支撑液膜——化学原理及应用

液膜技术是一种新兴的节能型的分离技术。含载体的促进传递的支撑液膜，具有生物膜的能动输送功能，因而赋予支撑液膜高选择性、高渗透性、高分离效率的特点。和乳状液膜相比，支撑液膜不使用专用表面活性剂，不需制乳和破乳设备及操作，萃取剂用量更少，操作费用低，已在许多领域内显示出发展潜力和工业应用的前景。但是支撑液膜的不稳定性引发的液膜相流失和膜寿命短,构成了支撑液膜至今仍未能工业化应用的瓶颈。国内外已出版的乳状液膜专著和有关膜手册、膜专著中支撑液膜所占篇幅有限，而且至今少有支撑液膜的相关著作出版，而支撑液膜本身的特点又使得支撑液膜的发展潜力、发展空间比乳状液膜要大，易于和微观结构分析结合去探讨其中的规律性并促进计算化学在分离科学领域的应用。为了对支撑液膜的理论和实践展开充分的深度分析，笔者编著了本书。

本书是笔者所在的课题组从无机化学、界面与胶体化学、物理化学、有机化学、配合物化学、量子化学等学科出发，对支撑液膜涉及的化学问题进行多角度长期研究的总结。相关研究曾获得了有意义的结论并公开发表过论文。本书从理论上深化了对支撑液膜分离技术的认识，为克服支撑液膜不稳定性这一障碍，推进和加快支撑液膜的工业应用步伐提供了有价值的参考。同时，课题组还研制、改进了一些测量仪器及技术，这对于从事理论研究和化学实验都有一定的使用价值。

本书由何鼎胜、马忠云、马铭编著。第1章由马忠云编写，第2章由马忠云、何鼎胜编写，第3章和第7章由马铭、何鼎胜编写，第4章~第6章由何鼎胜编写，全书的统筹定稿、文字润饰、图表编辑由何鼎胜完成。本书部分文献的电子版由马忠云提供。书稿的校对由何鼎胜、马忠云、马铭完成。

本书由湖南师范大学化学生物学及中药分析*重点实验室、植化单体开发与利用湖南省重点实验室、湖南师范大学化学学科建设经费资助出版。

衷心感谢华南理工大学环境工程学科博士导师张秀娟教授，是她精心的培养和指导引领笔者步入液膜科学研究的殿堂。

美国North Carolina大学的刘述斌博士在湖南师范大学化学化工学院为研究生讲授“高斯软件及应用”时，笔者有幸参与该课程的学习，特此致谢。

由于笔者学术水平和研究实践所限，书中难免存在疏漏和不当之处，希望专家、同行、广大读者不吝赐教和斧正。

何鼎胜

《支撑液膜——化学原理及应用》对在传统的萃取分离单元操作的基础上形成、发展起来的支撑液膜分离技术的基本概念、分离原理、过程特征、实验技术和应用做了重要阐述。尤其对制约支撑液膜发展应用的膜稳定性这一难题从不同角度进行了分析，并用一章的篇幅阐述量化计算在液膜萃取研究中的应用，从微观的角度深入揭示了支撑液膜膜相中各种成分的相互作用及对液膜萃取特性、膜稳定性、支撑液膜迁移溶质规律的影响，为想了解正在发展中的支撑液膜分离技术的读者提供全面而梗概的认识。

