现代分离技术,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第6章 新型萃取分离技术,*,第6章 新型萃取分离技术,6.1,超临界流体萃取,6.2 双水相萃取,6.3 凝胶萃取,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,1,第6章 新型萃取分离技术,第6章 新型萃取分离技术6.1 超临界流体萃取6.2 双,利用在两个,互不相溶,的液相中各种组分（包括目的产物）,溶解度,的不同，从而达到分离的目的,液-液萃取,固-液萃取,萃取,11/18/2024,2,第6章 新型萃取分离技术,利用在两个互不相溶的液相中各种组分（包括目的产物）溶解度的不,常规液-液萃取是利用液液混合物各组分在另一溶剂中溶解度的差异而实现分离。,A：溶质；,B：溶剂；,S：萃取剂。,11/18/2024,3,第6章 新型萃取分离技术,常规液-液萃取是利用液液混合物各组分在,Heavy phase,杂质,溶质,原溶剂,萃取剂,Light phase,11/18/2024,4,第6章 新型萃取分离技术,Heavy phase杂质溶质原溶剂萃取剂Light pha,溶剂的选择性：萃取相内A、B两组分之比大于萃余相内 A、B两组分之比。,11/18/2024,5,第6章 新型萃取分离技术,溶剂的选择性：萃取相内A、B两组分之比,11/18/2024,6,第6章 新型萃取分离技术,9/14/20236第6章 新型萃取分离技术,11/18/2024,7,第6章 新型萃取分离技术,9/14/20237第6章 新型萃取分离技术,完整的萃取过程：萃取-反萃取,稀醋酸水溶液的分离,11/18/2024,8,第6章 新型萃取分离技术,完整的萃取过程：萃取-反萃取稀醋酸水溶液的分离9/14/20,两相接触方式,微分接触：塔式设备,喷洒萃取塔,振动筛板塔,分级接触：槽式设备,混合沉降槽,单级萃取,多级错流,多级逆流,11/18/2024,9,第6章 新型萃取分离技术,两相接触方式微分接触：塔式设备喷洒萃取塔分级接触：槽式设备混,单级萃取,11/18/2024,10,第6章 新型萃取分离技术,单级萃取9/14/202310第6章 新型萃取分离技术,11/18/2024,11,第6章 新型萃取分离技术,9/14/202311第6章 新型萃取分离技术,连续逆流萃取装置,11/18/2024,12,第6章 新型萃取分离技术,连续逆流萃取装置9/14/202312第6章 新型萃取分离,11/18/2024,13,第6章 新型萃取分离技术,9/14/202313第6章 新型萃取分离技术,液液组成的表示方法,11/18/2024,14,第6章 新型萃取分离技术,液液组成的表示方法9/14/202314第6章 新型萃取分,6.1 超临界流体萃取,6.1.1 基本概念,超临界流体萃取(,S,upercritical,F,1uid,E,xtraction)，也叫气体萃取(Gas Extraction)、流体萃取(F1uid Extraction)、稠密气体萃取(Dense Gas Extraction)、蒸馏萃取(Destraction)，或称之为压力流体萃取(Pressure Fluid Extraction)。是以超临界条件下的流体为萃取剂，从液体或固体中萃取出特定成分，以达到某种分离目的的一种化工新技术。,11/18/2024,15,第6章 新型萃取分离技术,6.1 超临界流体萃取6.1.1 基本概念 超临界,超临界流体（SCF）,是温度和压力同时高于临界值的流体，亦即压缩到具有接近液体密度的气体。,超临界流体的密度和溶剂化能力接近液体，粘度和扩散系数接近气体,在临界点附近流体的物理化学性质随温度和压力的变化极其敏感。,萃取剂,气体,高压或高密度,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,16,第6章 新型萃取分离技术,超临界流体（SCF）是温度和压力同时高于临界值的,超临界流体（SCF）兼有气液两重性的特点，它既有与气体相当的高渗透能力和低的粘度，又兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力。,相,密度,(g/ml),扩散系数(cm,2,/s),粘度,(g/cm,.,s),气体(G),10,-3,10,-1,10,-4,超临界流体(SCF),0.30.9,10,-3,10,-4,10,-4,10,-3,液体(L),1,10,-5,10,-2,气体、液体与超临界流体特性比较,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,17,第6章 新型萃取分离技术,超临界流体（SCF）兼有气液两重性的,密度、黏度介于液体与气体之间，扩散系数则高于液体一个数量级，黏度小于液体一个数量级。