膜萃取技术及其应用研究进展

膜萃取技术及其应用研究进展苏毅3杨亚玲胡亮(昆明理工大学生化学院)摘要综述了膜萃取技术的传质特性及其在金属萃取、有机物及药物萃取、酶膜反应-萃取集合技术等方面的应用。关键词膜萃取传质特性应用1前言自1984年KianiA.等人[1]和KimB.M.[2]提出膜萃取分离技术以来,随着对该技术的不断深入研究,膜萃取分离技术得到了很大的发展,在诸如药物提取、有机物萃取、金属萃取等领域得到了广泛的应用。传统的萃取过程为了得到良好的萃取效果,必须将一相以微液滴的形式分散到不互溶的另一相中,而萃取结束后又须将两相分离,在这种常规的混合-分离操作过程中,必然会因乳化现象产生溶剂夹带而造成溶剂损失,而且对萃取剂的物性如溶解性、粘度、表面张力等要求高。在膜萃取分离过程中,萃取相和被萃取的物料液相分别处在分离膜的两侧,其传质过程是在分隔物料液相和萃取相的膜表面进行的,这样避免了物料液相与萃取相的直接接触。与传统萃取技术相比,其优点表现为[3]:可以减少萃取剂在物料相中的夹带损失;选择萃取剂时可以放宽对物性的要求;过程可以免受“液泛”条件的限制,减少了“返混”的影响;易于实现同级萃取反萃过程,且可得到很高的单位体积传质速率。2膜萃取的传质特性膜萃取是膜过程和液2液萃取过程集合形成的一种分离技术,其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2亲水复合膜。对于有机相及水相间的萃取,当采用疏水膜作萃取膜时,有机相将优先浸润膜表面,并进入膜微孔。当水相的压力等于或略大于有机相压力时,在膜的水相侧形成一固定界面。在该界面上溶质从水相传递到有机相,进而通过膜微孔扩散进入有机相,实现膜萃取过程。当采用亲水膜作为萃取膜时,则优先浸润膜表面的将是物料水相,此时物料水相通过膜微孔,并在膜有机萃取相侧形成一固定界面,溶质通过该固定界面从物料水相进入萃取相,完成溶质传质过程。若为疏水2亲水复合膜,则有机相和水相分别浸润疏水膜表面和亲水膜表面,并在复合膜疏2亲水膜复合界面处形成一固定界面,在此完成膜萃取溶质传递过程。膜萃取除用于水相2有机相体系外,也可用于非极性有机溶剂2极性有机溶剂体系和双水相溶液体系,此时通常均使用疏水性3苏毅,男,1965年3月生,博士研究生,副教授。昆明市,650224。51《化工装备技术》第23卷第1期2002年微孔膜,并保持一相压力稍高于另一相。膜萃取中的一个基本问题是膜材料的选择。通常,以疏水膜组件进行膜萃取适用于以下情况[4]。(1)溶质分配系数大于1的体系,可得到高传质系数;(2)要求pH适用范围大或化学稳定性好的体系;(3)要求减少细胞污染的体系;(4)要求膜孔较大,以避免对分子组分的扩散形成障碍的体系;(5)便于灭菌的体系。对下列情况可考虑使用亲水膜:(1)溶质分配系数小于1的体系,可得到较高的传质系数;(2)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。但在高pH下用水从醋酸异丙酯中萃取药物组分时,虽然溶质分配系数小于1,但却需使用疏水膜,因为亲水膜孔容易被水相中的不稳定沉淀堵塞,因此膜的选用除考虑上述原则外,还应考虑体系的具体特点。膜萃取过程一般采用中空纤维膜器和槽式膜萃取器,其中中空纤维膜器最适于工业应用,其传质性能的研究是一个热点课题。采用中空纤维膜器萃取料液相,溶质的传质模型主要有三种类型:壳程传质、膜内传质及管内传质。(1)壳程传质:大多数研究者认为,流体在壳程中的流速较低,其浓度和速度均呈平推流状态,但由此得到的分传质系数的关联式差异较大,这主要是由于壳程纤维的装填存在不均匀性,在壳程中存在前混、返混和沟流等现象。Costello等人[5]通过对轴流式中空纤维膜中壳程流体传质性能的研究认为,由于壳程纤维装填的不均匀性,壳程流体会不断从一流道转向另一流道,从而导致壳程流动由平推流转变为一种返混的复杂流动,使壳程实际流动状态与假设不同,出现偏差。(2)膜内传质:溶质在膜内的传质模型可分为两类,一类是以传质机理为基础建立的溶解-扩散模型,另一类是以不可逆热力学为基础建立的数学模型。对溶质在膜内的传质特性多年来一直采用溶解-扩散模型表征。最近有研究者[6]结合不可逆过程热力学建立了“粉状液体模型”,它考虑了各组分间的相互影响,更加接近实际状况。在膜萃取中,由于有机溶剂对膜材料的浸润及溶胀,会引起膜孔隙率、厚度及膜结构发生变化,从而影响膜内溶质的传质特性,因而研究膜材料的耐有机性能,开发耐溶胀等性能的膜材料是提高膜萃取传质性能的关键因素之一。(3)管内传质:由于中空纤维膜器的纤维直径很小,所以管内的流动大多为层流。在进行传质模型的建立时,常假设中空纤维壁外的浓度一定和浓度边界层未完全发展,实际上,这个假设是有条件的,更为准