本书可作为高等院校化工、资源循环与再利用、环境保护、生物化工、催化、湿法冶金、制药等专业师生的教学参考书，也可供从事分离过程研究的工程技术人员参考。

第1章液膜概述1

1.1引言1

1.2液-液萃取基本概念1

1.3液膜体系概述5

1.3.1液膜组成6

1.3.2大块液膜8

1.3.3乳状液膜9

1.3.4支撑液膜9

1.4支撑液膜构型的探索11

1.4.1反萃取相预分散支撑液膜和料液相预分散支撑液膜11

1.4.2流动液膜(包容液膜)12

1.4.3液体薄膜渗透萃取13

1.4.4静电式准液膜13

1.4.5内耦合萃反交替14

1.4.6支撑乳化液膜15

1.4.7离子液体支撑液膜16

1.5支撑液膜分离机理16

1.5.1单纯迁移16

1.5.2简单促进迁移17

1.5.3逆向和同向耦合促进迁移17

参考文献19

第2章支撑液膜分离过程的化学原理21

2.1液体表面21

2.1.1表面张力与表面自由能21

2.1.2弯曲液面内外压力差与曲率半径的关系——YoungLaplace公式22

2.1.3弯曲液面的蒸气压与曲率半径的关系——Kelvin公式23

2.2溶液表面23

2.2.1溶液的表面张力、表面活性和表面活性剂23

2.2.2表面过剩和Gibbs公式24

2.2.3溶液表面的吸附等温线25

2.3液-液界面26

2.3.1界面张力和界面自由能26

2.3.2萃取体系中液-液界面特性研究26

2.3.3滴体积法测界面张力28

2.4固-液界面30

2.4.1接触角与润湿的关系30

2.4.2支撑液膜体系的固-液界面30

2.5支撑液膜传质的热力学31

2.6支撑液膜传质的动力学33

2.6.1平板型支撑液膜的传质动力学33

2.6.2中空纤维支撑液膜的传质动力学36

2.7与液膜有关的流变学简介40

2.7.1黏度和牛顿流体、非牛顿流体40

2.7.2流型41

2.7.3假塑性体系和塑性体系41

2.7.4胀性体系41

2.7.5触变性体系42

参考文献42

第3章支撑液膜分离过程的动力学研究44

3.1研究支撑液膜中萃取和反萃取过程动力学的意义44

3.2经典反应动力学的基本概念和定理45

3.2.1反应速率和质量作用定律45

3.2.2阿伦尼乌斯定理46

3.2.3单向连续反应46

3.3支撑液膜分离过程的动力学模拟研究48

3.3.1迁移池48

3.3.2单向一级连续反应的动力学模拟50

3.3.3料液相、反萃取相、液膜相不同的体积对动力学模拟的影响52

3.3.4非稳态分析53

3.3.5稳态近似54

3.3.6温度对膜迁移速率的影响56

3.3.7搅拌速率对膜迁移动力学的影响57

3.3.8质量迁移阻力58

3.3.9液膜萃取和反萃取双界面反应动力学的深入认识59

参考文献60

第4章支撑液膜的稳定性62

4.1支撑液膜不稳定性的分析62

4.1.1溶解度效应62

4.1.2渗透压的影响64

4.1.3跨膜压差的影响65

4.1.4诱导乳化现象65

4.1.5浸润效应66

4.1.6发生化学反应67

4.1.7孔阻塞机理67

4.2支撑液膜稳定性的改进67

4.2.1双层支撑液膜67

4.2.2复合支撑液膜67

4.2.3反萃分散组合液膜69

4.2.4其他改进型支撑液膜69

4.3液膜相和制备工艺的研究69

4.3.1液膜相组成的设计69

4.3.2膜载体固定化70

4.3.3液膜相凝胶化71

4.3.4离子液体支撑液膜的制备72

4.3.5离子液体支撑液膜的稳定性和均匀性74

4.4膜支撑体的改进75

4.4.1膜支撑体的选择75

4.4.2平板夹心型支撑液膜和框式隔板夹心型支撑液膜76

4.4.3膜支撑体微孔结构的深度认识77

4.5支撑液膜更新技术79

4.5.1中空纤维更新液膜79

4.5.2支撑液膜的再生80

4.6支撑液膜稳定性研究的实验方法80

4.6.1交流阻抗法和膜电容研究液膜相液体的流失81

4.6.2表面膜电位的测量84

4.6.3液膜有机相流变性改性研究85

