关于三种新型分离技术的综述

关于三种新型分离技术的综述与讨论•19*1引言国内外对分离技术的发展十分重视，但由于应用领域十分广泛，原料、产品和对分离操作的要求多种多样，决定了分离技术的多样性。按机理划分，可大致分为五类：生成新相以进行分离(如蒸馏、结晶)；加入新相进行分离(如萃取、吸收)；用隔离物进行分离(如膜分离)；用固体试剂进行分离(如吸附、离子交换)和用外力场或梯度进行分离(如离心萃取分离、电泳)等。现在运用较多且有很大发展前景的新型分离技术有超临界流体萃取技术、分子蒸馏技术和膜分离技术。2超临界流体萃取技术及其应用超临界流体萃取是_种以超临界流体代替常规有机溶剂对目标组分进行萃取和分离的新型技术。其原理是利用流体(溶剂)在临界点附近区域(超临界区)内与待分离混合物中的溶质具有异常相平衡行为和传递性能，且对溶质的溶解能力随压力和温度的改变而在相当宽的范围内变动来实现分离的。由于二氧化碳具有无毒、不易燃易爆、廉价、临界压力低、易于安全地从混合物中分离出来，所以是最常用的超临界流体。相对于传统提取分离方法(煎煮、醇沉、蒸发浓缩等)具作者简介：周芙蓉，女，中北大学化工与环境学院研究生有以下优点：萃取效率高、传递速度快、选择性高、提取物较干净、省时、减少有机溶剂及环境污染、适合于挥发油等脂溶性成分的提取分离。2.1超临界流体萃取技术特点⑴由于在临界点附近，流体温度或压力的微小变化会引起溶解能力的极大变化，使萃取后溶剂与溶质容易分离。⑵由于超临界流体具有与液体接近的溶解能力，同时又保持了气体所具有的传递性，有利于高效分离的实现。(3)利用超临界流体可在较低温度下溶解或选择性地提取出相应难挥发的物质，更好地保护热敏性物质。(4)萃取效率高，萃取时间短。可以省却清除溶剂的程序，彻底解决了工艺繁杂、纯度不够且易残留有害物质等问题。(5)萃取剂只需再经压缩便可循环使用，可大大降低成本。(6)超临界流体萃取能耗低，集萃取、蒸馏、分离于_体，工艺简单，操作方便。(7)超临界流体萃取能与多种分析技术，包括气相色谱、高效液相色谱、质谱等联用，省去了传统方法中蒸馏、浓缩溶剂的步骤。避免样品的损失、降解或污染，因而可以实现自动化。2.2超临界流体萃取技术的应用2.2.1医药方面的应用医药工业中广泛涉及从动植物中提取有救药用成分、药用成分分析及租品的浓缩精制等，特别是生化药品的提纯、干燥、造粒、制缓释丸11]等都应用到超临界流体萃取（SFE)技术。超临界流体（SCF)—个主要优点是它对挥发度极低的物质萃取能力不强，而通过选择适当的压力和温度，对挥发度中等偏低的物质可选择萃取。SFE技术应用于酶及维生素的精制、回收方面效果十分显著；从动植物原料中提取生物碱、生育盼、精油等药用成分；在抗生素等药物生产的浓缩精制、脱溶过程中也取得成功。SFE技术还应用到制取中成药方面。众所周知，中药的传统服用方法是加水煎熬，制成口服或外用药液。但是加热会使某些热敏性有效成分受热破坏，降低疗效。然而采用SFE技术可从中草药中提取高含量的有效成分[2],例如用SFE法从月见草种子中萃取月觅草油，与传统萃取方法溶剂法进行比较。用SFE技术萃取的精油含有较高的亚麻酸，可达到9.461%,升高温度可提高到9.488%。而溶剂法萃取的精油中亚麻馥仅有7.844%,且用SFE萃取的精油色泽纯正，透明度好[3]。此外，还可利用SFE技术从药用植物原紫草、蛇床子和桑白皮中提取有效成分[4]。如利用SFE萃取技术与尿素包合法相结合可从鱼油中提纯出药用价值和营养价值很高的EDA(二十碳五烯酸)和DHA(二十二碳六烯酸)'EDA和DHA对大脑有活化作用，在治疗和防治动脉粥样硬化、老年性痴呆以及抑制肿瘤等方面都有较好的疗效[6]。此外，还有报道利用SFE技术提取生物碱、鸦片、甘油酯、春黄菊油的研究以及从菊花根中获得除虫菊酯等萃取工艺[7-11]。SFE还用于分折药品组分。如分析血浆中的药品及代谢物含量，分析动物组织中所含药剂及药剂残留物，从中毒人体的脂肪组织中分析毒物多氯联苯的含量从食物和土壤中分析农药残留量等。