第6章新型萃取分离技术课件.ppt

《第6章新型萃取分离技术课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章新型萃取分离技术课件.ppt（130页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,2,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,3,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。,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,4,Heavy phase,杂质,溶质,原溶剂,萃取剂,Light phase,2022/12/20,第6章 新型萃

2、取分离技术,5,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。,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,6,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,7,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,8,完整的萃取过程：萃取-反萃取,稀醋酸水溶液的分离,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,9,两相接触方式,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,10,单级萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,11,2022/12/2

3、0,第6章 新型萃取分离技术,12,连续逆流萃取装置,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,13,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,14,液液组成的表示方法,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,15,6.1 超临界流体萃取,6.1.1 基本概念,超临界流体萃取(Supercritical F1uid Extraction)，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

4、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。,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,16,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,17,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

5、和对许多物质优良的溶解能力。,气体、液体与超临界流体特性比较,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,18,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(0.30.9g/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530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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,19,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

6、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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,20,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,21,6.1.2 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

7、需的压力。,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,22,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,23,CO2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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,24,很多物质具有超临界流体效应，如书P193表7-1所示。,CO2,临界温

8、度31.0,临界压力7.39MPa,临界密度0.468g/cm3,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,25,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

9、取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,26,6.1 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。,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,27,二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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,28,临界区附近、最简单体系,液相不分层,两种

10、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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,29,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,30,两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

11、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、CO2-CnH2n+2(n12)甲烷-甲基环戊烷、甲烷-正己烷,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,31,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,32,UCEP上临界端点,LCEP下临界端点,两个液液互溶区。,甲烷-正己烯、CO2-硝基苯环己烷-聚苯乙烯、苯-聚异丁烯,在低温区不出现液液相分裂。,乙烷-乙醇、乙烷-丙醇乙烷-丁醇,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,33,在较低温度下，存在液-液-气三相平衡。,混合物组分

12、间作用力以氢键为主。,温度下降，氢键增强，互溶度增加直至完全互溶。,水-2-丁醇、水-丁醇、水-烟碱,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,34,据三元体系的液-液-气三相状态的存在形式，在一定温度和压力下，将三元相图分为三类。,两个互溶的、挥发度不高的液体和超临界气体组成,两个互溶的、挥发度不高的液体和超临界气体组成L-L-G，L-L,两个部分互溶、较低挥发度的液体和超临界气体组成,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,35,第I类三元系相图,一种有机物S的水溶液-乙烯,点E表示乙烯在液态有机物S中的溶解度,2 略低于乙烯的

13、临界压力,3 高于乙烯临界压力,乙醇-水-CO2、异丙醇-水-CO2乙醇-水-乙烷、有机溶剂-水-乙烯,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,36,第II类三元系相图,正丙醇-水-乙烯、丙酮-水-乙烯、正丁醇-水-乙烯醋酸-水-乙烯、丙酸-水-乙烯、乙腈-水-乙烯,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,37,第III类三元系相图,丁酮-水-乙烯,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,38,6.1.3 超临界流体萃取分离方法及典型流程,萃取阶段,分离阶段,超临界流体萃取的基本过程,等温法,等压法

14、,吸附法,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,39,（1）变压萃取分离（等温法）,T1=T2，p1p2,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,40,（2）变温萃取分离（等压法）,T1T2，p1=p2,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

15、却水。,溶质为所需精制产品,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,41,（3）吸附萃取法,T1=T2，p1=p2,采用可吸附萃取组分而不可吸附萃取剂的特定吸附剂，将超临界流体中的分离组分选择性地除去，来实现萃取组分与萃取剂的分离，并定期再生吸附剂。,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,42,密度：温度一定时，密度(压力)增加，可使溶剂强度增加， 溶质的溶解度增加。,影响超临界萃取的主要因素：,夹带剂：加一定夹带剂的SCF-CO2可以创造一般溶剂达不到的萃取条件，大幅度提高收率。,粒度：粒度小有利于 SCF萃取。,流体体积：增

