一种减小膜萃取过程中膜阻力的方法技术

一种减小膜萃取过程中膜阻力的方法。本发明专利技术属于化工分离技术领域。本发明专利技术的目的在于解决目前膜萃取过程中，由于膜自身具有一定厚度，使得在萃取过程中难以克服膜相本身阻力，从而导致膜萃取效率不高的技术问题。本发明专利技术的方法：一、确定扩散系数：确定待萃取溶质在两相中的扩散系数D

【技术实现步骤摘要】
一种减小膜萃取过程中膜阻力的方法
本专利技术属于化工分离
，具体涉及一种减小膜萃取过程中膜阻力的方法。
技术介绍
膜萃取又称固定膜界面萃取，它是膜分离与液液萃取相结合的一种新型分离技术。在膜萃取过程中，萃取剂和料液分别在膜两侧流动，其传质过程是在分隔料液相和萃取相的微孔膜表面进行的。由于在膜萃取过程中，料液与萃取剂不存在混合与分散的过程，因此与传统萃取单元相比，膜萃取具有特殊优势，主要表现在：首先，膜萃取没有相水平上的分散和聚结，因此减少了萃取剂在料液相的夹带损失，也使该过程特别适合与待分离物系耦合；其次，对萃取剂的选择要求可以大大拓宽，不必考虑萃取剂物性，例如不必考虑萃取剂的密度大小；第三，不存在常规萃取中的“返混”和“液泛”等现象，大大减小了设备尺寸与占地面积；第四，可实现同级萃取-反萃过程，可采用萃合物载体促进迁移，萃取和反萃的同时进行有利于实现分离过程的连续操作。由于上述特点，膜萃取逐渐成为重要的新型萃取手段，是萃取技术发展的方向之一。然而目前，膜萃取技术仍然存在诸多问题。主要表现在三个方面，分别来自于膜材料、膜组件以及工艺参数。首先，膜材料存在溶胀问题。膜材料在有机溶剂作用下，尤其作用时间较长时，易发生溶胀，导致膜孔径发生变化。而膜萃取过程依赖膜孔径提供一定穿透压，一旦孔径发生变化，就会影响膜萃取过程的稳定性，严重时造成两相穿透，膜萃取过程失败；其次，膜组件的结构需进一步优化。常规过滤中，膜仅起到筛分作用，因此，膜萃取过程不仅要求液体与膜最大面积的接触，还要求接触面流体尽可能处于湍流状态，以及及时更新膜表面附近的溶质，降低边界层阻力。第三，膜萃取工艺参数与膜本身密切相关。当膜发生变化时，其工艺参数往往需要调整。例如采用大孔径膜时，其穿透压变小，则维持两相平衡的压差范围就会变窄。因此膜工艺参数随所用膜的变化而变化，不同的膜需要单独优化其工艺参数，以获得更好的传质效率。针对于以上问题，围绕膜萃取的研究主要有以下几个方面，首先是新型膜材料及膜的开发，主要是开发耐溶胀、孔径小、孔隙率高、厚度低等更适于膜萃取过程的膜；其次是传质机理研究，加强膜组件内传质及强化，通过改进膜组件内部结构，实现理想全混流或理想平推流，提高传质效率；第三是工艺条件研究，通过研究建立工艺与分离体系的影响关系，寻求最佳工艺条件。针对萃取工艺研究，通常是从两相料液的流动状态、流动方向等方面着手，或者从膜组件的结构形式着手，例如专利CN1758952公开了一种液-液萃取系统和方法，提供了一种膜萃取的新设备，包括外室和内室，通过膜分开两个相对框架，该外室和内室分别用于容纳萃取进料和液体萃取剂中的一种。本专利技术从设备结构入手，通过对流体流动的限制，提高了料液传质效率，从而提高了萃取效率，并且提供了更容易更换膜组件的方法。刘舜华等考察了螺旋管技术对中空纤维膜传质性能的影响，实验结果表明，用螺旋管中空纤维膜可以有效地提高中空纤维膜的传质特性，在螺旋内径为6mm，螺距为2cm的时候，总传质系数可以是相同条件下直管传质系数的1～2倍。专利CN105561630A提供了一种中空纤维膜萃取器，将中空纤维做成螺旋形式，可以实现两相局部错流，整体逆流接触，对传质利用率高，便于组装和实现工业化。上述研究表明，膜两侧的液体阻力可以通过改善流动情况降低。在膜萃取过程中，膜的存在产生了两个方面影响，一方面增加了两相接触面积，有利于提高传质速率，另一方面也产生了膜相阻力，不利于传质。对于膜相阻力的研究也比较多，Sirkar等研究了膜两侧压力差对传质系数的影响，发现实验所采用的大部分膜，当膜两侧压差改变时，对传质都没有影响。相似的结论也出现在其他一些研究中，例如戴猷元发现，两相压差的作用仅在于防止两相间的渗透，对于传质系数没有直接影响。作者认为，膜萃取过程中的传质推动力为化学位，而不是两相压差，而两相压差的变化尚不足以产生对化学位的影响。