马熙中等用自行设计的SCF装置分析了中药肉苁蓉的化学成分。结果证明，与常规中药研究方法相比，SFE法可更有效地提取复杂中药中的挥发性成分。采用SFE法，萃取过程极为简单，在20MPa压力、50°C条件下仅需几十毫升的C〇2流体，1h之内即可完成，得到很好的分离结果。2.2.2在化学工业方面的应用SFE技术在石蜡族、芳香族、环烷族等的同素物分离精制方面取得了很大进展。SFE技术还成功地用于己内酰胺、己二酸、DMT(二甲基色胺)等水溶液的脱水和回收有机物，特别是可分离醇一水共沸混合物。在聚合反应和石蜡异构反应中以SCF为稀释剂也取得了较好效果。用SFE技术可加工处理各种燃料。油渣深加工—直是个难题，采用SFE技术可从油渣中脱除沥青和重金属，迅速分离出纯油。从褐煤加氢产品渣中可获得45%的燃油，这是用其他方法办不到的。SCF还可莘取煤中的石蜡、杂酚、煤焦油等成分。在适宜的SFE条件下可从大量木材加工废料中回收可观的酚类产品作为重要的化工原料。3分子蒸馏技术分子蒸馏是一种特殊的液-液分离技术，在极高真空下操作。它是根据不同物质其分子运动有不同的平均自由程这一物理特性而达到分离的目的，因而能使液体在低于其沸点的温度下将其分离，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物系的分离。由于其具有蒸馏温度低于物料的沸点、蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高等特点，因而能大大降低高沸点物料的分离成本，极好地保护了热敏物料的品质。与常规蒸馏相比，具有明显地优点：分离程度比常规蒸馏的高，蒸馏压强极低，蒸发温度低，受热时间短等。3.1分子蒸馏过程技术的基本原理和特点3.1.1分子蒸馏过程技术的基本原理分子蒸馏(moleculardistillation)是指在高真空的条件下，液体分子受热从液面逸出，利用不同分子平均自由程差导致其表面蒸发速率不同而达到分离的方法[12]。分子分离过程如图1所示，经过预热处理的待分离料液从进料口沿加热板自上而下流入，受热的液体分子从加热板逸出。由于冷凝和蒸发表面的间距一般小于或等于蒸发分子的平均自由程，逸出分子可以不经过分子碰撞而直接到达冷凝面冷凝，最后进入轻组分接收罐。重组分分子由于平均自由程小，不能到达冷凝板，从而顺加热板流入重组分接收罐中，这样就实现了轻重组分的分离[13]。3.1.2分子蒸馏过程技术的特点(1)分子蒸馏是在远低于沸点的温度下进行操作的；⑵分子蒸馏是在很低的压强下进行操作，_般为10-1Pa数量级(10-3数量级)，可使物料避免氧化受损；⑶物料受热时间短，避免了因受热时间长造成某7说合液t麵分图1分子蒸馏过程些组分分解或聚合的可能；⑷分子蒸馏的分离程度更高，能分离常规蒸馏不易分开的物质；(5)无毒、无害、无污染、无残留，可得到纯净安全的产物；(6)可进行多级分子蒸馏，适用于较为复杂的混合物的分离提纯，产率较高；(7)特别适合于不同组分分子平均自由程相差较大混合物的分离；(8)更适用与对热敏感、产物附加值高的黏性物料；(9)可与超临界流体技术和膜分离技术等配合配套使用。3.2分子蒸馏过程理论的研究国内外许多学者在过去几十年里，尝试建立了两种不同方法来研究分子蒸馏过程。一种是蒸发系数法，即把各种阻力对分子蒸馏速率的影响归纳于参数蒸发系数E，但是由于在某种条件下得到的E值并不能用于另一种条件下的分子蒸馏速率的预测，所以采用该方法研究分子蒸馏并无太多的现实意义。另一种方法是数学模型化法，即对分子蒸馏过程各个阶段产生的阻力进行研究，分别建立数学模型并求解，计算出分子蒸馏的速率。ReesGJ114~15针对离心式分子分馏器从传质传热机理出发，建立了一维数学分析模型，提出了蒸发面温度、液膜厚度与蒸发速率相关联的有限元方程，从微观方面分析了分子蒸馏过程。M等[16]用高质量流量下膜理论描述了静止式分子蒸馏器液体内部传递过程对液相温度和组成分布的影响，理论和实验结果取得了一致。对于分子蒸馏过程的二维数学模型的研究，目前还具有很大的局限性。