4.6.4液膜有机相水分含量的测定和液膜渗透溶胀87

4.6.5泡点法研究离子液体中空纤维支撑液膜稳定性87

参考文献88

第5章萃取体系中的微乳液91

5.1引言91

5.2微乳液的性质92

5.3萃取体系中的微乳液研究93

5.3.1有机磷酸酯萃取体系93

5.3.2环烷酸萃取体系94

5.3.3胺类萃取体系94

5.3.4中性磷氧萃取剂体系96

5.4微乳液研究中的有关实验技术96

5.4.1丁铎尔效应96

5.4.2二甲酚橙检验97

5.4.3电导滴定97

5.4.4溶水量和溶水量的测定97

5.4.5相区变化的观测98

5.4.6微乳液的量热滴定和光谱研究98

5.5与支撑液膜有关的微乳液体系研究98

参考文献99

第6章量化计算和液膜萃取101

6.1引言101

6.2有关理论101

6.2.1概念密度泛函理论和化学活性101

6.2.2化学位和电负性102

6.2.3硬度、软度、软硬酸碱原理、硬度原理102

6.2.4福井函数103

6.2.5双描述符105

6.2.6亲电性指数106

6.2.7静电势106

6.2.8原子电荷107

6.2.9前线分子轨道理论107

6.3计算图形填色图的绘制107

6.3.1福井函数绘图107

6.3.2绘制分子表面静电势填色图109

6.3.3绘制双描述符［f2(r)］填色图111

6.4用Hirshfeld电荷定量标度亲电性和亲核性111

6.5密度泛函理论在液膜萃取中的应用研究112

6.5.1计算热化学参数和萃取反应平衡常数112

6.5.2计算前线分子轨道理论中占据轨道和未占轨道的能量112

6.5.3萃取剂互变异构体稳定性及萃取特性的研究112

6.5.4液-液萃取反应中有关物种亲核性和亲电性的标度113

6.5.5计算化学对动力学协萃效应的深度认识113

参考文献115

第7章支撑液膜技术的应用117

7.1金属离子的富集和分离117

7.1.1Co2 、Zn2 、Hg2 、Cr(Ⅵ)117

7.1.2从电路板生产的蚀刻废液中回收Cu2 118

7.1.3镉(Ⅱ)的提取和富集120

7.1.4含90Sr废水的处理122

7.1.5锕系和镧系放射性核素123

7.1.6铀的回收125

7.2生化制品分离和富集126

7.2.1发酵液中提取青霉素G126

7.2.2回收5-甲基-2-吡嗪羧酸128

7.3分离和回收CO2129

7.4SLM分离手性物130

7.5SLM用于分析样品的前处理131

7.6SLM微型化133

7.7离子液体支撑液膜在石油化工领域中的应用135

7.7.1离子液体支撑液膜分离烃类混合物——甲苯和正庚烷135

7.7.2离子液体支撑液膜用于有机溶剂脱水135

7.7.3离子液体支撑液膜在CO2、SO2等气体分离中的应用136

7.8支撑液膜制备纳米材料137

7.9支撑液膜萃取回收高浓度煤气化含酚废水137

7.10支撑液膜驱动化学平衡的移动138

参考文献139

《支撑液膜——化学原理及应用》对在传统的萃取分离单元操作的基础上形成、发展起来的支撑液膜分离技术的基本概念、分离原理、过程特征、实验技术和应用做了重要阐述。尤其对制约支撑液膜发展应用的膜稳定性这一难题从不同角度进行了分析，并用一章的篇幅阐述量化计算在液膜萃取研究中的应用，从微观的角度深入揭示了支撑液膜膜相中各种成分的相互作用及对液膜萃取特性、膜稳定性、支撑液膜迁移溶质规律的影响，为想了解正在发展中的支撑液膜分离技术的读者提供全面而梗概的认识。

本书可作为高等院校化工、资源循环与再利用、环境保护、生物化工、催化、湿法冶金、制药等专业师生的教学参考书，也可供从事分离过程研究的工程技术人员参考。

《支撑液膜——化学原理及应用》是作者所在的课题组从无机化学、界面与胶体化学、物理化学、有机化学、配合物化学、量子化学等学科出发，对支撑液膜涉及的化学问题进行多角度长期研究的总结。本书从理论上深化了对支撑液膜分离技术的认识，为克服支撑液膜不稳定性这一障碍，推进和加快支撑液膜的工业应用步伐提供了有价值的参考。