,具有较高的密度值,(0.3,0.9g/mL)，对,大而不具挥发性分子有较好之溶解度。,超临界二氧化碳可溶解,5,30个,碳之正烷类。,常温下可挥发，适用于热敏性物质的萃取分离。,廉价、无毒、无害。,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,18,第6章 新型萃取分离技术,密度、黏度介于液体与气体之间，扩散系数则高于液体一个数量级，,超临界流体萃取特点：,萃取剂在常压和室温下为气体，萃取后易与萃余相和萃取组分分离。,T和P都可以成为调节萃取过程的参数,操作温度较低，适合天然物质的分离,样品回收简单,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,19,第6章 新型萃取分离技术,超临界流体萃取特点：萃取剂在常压和室温下为气体，萃取后易与萃,应 用,食品工业,医药工业,其他,茶叶处理和脱咖啡因,啤酒花有效成分、香料等的萃取,从植物中提取抗癌药物,从油子中提取保健品,金属直接从固体和液体中提取出来,聚合物混合物进行分离,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,20,第6章 新型萃取分离技术,应 用食品工业医药工业其他茶叶处理和脱咖啡因啤酒花有效成分、,6.1.2 超临界流体及其性质,（1） 超临界流体的p-V-T性质,临界点,的概念可用临界温度和临界压力来解释。,临界温度,是指高于此温度时，无论加压多大也不能使气体液化,。,临界压力,是指在临界温度下，液化气体所需的压力。,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,21,第6章 新型萃取分离技术,6.1.2 超临界流体及其性质（1） 超临界流体的p-V,当流体的,温度,和,压力,处于它的,临界,温度和临界压力以上时，称该流体处于,超临界状态,。,流体处于临界温度以上时，不能被液化，但是其密度随压力增高而增加。,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,22,第6章 新型萃取分离技术,当流体的温度和压力处于它的临界温度和临,CO,2,的压力-温度-密度关系,超临界流体对液体或固体溶质的溶解能力也将与液体溶剂相仿，因此，可进行萃取分离。,精馏操作,液相萃取和吸收,超临界萃取和色谱,吸附分离,11/18/2024,23,第6章 新型萃取分离技术,CO2的压力-温度-密度关系 超临界流体,很多物质具有超临界流体效应，如书P,193,表7-1所示。,CO,2,临界温度31.0,临界压力7.39MPa,临界密度0.468g/cm,3,不燃、不爆、不腐蚀、无毒害,化学稳定性好、廉价易得,极易与萃取产物分离,对大多数溶质具有较强的溶解能力，而对水的溶解度却很小，有利于在,近临界,或,超临界,下萃取分离,有机水溶液,。,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,24,第6章 新型萃取分离技术,很多物质具有超临界流体效应，如书P1,超临界流体的选择原则,化学性质稳定，对设备没有腐蚀性，不与萃取物发生反应。,临界温度应接近常温或操作温度,操作温度低于被萃取溶质的分解变质温度,临界压力低,对被萃取物的选择性高。,纯度高，溶解性好,货源充足，价格便宜，如果用于食品和医药工业，还应考虑选择无毒的气体。,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,25,第6章 新型萃取分离技术,超临界流体的选择原则化学性质稳定，对设备没有腐蚀性，不与萃取,6.1 超临界流体萃取,常用萃取剂,极性萃取剂,非极性萃取剂,乙醇、甲醇、水,二氧化碳,（难）,（易）,实际超临界流体萃取的依据：由于超临界流体的压力降低或温度升高所引起明显的,密度降低,，使,溶质,从超临界流体中重新,析出,。,11/18/2024,26,第6章 新型萃取分离技术,6.1 超临界流体萃取常用萃取剂极性萃取剂非极性萃取剂乙醇,二元流体混合物相行为的分类示意图,（2）超临界流体的相图,Van Der Waals,状态方程,纯物质蒸汽压曲线,二相分界轨迹,三相共存线,纯组分临界点,上临界端点,下临界端点,11/18/2024,27,第6章 新型萃取分离技术,二元流体混合物相行为的分类示意图（2）超临界流体的相图Van,p,临界区附近、最简单体系,液相不分层,两种,化学性质,相似、,分子尺寸,差别不大的,非极性,或弱极性组分构成。