新型绿色化工分离技术及其应用

新型绿色化工分离技术及其应用摘要：伴随着能源危机、环境污染，现在对资源利用与清洁生产提出较高要求，此也推动了新型绿色分离技术的快速发展。文章则主要介绍了膜分离技术、分子蒸馏技术及超临界萃取技术的原理及应用。关键字：新型绿色分离技术膜分离技术分子蒸馏技术超临界萃取技术前言化工分离技术是化学工程的一个重要分支,石油炼制、塑料化纤、同位素分离,以及生物制品的精制、纳米材料的制备、烟道气的脱硫和化肥农药的生产等等都离不开化工分离技术。化工生产中的原料和产物绝大多数都是混合物,需要利用体系中各组分物性的差别或借助于分离剂使混合物得到分离提纯，它往往是获得合格产品、充分利用资源和控制环境污染的关键步骤。伴随着煤炭与石油危机引起的能源危机，对资源利用与清洁生产也提出了要求，这就对分离技术的要求越来越高。正是人们希望采用更高效的节能、优产的方法以及所采用的过程与环境友好，推动了新型分离技术的快速发展。文章对膜分离技术、分子蒸馏技术和超临界萃取的应用进行阐述。1膜分离技术近20年来膜技术发展及其迅速，已从单独的海水与苦咸水脱盐，纯水及超纯水的制备，工业用水的回用，逐步拓展到环保、化工、医药、食品等领域中，发展前景备受关注。膜分离技术具有分离效率高、能耗低、无相变、操作简便、无二次污染、分离产物易于回收、自动化程度高等优点，在水处理领域具有相当的技术优势[1]，是现代分离技术中一种效率较高的分离手段[1,2,3]。目前常见的膜分离过程课分为以下几种：微滤（Microfiltration，MF），超滤（Ultrafiltration，UF），纳滤（Nanofilatration，NF），反渗透（Reverseosmosis，RO），电渗析（Electrodialysis，ED）等。1.1微滤1.1.1微滤原理微滤又称精过滤，其基本原理属于筛网状过滤，在静压差的作用下，利用膜的“筛分”作用，小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子则被截留到膜面上，使大小不同的组分得以分离，其作用相当于“过滤”。由于每cm2滤膜中约含有1000万至1亿个小孔,孔隙率占总体积的70%-80%,阻力很小,过滤速度较快。1.1.2微滤的应用微滤处理的一般都是微米级的颗粒物。在工业发达国家，从家庭生活到尖端技术都在不同程度地应用微滤技术，其主要用于无菌液体的制备、生物制剂的分离、超纯水的制备以及空气的过滤、生物及微生物的检测等方面。目前，用于油田含油污水处理方面，微滤具有较大的通量和抗污染能力，过滤速率要高出超滤、反渗透的2～4个数量级，且更为经济。微滤膜根据其材质可分为有机（高分子或聚合物）微滤膜、无机微滤膜和复合微滤膜[4]。1.2超滤1.2.1超滤原理超滤是在压差推动力作用下进行的筛孔分离过程，它介于微滤和纳滤之间，膜孔径范围是1nm～0.05nm。其分离机理主要是靠物理的筛分作用，即在一定的压力作用下，当含有大、小分子物质2类溶质的溶液流过被支撑的膜表面时，溶剂和小分子溶质（如无机盐类）将透过膜，作为透过物被收集起来，大分子溶质（如有机胶体）则被膜截留而作为浓缩液被回收。1.2.2超滤的应用超滤的应用领域很广，但其主要应用还是在于溶液的净化、分离和浓缩方面，且多采用错流操作。具体应用有工业废水处理、城市污水的处理、水的净化、食品与医药工业的应用、生物技术工业的应用等[5,6,7]。1.3纳滤1.3.1纳滤原理纳滤是根据吸附扩散原理以压力差作为推动力的膜分离过程。其截留分子量介于反渗透膜和超滤膜之间，约200～2000，微孔结构可能在1nm左右，兼有反渗透和超滤的工作原理[8]。在分离过程中，水溶液中低分子量的有机溶质被截留，而盐类组分则部分透过非对称膜。纳滤能使有机溶质得到同步浓缩和脱盐，而在渗透过程中溶质损失极少。纳滤膜能截留易透过超滤膜的那部分溶质，同时又可使被反渗透膜所截留的盐透过。1.3.2纳滤的应用纳滤膜具有热稳定性、耐酸、碱和耐溶剂等优良性能，所以在工业领域有着广泛的用途。