16、大流体的体积能提高回收率。,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,43,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,44,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,45,超临界二氧化碳萃取流程图,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,46,6.1 超临界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,47,超临界流体萃取的应用,6.1 超临界流体萃取,卵磷脂的提取,丹参有效成分的提取,桂花香料,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,48,6.1 超临

17、界流体萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,49,6.1 超临界流体萃取,超临界流体萃取实验装置,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,50,6.2 双水相萃取,双水相萃取技术(two-aqueous phase extraction, ATPS)，又称水溶液两相分配技术(Partion of two aqueous phase extraction)。,1896年由Beijermerk在琼脂和可溶性淀粉或明胶混合时发现 。,双水相系统：由两种聚合物或一种无机聚合物与无机水溶液组成。,6.2.1 基本概念,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,51,双水相系

18、统中两相密度和折射率差别较小、界面张力小，两相易分散，活性生物物质或细胞不易失活。 可在常温、常压下进行，易于连续操作，处理量大。,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,52,6.2 双水相萃取,是否分层或混合成一相，取决于：熵增与分子数目有关分子间作用力与分子大小有关,双水相萃取是利用物质在不相溶的，两水相间分配系数的差异进行萃取的方法。,含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相容性。,基于盐析作用原理，聚合物与无机盐的混合溶液也能形成双水相。,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,53,可以构成双水相的体系有：离子型高聚物非离子型高聚物（分

19、子间斥力）PEG（聚乙二醇）DEXTRAN（葡萄糖）高聚物相对低分子量化合物（盐析作用）PEG （聚乙二醇） 硫酸铵,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,54,双水相萃取的优点,操作条件温和。两相的界面张力小，两相易分散。两相的相比随操作条件而变化。上下两相密度差小，一般在10 g/L。易于连续操作，处理量大，适合工业应用。,动力学研究、双水相亲和分离、多级逆流层析、反应分离耦合等。,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,55,混合物熵增、分子间作用力,6.2.2 双水相分配原理,两种聚合物或一种聚合物与一种小分子物质相互混合。,双

20、水相,自发熵增过程,随分子量增加而增加,所涉及分子数目,小分子与大分子混合，熵增相同,分子中各基团相互作用力之和,两种高聚物混合,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,56,聚合物所带电荷相反，聚电解质之间混合均匀不分相。,聚合物相互排斥，一种聚合物分子周围将聚集同种分子而排斥异种分子，达到平衡时，形成分别含不同聚合物的两水相。这种含有聚合物分子的溶液发生分相的现象称为聚合物的不相容性。,基于盐析作用原理，聚合物与无机盐的混合溶液可形成双水相。,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,57,（1）双水相系统,典型的双水相系统,A：两种非

21、离子型聚合物,B：一种为带电荷的聚电解质,C：两种聚电解质,D：一种聚合物与一种低分子物质,多元醇、多元糖,使生物大分子稳定，无毒,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,58,高聚物-高聚物体系,操作较易，变性作用少，界面吸附少,聚合物-无机盐体系,可行性受到环保限制，且某些生物物质会在这类体系中失活。,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,59,a,双节线,系线,b,双节线,均相区,均相区,两相区,两相区,系线,临界点,聚合物-水系统相图,聚合物-盐溶液系统相图,（2）双水相组成的定量关系,2022/12/20,第6章 新型萃取分离

22、技术,60,双节线,两相区,均相区,系线,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,61,令WT，WB，WM分别代表上相、下相和系统的总重量,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,62,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,63,依据悬浮粒子与其周围物质具有的复杂的相互作用：氢键电荷力疏水作用范德华力构象效应,双水相萃取的原理,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,64,6.2.3 双水相系统中的作用力,溶质与双水相系统中的作用力包括,静电作用,疏水作用,亲和作用,6.2 双水相