主要是因为模型假设条件的一个基本前提是：液膜流动必须为充分发展的稳态层流，因此在高Re数下对模型的求解是非常困难并且无法实现的[1]。巳等[17]对降膜式分子蒸馏器建立了相应的二维模型并且模拟计算，与实验数据对比良好。NguyenAD等[18]对刮膜式分子蒸馏器的边界条件进行了一定的简化和假设，忽略液膜内部的温度梯度与径向浓度梯度变化，只考虑了轴向液膜组成的变化，建立了质量衡算方程并求解。实际上迄今为止，由于刮膜分子蒸馏器液体流动过程非常复杂，对刮膜式分子蒸馏器内液膜传质传热的研究仍然是_个难点。3.3分子蒸馏过程技术研究展望分子蒸馏过程技术作为近年来发展起来的一种新型的分离技术，在国内的工业化应用处于刚刚起步阶段。由于分子蒸馏设备为高真空设备，_次性投资大，连续化生产能力低，目前主要应用于高附加值产品的制造与加工。随着分子蒸馏过程技术研究的不断深入和发展，应大力加强各企业单位与高校之间的广泛技术交流与合作，向节能与高效的方向开发设计分子蒸馏设备，深入研究过程机理，揭示其规律性，从理论与实践两方面结合使分子蒸馏过程技术不断完善和发展，推动工业化的应用进程，以便带来更好的社会效益和经济效益。4膜分离技术膜分离技术是20世纪末兴起的一种新型分离技术，预计21世纪还会以更快的速度发展。膜分离技术是以选择透过性膜作为分离介质，通过在膜两侧施加某种推动力（如压力差、蒸气分压差、浓度差、电位差等)，使得原料侧组分有选择性地透过膜，从而达到分离、提纯和浓缩的目的。虽然膜分离技术的机理、操作方式各异，但它们具有相同的优点：过程一般较简单，费用较低，效率较高，通常没有相变，可在常温下操作，既节省能耗，又适用于热敏物质的处理，在食品加工、医药和生化技术领域有其独特的适用性。近年来，膜分离已z轻分子z;歌组分itIi轻分子/I',黽组分、0i/轻分子冷凝板加热板逐渐成为化学工业、食品加工、废水处理、医药技术等方面的重要分离技术。4.1重要的膜分离技术4.1.1渗透和透析渗透是一个扩散过程，膜两侧的溶剂在渗透压差的作用下产生流动。透析是利用膜两侧的浓度差从溶液中分离小分子物质的过程，使原溶液浓度不断降低，过程的推动力也因此不断减小，医疗上用于治疗肾功能衰弱患者，工业上用于从人选毛或合成丝厂的纤维废液中回收NaOH。4.1.2反渗透和超滤、微过滤如果在渗透实际装置的膜两侧造成_个压力差并使其大于渗透压，就会发生溶剂倒流，使浓度较高的溶液进_步浓缩，这_现象就叫反渗透。如果膜只阻挡大分子，而大分子的渗透压是不明显的，这种情况叫作超滤。以多孔细小薄膜为过滤介质，使不溶物浓缩过滤的操作为微过滤；按粒径选择分离溶液中所含的微粒和大分子的膜分离操作为超滤；从溶液中分离溶剂的膜分离操作为反渗透，超滤和反渗透及反渗透及微过滤都是以压力差为推动力的。4.1.3电渗析电场中交替装配阴离子和阳离子交换膜，在电场中形成_个个隔室，使溶液中的离子有选择地分离或富集，这就是电渗析。4.1.4气体分离气体分离是利用微孔或无孔膜进行气体分离的。膜的材料可以是高分子聚合物膜，也可以是金属膜或玻璃膜，主要用于合成氨工业中氢的回收[19]。4.2膜分离技术最新研究现状和发展趋势4.2.1电渗析技术电渗析是在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜而迁移，使带电离子从水溶液和其他不带电组分中部分分离出来的一种电化学分离过程。电渗析技术最新的研究现状和发展趋势有：(1)无极水电渗析技术。它的主要特点是除去了传统电渗析的极室和极水。该装置的电极紧贴_层或多层阴离子交换膜。它们在电气上都是相互连接的，这样既可以防止金属离子进入离子交换膜，又防止极板结垢和延长电极的使用寿命。由于取消了极室，无极水排放，极大地提高了原水的利用率。(2)无隔板电渗器。用新设计的JM离子交换网膜构件取代离子交换膜和隔板，此新构件具有普通离子交换膜和隔板的功能。无隔板电渗析器是_种不需要配置隔板，直接由」M离子交换网膜和电极为主要部件组装而成的新型电渗析器。(3)