目前，纳滤分离技术越来越广泛地应用于食品、医药、生化行业的各种分离、精制和浓缩过程，其分离机理的研究也成为当今膜科学领域的研究热点之一。1.4反渗透1.4.1反渗透原理反渗透是利用反渗透膜选择性地透过溶剂（通常是水）而截留离子物质的性质，以膜两侧静压差为推动力，克服溶剂的渗透压，是溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的过程。其传递机理众说纷纭，代表性的主要有：溶解—扩散理论、优先吸附—毛细孔流理论、氢键理论、道南（Donnan）平衡模型等[1]。1.4.2反渗透的应用反渗透过程主要用于低分子量组分的浓缩、水溶液中溶解的盐类的脱除等。目前，反渗透技术的大规模应用主要在海水和苦咸水的谈化。此外，还应用于纯水制备、生活用水处理以及乳品、果汁的浓缩、肾透析、生化和生物制剂的分离和浓缩等。今后的发展将优先发展抗氧化膜，耐细菌侵蚀的膜，透水性好、易清洗、消毒的膜[8]。1.5电渗析1.5.1电渗析原理电渗析是在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择渗透性（与膜电荷相反的离子透过膜，相同的离子则被膜截留）使溶液中的离子作定向移动以达到脱除或富集电解质的膜分离操作。它可使电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。它是一种特殊的膜分离操作，所使用的膜只允许一种电荷的离子通过而将另一种电荷的离子裁留，称为离子交换膜。1.5.2电渗析的应用电渗析的特点：在常温常压下进行；只对电解质的离子起选择迁移作用，而对非电解质不起作用；除盐过程中没有物相的变化，能耗低；不需要从外界向工作液体中加入任何物质，也不使用化学药剂，保证了工作液体原有的纯净程度，对环境没有清洁能源，属清洁工艺[1]。因此，电渗析主要用途有：把溶液中部分电解质离子转移到另一溶液系统中去，并使其浓度增高，或参加反应等，如海水淡化[9]；从有机溶剂中去除电解质离子；提取生物化学物质[10]；电解质溶液中同电性但具有不同电荷的离子的分离。常见的电渗析技术有填充床电渗析，倒极电渗析和双膜电渗析等[11]。2分子蒸馏技术本世纪30年代，世界各国都开始重视并大力发展一种新的液液分离技术，用于对高沸点及热敏性物质进行提纯和浓缩。随着人们对微观分子动力学、表面蒸发现象研究的不断深入，学者们在分子平均自由程概念的基础上，提出了分子蒸馏的基本理论。人们从分子蒸馏基本理论出发，不断发展和改进分子蒸馏技术，并把它应用于食品[12,13,14]、医药、油脂加工、石油化工及造纸、生物工程、核工业等生产实践中。自90年代以来,随着人们对天然物质的青睐以及回归自然潮流的兴起，分子蒸馏技术得到了较为广阔的发展空间。2.1分子蒸馏的基本原理由分子运动平均自由程的公式λm=K·T∕(√2𝜋𝜋·d2·P)可以看出，不同种类的分子，由于其分子有效直径不同，其平均自由程也不相同，换句话说，不同种类的分子逸出液面后不与其他分子碰撞的飞行距离是不相同的。分子蒸馏技术正是利用不同种类分子逸出液面后平均自由程不同的性质实现的。轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程小，若在离液面小于轻分子的平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一冷凝面，使得轻分子落在冷凝面上被冷凝，而重分子因达不到冷凝面而返回原来液面，这样混合物就分离了。2.2分子蒸馏的特点由分子蒸馏分离的基本原理可以看出，分子蒸馏具有以下特点：操作温度低、蒸馏压强低、受热时间短、分离程度高[15]。2.3分子蒸馏的应用分子蒸馏可广泛应用于国民经济的各个方面，特别适用于高沸点和热敏性及易氧化物料的分离。目前可应用分子蒸馏生产的产品在数百种以上[16]，如石油化工上，碳氢化合物的分离，原油的渣油及其类似物质的分离，表面活性剂的提纯及化工中间体的精制等；塑料工业上，增塑剂的提纯，高分子物质的脱臭，树脂类物质的精制等；医药工业上，提取合成及天然维生素A、E，制取氨基酸及葡萄糖衍生物等；香料工业上，处理天然精油，脱臭、脱色、提高纯度,使天然香料的品位大大提高。