,特点,从C,-C,形成连续的临界轨迹曲线,液相完全互溶,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,28,第6章 新型萃取分离技术,p临界区附近、最简单体系液相不分层 两种,p,UCEP上临界端点,临界轨迹曲线连续,与I型差别,温度低时出现液-液部分互溶区,具有上部临界互溶温度的液液平衡,液液不互溶,原因,：混合物组分分子尺寸、极性差别变大。,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,29,第6章 新型萃取分离技术,pUCEP上临界端点临界轨迹曲线连续与I型差别温度低时出现液,p,两组分间分子尺寸和极性差别进一步变大。,从C,-C,临界轨迹曲线不再连续，有两条分支。,一条从易挥发组分C,出发，至上临界端点UCEP结束。,一条从难挥发组分C,出发，描绘出气液临界点轨迹，到达最低温度后又上升，最后向很高压力处延伸。,乙烷-甲醇、CO,2,-C,n,H,2n+2,(n12),甲烷-甲基环戊烷、甲烷-正己烷,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,30,第6章 新型萃取分离技术,p 两组分间分子尺寸和极性差别进一步变大,CO,2,-C,n,H,2n+2,n=2,4,7n12,n13,p,p,p,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,31,第6章 新型萃取分离技术,CO2-CnH2n+2n=2,47np,2,含萃取组分的超临界流体,在等温条件下，利用不同压力时待萃取组分在萃取剂中的溶解度差异来实现组分的萃取与萃取剂的分离。,易于操作。,能耗高。,溶质为所需精制产品,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,39,第6章 新型萃取分离技术,（1）变压萃取分离（等温法）T1=T2，p1p2含萃取组分,（2）变温萃取分离（等压法）,T,1,T,2,，p,1,=p,2,含萃取组分的超临界流体,在等压条件下，利用超临界流体在一定温度范围内萃取组分的溶解度随温度升高而降低的性质，将萃取组分通过升温来降低其在超临界流体中的溶解度，来实现萃取组分与萃取剂的分离。,压缩功耗少。,需加热蒸汽和冷却水。,溶质为所需精制产品,6.1 超临界流体萃取,11/18/2024,40,第6章 新型萃取分离技术,（2）变温萃取分离（等压法）T10，不同溶质的分配系数随相对分子质量的增大而减小。,同一溶质的分配系数随双水相系统的不同而改变。,（1）静电作用,6.2 双水相萃取,11/18/2024,65,第6章 新型萃取分离技术,非电解质型溶质的分配系数不受静电作用的影响，利,6.2 双水相萃取,11/18/2024,66,第6章 新型萃取分离技术,6.2 双水相萃取9/14/202366第6章 新型萃取,实际的双水相系统中，荷电溶质的分配平衡将受相间电位的影响，从相平衡热力学理论推导：,ln,K,P,=ln,K,0,+FZ/RT,荷电溶质的分配系数的对数与溶质的净电荷数成正比。,同一双水相系统中，分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异.,6.2 双水相萃取,11/18/2024,67,第6章 新型萃取分离技术,实际的双水相系统中，荷电溶质的分配平衡将受相,PEG/Dx和PEG/无机盐等双水相系统的上相(PEG相)疏水性较大，相间的疏水性差用疏水性因子HF (hydrophoblc factor)表示。HF可通过测定疏水性已知的氨基酸在其等电点处的分配系数K,S,测算。,lnK,S,=HF(RH+B),RH是氨基酸的相对疏水性(relativehydrophobicity)，是通过测定氨基酸在水和乙醇中溶解度的差别确定的，并设疏水性最小的甘氨酸的RH0。,B = lnK,Gly,/HF,（2）疏水作用,6.2 双水相萃取,11/18/2024,68,第6章 新型萃取分离技术,PEG/Dx和PEG/无机盐等双水相系统的上相,pHpI时氨基酸在双水相系统中的分配系数与其RH值呈线性关系，直线的斜率就是该双水相系统的HF值。