(4)可以实现同级萃取反萃过程；(5)避免膜孔中内溶剂的流失。料液萃取剂膜萃取原理图1342图2-22槽式实验装置简图1—搅拌器；2—微孔膜；3—有机相；4—水相1第四节超临界流体萃取2-4-1基本原理

超临界流体萃取利用超临界流体作为萃取剂,从液体或固体中萃取出待分离的组分。与萃取操作相比较,它们同是加入溶剂,在不同的相之间完成传质分离。不同的是,超临界流体萃取中所用的溶剂是超临界状态下的流体,该流体具有气体和液体之间的性质,且对许多物质均具有很强的溶解能力,分离速率远比液体溶剂萃取快,可以实现高效分离。表2-3某些超临界流体萃取剂的临界特性在稍高于临界点温度的区域内,压力稍有变化就会引起密度的很大变化,且超临界流体的密度接近于液体的密度,其对液体、固体物质的溶解度与液体溶剂的溶解度比较接近。利用超临界流体的特性,在高密度(低温、高压)条件下,萃取分离所需物质,然后稍微提高温度或降低压力,可以将萃取剂与待分离物质分离。在超临界流体萃取操作中,其操作温度一般较其临界值高10～100℃,压力为5～30MPa从表2-4可以看出,超临界流体的密度与液体比较接近,而粘度却接近于普通气体,自扩散能力比液体大100倍。表2-4超临界流体与气体、液体传递性质的比较超临界流体萃取的过程特征：(1)超临界流体萃取一般选用化学性质稳定,无腐蚀性,其临界温度不过高或过低的物质做萃取剂,这类分离技术特别适用于提取或精制热敏性、易氧化物质。(2)超临界流体萃取剂具有良好的溶解能力和选择性,且溶解能力随压力增加而增大。降低超临界相的密度可以将其包含的溶质凝析出来,过程无相变。(3)由于超临界流体兼有液体和气体的特性,其萃取效率一般要高于液体溶剂萃取。(4)选用无毒性的超临界流体(如CO2)做萃取剂,不会引起被萃物质的污染,可以用于医药、食品等工业。(5)超临界流体萃取属于高压技术范畴,需要有与此相适应的设备。2-4-4超临界流体萃取的典型流程及应用1.超临界流体萃取的典型流程(1)等温法(2)等压法13P124T1=T2P1>P21—萃取槽；2—膨胀阀；3—分离槽；4—压缩机T1T2P2溶质13P124T1<T2P1=P21—萃取槽；2—加热器；3—分离槽；4—泵；5—冷却器P2T2T15溶质(3)吸附法13P124T1=T2P1=P21—萃取槽；2—吸附剂；3—分离槽；4—泵；P2T2T1图2-42超临界萃取的三种典型流程表2-5醇分离的产品纯度与能耗*以蒸馏法的能耗为100%2.超临界流体萃取技术的应用前景(1)天然产物中有效成份的分离提取(2)化学产品的分离精制(3)超临界CO2处理食品原料(4)超临界流体萃取有生化工程中的应用第五节双水相萃取技术

早在1896年，Beijerinek在把明胶和琼脂或可溶性淀粉混合时发现，两种亲水性的高分子聚合物并非混为一相，而是出现了两个水相的成相现象。利用这类双水相成相现象及待分离物质在此两相间所具有的分配系数，来实现提纯目的的分离方法，称为双水相萃取技术。双水相萃取技术主要应用于生物物质的分离与提纯，如核酸细胞、各种酶、蛋白质、细胞器和菌体的分离等。常见于生物产物分离的高聚物/高聚物双水相体系有聚乙二醇(PEG)/葡萄糖(dextran),高聚物/无机盐体系有聚乙二醇/磷酸盐和聚乙二醇/硫酸盐体系。双水相萃取技术的特征：(1)可选用对生物物质活性无害的高聚物和无机盐等进行分