2.3　液膜的构型

液膜技术按其构型和操作方式的不同，主要可以分为厚体液膜（bulk liquid membrane）、乳状液膜（emulsion liquid membrane，ELM）和支撑液膜（supported liquid membrane，SLM）。

2.3.1　厚体液膜

厚体液膜一般采用U形管式传质池。传质池分为两部分，下部为液膜相，上部分别为料液相和接收相，对三相均以适当强度进行搅拌，以利于传质并避免料液相与接收相的混合。厚体液膜具有恒定的界面面积和流动条件，操作方便，一般仅限于实验室研究使用。

2.3.2　乳状液膜

乳状液膜实际上可以看成一种“水-油-水”型（W/O/W）或“油-水-油”型（O/W/O）的双重乳状液高分散体系。将两个互不相溶的液相通过高速搅拌或超声波处理制成乳状液，然后将其分散到第三种液相（连续相）中，就形成了乳状液膜体系。图2-2给出了乳状液膜的示意图。介于乳状液球中被包裹的内相与连续外相之间的一相叫做液膜（膜相）。

可以看出，乳状液膜体系包括三个部分，膜相、内包相和连续相，通常内包相和连续相是互溶的，而它们与膜相则互不相溶。乳状液既可以是水包油的，也可以是油包水的。根据定义，前者构成的乳状液膜体系中的液膜为水膜，适用于从有机溶液中提取分离溶质；后者构成的乳状液膜体系中的液膜为油膜，适用于从水溶液中提取分离溶质。

膜相以膜溶剂为基本成分。为了维持乳状液一定的稳定性及选择性，往往在膜相中加入表面活性剂和添加剂（载体）。液膜的具体配伍要根据分离体系和分离要求来确定。

实际上，当两种互不相溶的液相通过高速搅拌或超声波处理制成稳定的乳状液时，乳状液中的内相微滴的直径一般在1～5μm左右。将乳状液分散到连续相中时，形成了许多包含若干个内包相微滴的乳状液液滴（如图2-2中所示）。乳状液液滴的大小取决于膜相表面活性剂的种类和浓度、乳状液分散于连续相时的能量输入的方式和大小。一般而言，乳状液液滴的直径一般控制在0.1～2mm左右。乳状液膜是一个高分散体系，提供了很大的传质比表面积。待分离物质由连续相（外相）经膜相向内包相传递。大量细小的乳状液液滴与连续相之间巨大的传质表面积促进了液膜分离过程。更为细小的内相微滴使反萃过程的界面面积比萃取的界面面积高2～3个数量级，这是通常的液液萃取过程无法达到的。

传质过程结束后，经澄清，乳状液小球迅速聚结，形成一乳状液层与连续相分离。分离出的乳状液通常采用静电方法破乳，膜相可以反复使用，内包相经进一步处理后回收浓缩的溶质。

乳状液膜体系中溶质通过的介质膜为液膜，与固体膜相比，液膜的优势如下：

（1）传质速率高　溶质在液体中的分子扩散系数（10-6～10-5cm2/s）比在固体中高几个数量级，而且液膜中还可能存在对流扩散，其传质速率比在固体膜中的高；

（2）选择性好　固体膜往往对某种特定离子或分子的分离选择性比较差，例如，对于O2/N2分离，目前的商用聚合物膜，其分离系数为7.5左右，采用液膜所获得的分离系数可高达79以上[13]。

与固体膜相比，乳状液膜分离过程及设备匹配相对复杂，整个过程包括制乳、提取与破乳等工序。另外，液膜分离过程往往把互相矛盾的条件交织在一起，例如，传质过程中需要的巨大传质表面积与液膜分离体系的泄漏和溶胀的矛盾、液膜分离体系的稳定性与传质过程结束静电破乳的矛盾等，因此，实现乳状液膜分离过程的稳定操作比较困难。

2.3.3　支撑液膜

一般认为，支撑液膜具有两种形式，一种是浸渍式支撑液膜，见图2-3（a），另一种叫做隔膜式液膜或者封闭式液膜，见图2-3（b）。隔膜式液膜或者封闭式液膜可归结为同级萃取反萃取的膜萃取过程，在本书第3章中阐述。