23、萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,65,非电解质型溶质的分配系数不受静电作用的影响，利用相平衡热力学理论：,lnKP=-M/RT,溶质的分配系数的对数与相对分子质量之间呈线性关系。 同一双水相系统，0，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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,66,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,67,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：,lnKP=lnK0+FZ/RT,荷电

24、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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,68,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KS测算。,lnKS=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 = lnKGly/H

25、F,（2）疏水作用,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,69,HpI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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,70,在pH为等电点的双水相中蛋白质的分配系数(m0)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,lnK0=HFHFS,一般形式,lnKP=HF(HFS+HFS)+ FZ/RT,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技

26、术,71,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,72,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,73,6.2 双水相萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,74,6.3 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1100nm之间的分散系。,胶体,气溶胶,液溶胶,固溶胶,具有丁

27、达尔效应,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,75,6.3 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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,76,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

28、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。,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,77,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。,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,78,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,20

29、22/12/20,第6章 新型萃取分离技术,79,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,H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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,80,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离

30、技术,81,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,82,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,83,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,84,6.3.2 凝胶的特性,凝

31、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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,85,6.3.3 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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,86,凝胶萃

32、取设备,6.3 凝胶萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,87,6.3 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,VB12脉动式释放,胰岛素释放,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,88,6.4.1 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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术

33、,89,6.4 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。,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,90,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,2022/12/20,第6章 新

34、型萃取分离技术,91,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,92,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,93,6.4.2 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,

35、2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,94,（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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,95,6.4.3 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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,96,膜萃取的传质原理,Drive forces：temperature, concentration, pressure, electrical potential, heat f

36、lux, volume flux, momentum flux, electrical fluxSelectivity： membrane property， physicalchemical properties between membrane and analysts,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,97,（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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,98,则：,以有机相为基准,溶质分配系数mi,则,

37、6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,99,同理，以水相为基准的总传质系数Kw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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,100,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,101,（4）中空纤维束间传

38、质系数,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,102,亲水中空纤维,6.1,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,103,6.4.4 传质影响因素,（1）两相压差,如教材P230图7-48所示。,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,104,（2）溶质分配系数,疏水膜孔内充满有机溶剂,分配系数mi 1或mi 1,膜阻可略,传质速率与膜性质无关,如教材P230图7-49所示。,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6

39、章 新型萃取分离技术,105,亲水膜孔内充满水溶液,分配系数mi 1或mi 1,膜阻可略,传质速率与膜性质无关,如教材P230图7-49所示。,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,106,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mi、kiw及kio,mi 1,亲水膜,mi 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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,107,（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

40、系数低，不利传质。,影响临界突破压差。,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,108,（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rp，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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,109,（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

41、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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,110,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,111,6.4.5 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,2022/1

42、2/20,第6章 新型萃取分离技术,112,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,113,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,114,（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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,115,平板型,有机物的富集和分离,平板型膜萃取,6.4

43、膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,116,中空纤维型,中空纤维型萃取,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,117,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,118,色谱膜型,色谱膜交换过程1. 交换层；2. 微孔膜层p1, p2: 极性相近出口压力；p3, p4: 气体或非极性相近出口压力,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,119,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

44、.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,120,同级萃取反萃取膜过程装置图,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,121,含Cu（II）、Cr（VI）和Zn（II）废液的膜分离装置,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,122,（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3000m2m-3，为一般填充柱的10100倍，因此

45、具有较大的萃取传质效率 。,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,123,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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,124,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）,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,125,壳程溶剂固定的萃取装置,1ml channel,10l channel,1.0 ul ch

46、annel,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,126,（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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,127,对有机溶剂进入膜孔内的疏水微孔膜，mi1，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，mi1，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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,128,6.4.5 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,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,129,重金属等元素的萃取,实验流程示意图,6.4 膜基溶剂萃取,2022/12/20,第6章 新型萃取分离技术,130,6.4 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,