,6.2 双水相萃取,11/18/2024,69,第6章 新型萃取分离技术,pHpI时氨基酸在双水相系统中的分配系数与,在pH为等电点的双水相中蛋白质的分配系数(m,0,)与HF值之间呈线性关系，则直线的斜率定义为该蛋白质的表面疏水性，用HFS (hydrophobic factor of solutes)表示,lnK,0,=HFHFS,一般形式,lnK,P,=HF(HFS+HFS)+ FZ/RT,6.2 双水相萃取,11/18/2024,70,第6章 新型萃取分离技术,在pH为等电点的双水相中蛋白质的分配系数(m,成相高聚物的相对分子量,一般来说，蛋白等高分子量物质易集中于低分子量相,成相高聚物浓度界面张力,分配物质的分子量,盐种类，浓度，电荷,pH值,温度,其它因素,6.2.4 双水相系统中目标物分配系数的影响因素,6.2 双水相萃取,11/18/2024,71,第6章 新型萃取分离技术,成相高聚物的相对分子量6.2.4 双水相系统中目标物分配系数,几种典型的双水相萃取酶蛋白实例,酶 菌 种 相系统,延胡索酸酶,Brevibacterium sp,PEG/ 盐,天冬氨酸酶,E. coli,PEG/ 盐,-,半乳糖苷酶,E. coli,PEG/ 盐,亮氨酸脱氢酶,Bacillus sphaericus,PEG/Dex,乙醇脱氢酶 Bakers yeast PEG/ 盐,青霉素酰化酶,E.coli,PEG/ 盐,6.2 双水相萃取,11/18/2024,72,第6章 新型萃取分离技术,6.2 双水相萃取9/14/202372第6章 新型萃取,6.2 双水相萃取,11/18/2024,73,第6章 新型萃取分离技术,6.2 双水相萃取9/14/202373第6章 新型萃取,6.3,凝胶,萃取,Cussler 等于1984 年在美国最先提出。,6.3.1 凝胶,胶体：分散质的微粒直径在1,100nm之间的分散系。,胶体,气溶胶,液溶胶,固溶胶,具有丁达尔效应,11/18/2024,74,第6章 新型萃取分离技术,6.3 凝胶萃取Cussler 等于1984 年在美国最先提,6.3,凝胶,萃取,胶体凝聚,胶状沉淀,将胶体溶液加热或加入电解质，会使胶体溶液发生凝聚作用，使得分散在分散剂中的胶粒互相凝结为较大的颗粒从分散剂中析出，析出的物质叫胶状沉淀。,在一些情况下胶体凝聚后胶粒和分散剂凝聚成一个整体，成为一种冻状物，这种冻状物叫凝胶。,凝胶,冻胶,11/18/2024,75,第6章 新型萃取分离技术,6.3 凝胶萃取胶体凝聚胶状沉淀 将胶体溶液加热或,分子胶体在一定条件下 发生胶体凝结 ，胶体分散质浓度足够大时可以形成网状的结构而把全部的分散剂包络起来，形成一个整体，它也是一种胶冻状物质，称为冻胶。,6.3,凝胶,萃取,凝胶：高聚物以分子状态分散在溶剂中形成的均相混合物称为高分子溶液，当浓度大时其中的高分子链相互交联使其失去流动性时，即成为凝胶。,11/18/2024,76,第6章 新型萃取分离技术,分子胶体在一定条件下 发生胶体凝结 ，胶体,胶体聚沉时把分散剂聚在一起。,110埃,气凝胶,液凝胶,固凝胶,云，雾,氢氧化铁胶体,烟水晶,不具有丁达尔效应,6.3,凝胶,萃取,结构：胶体颗粒或高聚物分子链以化学键相互连接，搭成架子，形成空间网状结构，液体或气体充满在结构空隙中，形成溶胀体。,11/18/2024,77,第6章 新型萃取分离技术,胶体聚沉时把分散剂聚在一起。 110埃 气凝胶 液凝胶,其性质介于固体和液体之间，从外表看，它成固体状或半固体状，有弹性；但又和真正的固体不完全一样，其内部结构的强度往往有限，易于破坏。,6.3,凝胶,萃取,11/18/2024,78,第6章 新型萃取分离技术,其性质介于固体和液体之间，从外表看，它成固体,含水量,分类,干凝胶,软胶,含水量,小于,固体量,含水量,超过,固体量,机械性质,脆性凝胶,弹性凝胶,敏感凝胶,形状和体积都不改变,多数的无机凝胶,形状和体积都改变,橡胶、明胶、琼脂,不可逆凝胶,pH敏感凝胶,温度敏感凝胶,电场力敏感凝胶,可逆凝胶,6.3,凝胶,萃取,11/18/2024,79,第6章 新型萃取分离技术,含水量 分类 干凝胶 软胶 含水量小于固体量 含水量超过固体,制备,固体,溶液,干胶吸收液体膨胀，弹性凝胶,条件,降低溶解度,析出的固体质点搭成骨,架形成连续的网状结构,方法,冷却胶体溶液，产生,过饱和溶液,加入非溶剂,加入盐类,化学反应,6.3,凝胶,萃取,11/18/2024,80,第6章 新型萃取分离技术,制备 固体 溶液 干胶吸收液体膨胀，弹性凝胶 条件 