浸渍式支撑液膜是将膜相牢固地吸附在多孔支撑体的微孔之中，在膜的两侧则是与膜相互不相溶的料液相和反萃相。待分离的溶质自料液相经多孔支撑体中的膜相向反萃相传递。浸渍支撑液膜所需的膜液量极小，例如，对于厚度为20μm、孔隙率为50%的支撑膜，浸渍1m2支撑膜所需的液相的量仅为10mL。由于支撑液膜中充当膜相的溶剂量较少，故可以选用促进迁移载体含量高的溶剂或价格昂贵但性能优越的萃取剂。浸渍式支撑液膜的操作方式比乳状液膜简单，它无需使用表面活性剂，也没有制乳和破乳过程。但是，支撑液膜的膜相是依据表面张力和毛细管作用吸附于支撑体微孔之中的，为了减少扩散传质阻力，要求支撑体很薄，并且要有一定的机械强度和疏水性。此外，在使用过程中，支撑体上的膜相会由于流动着的料液相和反萃液相对它的溶解性损失、膜两侧的压差及膜内渗流等原因出现流失而使支撑液膜的功能逐渐下降。在支撑液膜工艺过程中，一般需要定期向支撑体微孔中补充膜相溶液，采用的方法通常是在反萃相一侧隔一定时间加入膜相溶液，以达到补充的目的。

支撑体材料的性能和结构对于支撑液膜的稳定性和传质速率有重要的影响。一般要求支撑体具有化学稳定性（如耐酸、耐碱和耐油）、合适的厚度、孔径、孔隙率以及良好的机械强度。目前使用的疏水性微孔膜，膜厚为25～50μm，微孔直径为0.2～1μm。一般认为聚乙烯和聚四氟乙烯制成的疏水微孔膜效果较好，聚丙烯膜次之，聚砜膜做支撑的液膜的稳定性较差。表2-1和表2-2列举一些支撑体材料。

为了提高传质比表面积，可以将用液膜浸渍后的支撑膜制成卷包式组件或采用中空纤维膜等做支撑体。按照支撑体的构型，浸渍式支撑液膜主要可以分为三种类型，即平板型支撑液膜、卷包型支撑液膜和中空纤维管型支撑液膜。

（1）平板型支撑液膜　图2-4是平板型支撑液膜装置示意图。它的支撑体是一片多微孔高分子薄膜，含载体的有机溶液附着在微孔中，形成有机液膜。膜厚度和有效液膜面积与所用的支撑体的薄膜厚度、孔径和孔隙率有关。支撑液膜夹在两个水相腔室之间。在腔室内各有一片网状塑料垫片，支撑着膜相，并防止水相流体短路。料液和反萃液可以用输液泵推动其在膜相两侧腔室中循环流动。平板型支撑液膜构件的单位体积的传质面积比较小，一般约为102m2/m3量级。平板型支撑液膜装置则可以把多个单元构件连接起来。

（2）卷包型支撑液膜　卷包型支撑液膜装置如图2-5所示。与平板型支撑液膜一样，卷包型支撑液膜所用的支撑体也是多微孔高分子薄膜，而且两层支撑液膜之间有网状塑料隔离垫片。这种垫片一般厚度大约为1mm，既起防止流体短路的作用，又起支撑水相腔室的作用。这种支撑体构件的单位体积的传质面积比较大，大约为103m2/m3量级，有工业应用价值。

（3）中空纤维管型支撑液膜　中空纤维管是一种管状的合成高分子纤维，管壁上有微孔。一般中空纤维管的内径约1.0～5.0mm，外径2.0～6.0mm，管壁的微孔径约为0.02～1.0μm，孔隙率约为40%～80%。用中空纤维管作为支撑体，载体的有机溶液附着在管壁上的微孔之中形成液膜，管程由料液相流过，壳程由反萃相流过。图2-6是中空纤维管型支撑液膜构件的剖面图。这种类型的支撑液膜的单位体积的传质面积比较高，一般约为104m2/m3量级，适合于工业化应用。