综上，目前大部分研究主要是针对膜两侧流体流动，以改善两相液体内部的阻力，而对于膜相本身产生的阻力的研究较少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决目前膜萃取过程中，由于膜自身具有一定厚度，使得在萃取过程中难以克服膜相本身阻力，从而导致膜萃取效率不高的技术问题，而提供了一种减小膜萃取过程中膜阻力的方法。本专利技术的一种减小膜萃取过程中膜阻力的方法按以下步骤进行：一、确定扩散系数：确定待萃取溶质在两相中的扩散系数Di的大小；二、调节两相压差：当待萃取溶质在能够浸润膜的液相中的扩散系数Di大于待萃取溶质在另一液相中的扩散系数Di时，将两相压差调小；当待萃取溶质在能够浸润膜的液相中的扩散系数Di小于待萃取溶质在另一液相中的扩散系数Di时，将两相压差调大；三、萃取：在步骤二所述的两相压差下进行膜萃取，直至萃取结束。进一步限定，步骤二调节两相压差是通过向液相中充气或通过调整两相流速的方式实现。进一步限定，步骤二中当待萃取溶质在能够浸润膜的液相中的扩散系数Di大于待萃取溶质在另一液相中的扩散系数Di时，将两相压差逐渐调小，但不能≤0。进一步限定，步骤二中当待萃取溶质在能够浸润膜的液相中的扩散系数Di小于待萃取溶质在另一液相中的扩散系数Di时，将两相压差逐渐调大，但不能≥穿透压。专利技术原理：膜阻力产生的本质原因是，由于膜本身具有一定厚度，故膜孔内部会存在一部分静止的液体，溶质穿过这一部分静止液体需要克服一定的阻力，由于这部分液体在膜孔内，所以膜两侧的流体流动状态无法影响到这部分液体，这就是膜阻力。膜本身产生的阻力由公式(1)表达：其中，Rm：膜阻力；Di：待萃取溶质在液相中的扩散系数；εM:膜孔隙率；τM：膜曲率因子；tM：膜厚度。通过上述公式可知，膜阻力的大小与膜本身的参数有关，包括膜的厚度、曲率因子、孔隙率等，也与待萃取的溶质在膜孔内的液相中的扩散速度有关。从上述公式可以看出，当所用膜确定后，上述膜阻力中与膜相关的参数全部确定了，无法更改。但其中膜孔内的液体可以改变，一旦液体发生变化，就会影响溶质的扩散系数，从而改变膜相阻力。这是因为，溶质在不同的液体中扩散速度不同，但溶质的跨膜路程相同。也就是说，膜孔内如果充满溶质扩散快的液体，溶质能以更快的速度跨过膜，即相比于溶质扩散慢的溶液充满膜孔，萃取时膜的阻力会降低。而控制膜孔内被何种溶液充满，可以通过调节膜两侧的压差来实现，其原理见图1。本专利技术与现有技术相比具有的显著效果，具体如下：本专利技术通过调整膜两侧压差，使膜孔内充满利于溶质扩散的液体，可以降低膜传质阻力，提高了整体传质效率。压差的调整基本不增加能耗，因此本专利技术通过提高萃取传质效率达到了提高生产效率，降低成本的效果。附图说明图1为通过压差调节液相在膜内的含量示意图；其中ΔP3＞ΔP2＞ΔP1；图2为本专利技术具体实施方式一至三所用装置图；1为压缩空气，2为检测仪，3为进样口，4为膜；图3为冰醋酸浓度与电导率关系曲线图；图4为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种减小膜萃取过程中膜阻力的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：/n一、确定扩散系数：确定待萃取溶质在两相中的扩散系数D

【技术特征摘要】
1.一种减小膜萃取过程中膜阻力的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：
一、确定扩散系数：确定待萃取溶质在两相中的扩散系数Di的大小；
二、调节两相压差：当待萃取溶质在能够浸润膜的液相中的扩散系数Di大于待萃取溶质在另一液相中的扩散系数Di时，将两相压差调小；当待萃取溶质在能够浸润膜的液相中的扩散系数Di小于待萃取溶质在另一液相中的扩散系数Di时，将两相压差调大；
三、萃取：在步骤二所述的两相压差下进行膜萃取，直至萃取结束。


2.根据权利要求1所述的一种减小膜萃取过程中膜阻力的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建勋，咸漠，侯同刚，荀明月，董晴晴，张同，刘仲舒，杜文宣，
申请(专利权)人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37