降低溶,萃取用凝胶,在给定温度下不溶解、不熔融、不污染溶液,溶胀与收缩过程快,溶胀量大,易于溶液分离及易于再生,对溶质的吸着选择性高,强度好、使用寿命长,6.3,凝胶,萃取,11/18/2024,81,第6章 新型萃取分离技术,萃取用凝胶 在给定温度下不溶解、不熔融、不污染溶液 溶胀与,疏水性有机凝胶,亲水性有机凝胶,非溶胀性的无机凝胶,交联葡聚糖,琼脂糖,聚丙烯酰胺,聚苯乙烯,6.3,凝胶,萃取,11/18/2024,82,第6章 新型萃取分离技术,疏水性有机凝胶 亲水性有机凝胶 非溶胀性的无机凝胶 交联葡聚,从稀溶液中提取有机物或生物制品,能耗小,萃取剂易再生,设备与操作简单,对物料分子不存在机械剪切或热力破坏,6.3,凝胶,萃取,11/18/2024,83,第6章 新型萃取分离技术,从稀溶液中提取有机物或生物制品 能耗小 萃取剂易再生 设备与,6.3.2 凝胶的特性,凝胶的性质取决于网络和溶剂及其相互间的作用。,膨胀作用,脱水收缩作用,扩散与化学反应,筛分作用,溶剂钻入凝胶中与大分子,相互作用形成溶剂化层,液体的渗透作用,老化过程中会发生特殊的分层现象,弹性凝胶可逆,6.3,凝胶,萃取,11/18/2024,84,第6章 新型萃取分离技术,6.3.2 凝胶的特性 凝胶的性质取决于网络和,6.3.3 凝胶萃取基本概念及设备,凝胶萃取(Gel Extraction)：利用凝胶在溶剂中溶胀特性和凝胶网络对大分子、微粒等的排斥作用达到溶液浓缩分离的目的的一种新型分离技术 。,温敏型,酸敏型,电敏型,取代超滤或蒸发,溶质分配,凝胶溶胀能力,6.3,凝胶,萃取,11/18/2024,85,第6章 新型萃取分离技术,6.3.3 凝胶萃取基本概念及设备 凝胶萃取(,凝胶萃取设备,6.3,凝胶,萃取,11/18/2024,86,第6章 新型萃取分离技术,凝胶萃取设备 6.3 凝胶萃取9/14/202386第6章,6.3,凝胶,萃取,典型凝胶萃取工艺,温敏型,酸敏型,电敏型,凝胶萃取应用,碱性蛋白酶浓缩,牛血清白蛋白与牛血红红蛋白的分离,VB,12,脉动式释放,胰岛素释放,11/18/2024,87,第6章 新型萃取分离技术,6.3 凝胶萃取典型凝胶萃取工艺温敏型 酸敏型 电敏型 凝胶,6.4.1 基本原理,膜萃取,：利用微孔膜的疏水性或亲水性，将膜过程和液-液萃取过程耦合而形成的一种分离技术,传质,过程是在分隔物料液相和萃取相的,微孔膜表面,上进行。,应用于膜萃取过程的微孔膜材料分为,疏水,性微孔膜、,亲水,性微孔膜和,疏水-亲水复合膜,。,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,88,第6章 新型萃取分离技术,6.4.1 基本原理 膜萃取：利用微,6.4 膜基溶剂萃取,膜萃取,：利用微孔膜的疏水性或亲水性，将膜过程和液-液萃取过程耦合而形成的一种分离技术,传质,过程是在分隔物料液相和萃取相的,微孔膜表面,上进行。,应用于膜萃取过程的微孔膜材料分为,疏水,性微孔膜、,亲水,性微孔膜和,疏水-亲水复合膜,。,11/18/2024,89,第6章 新型萃取分离技术,6.4 膜基溶剂萃取 膜萃取：利用微孔,疏水微孔膜萃取溶质浓度分布图,疏水膜组件适用于：,溶质分配系数大于1 的体系, 可得到高传质系数；,要求pH适用范围大或化学稳定性好的体系；,要求减少细胞污染的体系；,要求膜孔较大, 以避免对分子组分的扩散形成障碍的体系；,便于灭菌的体系。,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,90,第6章 新型萃取分离技术,疏水微孔膜萃取溶质浓度分布图 疏水膜组件适用于：溶质分配系数,亲水微孔膜萃取溶质浓度分布图,亲水膜组件适用于：,溶质分配系数小于1的体系, 可得到较高的传质系数。,大多数用于溶剂萃取的亲水膜孔径小，因此适用于在溶剂萃取中大分子组分不需透过膜的体系。,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,91,第6章 新型萃取分离技术,亲水微孔膜萃取溶质浓度分布图 亲水膜组件适用于：溶质分配系数,亲-疏水复合微孔膜萃取溶质浓度分布图,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,92,第6章 新型萃取分离技术,亲-疏水复合微孔膜萃取溶质浓度分布图 6.4 膜基溶剂萃取9,6.4.2 优缺点,（1）优点,无相水平上的分散和聚结过程。,不形成直接接触的液-液两相流动 。,两相在膜两侧分别流动。,提高了过程传质效率。,料液相与萃取相在膜两侧同时存在。