液膜分离技术概论

唐冰

摘 要：液膜分离技术是膜技术中发展出来的新型多学科交叉技术，具有高效环保、传递性强等优点。本文主要介绍了液膜分离技术的发展概况、液膜的定义和分类以及三种传质机理，最后对液膜技术的发展前景进行了展望。

关键词：液膜分离；新型技术；发展

前言

随着经济的不断发展和科技的不断进步，一些新兴的技术得到重视并被运用于各行各业之中，其中就包括液膜分离技术。上世纪30年代，Osterbout[1]观察到钠与钾透过含有弱有机酸载体的“油性桥”的现象，提出了促进传递概念。上世纪60年代中期，Bloch[2]等采用支撑液膜研究了金属提取过程，Ward与Robb[3]研究了CO2与O2的液膜分离，他们将支撑液膜称为固定化液膜。1968年Li[4]在用du Nuoy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，开创了研究液体表面活性剂膜或乳化液膜的历史。

液膜一直是一个十分活跃的研究课题，它以传质速率高、良好的选择性、成本低等特点，成为分离、纯化溶质的有效手段。[5]

一、液膜的定义

液膜是悬浮在液体中很薄的一层乳液微粒。它能利用液膜对物质的选择渗透性，把两个组成不同而又互溶的液体隔开，并通过渗透分离将这一种或者一类物质分离。

液膜主要由膜溶剂、表面活性剂、流动载体和膜增强添加剂四部分组成。[6]液膜90%以上的组成成分是膜溶剂，一般为水或有机溶剂；表面活性剂占1-5%是稳定油水分界面的重要组分，对液膜的稳定性、渗透速度和分离效率等有直接关系。流动载体是对预提取的物质进行选择性搬运迁移，对膜的选择性和膜的通量起决定性作用。膜增强添加剂用于进一步提高膜的稳定性。

二、液膜的分类

根据组成不同液膜可分为：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。

根据构型不同，液膜分为厚体液膜、乳化液膜和支撑液膜。

（一）厚体液膜

厚体液膜是用一层相对较厚的不混溶的流体将料液相与接收相分开，仅借助不可混溶性与其它相分开。一般采用U型管式传质池，上端两边分别为料液相和接受相，下部为液膜相，由于膜层较厚，所以界面平稳界面积恒定，迁移接近一种稳态过程，具有操作简单、使用成本低廉等特点。[7]但缺点是传质面积相对较小，传递速率低，溶剂用量较大，所以此方法还局限于实验室研究。

（二）乳化液膜

乳化液膜应用最广泛，具有效率高、成本低、可操作性强、不产生二次污染等优点。它是利用表面活性剂的乳化作用，将两种互不相溶的液相制成乳液，再通过高速搅拌将乳液分散在被处理的液相中得到的一种多相体系，中间相将待处理相与接收相隔开，形成“水-油-水”（W-O-W）或“油-水-油”（O-W-O）体系。[8]这种体系包括内相、膜相和外相三个部分。内相为接受被分离组分的液体，外相为需要被分离组分的料液，内相和外相一般是互溶的。

（三）支撑液膜

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。支撑液膜是将膜相溶液牢固地吸附在多孔支撑体的微孔中，形成微孔固膜支撑，与膜相互不相溶的料液相和反萃取相分别位于膜的两侧，待分离物质自料液相经多孔支撑膜中的膜相向反萃取相传递。由于将液膜含浸在多孔支撑体上，支持液膜可以承受较大的压力，且具有更高的选择性。支撑液膜比乳化液膜厚，通道弯曲，传质阻力较大，但不需要制乳和破乳，操作简单，更适合于工业应用。[8]

三、传质机理

（一）选择性渗透

该分离机制的液膜中不含流动载体，内、外水相中也没有与待分离物质发生化学反应的试剂，只依赖待分离组分在膜中的溶解度和扩散系数的差异，导致透过膜的速度不同而实现分离。

（二）滴内化学反应

滴内化学反应采用在溶质的接受相（如内相）添加与溶质能发生化学反应的试剂，通过化学反应来促使溶质高效快速迁移。

（三）膜相化学反应

膜相化学反应分为三类：促进扩散迁移、逆向迁移和同向迁移。

1、促进扩散迁移：当外相中的待分离溶质的浓度很低时，单纯扩散已经达不到物质分离要求，此时膜相中的载体选择性与待分离溶质结合，通过自由扩散扩散到膜内，从而实现物质迁移。载体输送类似能量泵的作用，使指定溶质或离子从低浓度区沿反浓度梯度方向向高浓度区持续迁移，且不会被消耗。

2、逆向迁移：溶液中含有离子型载体时溶质的迁移过程。在膜左侧界面，供能物质B脱离载体C进入料液相，并释放能量，料液中A与载体C结合，生成络合物AC，AC在膜内向右扩散。在膜右侧界面，B与载体C络合，并将A释放至接收相，最终结果就是A从料液相传递到接受相，B从接受相传递到料液相。

3、同向迁移：含有非离子型载体时溶质的迁移过程。待提取溶质A和供能溶质B传递方向相同，在膜左侧界面，A、B与载体C反应生成的络合物ABC在膜内向右扩散。当ACB抵达膜右侧界面时，发生解络反应，释放溶质A和供能物质B，而载体C自由扩散向左继续参与循环。

四、展望

液膜分离技术在湿法冶金、金属离子回收、废水处理、生物制品分离与生物医药分离、化工分离等方面已显示出广阔的应用前景，潜力极大。而且液膜分离技术还处在发展阶段，有很多问题需要解决，比如说液膜的溶胀和破乳等方面的措施还不够理想；大多数研究仍处于试验阶段。因此我们还需深层次的探索和解析液膜分离技术，从实践中不断的完善，尽早实现工业化。

参考文献：

[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.液膜分离过程研究的新进展[J].膜科学与技术.1999，19（6）：10-15.

[6] 张瑞华. 液膜分离技术[M]. 南昌：江西人民出版社，1984：10-12.

[7] 谢锐，褚良银，曲剑波.手性拆分膜的研究与应用新进展.现代化工，2004，24（4）：15-18.

[8] 张牡丹，张丽娟，刘关，等.液膜分离技术及其应用研究进展[J].化学世界， 2015， 56（8）： 506-512.