分子蒸馏器集中体现了分子蒸馏技术的关键。分子蒸馏器的形式，大体可分为简单蒸馏型与精密蒸馏型，但现今采用的装置多为简单蒸馏型。简单蒸馏型有静止式、降膜式、离心式三种形式[17]。3超临界萃取超临界流体萃取（Supercriticalfluidextraction，简写SCFE）是一种新型的萃取分离技术，其起源于20世纪40年代，70年代投入工业应用，并取得成功。过去，分离天然的有机成分一直沿用水蒸汽蒸馏法、压榨法、有机溶剂萃取法等。水蒸汽蒸馏法需要将原料加热，不适用于化学性质不稳定成分的提取；压榨法得率低；有机溶剂萃取法在去除溶剂时会造成产品质量下降或有机溶剂残留；超临界流体萃取法则有效地克服了传统分离方法的不足，它利用在临界温度以上的高压气体作为溶剂，分离、萃取、精制有机成分。3.1超临界萃取的基本原理超临界流体是处于临界温度和临界压力以上的非凝缩性的高密度流体，没有明显的气液分界面，既不是气体，也不是液体，是一种气液不分的状态，性质介于气体和液体之间，具有优异的溶剂性质，粘度低，密度大，有较好的流动、传质、传热和溶解性能。流体处于超临界状态时，其密度接近于液体密度，并且随流体压力和温度的改变发生十分明显的变化，而溶质在超临界流体中的溶解度随超临界流体密度的增大而增大。超临界流体萃取正是利用这种性质，在较高压力下，将溶质溶解于流体中，然后降低流体溶液的压力或升高流体溶液的温度，使溶解于超临界流体中的溶质因其密度下降溶解度降低而析出，从而实现特定溶质的萃取。3.2超临界萃取的特点超临界流体技术在萃取和精馏过程中，作为常规分离方法的替代，有许多潜在的应用前景。其优势特点是：操作温度低；在高压、密闭、惰性环境中，选择性萃取分离天然物质精华；萃取工艺简单，效率高且无污染[18]。3.3超临界萃取的应用我国资源丰富，用超临界萃取有广泛的应用前景。许多都可以用超临界流体技术进行加工[18,19,20]。目前，超临界萃取技术在食品工业中用于茶叶、咖啡豆脱咖啡因；食品脱脂；酒花有效成分提取；植物色素的萃取；植物及动物油脂的萃取。在医药工业中用于酶、维生素等的精制；动植物体内药物成分的萃取；医药品原料的浓缩、精制；糖类与蛋白质的分离以及脱溶剂脂肪类混合物的分离精制等。在化妆品工业中用于天然香料的萃取；合成香料的分离精制；化妆品原料的萃取、精制。参考文献(1)陈麟凤.膜分离技术概述[J].环保技术，2011（2）:90-92.(2)郑领英,袁权.展望21世纪膜分离技术[J].水处理技术，1995,21(3):125～131.(3)高从楷.膜科学—可持续发展技术的基础[J].水处理技术,1998,24(1):14～19.(4)刘多容，陈玉祥，王霞等.微滤膜技术及应用研究[J].油气田环境保护，2008，18（1）：43-46.(5)韩宏大，吕晓龙，陈杰.超滤膜技术在水厂中的应用[J].供水技术，2007,1（5）：14-16.(6)张洁.超滤膜技术在水处理领域中应用及前景[N].中国新技术新产品，2008.(7)张鸿发.膜技术在食品加工中的应用[N].今日科技，1995（4）.(8)孙福强，崔英德等.膜分离技术及其应用研究进展[J].华工科技，2002,10（4）：58-63.(9)马会霞.盐水浓缩的电渗析工艺研究[D].大连，大连理工大学，2012.(10)王传怀，宇宏.电渗析在生物化学工业上的应用[J].化工时刊，1998（1）:20-22.(11)李长海，党小健，张雅潇.电渗析技术及其应用[J].电力科技与环保，2012,28（4）：27-30.(12)张大千.分子蒸馏单硬脂酸甘油酯的研制[J].广东化工,1989(3).(13)Asahina.Processforthemanufactureofsolanesol[P].USP.4,013,731.(14)杨兴明,郭允圭等.用分子蒸馏技术精制二聚酸的研究[J].广东化工,1993(1).(15)冯武文，杨村，于宏奇.分子蒸馏技术及其应用[J].化工进展，1998（6）：26-29.(16)冯武文，杨村，