,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,93,第6章 新型萃取分离技术,6.4.2 优缺点（1）优点无相水平上的分散和聚结过程。不,（2）不足,不太适用于分配系数较小的体系。,溶剂对膜的溶胀作用。,为防止相间渗透，膜萃取中的液液两相压差必须保持在一定的范围内。,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,94,第6章 新型萃取分离技术,（2）不足不太适用于分配系数较小的体系。溶剂对膜的溶胀作用。,6.4.3 膜基传质方程式,总的传质速率系数,局部传质速率系数,传质通量,两相传质阻力,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,95,第6章 新型萃取分离技术,6.4.3 膜基传质方程式总的传质速率系数局部传质速率系数,膜萃取的传质原理,Membrane,Acceptor phase,Donor phase,Drive forces：,temperature, concentration, pressure, electrical potential,heat flux, volume flux, momentum flux, electrical flux,Selectivity：,membrane property， physicalchemical properties between,membrane and analysts,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,96,第6章 新型萃取分离技术,膜萃取的传质原理MembraneAcceptor phase,（1）总传质方程,平板疏水膜溶剂萃取,溶质i从,水相,主体到,有机相,主体,在水中,在膜孔中,在有机相中,疏水微孔膜萃取溶质浓度分布图,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,97,第6章 新型萃取分离技术,（1）总传质方程平板疏水膜溶剂萃取 溶质,则：,以有机相为基准,溶质分配系数m,i,则,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,98,第6章 新型萃取分离技术,则：以有机相为基准溶质分配系数mi则6.4 膜基溶剂萃取9/,同理，以水相为基准的总传质系数K,w,与分传质系数有：,6.4 膜基溶剂萃取,（2）膜传质系数,假定：,膜孔径比扩散溶质分子大12个数量级,溶质i通过膜孔中液体的扩散为无障碍的自由扩散,膜为对称，且被指定相完全润湿,只考虑一维传递,11/18/2024,99,第6章 新型萃取分离技术,同理，以水相为基准的总传质系数Kw与分,则溶质通过非荷电膜孔内的有机溶剂或水溶液的扩散传质系数满足：,（3）中空纤维束内传质系数,疏水膜,小分子和蛋白溶剂萃取,纤维束内传质系数关联式,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,100,第6章 新型萃取分离技术,则溶质通过非荷电膜孔内的有机溶剂或水溶液的扩,（4）中空纤维束间传质系数,流动形式,平行流,错流,溶剂萃取,气体吸收,返混、壁流及沟流等都影响流动,关联式适用于特定体系和条件,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,101,第6章 新型萃取分离技术,（4）中空纤维束间传质系数流动形式平行流错流溶剂萃取气体吸收,亲水中空纤维,6.1,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,102,第6章 新型萃取分离技术,亲水中空纤维6.16.4 膜基溶剂萃取9/14/202310,6.4.4 传质影响因素,（1）两相压差,溶质i在膜两侧的化学位差中V,i,p与RTlnc,i,相比可略，在操作温度范围内,压差,的,变化不影响传质系数,。,如教材P,230,图7-48所示。,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,103,第6章 新型萃取分离技术,6.4.4 传质影响因素（1）两相压差 溶,（2）溶质分配系数,疏水膜,孔内,充,满,有机溶剂,分配系数,m,i, 1,或,m,i, 1,亲水膜,孔内,充,满,水溶液,分配系数,m,i, 1,或,m,i, 1或mi 1膜阻传,溶质通过膜孔内液体为有障碍扩散，且膜较厚，则膜阻不能忽略。,注意,已知体系的m,i,、k,iw,及k,io,m,i, 1,疏水膜,溶质优先溶于水相，选用亲水膜,溶质优先溶于有机相，选用疏水膜,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,106,第6章 新型萃取分离技术,溶质通过膜孔内液体为有障碍扩散，且膜,（3）界面张力,界面张力小，分散相液滴小，体积传质系数高，有利传质。,界面张力大，分散相液滴大，体积传质系数低，不利传质。,影响临界突破压差。,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,107,第6章 新型萃取分离技术,（3）界面张力 界面张力小，分散相液滴,（4）临界突破压差,膜外液体侧压力应稍大于膜孔内液体侧的压力。,但需小于临界突破压差，否则膜孔内一相将为另一相所置换。,圆柱形膜孔半径r,p,，,突破压力,Young-Laplace方程,低界面张力的体系，可通过,减小孔径,来增加临界突破压差,。,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,108,第6章 新型萃取分离技术,（4）临界突破压差 膜外液体侧压力应稍大,（5）膜材料在有机相中的溶胀,膜材料发生溶胀，使膜的孔径、弯曲因子等发生变化，机械强度降低。更重要的是，溶胀使中空纤维膜弯曲，相互靠在一起，丧失有效传质面积。,1. 膜器；2. 水银压力计；3. 水相循环槽；,4. 有机相循环槽；5. 流量计；6. 磁力泵,膜萃取试验设备示意图,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,109,第6章 新型萃取分离技术,（5）膜材料在有机相中的溶胀 膜材料发生溶胀,在现有膜结构的基础上加大中空纤维萃取器的轴向混合。,改变膜组件的结构。,改变操作方式 。,开发新型膜材料 。,强化传质,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,110,第6章 新型萃取分离技术,在现有膜结构的基础上加大中空纤维萃取器的轴向混合。改变膜组件,6.4.5 膜与膜组件的选择,（1）膜萃取用膜,微孔疏水膜,微孔亲水膜,微孔复合膜,类型,聚偏氟乙烯膜（PVDF）,聚砜膜（PS）,聚二甲基硅氧烷（PDMS） 膜,聚丙烯（PP）膜,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,111,第6章 新型萃取分离技术,6.4.5 膜与膜组件的选择（1）膜萃取用膜 微孔疏水膜,湿法纺丝,成中空纤维膜,高化学,稳定性,PVDF 膜横断面照片,PVDF 膜横断面网络状皮层照片,聚偏氟乙烯膜（PVDF）,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,112,第6章 新型萃取分离技术,湿法纺丝成中空纤维膜 高化学 PVDF 膜横断面照片 PVD,聚丙烯膜（PP）,聚丙稀中空纤维膜制备流程图,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,113,第6章 新型萃取分离技术,聚丙烯膜（PP） 聚丙稀中空纤维膜制备流程图 6.4 膜基溶,（2）膜萃取的基本类型,平板型,中空纤维型,支撑液膜型,色谱膜(chromate membrane) 型,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,114,第6章 新型萃取分离技术,（2）膜萃取的基本类型 平板型 中空纤维型支撑液膜型 色谱膜,平板型,有机物的富集和分离,平板型膜萃取,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,115,第6章 新型萃取分离技术,平板型 有机物的富集和分离 平板型膜萃取 6.4 膜基溶剂萃,中空纤维型,中空纤维型萃取,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,116,第6章 新型萃取分离技术,中空纤维型 中空纤维型萃取 6.4 膜基溶剂萃取9/14/2,支撑液膜型,支撑液膜萃取,夹层支撑液膜萃取,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,117,第6章 新型萃取分离技术,支撑液膜型 支撑液膜萃取 夹层支撑液膜萃取 6.4 膜基溶剂,色谱膜型,色谱膜交换过程,1. 交换层；2. 微孔膜层,p,1, p,2,: 极性相近出口压力；,p,3, p,4,: 气体或非极性相近出口压力,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,118,第6章 新型萃取分离技术,色谱膜型 色谱膜交换过程6.4 膜基溶剂萃取9/14/202,乙炔(k= 0. 99) 在萃取气中含量随液气流速的变化曲线,(乙炔在样品中含量1mg/L ),6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,119,第6章 新型萃取分离技术,乙炔(k= 0. 99) 在萃取气中含量随液气流速的变化曲线,同级萃取反萃取膜过程装置图,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,120,第6章 新型萃取分离技术,同级萃取反萃取膜过程装置图 6.4 膜基溶剂萃取9/14/2,含Cu（II）、Cr（VI）和Zn（II）废液的膜分离装置,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,121,第6章 新型萃取分离技术,含Cu（II）、Cr（VI）和Zn（II）废液的膜分离装置,（3）中空纤维膜萃取,与一般的液相萃取比较,可避免液泛、轴向反混、分相不完全造成的萃取剂损失及大量的动力损耗等。,加宽了两相尤其是油相溶剂选择范围 。,不受两相界面张力的限制 。,可以实现单位体积内有较大的迁移面积，其数值一般为3000m,2,m,-3,，为一般填充柱的10100倍，因此具有较大的萃取传质效率 。,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,122,第6章 新型萃取分离技术,（3）中空纤维膜萃取与一般的液相萃取比较可避免液泛、轴向反混,与普通的膜组件相比,适中的能耗 。,无二次污染 。,大的比表面积 。,自支撑 。,灵活性 。,低操作成本 。,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,123,第6章 新型萃取分离技术,与普通的膜组件相比适中的能耗 。无二次污染 。大的比表面积,中空纤维膜萃取操作,逆流或共流循环萃取,壳程侧萃取剂固定下的膜萃取,连续逆流或共流循环萃取,6.4 膜基溶剂萃取,中空纤维膜萃取装置,连续共流萃取（单根纤维）,11/18/2024,124,第6章 新型萃取分离技术,中空纤维膜萃取操作 逆流或共流循环萃取 壳程侧萃取剂固定下的,壳程溶剂固定的萃取装置,1ml channel,10,l channel,1.0 ul channel,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,125,第6章 新型萃取分离技术,壳程溶剂固定的萃取装置 1ml channel10l ch,（4）膜组件过程设计,螺旋式膜组件,6.4 膜基溶剂萃取,编织式膜组件,片状式膜组件,11/18/2024,126,第6章 新型萃取分离技术,（4）膜组件过程设计 螺旋式膜组件 6.4 膜基溶剂萃取编织,对有机溶剂进入膜孔内的疏水微孔膜，m,i,1，污染不大，便于灭菌；膜的pH值适用范围大或化学稳定性好，膜孔径较大，使大分子组分在孔内为自由扩散。,对亲水微孔膜，m,i,1，膜孔径小，使大分子组分不透过膜。,膜组件操作模式的选择：料液中组分被萃取，料液走纤维束内。,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,127,第6章 新型萃取分离技术,对有机溶剂进入膜孔内的疏水微孔膜，mi1，污染不大，便于灭,6.4.5 应用,（1）金属萃取,稀土元素的分离,中空纤维膜萃取装置及流程,(a) 中空纤维; (b) 水相贮瓶; (c) 油相贮瓶;(d) 泵; (e) 阀门,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,128,第6章 新型萃取分离技术,6.4.5 应用（1）金属萃取 稀土元素的分离 中空纤维膜,重金属等元素的萃取,实验流程示意图,6.4 膜基溶剂萃取,11/18/2024,129,第6章 新型萃取分离技术,重金属等元素的萃取 实验流程示意图 6.4 膜基溶剂萃取9/,6.4 膜基溶剂萃取,（3）在生物技术中的应用,膜萃取生物降解反应器和酶膜反应器,膜萃取生物降解反应器示意图,（2）在环境监测中的应用,11/18/2024,130,第6章 新型萃取分离技术,6.4 膜基溶剂萃取（3）在生物技术中的应用 膜萃取生物降解,